权衡城市扩张与永久基本农田保护的城市增长边界划定——以武汉市为例

城市增长边界划定是优化城市空间结构和管理格局、增强城市综合承载力的有力手段。然而,由于城市周边的耕地质量较高,城市增长边界与永久基本农田保护在空间上存在显著的冲突。已有的城市增长边界划定研究大多忽略了城市扩张与永久基本农田保护的冲突,不利于城市周边优质耕地的保护。针对这一问题,该文利用土地系统模拟与优化模型(LANDSCAPE),以武汉市为例,开展了权衡城市扩张与永久基本农田保护的城市增长边界划定研究。结果表明:LANDSCAPE模型在城市增长边界划定过程中能够权衡城市扩张与永久基本农田保护,既能满足城市增长的需求,又有效避让了城市周边的优质耕地和重要生态用地,实现了城市扩张与永久基本农田保护的空间协调;该文提出的城市增长边界划定方法可以为快速城市化地区合理划定城市增长边界、实现区域土地资源的合理有效利用提供方法支撑。建议相关部门应同步划定城市增长边界与永久基本农田边界;同时在城市扩张与耕地保护冲突激烈区域设置耕地保护弹性区,并在该弹性区权衡城市扩张与优质耕地保护。     

权衡生态安全与城市扩展模拟的山地城市增长边界划定

进行城市空间增长边界模拟研究,对区域有序开发土地资源和有效保护生态效益具有重要意义。传统方法未考虑到现实约束下生态需求对城市扩展的影响,缺乏一定的客观评价。本文以2005年和2015年两期城镇建设用地数据为基础,从协调城市扩展与生态安全的视角出发,借助ArcGIS平台构建改进CA模型,模拟了2025年万州城区的城镇用地扩展情况,并划定了城市增长边界。首先,通过计算生态敏感性、生态服务价值和禁止开发区划定生态保护红线,结合水域用地得到生态安全格局;其次,合理选取城市扩展潜力因子建立Logistic驱动评价体系,并纳入可控的邻域作用和随机作用构建CA模型模拟城市扩展的空间形态;最后,综合评价划定出2025年城市增长边界。结果表明:(1)以2005年为基期模拟2015年研究区的城镇用地情况,模拟总精度为96.80%,Kappa系数为0.86,模型效果好;(2)2025年模拟的城市增长边界内面积为166.79 km~2,占研究区面积的15.32%。模拟结果可为城市空间规划提供定量支撑,保障了城市扩展的可持续性,对生态环境敏感、城市用地紧张的山地型城市的增长边界划定具有参考价值。     

协调发展视角下大南昌都市圈城市增长边界的划定

科学划定城市增长边界(UGB)能合理引导城市发展方向,有效抑制无序蔓延。基于协调发展视角,结合多目标土地利用适宜性评价方法与PLUS模型划定大南昌都市圈刚性UGB及自然增长、政策约束、协调发展3种情景下的弹性UGB。结果表明：(1)多目标土地利用适宜性呈现空间差异且存在重叠和交叉,协调发展最适宜区与农业生产最适宜区、生态保护最重要区重叠面积相比城镇建设最适宜区均有所下降;(2)刚性UGB面积占研究区总面积的76.11%,保障大南昌都市圈城市扩张严格遵循生态保护红线和粮食安全底线;(3)PLUS模型模拟结果总体呈耕地、林地、草地、未利用地减少以及水域和建设用地增加的趋势,其中建设用地扩张最显著,但协调发展情景下城市扩张得到有效约束,且该情景下弹性UGB能有效减缓城市扩张占用农业或生态价值最高区域,更能优化城市景观格局。研究结果有利于引导和实现大南昌都市圈城市可持续发展,也可为其他城市三生空间协调发展提供参考。     

“反规划”视角下城市增长边界划定研究——以徐州市中心城区为例

元胞自动机(CA)在划定城市增长边界方面具有重要作用。以往研究多侧重于传统规划理论下约束性CA的应用方面,而在保持景观的完整性及与规划目标(如城市发展方向、优质农田保护及生态环境保护等)的显式结合方面则较为不足。该文以徐州市中心城区为例,借鉴"反规划"理念,运用多准则判断CA模型,通过嵌入生态保护及城市发展方向等规划目标,模拟出徐州市2020年城市空间格局;在此基础上,进一步划定研究区的城市增长边界;将其与规划结果对比发现,该方法具有较好的适用性和可靠性,可为辅助规划实践及城市管理提供决策支持。     

基于城市扩展模拟与生态—规模约束的深圳市城市开发边界划定北大核心CSCD

针对城市盲目扩张与无序蔓延等问题,该文提出一种基于生态—规模约束的城市开发边界划定方法:基于元胞自动机构建多城市扩展因子驱动与多元胞状态转换作用的城市扩展模拟模型;根据作用方式不同,将生态约束分为刚性约束和弹性约束两类,分别考虑二者对城市扩展的影响模式,构建以城市扩展模拟为基础,在生态—规模约束下的城市开发边界划定框架。以深圳市为研究区,将生态保护红线和生境质量分别作为生态刚性约束和弹性约束,以2015年为基期,模拟2018年和2025年城市扩展情形,并划定2025年深圳市城市开发边界。结果表明:2018年深圳城市扩展模拟结果总精度为97.42%,Kappa系数为0.948,2025年新扩展区域主要集中在宝安区和龙岗区,是未来城市发展重点区域。该城市开发边界划定方法在保证城市高质量发展的同时,使生态环境得到有效保护,可为引导深圳市及其他城市健康发展提供参考。     

基于生态与居民活动空间的城市增长边界划定研究——以济南市为例（英文）

城市增长边界划定能有效遏制城市无序扩张,优化城市开发空间,保护生态环境。本文通过构建指标体系进行生态环境敏感性评价并提取了禁止建设区,利用POI与微博数据分析了居民活动扩展空间,基于构建的模型综合评价城市空间扩展潜力,并根据城市扩展预测规模划定了济南市2020年城市增长边界。研究结果表明:(1)城市生态环境敏感性评价能有效保护生态用地,为城市扩展提供生态基础。济南市生态环境敏感性较高的地区位于黄河、小清河两岸和东南部山区,中部、北部与西南部的生态环境敏感性则相对较低,城市扩展基础较好。(2)构建的城市居民活动扩展空间评价模型可以量化城市居民活动空间分布,济南市居民活动空间扩展高值区主要集中分布在济南市中部,多为现有建成区及周边地区。(3)基于生态与居民活动空间的城市增长边界划定方法具有一定的合理性,划定结果表明济南市空间扩展主要向东西两翼延伸,该边界与济南市发展的空间战略相符,与相关规划中总体格局一致。基于生态与居民活动空间的城市增长边界划定方法既保护了生态环境,又充分考虑城市扩展的内在驱动力,将为新时代下城市发展研究提供相关参考。     

城市增长边界研究进展——理论模型、划定方法与实效评价

新型城镇化背景下,传统粗放的城镇土地利用模式难以为继,控制城市规模、优化空间格局已成为当前国土资源管理的重点工作之一。城市增长边界(UGB)作为一种西方国家控制城市蔓延的技术手段和政策工具已逐渐被引入国内。采用文献资料法和归纳演绎法,梳理并分析了国内外城市增长边界的理论模型、划定方法与实效评价,挖掘未来城市增长驱动力和增长边界制定方法可能的研究方向,为后续研究和未来其在中国的实践提供参考。结果表明：① 城市增长边界实证研究的理论基础主要源于古典单中心城市模型,由于国情不同,国内主要关注经济水平、产业结构和可达性对城市增长的影响,而国外在此基础上还关注公共政策和服务、外部性以及主体间的博弈对城市蔓延的促进或抑制作用;② 城市增长刚性边界划定主要以土地适宜性和承载力评价为基础,弹性边界可采用元胞自动机进行空间辅助模拟;③ 国外城市增长边界的实施效果具有地区差异性,国内目前还缺乏城市增长边界实施效果评价相关方面的研究。因此,城市增长驱动力后续研究应吸纳多源理论,识别不同尺度下其机理特征,探索宏观环境的情景变量对微观环境下“驱动力—城市增长”这一关系的影响。城市增长弹性边界制定需要考虑城乡土地利用转换背后不同情景下主体间的复杂博弈对用地转换在空间上分布的决定作用。为了保证政策的持续性和统筹区域发展,未来需要明确城市增长边界的管理机构,制定对应的法律条款和管理体系。     

一种顾及驱动因子重要性的双约束RF-Patch-CA城市扩张模拟方法

城市扩张模拟为实现土地资源合理分配与制定城市发展规划政策提供依据。该文针对传统元胞自动机(CA)在城市扩张模拟中存在城市元胞密集区域团簇现象,耦合随机森林(RF)与基于斑块(Patch)扩张的CA模型,在顾及驱动因子重要性基础上构建基于斑块最大面积和城市扩张总量的双约束RF-Patch-CA模型,并利用该模型模拟重庆主城都市区2010-2017年城市扩张。结果显示:该模型总体精度达97.62%,相比传统的RF-CA、ANN-CA和Logistic-CA模型,Kappa系数分别提高了0.0222、0.0231和0.0245,FoM分别提高了0.0376、0.0391和0.0414;在景观相似度上,该模型相比以上3种模型分别提高了40.92%、41.16%和32.33%,最接近真实情况,而且避免了模拟结果产生城市元胞团簇现象,有效提高了城市扩张模拟精度。     

京津冀地区城镇空间扩张模拟与分析

准确把握城镇扩张过程中空间形态的变化规律对城镇规划水平的提高具有重要的现实意义。当前,京津冀的协同发展已上升为国家战略,为了对京津冀远景的城镇增长进行预测,本文将北京城市空间发展分析模型(BUDEM)扩展到京津冀(JJJ)区域,构建了京津冀城镇空间发展分析模型(BUDEM-JJJ)。该模型以城市增长理论和约束性元胞自动机(Constrained Cellular Automata,Constrained CA)模型为基础,以京津冀区域为研究对象,以Logistic回归和单一参数循环方法(Monoloop)为模型参数识别方法,利用2000-2005年和2005-2010年两个历史阶段的城镇建设用地数据对模型进行了参数识别,并进行了模型验证。在此基础上,对京津冀区域2049年的城镇形态进行了多种情景模拟,分析了不同发展情景(Scenario)下京津冀地区城镇空间发展格局的变化,可为当前京津冀城镇发展方向的调整和下一轮的城镇规划提供参考。     

基于“反规划”理念及FLUS模型的城镇用地增长边界划定研究——以徐州市贾汪区为例

城镇用地增长边界划定对城镇用地扩张调控与管理具有重要意义,但当前仍无统一划定思路与方法。基于"反规划"理念,引入FLUS模型探讨城镇用地增长边界划定思路,并以徐州市贾汪区为例,采用2009年和2014年数据对FLUS模型可靠性进行验证,对2020年研究区土地利用变化进行情景模拟,在此基础上辅以各部门近期用地需求划定城镇增长边界。结果表明:FLUS模型模拟结果的Kappa指数达0.95,总体精度达0.9628,各类用地ROC值也较高,说明FLUS模型模拟效果较理想;对基本农田及生态红线严格约束后,贾汪区城镇发展形态更加紧凑,2020年城镇用地增长边界面积为5 606.39hm2,占研究区总面积的9.03%。该研究既遵循了土地利用变化客观规律,又考虑了基本农田及生态红线等保护要求,能够有效缓解城镇扩张与基本农田和生态保护之间的矛盾,有利于引导城镇用地合理发展。     

基于生境质量的城市增长边界研究——以长三角地区为例

基于“生态优先”理念,提出一种利用生境质量评估策略的城市增长边界划定方法。结合ArcGIS和InVEST模型,通过综合评估生境自身及其在威胁情境下的质量,模拟各市独立规划、建设用地指标再分配及区域一体化发展的三类建设用地扩张情景,分别划定2024和2034年的长三角地区城市增长边界。结果表明：研究区生境质量总体呈南高北低格局,平均生态系统服务价值密度为10 770.604元/（hm²·a）,高质生境位于西南地区;根据指标再分配及一体化发展情景模拟的2024年研究区建设用地总量分别为10 583.273 km2和10 489.090 km2,2034年达到13 603.535 km2和13 252.370 km2;模拟的建设用地集中在东部沿海地区,并向北部及环杭州湾区域拓展;建设用地指标再分配能从整体上减少建设用地对优质生境的占用,区域一体化发展则能进一步降低城市发展造成的生态压力。     

基于耦合地理模拟优化系统GeoSOS的农田保护区预警

依据农田保护区规划与城市发展模拟相耦合的新思路,开展农田保护区预警研究。以广东番禺为实验区,首先利用基于多智能体的空间优化配置模型(AgentLA) 自动生成农田保护区范围。AgentLA模型能避免产生分散、破碎的空间格局,有利于保护区的管理和维护。通过地理模拟优化系统GeoSOS中的神经网络CA模型对研究区2025 年的城市发展格局进行三个情景的模拟：低速增长情景、基准情景和高速增长情景。最后利用GIS空间分析方法将预测结果与农田保护区相结合,提取农田保护与城市扩张产生冲突的区域。总体上,冲突的严重程度随着空间上城市扩张强度的增大而加剧,高速增长情景中冲突区域的面积较大。冲突区域的存在一方面说明了农田保护区需要相应的法律、法规支持,否则可能会因城市扩张而被侵占;另一方面也反映了农田保护与地区发展之间的冲突。因此,可以根据所提取的冲突区域面积大小、空间位置等特征,采取某种形式补偿,以此取得农田保护与地方利益之间的平衡。     

基于MCE-CA模型的嘉峪关市城市开发边界划定研究

以中国西北绿洲工业城市嘉峪关为研究对象,基于遥感影像数据,应用地理优化模拟系统(Geo SOS)的MCE-CA模型,整合"正规划"和"反规划"理念,研究了嘉峪关城市2020年和2030年的城市开发边界划定,以期为嘉峪关市土地利用和城市管理提供依据。结果表明:(1)在研究的19 a间,嘉峪关市扩张迅速,2014年的城市用地面积是1995年的2.1倍,城市外围轮廓形态的紧凑度呈减小的趋势,由1995年的0.25减小到2014年的0.14,城市蔓延性增长特征明显。斑块密度逐渐增大,由1995年的0.02增加到2014年的0.12,城市发展趋于松散,城市用地破碎度增加,城市用地连通度下降。(2)嘉峪关市2020年和2030年的弹性城市开发边界规模分别为106.78 km2和149.35 km2,刚性城市开发边界为246.92 km2。(3)划定的城市开发边界提升了嘉峪关市紧凑度和连通度,城市用地紧凑度指数增加了0.014和0.015,斑块密度指数下降了0.003和0.002,优化了城市空间布局,遏制了城市蔓延式的发展趋势,更符合生态型城市建设的要求。应用MCE-CA模型实现了影响城市发展因素的量化和空间表达,将"反规划"理念和GIS空间技术应用到城市用地布局规划实践中,具有较高的模拟精度和准确的结果,且易于操作。     

土地利用变化情景下杭州湾北岸极端洪灾风险评估

杭州湾位于长三角平原,该区域分布着大量的潮滩与湿地。未来随着海平面不断上升,更易引发自然灾害,尤其是风暴潮灾害,将使该地区社会经济发展面临巨大冲击。论文以多年土地利用与资产数据为基础,基于土地利用和资产的未来变化预测,结合多种未来极端洪灾情景,开展杭州湾北岸承灾体与暴露时空演化模拟,评估了上海市杭州湾北岸洪涝灾害风险。研究结果表明：从空间分布格局上看,现状情景下单位面积损失资产值的高值出现在浦东新区南部,而未来情景下单位面积损失值的高值覆盖整个杭州湾北岸南部沿海区域和金山区北部区域。就整个研究区而言,随着GDP的增长及极端洪灾情景下的暴露和淹没范围的增大,暴露资产和损失资产都在增长,年期望损失从现状情景的0.65亿元增长到未来典型浓度路径(RCP8.5H)情景下的3.04亿元。从风险评估结果来看,杭州湾北岸易遭受特大洪灾,必须实施洪灾风险敏感的城市规划,更新该地区的居民点和基础设施规划标准和规范。同时,应采取综合防范措施,加强杭州湾沿岸防洪能力。论文可为该区域未来城市规划、洪水风险应对措施和城市的韧性建设提供有效参考。研究方法相比传统的仅以当前土地利用及资产价值情景评估未来经济损失的方法更为合理有效,可为其他沿海地区的风险评估提供方法借鉴。     

水文模型参数敏感性快速定量评估的RSMSobol方法

水文模型参数敏感性分析是模型不确定性量化研究的重要环节,其可以有效识别关键参数,减少模型率定的不确定性,提高模型优化效率。然而如何快速有效地定量评估参数敏感性已成为当前大尺度分布式水文模型优化的瓶颈。针对传统的全局定量敏感性分析方法在多参数复杂水文模型的不足,本文采用基于统计学习理论的支持向量机(SVM) 建立非参数响应曲面(称为代理模型),再结合基于方差的Sobol 方法,建立了基于响应曲面方法的Sobol 定量全局敏感性分析方法(RSMSobol 方法),实现复杂模型系统参数敏感性的快速定量化评估。本文选用淮河流域的日尺度分布式时变增益水文模型进行实例研究,采用水量平衡系数(WB),Nash-Sutcliffe 效率系数(NS) 和相关系数(RC) 三个目标函数综合评价模拟效果。研究结果显示RSMSobol方法在实现定量全局敏感性分析的同时降低了模型运行时耗,提高了模型评估效率,且与传统定量方法Sobol 方法具有同样的评估效果。该方法的有效应用为大型复杂水文动力模拟系统的参数定量化敏感性评价提供了参考,为模型参数进一步优化提供了可靠依据。     

基于生态因子耐受度的土地利用规划生态红线划定研究

土地利用规划生态红线划定工作对于维护基本生态安全、实现土地综合协调利用与保护、保障区域社会经济发展具有重要意义。该文以连云港市为研究对象,根据土地利用规划的基本目标,应用土地利用生态因子耐受度测算了具体生态限制因子的耐受度值,据此划定了土地利用规划生态保护红线。结果表明:连云港研究区土地利用规划生态保护红线区域共计489.67km2,该区域包括了地形地势、地质灾害、生物多样性、水质与水文条件等所有生态限制因子类型。该文研究方法能够充分考虑到区域生态环境对土地开发利用的约束和限制作用,满足土地利用规划生态红线划定的需要,并可为其他城市开展生态红线划定工作提供借鉴。     

基于GIS与CA的城市扩展研究——以洛阳市为例

元胞自动机(Cellular Automata,CA)是一种"自下而上"的动态模拟建模框架,具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。CA模型的这些特点使得它在城市增长、扩展和土地利用演化模拟等方面较为合适,成为CA应用的热点。探讨利用GIS技术开发CA模型将会改善CA模拟城市扩展的环境,建立典型的城市CA模型也会发现新的参数和转换规则。基于CA原理,结合GIS与RS技术,在ArcGIS平台中进行二次开发,构建了GIS-CA模型系统。以洛阳市为研究区域,对其城市扩展进行了模拟和预测,结果表明,将人为的规划因素加入到CA模型中,打破了CA模型只能模拟城市受自然因素影响而进行的扩展。模拟结果比较真实可信,也为下一步城市规划提供决策支持。     

基于动态约束的元胞自动机与复杂城市系统的模拟

为获得复杂城市系统更理想的模拟效果,提出时空动态约束的城市元胞自动机(CA)模型。用不同区域、不同时间新增加的城市用地总量作为CA模型的约束条件,形成时空动态约束的CA模型,并利用该模型模拟1988—2010年东莞市和深圳市城市扩张过程。结果表明,利用CA模型模拟的1993年城市用地总精度比静态CA模型提高了5.86%,而且模型中的动态约束条件可以反映城市发展的时空差异性。     

城市暴雨积涝灾害风险突增效应研究进展

城市暴雨积涝风险突增效应研究对揭示此类风险与人类活动所导致的城市化过程的关系,及用于城市地区灾害风险识别及风险预警均有重要价值。本文从城市因素(地表粗糙度、气溶胶及城市热岛等)影响城市地区降水过程,以及城市地区土地利用和土地覆盖变化(LUCC)影响城市地表水文反应过程2个方面综合论述风险突增效应研究的进展及主要结论。在研究方法上,总结了现有文献所用的暴雨危险性的主要评估模型,认为暴雨危险性计算需要结合雨强及暴雨持续时间。城市地表对暴雨积涝的敏感性分析需借助城市水文模型;在模型分析过程中,应注重雨量数据的有效性,以及城市排水管网、土地利用和土地覆盖等资料的可获取性及概化。为定量评估城市暴雨积涝风险突增效应,需要使用更高时空分辨率的数据资料分析暴雨危险性特征,通过细化及发展城市水文模型,完成敏感性实验分析;在此基础上,综合危险性及敏感性特征,评估城市地区暴雨积涝风险,揭示暴雨积涝风险在城市地区的空间分布差异及风险突增效应。相关成果可用于城市暴雨积涝的风险识别、评估、预警及风险管理。     

基于近邻传播聚类元胞自动机模型的武汉城市扩散和聚合过程同步模拟

元胞自动机（CA）作为城市时空动态模拟应用最广泛的模型,可以有效模拟填充式和边缘式城市扩张过程,但是在飞地式扩张模拟方面稍显不足。本文提出一种改进CA模型—APCA,在传统CA基础上利用近邻传播聚类（AP）搜寻城市扩散增长的“种子点”,实现城市增长扩散过程和聚合过程的同步模拟。以武汉市为研究区域,使用APCA模拟其在2005—2025年间城市扩张的时空过程。结果显示：① APCA在设置“种子点”数量为1~8个时模拟总体精度均高于Logistics-CA,当“种子点”数量为6时,模拟新增部分精度最高,达到0.5217;② 2015—2025年武汉市飞地型增长面积约为8.67 km²,占新增城市用地总面积比例为6.30%;③ 武汉市1995—2025年间“先扩散后聚合”的城市扩张过程符合城市增长相位理论。APCA在一定程度上了完善了传统二维平面CA框架,将城市扩张模拟维度由面维扩展到点维,为准确展现城市用地空间扩展规律提供参考。