交通网络空间结构的分形维数及其测算方法探讨

分形维数是刻画交通网络空间结构的有效参数,本文系统地论证了反映交通网络分形特征的三种基本分维：一是长度－半径维数,由回地径和相应网络长度的双对数关系定义,其数值反映交通网络密度从中心城市中向腹地的变化特征;三是分枝数目－半径九,由回转半径和相应网络分枝数目的双对数关系定义,其数值反效能网络的区域“渗透”能力和复杂程度;三是空间关联维数,由码尺长度和空间关联函数的害虫指数关系定义,其数值反城市体系空     

干旱区不同土地利用类型的时空分形特征研究——以塔里木河干流区域为例

以新疆塔里木河干流1990年、2000和2007年土地利用数据为例,应用分形理论来分析干旱区内陆河流域土地利用空间结构复杂性、稳定性以及动态变化性,通过建立距离河道不同的缓冲区范围来变化空间尺度,研究分形的空间尺度变化效应。结果表明,各种土地利用类型都具有空间分形特征,1990年土地利用分形维值由大到小的顺序是其它用地>牧草地>耕地>林地>居民及独立工矿用地>未利用地,2000年和2007年土地利用分形维值大小顺序为其它用地>牧草地>耕地>林地>未利用地>居民及独立工矿用地;通过空间结构稳定性指数分析得到天然植被(林地、牧草地等)的空间结构稳定性比较小。随着空间尺度的逐级扩大,各土地利用类型的分形特征依然存在,但分形维数减少,土地利用空间结构总体趋于简单状态下稳定。     

北京城市形态的分形集聚特征及其实践意义

基于1984、1999年Landsat TM遥感图像,根据分形理论,用半径法研究了北京城市形态,发现北京城市具有分形性质。北京市建设用地从中心向外扩散的集聚分形结构存在明显的标度区转折现象,其中第一标度区是能够揭示北京城市形态演化特点的有效标度区。1984、1999年半径维数的数值变化反映了建设用地密度集聚扩散的不同特点。本文根据集聚分形的标度区建立了一种新的城市范围定义,这种定义可以减少通常定义中的主观因素和不可比因素,标度区大小具有一定的理论意义。     

基于三维计盒法的城市空间形态分维计算和分析

将城市形态分形维数的二维盒维数方法扩展到三维空间,提出了一种三维盒维数计算方法;并且针对以往城市分形研究中人工判定无尺度区不精确的问题,借鉴了二阶导数的方法进行分形无尺度区的自动识别;以扬州市中心城区2003年与2012年两期数据为例,详细介绍了城市三维空间形态分维计盒法的计算过程。实验结果显示,通过二阶导数方法能够有效的自动识别无尺度区;2003年与2012年数据无尺度区线性拟合确定系数R2均在0.996以上,扬州市三维空间形态具有明确的分形特征;2012年较2003年三维分维值的增加表明扬州市城市三维空间利用总体上趋于有效与紧凑。     

盆地型城市建设用地扩展与空间形态演变——以福州市中心城区为例

盆地型城市建设用地扩展与空间形态演变受地形地貌制约明显,具有特殊的发展特征。基于2000年、2009年和2015年RS解译数据和GIS平台,对盆地型城市福州市2000—2015年中心城区建设用地扩展的规模和方向进行分析,并对其紧凑度和分形维数进行测算。结果表明:(1) 2000—2015年,福州中心城区建设用地扩展面积较大,主要扩展方向为城市的西北部和东南部,与城市总体规划相符;(2)研究前期建设用地紧凑度较低但总体呈上升趋势,分形维数相应下降,城市空间形态复杂,主要原因是建设用地受盆地地形与闽江穿越而过的限制;(3)研究后期建设用地增长速度减缓,紧凑度和分形维数同时下降,形态更加复杂,原因是西南方向大量破碎农村建设用地增加;(4)自然因素、社会经济发展、政策与规划的导向作用以及交通的发展是影响建设用地扩展的主要驱动因素。     

基于分形的中国大陆海岸线尺度效应研究

以DEM为基础,并参照卫星影像,提取了不同比例尺下中国大陆海岸线,从海岸地质构造特征和海岸类型角度出发,对我国大陆海岸线整体、沉降隆起岸段和不同类型海岸尺度效应进行分析,并探讨了引起尺度效应差异的地理环境因素。研究表明：(1) 中国大陆海岸线整体分形维数为1.195,岸线长度受测量尺度影响显著,定量刻画海岸线长度不可忽略相应测量尺度;(2)岸线分形受地质构造特征和水动力因素控制明显,隆起段和沉降段海岸线分形维数有着显著差异：辽东半岛隆起段分形维数为1.153,辽河-华北平原沉降段分形维数为1.116,山东半岛隆起段分形维数为1.148,苏北-杭州湾沉降段分形维数为1.177,浙东-桂南隆起段分形维数则达1.239;(3) 海岸线尺度效应同时随海岸类型不同有着显著差异,位于冀北平原和滦河三角洲平原岸段的砂质岸线分形维数为1.109;位于苏北平原的淤泥质岸线分维数为1.056,位于闽东南山地丘陵的基岩海岸线分形维数达1.293。海岸线是陆、海和气界面的交汇线,其分形性质的定量刻画,可为多尺度研究海气、陆气和海陆相互作用提供科学基础。     

中国特大城市空间形态演变研究

以2008年全国52个百万人口以上的特大城市为样本,分析了1990-2008年中国特大城市空间形态在形状指数、空间紧凑度和空间破碎度方面的演变特征。研究表明:1)中国特大城市空间形态趋向带状特征,形状率和圆形率指数均呈下降趋势,下降幅度最大的是西北部、西部和东部地区的城市;2)空间紧凑度下降,面积-周长紧凑度和面积-轴线紧凑度指数均呈下降趋势,下降幅度最大的是西部地区的城市;3)空间破碎度趋于增强,分形维数呈上升趋势,上升幅度最大的是西南和东南部地区的城市;4)影响中国特大城市空间形态特征变化的因素主要有城市规模的扩大、新型城市空间要素的出现和城市空间结构的多中心化。     

基于分形理论的灌溉水有效利用系数空间尺度变异

基于2010 年度广东省75 处样点灌区的实测资料和遥感图像, 应用分形理论, 采用网格盒维数法计算了各样点灌区盒维数, 结果表明:广东省灌区具有明显的分形特征, 盒维数介于1.0004~1.675 之间, 分维数均值为1.308, 形状指数均值为0.335, 都随灌区规模呈同步减小趋势。不同规模灌区盒维数大型灌区(1.442) > 中型灌区(1.287) > 小型灌区(1.195)。灌溉水有效利用系数与空间分形特征诸因子中以非空网格对数值最高, 相关性达到0.941。基于此, 建立了不同网格尺度下的灌区面积与灌溉水有效利用系数和盒维数空间尺度变异函数。同时, 从影响灌溉水有效利用系数的众多因素中, 选取了工程评价值、盒子维数、灌区形状指数、参考作物蒸发蒸腾量ET0 和当年降水量5 项指标进行了空间格局影响因素分析, 结合灰关联计算结果表明:空间各影响因素中以工程评价因子的关联度最高, 达到0.8478, 其次为形态特征因子, 自然气象因子影响最小。尝试利用分形理论为不同面积尺度灌区灌溉水有效利用系数的空间变异规律分析和尺度转换提供一种新的思路, 该结果对于指导灌区投资改造和规划建设, 具有较强的理论和应用价值。     

2000-2012年中国北方海岸线时空变化分析

利用遥感和GIS 技术获取了中国北方“三省一市”2000 年、2005 年、2008 年、2010年、2011 年与2012 年共6 期大陆海岸线的时空分布情况;采用网格法计算了各个时期海岸线的分形维数;分析了海岸线时空变化特征、海岸线长度变化与分形维数变化之间的关系,以及海岸线动态变化的原因。2000-2012 年,研究区海岸线长度持续增加,总共增加了637.95km,年均增加53.16 km。从区域上看,以天津市与河北省所在的渤海湾区域海岸线变化最强烈;从时间过程上看,2008 年后海岸线长度进入快速增长时期,其中2010-2011 年是海岸线长度变化最剧烈的时期,变化强度为2.49%。2000-2012 年研究区海岸线的分形维数不断增大,其中渤海湾区域海岸线分形维数变化最剧烈;历史海岸线的长度与分形维数之间存在较好的线性关系,相关系数为0.9962;通过对大量海岸线动态引起的整体海岸线长度变化与分形维数变化的统计分析研究表明,在大多数情况下,局部海岸线长度增大(或缩减) 会导致整体海岸线分形维数增大(或减小),并且呈正比例变化。从2000-2012 年各时段海岸线动态对应的各类沿海工程的面积汇总情况来看,港口建设、渔业设施建设以及盐场建设分别占前三位,人类工程建设是中国北方海岸线变化最主要原因;与人类活动影响相比,自然变化如河口淤积与侵蚀对海岸线影响比较小。     

全球超大城市空间扩张及分形特征研究

超大城市是全球经济、文化以及高科技产业发展的承载体和重要纽带,其形态结构特征和人口聚集效应是城市化影响的典型表现,然而当前对于全球超大城市形态特征及扩张模式的研究相对不足。基于2000—2020年全球城市土地利用/覆盖变化数据（GULUC-30）,利用城市扩张强度差异指数分析了超大城市用地的时空变化规律;而后运用面积—半径标度分析模型研究了超大城市的分形特征及扩张模式,最后基于城市用地面积和城市人口之间的线性关系评价城市用地效率。结果发现：① 2000—2020年东南亚和东亚的中国超大城市用地扩张最剧烈,城市用地面积分别扩张了3148.32 km²和5996.26 km²,城市扩张强度差异指数平均值大于3;② 2000—2020年超大城市的形态特征和扩张模式向着更加集约和紧凑的方向发展,径向维数平均值由1.54增加至1.56,分维差呈逐年减少趋势,城市内部结构一体化特征显著;③ 北美和欧洲的超大城市用地效率低,2020年城市用地面积与城市人口比值系数范围为0.89~4.11;南亚和非洲城市用地效率高,比值范围为0.23~0.87。超大城市空间扩张格局和形态变化的认识对于城市用地的集约利用和可持续发展具有重要参考价值。严格控制超大城市扩张规模,促进城市用地的均衡发展是建设韧性城市和实现城市地区可持续发展的必要条件。     

中国特大城市空间形态变化的时空特征

基于国家资源环境数据库动态土地利用数据, 借助GIS软件支持, 分别计算了1990年和2000年中国31个特大城市平面轮廓形状的分维、紧凑度和形状指数以及城市的用地扩展类型。结果表明, 从1990年到2000年, 中国31个特大城市空间形态的总体变化趋势是, 城市用地空间扩展类型以填充类型为主, 外延类型相对较少且主要发生在发展限制较小的平原地区。总体上, 分维呈减少趋势且南方城市大于北方城市, 形状指数有减少, 城市空间形状有紧凑化趋势。综观1990年和2000年中国31个城市的分维、紧凑度和形状指数的数据, 可以看出广州、南昌、济南、成都、北京和上海等城市形状变化比较大, 而兰州、太原和唐山等城市形状变化很小。若用地扩展为填充类型, 则分维减少, 紧凑性增加, 形状指数减少;相反, 若用地扩展为外延类型, 分维增加, 紧凑性降低, 形状指数增加。     

天山北坡绿洲城市空间形态时空特征分析

借助GIS 软件支持, 综合遥感影像、地形图和其它空间数据, 提取天山北坡8 个绿洲城市 1990 年和2000 年建设用地图形信息, 计算1990 年和2000 年天山北坡8 个绿洲城市的平面轮 廓形状的分维数、紧凑度以及城市用地扩展类型, 讨论紧凑度与分维数的关系。研究结果表明, 天 山北坡绿洲城市形态总体特征表现为形状规则, 结构紧凑。1990~2000 年, 城市扩展类型主要为 外延型, 城市形态分维数增加, 紧凑度降低, 城市外部形态趋于复杂化和不规则化, 而内部结构趋 于松散化, 与同时期我国大部分城市的用地扩展方式有所不同。同时, 天山北坡绿洲城市形态特 征描述参数间存在着明显的幂函数关系, 并且是一种线性负相关关系, 即随着分维数的增加, 紧 凑度呈递减的趋势。     

中国城市异速增长分析

在对国内外城市异速增长方程的讨论进行回顾的基础上,采用1990年、2000年和2005年中国城市建成区和人口普查的城镇人口数据,分析了中国城市用地与城镇人口之间的异速增长关系.在对标度因子的标准值进行充分讨论后.认为1990年中国城市增长是负异速增长,2000年和2005年呈现正异速增长的状态,中国东、西部城市样本也表现出这种规律,而中部城市在1990年,2000年保持了原有的建设用地与人口增长的比例,但在中部崛起的政策下,2005年表现为正异速增长,该结论与中国在流动人口的变化、住房体制改革和开发区快速拓展有密切关系.     

基于分形理论的公路交通网络与区域经济发展关系的研究

以安徽省17个地级市公路交通网络为研究对象,用分形技术测算出各等级公路网络的分维数,并构建了度量综合路网的权维数模型。经过实证得出区域路网分维数受路网面积大小影响,继而对地级市进行了面积区划,把各类区的路网权维数、干线分维数和综合经济指数做相关分析。研究发现各市的路网分维数与综合经济指数呈正相关,说明了路网覆盖度越均匀,交通网络越复杂地区经济发展越好。为进一步探求各市公路建设和经济发展之间的协调关系,通过引进公路规模与经济产出的分形模型测算出17个地级市的分维数,发现有合肥市等6城市经济发展超前于公路规模,铜陵等4城市基本一致,马鞍山等7城市经济发展滞后于公路建设规模。     

Urban land expansion and its driving factors of mountain cities in China during 1990–2015

Land expansion of mountain cities in China is not systematically studied yet. This study identified 55 major mountain cities at and above prefecture level, and analyzed the land expansion characteristics and driving forces, based on visually interpreted data from TM images in 1990, 2000, 2010 and 2015. From 1990 to 2015, total built-up land area of the mountain cities increased by 3.87 times, 5.56% per year. The urban land growth was apparently accelerated after 2000, from 4.35% per year during 1990–2000 increased to 6.47% during 2000–2010 and 6.2% during 2010–2015. Compared to the urban population growth, the urban land expansion rate was 44% higher. As a result, the urban land area per capita increased, but it was still within the government control target, and also was much lower than the average of all cities in China. Urban development policy, changes to administrative divisions, GDP and population growth, and road construction were identified as the major driving forces of land expansion. Terrain conditions were not found a relevance to the urban land expansion rate during 1990–2015, but had a significant impact on the layout and shape, and also probably on the urban land efficiency.     

基于分形的城市体系经济规模等级演变研究

利用区域城市体系经济规模等级分形理论,选取长江三角洲1995~2009期间4个年份的县级以上行政单位经济发展数据,计算了经济规模等级分形维数。以该地区城市体系经济规模等级分形维数的演变特征为载体,探讨了长江三角洲地区城市体系经济规模等级演变规律。结果表明:①虽然当前长三角地区各城市的经济社会发展水平差异较大,中心城市垄断性仍然较强,但其均匀化趋势明显。②经济规模等级的空间梯度特征明显,经济规模等级的均匀性随着距离区域核心城市距离的扩大而降低。③产业空间布局层次化逐步分明,中心城市的第三产业比重不断提升,区域控制能力不断增强,与以第二产业为主导的中小城市形成有机整体,区域经济竞争力整体得到提升。     

中国大陆山系、断层系与水系的空间维数及其关系

根据分形理论,应用网格法系统地探讨了中国大陆山系、断层系与水系的空间分形结构,并计算出中国大陆以及三大自然区山系、断层系与水系的空间维数,在此基础上还探讨了山系、断层系与水系空间维数在三大自然区的变化情况。得出的基本结论为：(1)中国大陆山系、断层系与水系的空间分形结构是客观存在的;(2)中国大陆山系的空间维数值为1．1513,中国大陆断层系的空间维数值为1．2507,中国大陆水系的空间维数值为1．4169;(3)在三大自然区中,山系、断层系空间维数值均以青藏高原区相对为最大,而以西北干旱区相对为最小,山系与断层系空间维数值的变化在空间上有着一致的对应关系,山系空间维数值较大,则断层系空间维数值亦较大,而水系空间维数值的大小依次为东部季风区水系、青藏高原区水系与西北干旱区水系;(4)中国大陆山系、断层系空间维数响应的关系为DF＝0．6884DM 0．4446(式中：DM为山系的空间维数,DF为断层系的空间维数)。该式不仅为山系、断层系关系的定量化研究提供了全新的手段,而且还为山系、断层系内在密切关系的证实提供了全新的分形理论的证据;(5)整个中国大陆山系、断层系与水系的空间维数值并不等于三大自然区相应要素空间级数值的简单加和平均值;(6)进行山系等地貌现象的分形研究,应遵循相同的分维计算方法,否则将失去进行分维数横纵向比较的意义。     

Spatial and temporal variations of coastlines in northern China (2000-2012)

This study examined the spatial distribution of the continent coastline in northern China using remote sensing and GIS techniques, and calculated the fractal dimension of the coastline by box-counting method, with a time span from 2000 to 2012. Moreover, we analyzed the characteristics of spatial-temporal changes in the coastline's length and fractal dimension, the relationship between the length change and fractal dimension change, and the driving forces of coastline changes in northern China. During the research period, the coastline of the study area increased by 637.95 km, at a rate of 53.16 km per year. On the regional level, the most significant change in coastline length was observed in Tianjin and Hebei. Temporally, the northern China coastline grew faster after 2008. The most dramatic growth was found between 2010 and 2011, with an increasing rate of 2.49% per year. The fractal dimension of the coastline in northern China was increasing during the research period, and the most dramatic increase occurred in Bohai Rim. There is a strong-positive linear relationship between the historical coastline length and fractal dimension (the correlation coefficient was 0.9962). Through statistical analysis of a large number of local coastline changes, it can be found that the increase (or decrease) of local coastline length will, in most cases, lead to the increase (or decrease) of the whole coastline fractal dimension. Civil-coastal engineering construction was the most important factor driving the coastline change in northern China. Port construction, fisheries facilities and salt factories were the top three construction activities. Compared to human activities, the influence of natural processes such as estuarine deposit and erosion were relatively small.     

经济发展是否缩小区域间基本医疗卫生资源供给差距？

通过分析2000—2016年中国欠发达城市与发达城市之间的基本医疗卫生资源供给差异与人均GDP差异之间的关系,在使用滞后调整的面板数据模型基础上,对全国287个地级市的人均GDP收敛性及其基本医疗卫生资源供给水平随人均GDP变化的收敛性进行实证分析,得出如下结论：（1）2000—2016年,中国城市间人均GDP存在绝对β收敛,2008年后城市间经济收敛速度开始下降;（2）欠发达城市与发达城市之间总体的基本医疗卫生资源供给差异是显著收敛的。新医改之后其收敛速度呈加速趋势,但其收敛的速度仍远慢于人均GDP的收敛速度;（3）按照城市规模测算,大中小三类城市经济发展均存在绝对β收敛,新医改之前中等城市的欠发达与发达城市间基本医疗卫生资源供给差异随经济收敛呈现分散趋势,新医改之后,三类城市基本医疗卫生资源供给差异均呈现收敛状态,但大城市收敛速度呈下降趋势;（4）按照区域分类,四大区域的城市经济发展均存在绝对β收敛,东、中部地区欠发达城市与发达城市之间基本医疗卫生资源供给差异存在显著收敛,并且在新医改之后表现出加速趋势,西部及东北地区基本医疗卫生资源供给差异呈现分散趋势,但新医改之后其分散速度有所下降。     

中国海洋产业发展的地区差距变动及空间集聚分析

采用基尼系数、变异系数、加权变异系数等指标,分析了20世纪90年代海洋经济发展的地区差距以及海洋产业空间集聚的变动趋势。得出以下结论,90年代前半期,我国海洋经济的相对地区差距缩小,后半期有所扩大。90年代多种海洋产业在同一地区的空间集聚减弱。其中,1995年到2000年多种海洋产业的空间集聚加剧。我国海洋经济地区差异与多种海洋产业的同一空间集聚表现为相同的变动过程。