基于卫星反演的城市足迹动态与规制约束下的元胞自动机-马尔可夫预测：撒哈拉城市可持续规划框架

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Satellite-Derived Urban Footprint Dynamics and Regulatory-Constrained CA-Markov Forecasting: A Framework for Sustainable Planning of Saharan Cities

　　

摘要：多时相卫星影像为理解干旱地区的城市扩张动态提供了实证基础，但大多数土地用途预测模型未能整合那些决定增长在法律上获准区域的管理工具。本研究将卫星反演的城市足迹制图与一种新颖的管制约束元胞自动机-马尔可夫框架相结合，应用于阿尔及利亚撒哈拉地区快速城市化的乌尔戈拉都会区。利用随机森林分类方法，从Landsat和Sentinel-2影像中提取了1990至2025年四个时间节点的都市足迹，并以450个地面控制点进行验证。一项15年的前瞻性验证基准测试，将其与同一数据集上的标准无约束元胞自动机-马尔可夫模拟结果进行对比，显示出持续的优势：Kappa系数为0.9255，高于0.9026（+2.5%）；优点率为0.868，高于0.8311（+4.4%），超出文献中典型的0.05–0.40范围；曲线下面积为0.9702，高于0.9325（+4.0%），这反映了通过结构性地消除法律禁区中的预测而获得的优越概率校准效果。管制合规的2045年预测显示，25%–30%的城市扩张仅限于许可区域，决策支持输出表明用水需求将接近每年1.1亿立方米的开采上限，且对847公顷受保护农业用地零侵占。到2040年，受管区域接近饱和——这是结构性合规具有运营重要性的阈值。该开源工作流程在方法论上可推广至拥有标准卫星影像存档和本地可用分区文档的城市，为干旱地区的规划部门提供了基于证据的空间治理的严谨基础。

引言：多时相遥感是量化城市扩张的唯一系统性且经济有效的手段，可满足基于证据的规划所需的空间和时间尺度要求，特别是在人口普查数据稀疏且地籍记录不完整的快速增长城市中（Abdelsamie等，2024；Yaagoubi等，2024）。在撒哈拉和超干旱地带，城市化正受碳氢化合物经济和区域移民压力的推动而加速，卫星反演的土地利用变化数据已成为空间规划和环境管理中不可或缺的输入（Bensaad等，2019；Chakraborty等，2022；Rimal等，2025）。然而，遥感所揭示的过去和当前城市动态与规划部门所需内容之间仍存在关键性实施差距：即符合管制要求的、前瞻性的预测，这些预测不仅反映增长可能发生在何处，还反映法律框架规定其应发生在何处。这一脱节——本文将其称为管制-预测鸿沟——严重限制了基于遥感的城市增长模型的实用价值，并构成基于证据的空间治理的根本障碍（Clarke，2020；Herold等，2023）。

元胞自动机（CA）和CA-马尔可夫模型已成为基于卫星时间序列的土地利用与覆盖（LULC）预测的基石。这些模型通过基于遥感变化数据标定的转移规则模拟涌现的空间格局，捕捉真实城市化过程中特有的路径依赖和邻域效应（Chakraborty等，2022；Rimal等，2025）。当代方法学进展将空间驱动因素——可达性指数、地形约束、社会经济变量——与混合方法相结合，如将CA与神经网络、回归模型或基于主体的系统进行耦合（Azizi等，2022；Xu等，2022）。尽管取得了这些进展，大多数实现仍将管制约束视为后续考量，通过将分区法规和环保限制作为后处理过滤器应用，而非将其作为基本模型参数嵌入（Wang等，2021）。这种事后方法存在三个关键局限性：时间不一致性——过滤无法捕捉管制约束如何随时间塑造增长轨迹；空间不连续性——在模拟之后施加约束会产生人为边界，割裂原本连贯的扩张格局；以及有限的政策测试能力——由于该方法无法充分评估管制修改对预期城市发展的影响（Clarke，2020；Santé等，2021）。

这些局限性在干旱地区的后果尤为严重，因为水资源短缺和环境脆弱性所施加的约束不仅仅是管制偏好，更是生存必需条件。忽视这些现实的模型可能引导开发走向生态敏感或法律禁区，从而可能加速规划工具力求防止的环境退化（Ibrahim等，2023；UN-Habitat，2022）。撒哈拉城市中心是这些挑战的典型代表：受碳氢化合物经济驱动而快速扩张的城市必须同时运行在旨在保护有限农业用地、传统绿洲生态系统以及日益紧张的地下水资源的严格管制框架之内（Bouamrane和Bousnoubra，2021；Farhi，2022）。最新的水文地质学研究报告指出，阿尔及利亚撒哈拉各城市的地下水位下降、盐度锋前推进以及水质和水量方面面临的压力日益加剧（Kendouci等，2023；Mebarki等，2024）。这些压力推动管制收紧，但执法不力结合遥感预测模型系统性地排除管制参数，经常导致农业用地侵蚀和对环境敏感区域的侵占（Appiah-Opoku等，2023；Wagner和de Vries，2019）。正如Clarke（2020）所指出的，大多数城市增长模型仍主要作为学术练习运行，直接应用于规划的能力有限，这一差距在资源受限的撒哈拉市政机构中尤其后果严重。

方法学前沿日益以原生约束嵌入为特征，即将管制参数——分区法规、水资源可利用上限、保护区划定——直接整合进CA-马尔可夫转移规则或适宜性表面，而非作为外部过滤器应用（Wang等，2021；Zhang等，2022）。这种方法使模型能够在整个迭代扩张周期中仅模拟管制合规轨迹，从根本上将城市建模重新概念化为运营规划工具。新兴证据表明，原生整合并不一定降低预测准确性；相反，它可能通过从一开始就防止物理上或法律上不可能的转换来增强模型真实性（Marey等，2024；Wang等，2021）。然而，重大缺口仍然存在：很少有研究对整个15–20年的城市总体规划周期进行管制合规预测的模型标定与验证（Chakraborty等，2022；Rimal等，2025）；很少有研究将管制工具操作化为主动模拟驱动因素而非被动的后处理过滤器；而且在干旱卫星监测环境中，展示原生管制整合相对于传统方法有效性的对比基准研究仍然明显稀缺（Mebarki等，2024）。表1提供了代表性约束CA-马尔可夫研究的结构化比较，将RC-CAM置于现有方法学格局中，并明确其相对于先前方法的具体进展。

阿尔及利亚东南部（31.95°N，5.33°E）的乌尔戈拉都会区为填补这些缺口提供了卓越的实证试验场（图1）。这一快速扩张的大都市区由三个物理融合的城市公社（乌尔戈拉、鲁瓦萨特和阿因贝达）组成，受碳氢化合物开发和区域行政功能驱动而持续增长。三个因素使该都会区特别适合基于遥感的管制约束建模：一套全面的管制框架，具有定义明确的CODES_ZONE分类，清晰区分有利扩张区域和受限区域；严重的环境约束（表2），包括接近估计可持续开采上限（约每年1.1亿立方米）的有限地下水资源、覆盖研究缓冲区约40%的广阔盐碱滩（sebkhas），以及需要精细空间管理的脆弱绿洲生态系统；以及1990至2025年期间经过充分记录的卫星观测扩张历史——在此期间，连续建成核心从2.12平方公里增长到5.85平方公里，不同于更广泛的452平方公里集聚区——这使得在现实的规划时间跨度内进行严格的历史标定和前瞻性验证成为可能。此前对乌尔戈拉扩张的估计差异较大（C?te，2012；SAAD SAOUD，2025；Trache，2023），反映了遥感方法的不一致以及管制整合的持续缺失，这恰恰是本研究力图解决的条件。

本研究检验三个主要假设。H1（管制整合）假设将分区约束直接整合进CA-马尔可夫转移规则可产生具有结构性保证的管制合规预测——在每次模拟迭代中通过构造强制执行——而非事后过滤方法中可能出现的偶然事实合规（当历史增长模式恰好与分区指定一致时）。H2（预测性能）主张基于卫星反演LULC时间序列标定的管制约束CA-马尔可夫在15年前瞻性验证中可达到超过90%的预测准确性（Kappa > 0.9），挑战了约束必然损害统计性能的假设。H3（运营效用）提出该模型可生成市政部门直接可用于基础设施规划、政策评估和管制合规评估的预测。因此，主要目标是：(i) 从Landsat和Sentinel-2影像中提取并验证1990至2025年的多时相城市足迹；(ii) 开发一种具有原生分区整合的管制约束CA-马尔可夫框架，通过修改转移规则和适宜性表面实现；(iii) 通过严格的15年前瞻性测试（2010–2025）与常规CA-马尔可夫实现的系统对比来验证模型性能；(iv) 生成管制合规的2045年预测并转化为可操作的决策支持输出；以及(v) 建立可推广的开源方法，适用于全球干旱城市。通过原生约束整合弥合管制-预测鸿沟，本工作确立了运营城市预测范式，将基于遥感的CA-马尔可夫重新定位为干旱地区的运营规划工具，该地区的超过20亿人口正经历快速城市化（Wagner和de Vries，2019；Wang等，2021）。

各节摘要：

卫星影像多时相城市足迹提取：通过多源卫星影像的系统分析、实地验证和辅助规划文件的支撑，推导了四个时间节点（1990年、2000年、2010年和2025年）的城市足迹时间序列。卫星数据包括1990年和2000年的Landsat 5专题地图仪（TM）影像（30米空间分辨率）、2000年和2010年的Landsat 7增强型专题地图仪加（ETM+）、2010年的Landsat 8运营陆地成像仪（OLI），以及Sentinel-2多光谱仪（MSI）。

综合性能指标：管制约束CA-马尔可夫（RC-CAM）配置在所有验证指标和两个验证期间均表现强劲（图3，表6），超越了标准CA-马尔可夫基准（Kappa = 0.9026），后者在同一数据集上模拟时未施加CODES_ZONE约束（前瞻性+2.5%），并大幅超过被解释为极好一致性（Landis和Koch，1977）的0.8阈值。F1分数达到0.918（历史）和0.9293（前瞻性），与标准CA-马尔可夫相比……

从预测模拟到运营预测：结果表明，从纯粹的预测模拟向运营城市预测发生了有意义的转变，即模型不仅以高精度再现卫星观测到的空间格局，还在整个预测期内完全遵守现有管制框架。RC-CAM不再仅回答基于遥感动态增长可以发生在何处，同时回答了基于当前分区和环境……

结论：本研究证明了卫星反演的LULC时间序列和管制规划约束可以被整合进一个连贯的运营预测框架中，同时提供高预测准确性和完全的规划合规性。管制约束CA-马尔可夫（RC-CAM）框架，基于跨越1990至2025年的Landsat和Sentinel-2影像进行标定，应用于阿尔及利亚撒哈拉地区的乌尔戈拉都会区，取得了强劲的前瞻性验证性能（Kappa = 0.9255，AUC = …

CRediT作者贡献声明：Wahid Saad Saoud：撰写——初稿，软件，方法学，形式分析，数据整理，概念构思。Belkacem Dib：监督指导。Darda Bencheikh：撰写——审阅与编辑，验证，形式分析。

未引用参考文献：Mozaffaree Pour和Oja，2021；Pontius Jr和Millones，2011；Pontius Jr等，2007；van Vliet等，2016。

利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性声明：所有Python脚本、Jupyter笔记本、QGIS工作流程、配置文件、分类混淆矩阵、随机森林超参数以及足以方法学复制的完整样本数据集，均作为补充材料随本文提交。公共GitHub仓库将在论文被接受后创建。Landsat影像：USGS EarthExplorer（https://earthexplorer.usgs.gov）。Sentinel-2：ESA Copernicus Hub（https://scihub.copernicus.eu）。CODES_ZONE数据：可向城市规划和建设局（DUC）获取。

伦理声明：作者声明在发展、撰写和发表本文的过程中遵守了所有伦理规范。本研究涉及对公开可用的卫星影像（Landsat、Sentinel-2）、从乌尔戈拉Wilaya城市规划和建设局（DUC）获得的官方城市规划文件，以及2022至2023年期间收集的GPS实地调查数据的分析。本研究未涉及人体受试者、个人数据或动物实验。

资助声明：本研究未获得公共、商业或非营利机构的任何特定资助。

利益冲突声明：? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢：作者感谢乌尔戈拉城市规划和建设局（DUC）提供管制分区数据和规划文件，并感谢当地社区在实地调查期间的合作。感谢美国地质调查局（USGS）通过EarthExplorer开放获取Landsat数据。

谨致谢欧洲航天局（ESA）通过哥白尼开放获取中心提供哨兵 2 号影像数据的开放访问。
瓦希德·萨德·萨乌德 | 达尔达·本谢赫 | 贝尔卡塞姆·迪布
阿马尔·特利吉大学土木工程与建筑学院建筑系，阿尔及利亚，拉格纳特