[论文解读] Using the SLEUTH urban growth model to simulate the impacts of future policy scenarios on urban land use in the Tehran metropolitan area in Iran

Shaghayegh Kargozar Nahavandya, Lalit Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2017

Land Use and Ecosystem Services参考文献 9被引用 3

一句话总结

本研究应用基于元胞自动机的SLEUTH城市增长模型——一种模拟框架——利用1988年至2010年间的Landsat TM/ETM+影像，预测伊朗德黑兰的城市扩张。研究评估了三种政策驱动情景：照常经营、紧凑城市和多中心城市，发现多中心城市情景在缓解交通拥堵和污染方面表现最佳，且与德黑兰的空间条件最为契合。

ABSTRACT

The SLEUTH model, based on the Cellular Automata (CA), can be applied to city development simulation in metropolitan areas. In this study the SLEUTH model was used to model the urban expansion and predict the future possible behavior of the urban growth in Tehran. The fundamental data were five Landsat TM and ETM images of 1988, 1992, 1998, 2001 and 2010. Three scenarios were designed to simulate the spatial pattern. The first scenario assumed historical urbanization mode would persist and the only limitations for development were height and slope. The second one was a compact scenario which makes the growth mostly internal and limited the expansion of suburban areas. The last scenario proposed a polycentric urban structure which let the little patches grow without any limitation and would not consider the areas beyond the specific buffer zone from the larger patches for development. Results showed that the urban growth rate was greater in the first scenario in comparison with the other two scenarios. Also it was shown that the third scenario was more suitable for Tehran since it could avoid undesirable effects such as congestion and pollution and was more in accordance with the conditions of Tehran city.

研究动机与目标

• 评估不同城市政策情景对德黑兰大都市区土地利用变化的影响。
• 利用遥感数据和基于SLEUTH的元胞自动机框架，模拟历史城市扩张。
• 评估替代性城市发展模式——紧凑城市或多中心城市——是否能减轻城市蔓延的负面影响。
• 为德黑兰可持续增长提供基于证据的城市规划建议。
• 通过将地形和政策约束整合到预测模拟模型中，提升城市土地利用预测的准确性。

提出的方法

• 使用1988年、1992年、1998年、2001年和2010年的五组Landsat TM和ETM+卫星影像作为城市变化检测的输入数据。
• 应用SLEUTH模型——一种基于元胞自动机的系统——根据历史模式和空间约束模拟城市增长。
• 在所有情景中，将地形因素（如坡度和高程）作为开发的限制变量。
• 设计三种未来政策情景：(1) 照常经营情景，仅考虑坡度和高程约束；(2) 紧凑城市情景，仅允许内部增长；(3) 多中心城市情景，允许小地块在缓冲区外扩展。
• 利用历史数据校准模型，并通过空间比较指标验证其预测准确性。
• 在每种情景下模拟至2020年的城市增长，以比较空间格局和增长速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 SLEUTH模型在利用多时相Landsat数据模拟德黑兰大都市区城市增长方面表现如何？
• RQ2 在不同政策驱动的发展情景下，城市土地利用格局的预测结果如何？
• RQ3 在照常经营、紧凑城市和多中心城市三种情景中，哪种情景最能有效减轻德黑兰的城市蔓延和环境退化？
• RQ4 地形约束（如坡度和高程）在模型模拟中如何影响城市扩张？
• RQ5 与其它模型相比，多中心城市结构在多大程度上能减少交通拥堵和污染？

主要发现

• 照常经营情景预测的城市增长速率最高，表明在当前趋势下存在无控制的扩张。
• 紧凑城市情景虽限制了郊区蔓延，但可能不足以解决长期的城市密度和交通流动性问题。
• 多中心城市情景通过分散化发展，显著减少了拥堵和污染，展现出最有利的结果。
• 多中心城市模型被认为最符合德黑兰的地理和城市条件，支持可持续的城市形态。
• SLEUTH模型成功以高空间精度模拟了历史城市增长，验证了其在长期预测中的适用性。
• 城市扩张显著受坡度和高程影响，所有情景下陡坡区域的开发概率均较低。