基于地理分区与FLUS模型的城市扩张模拟与预警

城市的快速扩张不断改变着土地资源的转化,带来了诸多生态环境问题。分析和模拟城市扩张的机制,并对城市未来土地利用变化的风险进行预警,利于合理调控城市的发展。本文提出了一种基于地理分区和未来用地模拟(Future Land Use Simulation,FLUS)模型的城市扩张模拟模型,用于模拟和预测复杂的土地利用变化。该模型利用多指标数据进行空间聚类,耦合地理分区结果进行城市扩张模拟。珠江三角洲2005-2015年的城市扩张模拟结果显示,分区下的模拟精度(FoM=0.2329,提高了9%)明显高于未分区,说明不同分区在土地利用转化上存在空间差异,该模型能更有效地模拟城市土地利用变化。另外,本文构建了一种城市扩张预警指标评价体系,用于评估城市扩张的警情。根据在2005-2015基础上预测的2025-2045年土地利用变化结果,对珠江三角洲城市扩张进行多尺度预警分析。综合预警结果显示该区域大部分城市至2045年城市扩张警情将达到中警和重警,其中东莞警情一直维持在重警。由此,未来需要加强对珠三角城市扩张的宏观调控,以此来缓解未来城市扩张的警情。     

基于自然资源大数据的城市多功能景观识别与国土空间规划分区

多功能景观能够同时提供多种景观功能,可以充分缓解生态环境压力。在自然资源大数据支撑下基于基层行政管理单元开展的多功能景观研究,可以更加快速准确地反映区域自然地理格局与社会经济发展格局的空间特征与区域差异,其将景观功能管理和行政管理有效结合,能为市县级国土空间规划中控制线的划定和国土空间规划分区提供从功能评估到空间识别等多方面的技术支撑。本文在广泛收集土地利用变更调查数据、自然资源调查评价数据、气象数据、多源遥感数据等自然资源大数据的基础上,结合社会经济数据和兴趣点数据,基于InVEST模型、CASA模型、通用土壤流失方程以及核密度分析等方法对烟台市6种景观功能进行了空间量化;再以村级管理单元为基本空间单元进行景观功能热点分析以识别多功能景观区;利用Spearman相关系数分析各种景观功能间的权衡与协调作用;最后基于二阶聚类法进行景观功能聚类以开展烟台市国土空间规划分区,并制定相应的保护与发展策略。研究表明：① 烟台市35.5%的村级管理单元为多功能景观区;② 自然景观功能间呈协同作用,而自然景观功能与居住和经济承载功能间存在显著的空间冲突和权衡作用;③ 根据景观功能聚类结果,烟台市被划分为生态保护区、农业农村发展区、城镇功能发展区和城镇核心区,面积占比分别为30%,55%,11%,4%。规划分区与现状管理边界在空间上具有较强的一致性和协调性,表明在自然资源大数据支撑下,基于景观功能聚类分析的国土空间规划分区具有相当的准确性和实用性。     

FLUS-UGB多情景模拟的珠江三角洲城市增长边界划定

城市增长边界（UGBs）能够控制城市空间的无序蔓延并引导城市合理增长,多发展情景下的UGBs是对不同规划条件下城市未来发展空间范围进行界定的常用方法。元胞自动机（CA）模型能对未来城市发展进行动态的预测,并已广泛的应用于UGBs的划定中。然而,目前的方法和模型大多只针对单一的城市发展情景进行UGBs的划定,较少能对未来多种发展情景下的UGBs进行准确划定。因此,针对这个问题本文提出了一种基于未来用地模拟（FLUS）模型和膨胀与腐蚀的算法的多情景UGBs划定模型（FLUS-UGB）。本文选取珠江三角洲地区为研究区,在对2000-2013年珠江三角洲地区城市土地利用进行模拟和验证的基础上（Kappa系数为0.715,总体精度为94.539%）,预测了2013-2050年基准、耕地保护及生态控制3种情景下珠江三角洲地区的城市扩张,并根据预测结果对该地区UGBs进行划定。结果显示,该方法能够针对不同的城市发展情景进行相应UGBs的划定,具有较好的可靠性及适用性。     

国土空间规划视角下的城镇开发边界划定和空间管控体系构建

新时期国土空间规划背景下,科学合理地划定城镇开发边界,建立健全的国土空间用途管制制度是有序引导国土空间各类开发保护行为的重要举措。本文以福州市为例,构建了一种全域多维度国土空间管控体系,将其管控约束条件嵌入未来土地利用格局模拟中。同时,顾及区域空间异质性和时空依赖性,设计了一种服务于城镇开发边界划定的集成地理分区策略、深度学习技术、FLUS模型功能模块的时空元胞自动机ST-CA（Spatio-Temporal Cellular Automata）模型。基于已有成果集成三区三线,开展“划管结合”思维下的空间管控应用研究。结果表明：① 顾及区域空间异质性和时空依赖性的ST-CA模型可以有效提高土地利用变化模拟精度（OA指标从95.95%提升至98.34%）,实现更为真实、准确的地理模拟过程;② 地理模拟过程中嵌入管控约束条件,可引导城镇、农业和生态3类空间合理布局且规模可控,基于模拟结果划定的城镇开发边界能有效避开规划保护用地;③ 未来模拟预测结果结合管控预警值可看出,福州市主城区及周边区县的城镇扩张形势比较严峻,未来亟需对福州市国土空间格局进行合理调控;④ 边界变化趋势特征表明划定结果与福州市的远景发展规划布局一致,符合区域发展诉求,国土空间格局呈现多轴化发展趋势。研究结果可为福州市国土空间开发保护行为提供科学谋划,为国土空间管控及优化提供实践参考依据。     

AutoPaCA:耦合过程-模式的城镇空间增长模拟模型

理解城镇增长过程、模式、机理并预判未来发展趋势,对优化城镇空间布局,促进城市可持续发展有重要意义。元胞自动机模型（Cellular Automata, CA）是研究城镇增长过程、模式的有效技术手段,但传统CA模型对城镇增长过程和空间模式的协同考虑不足。本研究构建了基于斑块（Patch）的城镇CA模型AutoPaCA,实现对城镇增长过程及空间模式的协同表征和精细控制,将城镇增长过程分为边缘增长和跳跃增长两种形式,并实现了对不同形式下城镇斑块位置、形状和面积大小的精细控制,同时考虑城镇空间模式的集聚性、整体形态及空间约束。此外,还提出使用景观格局分析法分析历史时期城镇增长过程和模式,并结合遗传算法实现对模型参数的地域化自动校正,降低人为主观因素对模拟结果的影响。将模型应用于长沙市1995—2035年的城镇增长模拟与多情景分析。结果表明,构建的AutoPaCA模型可以取得较好的模型精度,200次模拟结果的互异邻域相似性指数均值达到0.486;在生态保护情景下,长沙市城市内部生态结构保存完好,且表现出更为明显的长株潭一体化趋势,说明本研究提出的AutoPaCA模型及参数校正方法是有效的。     

基于InVEST与CARS的生态空间分区与未来预测研究

生态空间现状数量配比与模拟是新时期地理信息服务于国土空间优化的重要应用.以常州市武进区为研究区,利用InVEST模型与多类随机种子CA模型(CARS),对2015年研究区生态空间进行分区并模拟了2025年的生态空间分布演变情况.结果表明:2015年生态评价极重要区主要分布于滆湖(西太湖)湿地公园及其周边地区、雪堰镇竺山周边生态开敞空间和横林镇、武进高新区的一些留白用地区域;2025年的预测生态用地分布多围绕已有生态斑块呈现边缘式增长;综合现状评价与未来模拟结果得出,生态冲突区面积约为5992hm2,占区域总面积的5.62％.研究结果可为快速城镇化地区缓解生态保护与城市发展矛盾提供参考,为区域生态环境优化布局决策提供科学依据.     

基于生态空间胁迫的大都市区增长情景模拟

大都市区增长是当前中国城镇化发展的一种主要模式,如何确定其最佳空间增长形态是新型城镇化关注的重要内容之一。本研究立足于未来“生态城市”建设理念,从自然资源生态敏感性和城市发展适宜性角度构建双重约束条件,利用元胞自动机模型构建了生态空间胁迫下的城市增长过程模拟框架,探讨了边缘性增长、生态性增长与协调性增长3种发展模式,并从建设适宜性、生态安全性与斑块紧凑性等角度构建评价指标对模拟方案进行定量化对比。最后,以长江中游城市群的南昌大都市区进行实例应用,结果表明,协调性空间增长模式能最大程度降低城市建设对生态安全空间的侵蚀,大都市区在制定城市增长边界等空间政策时宜参考此种发展模式,基于生态空间胁迫分析的城市增长过程建模是一种有用的规划决策情景分析工具。     

基于生态安全格局识别的国土空间生态修复分区：以浏阳市为例

本文以浏阳市为研究范围,基于景观生态学,运用InVEST模型中的生境质量、遥感指数分析以及自然保护地范围识别生态源地,结合坡度、高程及景观阻力面构建生态阻力面,以此识别生态廊道,形成网络状生态安全格局的基本框架。在此基础上进行生态修复分区,并针对各区域提出对应的措施与对策。     

全域生态文明建设背景下我国国土空间用途管制研究

国土空间是全域生态文明建设的承载基础,建立合地、合序、集约高效的国土空间开发保护战略的前提是构建全域全要素的国土空间用途管制制度体系.本研究基于文献调研法及综合分析法,梳理我国国土空间用途管制制度演变历程,重点剖析我国国土空间用途管制制度的演变特征及在实践过程中存在的问题,并提出全域生态文明建设背景下国土空间用途管制体...     

北京市二手房价格时空演变特征

城市住宅价格时空格局及演变特征是衡量城市房地产市场发展均衡性的重要指标。针对海量的互联网实时房产数据,本文构建了一种长时序时空大数据挖掘方法。首先,利用挂牌数据和成交数据,进行了泛在网络地产数据的可用性验证;其次,提出了“混合像元”的多尺度栅格模型,以构建基于栅格系统的房产统计特征描述,形成了多源网络房产数据融合方法;然后分别采用莫兰指数和地理探测器分析房价的空间自相关性和分异性,并基于P-Bshade和邻近栅格时空插值算法解决了稀疏房产数据的融合与插值问题,构建了长时序房地产时空栅格数据库;最后,以北京六环范围内为研究区域,通过栅格区划算法进行了二手房价格时空演变格局的挖掘分析。     

Predicting Surface Urban Heat Island in Meihekou City,China: A Combination Method of Monte Carlo and Random Forest

Given the rapid urbanization worldwide, Urban Heat Island(UHI) effect has been a severe issue limiting urban sustainability in both large and small cities. In order to study the spatial pattern of Surface urban heat island(SUHI) in China's Meihekou City, a combination method of Monte Carlo and Random Forest Regression(MC-RFR) is developed to construct the relationship between landscape pattern indices and Land Surface Temperature(LST). In this method, Monte Carlo acceptance-rejection sampling was added to the bootstrap layer of RFR to ensure the sensitivity of RFR to outliners of SUHI effect. The SHUI in 2030 was predicted by using this MC-RFR and the modeled future landscape pattern by Cellular Automata and Markov combination model(CA-Markov). Results reveal that forestland can greatly alleviate the impact of SUHI effect, while reasonable construction of urban land can also slow down the rising trend of SUHI. MC-RFR performs better for characterizing the relationship between landscape pattern and LST than single RFR or Linear Regression model. By 2030, the overall SUHI effect of Meihekou will be greatly enhanced, and the center of urban development will gradually shift to the central and western regions of the city. We suggest that urban designer and managers should concentrate vegetation and disperse built-up land to weaken the SUHI in the construction of new urban areas for its sustainability.     

基于FLUS模型与动能定理的城镇用地增长边界划定

城镇用地增长边界能够有效控制城市的无序蔓延,对城市健康持续发展具有重要意义。当前针对城镇用地增长边界划定的研究多采用较为成熟的元胞自动机(CA)模型对城市未来格局进行模拟,且研究多集中于单一的城镇用地增长边界划定,尚无对城镇用地增长的惯性边界进行定量划定,而划定惯性边界不仅能够为城市发展预留一定的用地空间,也能提高城市规划的实施效率。对此,本文以2000、2009和2015年福州中心城区土地利用数据为基础,采用FLUS模型进行土地利用模拟,并对模型精度进行了验证(2015年土地利用模拟总体精度达到0.9389,Kappa系数达0.9165),据此预测了2027年的土地利用格局,从中提取城镇用地采取形态学的膨胀与腐蚀法(MED)进行增长边界的划定。在此基础上,本文提出了一种借鉴力学动能定理划定城镇用地增长惯性边界的方法,以坡度和地类作为摩擦力参数,对福州中心城区城镇用地增长惯性边界进行了研究。结果表明,FLUS模型和MED能够有效地对土地利用进行模拟且能较好的对城镇用地增长边界进行拟合;借鉴动能定理的方法能够根据城市不同方向的扩展阻力和各个方向的扩展强度较好地划定其惯性边界,具有现实可操作性和实际参考价值。     

城市快速扩张驱动下的耕地演化模拟与预测——以广东省东莞市为例

在快速城市化进程中,有效地保护耕地数量和质量是一个重要的科学命题。本文以广东省东莞市为例,通过构建Logistic-CA城市扩张模型,试图探明城市快速扩张主导下的耕地演化特征和机制,对耕地演化进行模拟与预测,为城市的可持续发展规划和耕地保护提供科学的参考依据。首先,分析了1998-2013年东莞市各用地类型间的转换关系,对城市扩张与耕地演化的机制进行了探究;其次,综合考虑地理、经济与政策因子,通过对地理因子模拟和地理与经济结合模拟2种结果的比较分析,选取最优因子组合定义了CA转换规则,构建Logistic-CA模型;最后,基于该模型,依据2006-2020年东莞市土地利用总体规划图,对耕地演化进行预测,并进行数量、质量和空间形态上的分析。模拟结果表明,在耕地演化机制上,东莞市在2003-2008年和2008-2013年2个时段中新增城市用地分别有71.96%和80.86%直接或间接来源于耕地,且相应时段内的耕地补给量远小于耕地流失量;在空间形态上,呈现大块耕地边缘破碎化,细碎耕地逐步消亡的空间演化模式。模型的预测结果表明,至2020年耕地将会减少8205.4 hm²,且优等耕地和高等耕地的减少比重分别达到5.16%和5.27%。     

南京市老城区城市建筑点格局研究

城市建筑是城市形态的重要组成部分,而建筑高度对城市三维空间形态有重要的影响。目前,对城市二维形态的研究较为丰富,而对城市三维起伏形态特征及其空间分布格局方面研究较少,对城市上空利用程度及发展规律认识仍相对缺乏。本文以南京市老城区为例,基于城市数字高程模型数据,将城市建筑抽象为三维点要素,运用点格局分析法研究城市建筑三维宏观特征及建筑类型的空间分布规律。结果显示：（1）南京老城区建筑呈集聚分布,聚集性顺序是低层建筑>高层建筑>多层建筑>超高层建筑。除超高层建筑外,低层、多层和高层建筑的聚集程度,随着空间尺度先增后减,均在1.5 km尺度聚集性最大;显示1.5 km的街区单元应是城市规划管理的最适宜单元。（2）南京老城区建筑高度空间分布表现为“三高一低”,即3个高值区（新模范马路、新街口和珠江路区域）和1个低值区（集庆门区域）,它们与不同时期城市中心具有较好的对应关系;不同类型建筑与城市基准地价的相关分析显示,建筑高度的分布与城市基准地价呈现一定相关性。结果表明,点格局分析方法能有效地分析城市建筑在平面及三维的空间格局特征,进一步深化对城市形态特征的认识。     

基于地理探测器的南京市住宅租金空间分异格局及驱动因素研究

以南京市“一主三副”住宅小区为研究单元,运用GIS中的渔网（Fishnet）分析和探索性空间数据分析（ESDA）对“一主三副”住宅租金的空间分布进行模拟和估计,并利用地理探测器模型从住宅小区的区位特征、建筑特征和邻里特征3个方面探究住宅租金空间分异的影响机制。结果表明：① 南京市住宅租金总体呈上升趋势,空间上表现出主城向副城递减的中心外围模式,住宅租金空间结构逐渐由单核向双核发展,且住宅租金存在显著的空间异质性;② 住宅租金呈现出明显的空间正相关性和区域集聚性,热点区自内城核心区至副城趋于弱化,冷热点空间格局呈圈层结构;③ 交通位势和中心位势是对一主三副住宅租金解释力最大的因素,商务配套、金融设施和住宅房龄的解释力次之,特征因素对主城副城租金的影响强度各异。     

2000年以来山东省地级以上城市空间格局监测分析研究

城市空间格局变化监测能够反映城市建设空间的发展规律和特点，为城镇体系发展规划、优化以及城市空间开发集约利用等提供重要基础。该文选取山东省作为研究区域，以全省17个地级以上城市城区为研究对象和统计分析单元，以2000—2017年7个时期高分辨率正射影像提取其城区边界和部分时期内部结构数据，采用城市扩展面积、城市扩展速度、城市扩展强度及紧凑度等指标，对山东省17个地级市城市空间格局发展变化进行综合分析，对城市扩展、城市用地等进行评价。研究结果表明：山东省地级以上城市空间格局演变整体呈现出以济南青岛为中心的东西两极发展格局，整体发展较为均衡，但东西部差距依然较大。城市紧凑度较低，以粗放型土地增长模式扩展，面积扩张过快，占用耕地比例较高，土地集约利用程度不够。研究成果可为优化城市空间结构，促进城镇高效、集约、节约、绿色发展等提供了合理的建议以及技术支撑。     

福州城市用地变化的CA模型动态模拟研究

城市用地变化是一种时空动态变化的复杂地理过程,如何有效地模拟这一过程是该研究领域的一个重要问题,在诸多模拟模型中元胞自动机具有明显优越性。本研究根据福州市1988年TM影像和2001、2004年ASTER影像提取城市用地信息,运用元胞自动机对未来20年城市用地变化进行模拟,并用2004年ASTER影像进行验证,结果表明:用元胞自动机对福州城市用地扩展的模拟达到较高的精度,未来20年内扩展平均速度将达7km²/年,远大于规划速度,扩展的主导方向为南部的南台岛,另一个重要扩展因素是乡村城市化加强,与此同时城市绿地不断被蚕食而减少。     

Regional structure and spatial morphology characteristics of oasis urban agglomeration in arid area —A case of urban agglomeration in northern slope of Tianshan Mountains, Northwest China

It is great important to the health development of urban agglomeration to correctly understand the formation and development law of regional structure of urban agglomeration. Employing the analysis methods like fractal theory and quantitative statistics, coupling with the use of remote sensing images and other spatial data, this article discusses the urban agglomeration of oasis on the northern slope of the Tianshan Mountains in an arid area, and conducts the researches on its city scale, spatial distribution and individual form from 1990 to 2005. The result shows that it has loose hierarchical scale structure and polarization trend of population distribution while its hierarchical scale structure tends to mature. Under the influence of natural conditions, the spatial layout of urban agglomeration of oasis has macro characteristics that suggest cities distributed along oasis edges (dense or sparse), spatially expand along rivers, and cluster around traffic branches. The connectivity among the cities is high and shows an internal organization form of a banding distribution. The whole spatial shape of the internal structure of cities presents a “dumbbell” form, with mononuclear phenomenon receding and multi-nuclear appearing gradually. Individual cities spatially expand along rivers, portraying a long strip appearance. It indicates that the urban agglomeration of oasis shows regular and close structure but with a tendency to be complicated form and the loose structure. In the development of urban agglomeration, the authors recommend that the development of the city with good economic development conditions should be strengthened, and more attention be put into regional planning.     

Distribution of primary school based on spatial network comprehensive model in low-income mountainous cities: a case study in Wanyuan,China

Focusing on the peculiarities of urban construction resulting from specific mountain terrains, the purpose of this study is to find out a suitable method based on a Spatial Network Comprehensive Model (SNCM) to reasonably plan and distribute primary schools in low-income mountain cities. The construction principles and advantages of the SNCM method are proposed and the method tested in Wanyuan city of Qinba Mountain area (Southwest China) to verify its feasibility and optimization. Taking account of the mountain terrain and its influence on user behavior, we used the SNCM method to build a comprehensive model which integrates the road slope and the walking speed of pupils into the basic spatial model. The model is used to calculate a reasonable layout of the primary schools and to validate the rationale. The results show that the SNCM method can be effectively applied in low-income mountainous cities. It can not only improve the accessibility and service efficiency of primary schools using as little capital-investment as possible, but also help the city grow in an intensive and efficient way.