京津冀城镇体系与水系结构的时空关系研究

京津冀地区人水关系矛盾突出,分形可以有效描述城镇体系和水系时空演化特征,从而揭示两者演化关系,为城市问题的解决提供一些理论和经验依据。论文采用分形理论中的网格维数和多分维谱,首先分别刻画了两者的时空演化特征,其次探讨了城镇体系和水系结构之间的时空关系,最后探究了水系结构退化的影响因素。主要结论有：① 1990—2010年,京津冀地区建设用地的网格维数升高、自相似性增强、从集聚向分散转变,意味着建设用地朝着空间填充程度增强、有序、分散的方向发展,而水系反之,证明两者具有不同的时空演化方向;② 21世纪10年代,京津冀的人水关系十分紧张,南水北调虽然缓和了京津冀用水问题,改善了大尺度上的水系结构,但在小尺度上改善有限;③ 越靠近城市中心,建设用地分形形态发育越成熟,结构越有序,越靠近外围越混乱无序;④ 京津冀地区水系退化,由自然和人为两方面因素造成,21世纪以后人为因素的影响较为显著。针对京津冀地区水系退化,提出如下政策建议：在城市建设过程中,一方面科学规划城市水系,重视低等级水系的保护;另一方面节约集约利用水资源,完善水资源管理机制。未来,需要进一步探索城市发展和水系的非线性关系,为城市可持续发展提供依据。     

河南省城镇体系空间结构的多分形特征及其与水系分布的关系探讨

基于河南省城镇体系空间结构的多分形性质及其与水系的分维关系的实证探讨发现如下地理规律:①在较大标度范围内,河南省城市体系的空间结构为简单分形,但在较小标度范围内,系统已经具有明确的多重分形特征;②多分维谱在参数q≈-4处出现标度间断,从而城市体系的空间结构发生对称破缺。③城市体系空间结构的分维小于水系空间结构的分维。由此证明:第一,多分形是由单分形演化而来,城镇体系的多分形结构是基于地球表面的分形支体由测度集中区向测度疏散区渐近发育的。第二,城市体系的分形发育与水系的分维结构具有一定的数理关系,城市体系的分维理当小于水系维数。     

基于重心-GTWR模型的京津冀城市群城镇扩展格局与驱动力多维解析

城镇用地扩展格局及驱动力研究对城市群发展规划与决策具有重要意义。以京津冀地区为例,基于城镇用地扩展强度指数、城镇用地扩展差异指数、分形维数、土地城镇化率和重心转移模型,多维解析了城市群城镇用地扩展格局特征,并耦合重心转移模型和时空地理加权回归（GTWR）模型构建重心-GTWR模型,在对空间格局进行长时间序列多维度指标分析的基础上,运用该模型依序对其特征进行驱动力解读,进而总结凝练京津冀区域发展的主导模式与城市核心驱动力。主要结论为：① 1990-2015年,京津冀城市群城镇用地扩展强度呈现“下降-上升-下降”的趋势,高峰时期在2005-2010年,在2005年之前高速发展城市集中在北京、天津、保定和廊坊,2005年之后集中在邢台和邯郸;② 城市群城镇用地重心虽呈现出发散态势,但城市之间的局部相互作用力逐渐增强,城镇用地扩展驱动力表现出空间溢出特征;③ 京津冀城市群空间发展模式由以北京和天津为中心的双核发展模式向多核发展模式转变,并出现北部资源运输核心、中部经济发展核心和南部投资发展核心三大功能核心组团,城市群趋向于多核功能协同发展模式;④ 重心-GTWR模型结合了时空非平稳性和城市空间相互作用,将城市群城镇用地扩展作为一个时空变化系统进行分析,经验证,该模型在城镇用地扩展格局驱动力分析研究中具有可行性。     

京津冀城市生长和形态的径向维数分析

城市生长与形态是地理学规模与形状研究的重要内容,分维则是刻画城市形态、反映城市生长的标度指数。论文以城市建设用地为研究对象,采用2000、2005、2010年3个年份的遥感数据,利用分形理论的径向维数和相应的标度区概念分析京津冀城市和城镇体系的空间格局及其演变特征。结果表明：其一,北京市第一标度区的范围最大,10 a间增长幅度也最大,对周边城市产生阴影效应;其二,以北京为中心,距离越远,第一标度区范围有越小的趋势;其三,几乎所有研究区内城市的第一标度区空间都被建设用地过度填充,外围则各有特色;其四,经济水平对京津冀整体城市建设用地扩张的影响最大,但北京的城市建设用地扩张已经由经济因素主导转变为人口因素主导;其五,随时间推移,第一标度区拟合径向维数效果提高,第二标度区拟合效果降低。由此得出结论：①北京在京津冀体现了城市首位效应和阴影效应的双重效应。一方面,京津冀地区城镇化区域体现出了以北京为核心的中央集聚特征,另一方面,北京市的巨大吸引力抑制了毗邻城市的生长。②城市中心和外围都出现二元化格局。地区内各个城市的中心部分过于紧凑,而外围则相对凌乱,中心-边缘缺乏一体化过程。③人口可能成为未来京津冀城市发展的第一动力。人口集聚的规模效应未来可能替代经济报酬递增效应。这些结果和结论有助于学术界和管理部门从新的角度认识京津冀城市化现状和未来的发展趋势,以便制定更为合理的城市发展政策和方针。     

京津冀城市用地形态的双分形特征及其演化

区域城乡一体化的标志之一是城镇体系结构的一体化,这个过程可以从标度的角度进行描述和评价。分形是标度分析的重要方法,地理空间无尺度分布特征的典型参数是分维。论文以京津冀城镇体系为例,利用遥感图像的解译数据和人口普查数据开展分形分析、位序-规模分布分析和异速标度分析,用以解释1995—2013年间京津冀城镇体系演化的过程。结果表明,京津冀城镇体系及其演化的特征有：①京津冀空间结构和位序-规模分布都表现为自仿射双分形结构;②京津冀区域的城市人口-城区面积异速标度退化为假线性关系;③随着城镇体系的演化,自仿射的双分形结构逐步向自相似分形结构演化。由此得出结论：其一,京津冀城镇体系存在结构性的不协调因素。其空间结构和等级结构具有二元化特征,但演化方向却呈现内在结构一体化的显著趋势。其二,大城市用地不够集约。城市边缘区的无序扩张导致土地利用铺张浪费。地方政府和规划专家可以有意识地利用城镇体系演化的这种特征和趋势制定管理措施和优化规划方案。     

北京城市边缘区城市化过程与空间扩展——以大兴区为例

城市边缘区空间扩展研究是探讨城市未来空间结构和形态演变的基础。本文基于北京大兴区1994、2001和2006年3期TM遥感影像资料提取城镇用地信息,通过对城市扩展强度、城市扩展梯度、城市边缘区空间扩展模式等建设用地的总体扩张行为进行研究,分析研究区十多年来城市化进程中城镇建设用地扩展的时间过程和空间格局特征,对明确未来城市边缘区土地利用发展方向,提高土地利用效率和城乡建设效益提供基本依据。结果显示,大兴区城市土地利用扩展强度不断增强;中心城区以及中心区面积的不断扩张,导致建设用地在高指数区间集中的趋势明显,农村地区小城镇建设的高速发展使得低指数区间的建设用地面积大幅度增加;根据城市化扩展梯度,大兴区分为城市化高速扩展带、城市化快速扩展带和城市化低速扩展带;紧邻中心区的城市化高速扩展带,以集中连片式扩展为主,该模式在边缘区空间扩展中居于主导地位。城市化快速发展带土地利用以轴向扩展模式为主,轴向扩展稳定地影响着大兴区城市化进程。独立发展模式随着城市经济的快速发展其影响将明显增强,逐渐成为城市边缘区空间扩展的主要形式。     

长江中游城市群空间结构的多分形特征

在城市群越来越演化为多尺度、多区域复杂系统背景下,有必要引入多分形理论与方法研究其空间结构。本文基于2018年NPP-VIIRS夜间灯光数据,计算长江中游城市群整体及其局部的多分维谱,根据谱线分析不同尺度下长江中游城市空间结构的多分形特征。结果显示：① 长江中游城市群夜间灯光容量维在整体和局部都出现双标度现象。② q < -5.5时,整体广义关联维谱线突破理论上限2,在q > 0时,武汉城市圈和环长株潭城市群的分维显著较高。③ 整体的局部分维谱和武汉城市圈、环长株潭城市群、环鄱阳湖城市群、宜荆荆城市群局部分维谱表现为单峰偏右。根据上述结果,得到和验证了以下结论：① 长江中游城市群区域一体化程度较低。② 长江中游城市群不同层级和区域的空间结构差异显著,呈现出多尺度复杂特征。③ 长江中游城市群在不同尺度中均倾向于中心集聚式发展。研究揭示多分形模型能够从尺度依赖视角有效揭示巨型城市群空间结构的复杂性及其背后的问题,具有很好的理论探索和实践分析前景。     

1980—2020年粤港澳大湾区城镇用地空间格局类型演变及其驱动力多维探测

深入研究1978年改革开放以来粤港澳大湾区城镇用地空间格局类型,探索土地城镇化多维和交互驱动机制,对推进粤港澳大湾区建设,打造世界级城市群具有重要意义。本文基于模糊聚类,从规模、形态和分布3个维度划分和定义粤港澳大湾区城镇用地空间格局类型,利用地理探测器测度城镇用地空间格局多维变化驱动力及其交互作用。结果表明：① 粤港澳大湾区城镇用地空间格局类型包括分形/复杂大面积型、分形小面积型、复杂小面积型、简单小面积型和散布型5种类型,城镇用地规模和形状复杂性具有一定的正相关性,2010年后用地规模趋于稳定,形态的规则性和紧凑性得到优化,分布集中。② 人口、GDP、地方财政收入、固定资产投资额和路网密度等社会经济因素对城镇用地面积和形态变化影响显著,核心城市对城市群发展的牵引作用在2000年后得以显现。2010—2020年各影响因子对城镇用地面积、分布和类型变化的作用差异有所减弱,但社会经济因素对形状特征的影响力上升。③ 城镇用地面积特征变化的影响力交互作用最为多样,表现有非线性增强、协同增强、单因子减弱和非线性减弱4种类型;对形状、分布和空间格局类型变化的影响力交互作用主要表现为协同增强和非线性增强。核心城市牵引力、路网密度、河网密度与多数因子交互产生“1+1>2”的效果,反映出城市群核心区位、交通优势对城镇用地扩展的强烈推动作用。     

基于地学信息图谱的矿业城市空间扩展研究——以徐州市为例

以矿业城市徐州市区1979,1989,1999和2009年4期遥感信息图谱数据为基础,借助GIS空间分析技术和相关统计分析方法,从城市建成区面积变化、扩展强度、分维数、重心坐标、紧凑度等方面对徐州市城市扩展的时空变化特征和驱动力进行分析.结果表明:1979-1999年间,徐州市建设用地面积持续增加,分维数有所变化,扩展强度逐渐增强,1989年以后城市重心朝东部和东南方向移动,城市紧凑度增加,分形维数逐渐减少,城市空间形态趋于合理.自然地理环境、煤炭资源的开采、政策、经济和人口等因素是城市空间扩展的主要因素.     

海湾型城市建设用地扩展的时空动态特征及驱动力研究——以厦门市为例

解译了厦门市1986~2007年6个时间点的遥感影像,提取建设用地斑块,借助ArcG IS9.0空间分析模块和空间统计功能,进行缓冲区分析。通过绘制建设用地类型扩展量曲线图,分析波峰-波谷时空变化,结合同期自然和人文因素的变化,揭示建设用地扩展的驱动力。结果表明:①自然因素和人文背景影响城镇用地扩展的基本格局;②社会经济实力积累推动建设用地空间分布的演变;③城市化和工业化相互作用快速推动建设用地的扩展;④政策因素多层次地影响建设用地的时空变化。     

京津冀地区AOD时空变化及影响因子的地理探测

基于MODIS 3 km AOD遥感数据，利用空间自相关模型及地理探测器对2010—2016年京津冀地区AOD的时空变化特征及其影响因子进行探测。结果表明：（1） 2010—2016年京津冀地区年平均AOD值为0.83，其中天津市年均AOD值为研究区最高，河北省次之，北京市最低。研究区及各分区AOD的7 a变化趋势大体一致，呈现先下降后上升再小幅波动的状态。（2） 空间自相关分析表明京津冀地区AOD空间分布呈现显著正相关。局部高高聚集区主要集中在北京市东南部、天津市南部及河北省的中南部，低低聚集区集中分布在西北部山区。研究区高低聚集区面积均呈减小趋势，不显著区呈扩大态势。（3） 地理探测器结果表明不同区域的主导影响因子不同，北京市首要影响因子为NDVI，其次为人口密度，且二者交互作用明显。天津市主导因子为风速，人口密度、第二产业生产总值等人为因子的作用力也较大，风速与其交互作用较强。河北省主导因子为人口密度，GDP与第二产业生产总值等的作用力次之，整体交互作用偏弱。通过地理探测器解析京津冀地区AOD空间分异的影响机理，其结果对我国大气污染治理具有重要意义。     

1990s以来京津冀地区经济发展失衡格局的时空演化

1990s以来京津冀地区经济增长快速,然而经济发展在行政辖区间并不均衡,且逐渐导致环京津贫困带的形成.为识别经济发展失衡格局的演化过程,首先引入DMSP/OLS夜间灯光和可比价GDP,构建"单位开发活动GDP"表征区域经济发展状况;然后运用Local Moran's I将区域经济发展格局划分为五种类型:HH富化扩散,HL富化极化,LH贫化塌陷,LL贫化制约和非显著;最后以HH类型的边界作为京津冀地区经济发展失衡界线,采用缓冲区分析探讨经济发展失衡格局的演化过程和行政区划等人为因素对经济发展的制约效应.结果表明:① 整体上,1990s以来京津冀地区经济发展失衡格局不断加剧,京津富化扩散与河北贫化制约的规模与强度同时增长;局部上,受京津市区经济发展的外溢效应,京津郊区及区位优势显著的部分河北地区经济发展较快.② 与传统认知的"环京津贫困带"不同,在两个空间尺度上识别出经济发展断层,一为京津市区与郊区之间,二为京津与河北之间,且前者的区域经济发展失衡整体上较后者更为严峻.③ 1990s以来京津冀地区经济发展的失衡格局,整体上受制于城乡二元体制带来的城乡隔离效应,局部上受京津冀三地的行政制约.要实现京津冀地区经济发展的协同均衡,关键在于弱化城乡隔离,并辅以消除行政制约.     

Multifractal analysis of spatial distribution of microearthquakes in the Kanto region

b
The spatial distribution of earthquakes is a fractal, which is characterized by a fractal dimension. However, if a spatial distribution has a heterogeneous fractal structure, a single value of fractal dimension [e.g. D_o (capacity dimension) or D ₂ (correlation dimension)] is not enough to characterize it. From a multifractal viewpoint, we analysed the spatial distribution of microearthquakes in the Kanto region by using a local density function. Generalized dimensions, D_q , of the spatial distribution were calculated from the slopes of generalized correlation integrals, C_q(r) versus distance r , on a log-log plot, examining the self-similarity of the spatial distribution of microearthquakes. Self-similar structures are held well at scales from 1.26 to 12.6 km. Our results suggest that the spatial distribution of microearthquakes in the Kanto region is not a homogeneous fractal structure but a heterogeneous one with generalized dimensions D₂ = 2.2 ≤ D ₃≤…≤ D _∞= 1.7. The value of D _∞, the lower limit of fractal dimension, is the fractal dimension of the most intensive clustering in the heterogeneous fractal set. The fractal dimension of the most intensive clustering of microearthquakes in the Kanto region is 1.7.     

城市地理研究中的单分形、多分形和自仿射分形

分形几何学在城市地理研究中具有广泛的应用,然而很多基本概念却让初学者感到迷惑。如何区分单分形、自仿射分形与多分形,是一个基本而重要的问题。简单分形容易理解,而真实的地理现象很少是单分形的。城市生长过程具有自仿射特征,而城市空间格局却具有多分形性质。作者发现,各种分形的共性在于三个方面：标度律、分数维和熵守恒。论文基于标度、分维和熵守恒公式,借助隐喻城市生长的规则分形来区分单分形、多分形和自仿射分形,讨论分形系统演化的机理、分形与空间自相关和空间异质性的联系,同时澄清一些在地理分形研究中的常见错误概念。最后以城市位序-规模分布为例,说明并对比单分形和多分形在城市地理研究中的建模与应用思路。     

京津冀地区工业CO2排放测度及其影响因素研究

为探讨京津冀地区工业CO₂排放测度及其影响因素，基于2005—2016年数据对北京、天津、河北和京津冀地区工业能耗CO₂排放的时间变化趋势进行了对比分析，运用地理探测器技术分析能源结构、能耗强度、固定资产投资、轻重工业比值和规模以上工业平均用工人数对京津冀地区工业能耗CO₂排放量的影响作用大小。结果表明：①研究期内京津冀工业碳排放强度均为递减趋势。其中，河北最大，天津次之，北京最小；人均碳排放北京呈递减之势，天津和河北在波动中上升。②京津冀工业煤炭类CO₂排放占总排放量的主导地位是由河北省以煤炭为主的能源结构决定的。③能源结构对京津冀、天津和河北的CO₂排放影响最大，其次是轻重工业比值；北京市规模以上工业从业人数对CO₂排放的影响最大，其次是固定资产投资。     

Multifractal process of runoff fluctuation of the Kaidu River in Xinjiang,China

Based on the hydrological data in the headwater region of the Kaidu River during 1972–2011, the multifractal process of runoff fluctuation was analyzed. Results indicated that, in the past 40 years, the overall runoff of the Kaidu River in Xinjiang has shown significant multifractal behavior. Its singular curve lnχ_q(ε)–ln(ε) verified a favorable scale invariance over the entire time scale. τ(q)–q proved that evolution of the runoff time series presented multifractal characteristics. Moreover,the multifractal spectrum f(α)–α curve was hooklike leftward which indicated that, compared to relatively large runoff events. And Δf0 indicated that these relatively small events took the leading role; B0 explained the Kaidu River's daily-runoff ascending tendency presented during 1972–2011. Besides that, the multifractal behavior of the Kaidu River's runoff variability over four decades was also analyzed. Generally speaking, by decades, their four corresponding spectrum variations were not noticeable. These Δα values showed larger runoff events occupied the leading position with some local values falling. During the 1970 s to the 1990 s, Δf0 illustrated the probability of the daily runoff at the lowest point is always larger than that of the highest during three continuous decades. At the beginning of the 21 st century, for Δf0 the trend presented was contrary from the 1970 s to the 1990 s. B values suggested an overall trend of increases during1972–2011. Until the 21 st century, the runoff with a slightly descending tendency on the whole explained these relatively large runoff events taking the leading role for the Kaidu River; but sometimes, some small events also played the dominant role.