大尺度景观结构指数的因子分析

基于遥感和GIS技术,尝试对大尺度下陆地景观结构指数进行因子分析。根据生态区划计算描述中国陆地景观结构的13种景观结构指数,包括斑块密度、最大斑块指数、边界密度、面积加权斑块形状指数、面积加权斑块分维度、平均最近斑块距离、最近斑块距离的标准差、最近斑块距离的相异系数、蔓延度、分布邻接指数、结合度、香农多样性指数、辛普森多样性指数。在相关分析的基础上,对其中12种指数进行因子分析,并采用前3个公因子分析中国陆地景观结构,3个公因子的方差累积贡献率达88.8%,分别定义为斑块多样性因子、斑块形状复杂性因子和斑块分布均匀性因子。计算表明,在人类活动影响强烈的生态区,这3个公因子取值都比较小,反映斑块类型多样性减少、形状复杂性降低、分布趋于均匀。     

基于MODIS的北京绿化隔离地区植被格局与趋势分析

营造绿化隔离地区是限制城市无序扩展和改善景观环境的有效手段.利用MODIS-NDVI数据,采取景观格局分析和趋势分析方法,探讨了北京两道绿化隔离地区2000-2010年的植被变化.结果表明:一道绿隔内NDVI低值斑块占主导,但不断向NDVI高值斑块转化并被分割,斑块连接度(CONNECT)和斑块结合度(COHESION)也在不断减小,二道绿隔则与此相反;一道绿隔NDVI显著增加的像元占40.5％,仅有3.8％的像元NDVI显著减小,二道绿隔NDVI显著增加与显著减小的像元比例相当,分别为18.1％和15.6％.两道绿隔的植被变化由不同的城镇化水平引起:一道绿隔土地利用过程稳定,植被增加明显,建成区连接成片的现象得到很大改善;而二道绿隔范围广,城镇化进程与植被建设过程相互交错,植被总体分割和局部改善并存.     

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。     

西安市绿地景观吸收雾霾生态系统服务测算及空间格局

大城市日益严重的雾霾现已成为影响城市生存发展的重要问题。城市绿地是城市社会—经济—自然复合生态系统的重要组成部分,发挥着重要的生态功能。测算城市绿地吸收雾霾的生态功能价值及空间格局,对城市雾霾治理以及生态与经济健康协调发展有重要意义。运用景观生态学和生态系统服务理论,基于西安市的TM遥感影像和Arc GIS 10.1、Fragstats 4.1软件,对西安市绿地吸收雾霾的生态系统服务价值进行了测算和空间分析。结果表明:1西安市建成区不同景观类型的破碎程度差异较大;2西安市建成区绿地景观吸收雾霾的生态系统服务总价值为2954.13万元,各类绿地生态景观对吸收雾霾的贡献率有较大差别;3西安市建成区绿地景观吸收雾霾的总生态系统服务功能值密度和各单项生态系统服务功能值密度具有明显的城市中心区到边缘区的圈层递变特征;4西安市建成区各绿地景观指数与绿地吸收雾霾服务功能密度值之间具有显著的相关关系。绿地斑块与廊道镶嵌存在且斑块分布均匀的绿地景观格局对吸收污染气体、滞尘、净化大气有着重要作用,而且景观斑块平均面积越大、破碎度越低,对大气污染物的净化功能越明显。     

欠发达地区聚落景观空间分布特征及其影响因子分析——以安徽省宿州地区为例

以欠发达地区——皖北宿州地区的聚落为研究对象,采用景观格局分析软件FRAGSTATS计算了5个景观格局指标。用ArcGIS软件计算了形状指数、景观类型空间邻接比例、最邻近指数、最近距离以及聚落的耕作半径,分析了该区聚落景观的空间格局特征及影响因子。结果表明:耕地是宿州地区的景观基质,聚落是宿州地区分布最广、斑块数目最多的景观类型;耕地是影响农村聚落分布格局的重要因子;农村聚落分布受中心城镇影响明显;用缓冲区的方法求取耕作半径在耕地分布均匀地区较为实用。     

中国建设用地扩张对景观格局演化的影响

探索建设用地扩张对景观格局变化的影响机理是理解人类活动对生态系统功能、格局和过程变化影响机制的关键。但中国全国尺度建设用地扩张过程对景观格局演化的影响研究明显不足。基于此,突破传统行政区划单元的分析方法,以覆盖全国的10 km格网为基本单元,基于1975-2014年建成区比率数据来表征建设用地扩张水平,运用同期土地利用数据计算相应的景观指数,定量刻画了建设用地扩张及景观格局的时空演化过程,并运用空间计量经济模型定量解析了建设用地扩张过程对景观格局演化的影响效应。同时,基于全样本、不同时间点、不同规模城市和不同区域城市的对比揭示建设用地扩张过程对景观格局演化影响的时空差异性。研究结果表明：40年间建成区比率值增长了3倍,高于同期的人口城镇化增长水平,东、中和西部间呈现出显著的梯度差异性,而且差异程度逐步增加,大、中、小城市之间的差异也较为显著。1975-1990年、1990-2000年和2000-2014年3个时间段的年均增速分别为5.87%、2.32%和2.32%。景观格局总体上也经历了显著变化,优势景观类型的主导性逐步降低,景观格局趋于破碎化,复杂度增强,邻近度趋于离散,聚集度逐步降低,结合度渐高,景观多样性和均匀度均有所提高。随着建设用地扩张水平的提高,景观越来越趋于破碎化,人类活动对景观的干扰强度和频率也不断增强。例如,建设用地扩张水平每提高1%将导致景观斑块数量提高0.45%左右。但是建设用地扩张水平与景观复杂度的变化在空间上存在错位。建设用地扩张水平的提高在一定程度上使同类型斑块间的距离变近,景观聚集度出现降低趋势,景观越来越呈现多种要素的密集格局,斑块聚合和集群性增强,相应的结合度也越来越高,景观均衡化趋势和均匀分布越来越明显。同时发现,不同规模城市和不同区域的影响差异显著,除地理区位因素差异性不显著外,其他控制要素也对景观格局演化具有差别化的影响。     

广西贵港市城市建成区景观格局动态变化研究

以高分辨率QulckBird卫星影像及航片为数据源,借助GIS技术平台获得广西贵港市4个时期城市景观类型图;运用景观格局指数定量分析城市景观格局的时空变化特征。分析结果表明,近40a来贵港市城市景观趋于有序多样化,表征城市综合发展水平的公共设施用地、市政公用设施用地和工业用地的斑块数和面积均逐年上升;建成区用地规模在经历了扩展过快和扩展不足的波动后,最近10a趋于合理,但仍存在一定程度的土地资源闲置现象;城市化过程中,城市主要景观要素（公共设施用地、工业用地、居住用地和农田）的空间形状表现出规则整齐的特征,而主要景观要素的空间分布特征具有明显的波动变化趋势。     

基于误差反馈控制的变系数城市扩张模型构建及应用

通过模拟结果与实际情况的误差分析,将研究区划分为4种像元类型,包括漏算误差像元（Omission Error, OE）、超算误差像元（Commission Error, CE）、正确模拟的城市像元（Urban Correct, UC）及正确模拟的非城市像元（Non-urban Correct, NUC）。利用线性规划方法,将误差反馈到城市扩张模型中,动态修正模型系数,构建基于误差反馈控制的变系数城市扩张空间布局模型反映城市扩张的内在特征,最后以北京市为例,模拟了其1997~2009年的城市扩张过程,通过与传统Logistic-CA模型的模拟结果对比,验证变系数模型的有效性与实用性。研究结果表明：传统Logistic-CA模型在2001年、2005年和2009年的模拟精度分别为73.842%、64.704 %和63.953%,而基于误差反馈控制的变系数城市扩张模型的模拟精度分别为75.624%、66.537%和69.142%,较Logistic-CA回归模型提高了1.782、1.833和5.189个百分点,取得了更好的模拟效果。     

新疆天山北坡干旱区GDP时空模拟

针对资源环境研究领域对空间型社会经济数据的需求,本文以新疆天山北坡为试验区,在分析区域经济发展特征的基础上,根据分县控制、分产业建模的思路,建立基于土地利用的1 km栅格GDP空间化模型对统计型经济数据进行空间分布仿真模拟。对第一产业产值采用面积权重的方法进行拟合;对第二产业建立基于道路的反距离加权模型;第三产业则以城镇规模为基础,通过引入城市边缘距离概念建立多中心的距离衰减加幂指数模型。结果表明,天山北坡GDP空间分布模拟在分产业和分县水平上具有较高精度,模拟值与真实值间的相对误差均在1%以内。从研究区GDP的空间分布来看,高值区主要集中在米泉至沙湾一线,以乌鲁木齐市、石河子市以及克拉玛依市为核心向周围地区辐射;城市内部GDP密度由城市中心向外围递减,建成区GDP密度明显高于城郊及农村地区。1995、2000和2007年三期GDP模拟结果的对比较真实地反映了区域经济发展的历程,对准确把握区域经济动态具有一定的实用价值。     

基于随机森林模型的珠江三角洲30 m格网人口空间化

人口空间化是实现人口统计数据与其他环境资源空间数据融合分析的有效途径。本文选取夜间灯光数据、道路网数据、水域分布数据、建成区数据、数字高程模型和地形坡度数据作为影响珠江三角洲人口分布的变量因子,利用随机森林模型对珠江三角洲2010年人口数据进行了30 m格网空间化,并将模拟结果与三个公开数据集作精度对比,最后基于随机森林模型的变量因子重要性分析珠江三角洲人口空间分布的影响因素。结果表明：本文模拟整体精度达到82.32%,均优于WorldPop数据集以及中国公里网格人口数据集,接近GPW数据集,而且在人口密度中等区域模拟精度最高;通过对变量因子重要性进行度量,发现夜间灯光强度是珠江三角洲人口分布的最重要指示性指标,到水域的距离、到建成区的距离和路网密度对珠江三角洲人口分布均具有重要作用。利用随机森林模型结合多源信息能够实现高空间分辨率的人口空间化,可为精细化城市管理提供重要数据源,也可为相关政策决策制定提供支持。     

Analyzing the Impacts of Urban Expansion on Green Fragmentation Using Constraint Gradient Analysis

Many existing gradient analysis methods are arbitrary or too simple in gradient partitioning and unsuitable for cities with irregular forms. We propose an improved gradient analysis method with urban structural features as spatial constraints to properly partition an urban area into more homogeneous buffers. Taking the Wuhan metropolitan area in China as an example, we use the improved gradient partitioning method and six landscape metrics to characterize urban expansion and green space fragmentation in 1989, 2001, and 2013 and investigate the relationship between urban green fragmentation and urban expansion using correlation analysis and regression modeling. The results show that the fragmentation of built-up area in each buffer generally decreases from 1989 to 2013, but the fragmentation of green space increases. For each time point, with growing distance from urban centers, the fragmentation of built-up area increases and green space fragmentation decreases. This shows that urbanization exerts a significant influence on fragmentation of urban green space from both a temporal and a spatial perspective. Intensive urban expansion moved outward mainly at the cost of agricultural land and resulted in more fragmented green space in the urban fringe. Further quantitative analyses show that the area ratio and fragmentation of the built-up area are statistically negatively correlated with the fragmentation of green space. The improved gradient analysis with spatial constraints can generate more homogeneous ring gradients and then lead to more reasonable results, thereby helping to better understand how urban expansion affects landscape dynamics.     

Long-term growth and metropolitan spatial structures: an analysis of factors influencing urban patch size under different economic cycles

Urban forms are increasingly reflective of socio-economic change in metropolitan regions. The present study illustrates an original approach to identify latent mechanisms of urban growth through the analysis of metropolitan spatial structures and their proximate drivers of change. Urban transformations are evaluated here using built-up patches as the elementary analysis unit and background socio-economic attributes at four stages of the “city life cycle” (urbanization, suburbanization, dis-urbanization, re-urbanization). Regression models based on 13 indicators assessing urban patch area and shape, nearest neighbour urban patch area and shape, elevation, distance from 5 urban centres, 2 road infrastructures and sea coastline, were run with the aim to investigate direction and intensity of metropolitan growth in post-war Athens (1948–2012), a southern European city shifting from a compact mono-centric form towards discontinuous urban structures. Mono-centric configurations were characterized by linear dependence of urban patch size from the distance to central cities. Shifts toward scattered urban forms were associated with changes in the multivariate relationship between urban patch size and territorial drivers, pointing out the increased complexity of dispersed metropolitan structures. Our approach integrates economic and ecological visions of urban landscapes and contributes to understanding long-term mechanisms of metropolitan growth under dynamic spatial equilibriums. Investigating the multiple relationships between form and functions at the base of socio-economic transformations are relevant issues when identifying and profiling urbanization cycles.     

城镇化与生态环境耦合动态模拟模型研究进展

按照地理学科发展趋势,对城镇化与生态环境耦合的研究将由定量描述转入动态模拟。目前,城镇化与生态环境耦合动态模拟模型呈现多元化。论文系统梳理了其中4类常见的动态模拟模型,包括城镇化与生态环境耦合系统动力学模型、基于人工智能算法的城镇化与生态环境耦合动态模拟模型、基于土地利用变化的城镇化与生态环境耦合动态模拟模型以及基于多模型集成的城镇化与生态环境耦合复合模型。主要结论如下：系统动力学模型被广泛应用于城市复杂系统、城市转型和可持续发展以及城镇化与生态环境单要素耦合的动态模拟之中,但存在空间解释不足以及忽视系统自适应性等问题;人工智能算法(ANN和BN)在自学习、自组织、自适应系统或不确定性系统模拟中具有显著优势,并被应用于城市扩张、环境变化、资源需求以及生态脆弱性的识别之中,但应用面相对狭窄且限制条件偏多;土地利用变化模型(CLUE/CLUE-S、CA和MAS)局限于从土地城镇化视角模拟城镇化与生态环境耦合;基于多模型集成的复合模型实现了各模型之间的优势互补,已成为城镇化与生态环境耦合动态模拟模型的发展趋势。今后,应从技术和理论2个层面实现城镇化与生态环境耦合动态模拟模型的进一步发展,并加强对微观过程的模拟。     

A spatial zoning approach to calibrate and validate urban growth models

Calibration and validation of models predicting urban growth have been largely developed using internal variables. Further investigation is required to improve model’s calibration and validation mixing internal and external variables. To reach this objective, a spatial zoning approach simulating long-term expansion of Mashhad, the second largest city of Iran, was presented in this study. Spatial zoning approaches distinguish local-scale urban dynamics in districts with different socioeconomic characteristics. Thiessen polygons were used to identify districts with different morphology and functional attributes. Urban growth was subsequently simulated for each district using a Multi-Layer Perceptron (MLP) neural network and Markov chains (MC) analysis. MLP and MC algorithms were respectively used to derive transition maps from non-urban to urban use of land and to determine spatial evolution of built-up areas at the metropolitan scale. Results of simulations based on spatial zoning were compared with outcomes of traditional urban growth models. Spatial zoning improved significantly model’s accuracy in respect to more traditional simulation modes. The approach proposed here is appropriate when simulating land-use changes under discontinuous urban expansion.     

城市化过程中半城市化地区社区人居环境特征研究——以厦门市集美区为例

城市化过程中半城市化地区存在着城市化程度由低到高的农村社区、城乡过渡型社区以及居住小区等城市型社区,社区人居环境多样化、多变化。在城市化影响下,这些社区人居环境呈现一定的特征。以厦门市集美区为例,通过选取典型社区,分析其景观格局特征,构建人居环境评价指标体系,对城市化过程中半城市化地区不同类型社区的人居环境特征进行了研究。结果表明:①从农村到城乡过渡型社区,建筑面积比例显著增加,道路面积比例变化不大,而林地和草地面积比例逐渐减少,景观格局逐渐变为景观类型较单一、以现代建筑为优势景观的状态,景观趋于破碎化,形状略趋复杂,城市居住小区各类景观面积比例则相对合理,但景观高度破碎化、形状较规则。②城市化过程中各类型社区人居环境质量均逐渐变好,城乡过渡型社区和农村尤为明显,城市居住小区质量明显高于过渡型社区与农村,且除城中村之外,从农村到城市居住小区社区城市化程度与人居环境质量呈正相关关系。③城市化总体上促进了社区人居环境质量的提高,但对社区人居环境各方面的作用具有不同的规律,对于环境质量、人文环境等方面具有一定的负面影响。     

FUTURES:一种新型区域城市增长模型

如何更好地进行城市发展模拟是发展中国家快速城市化过程中面临的一个科学问题。传统研究往往基于单体或组合模型,不能为决策方案提供直接支持。本文介绍了国外一个新的城市发展模型FUTURES(FUTure Ur-ban-Regional Environment Simulation)。该模型不仅考虑了城市发展区动态适宜性梯度计算、人均土地消耗的趋势分析以及基于空间位置的斑块变化可视化模拟,而且注重模块间的动态交互反馈过程,形成了独有的深度耦合机制,模型结构紧密又不失灵活性。基于高性能计算环境支持,该模型已经在美国北卡罗来纳州的多个区域进行实验并取得成功。本文主要介绍该模型设计思想、模型组成、关键建模方法,并总结了模型的主要优势,以期为我国城市发展模拟研究提供借鉴。     

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。     

基于景观格局的广州市边缘区生态压力研究——以番禺区为例

基于RS、GIS技术和统计分析方法,选取破碎化指数、斑块结合度指数、分形维数3个景观指数和土地利用脆弱性指数构建生态压力指数,以番禺为例从景观尺度研究城市边缘区在城市化梯度上的生态压力空间分异。结果表明:不同用地类型的景观指数在3个梯度区内依人为干扰的强烈程度出现明显的空间分异,生态压力呈现自北向南依次降低的空间分布格局。景观生态压力强弱的分布与区域内土地利用方式和强度具有较高的相关关系,人为干扰是影响景观生态压力扩散的重要原因。     

深圳市近20年城市景观格局演变及其驱动因素

基于深圳市1996—2015年土地利用数据,利用景观指数、景观转移矩阵和景观扩张指数等方法探究了深圳市近20年景观格局时空变化、主要景观类型转移和建筑用地扩张模式,最后使用Binary Logit模型考察了市级和区级建筑用地景观扩张的主要驱动因素。结果表明：① 1996—2015年,深圳市建筑用地景观优势性逐步增强,面积增加15.81%,以蔓延式（61.9%）和填充式（36.27%）扩张为主;② 1996—2006年为城市化快速扩张期,建筑用地扩张呈集中开发形态,景观多样性和均匀性增加,城市扩张中心略微向北部和东部移动,2006—2015为城市化低速过渡期,景观破碎化加剧,城市扩张重心向北部和西部偏移;③ 在市级尺度上,GDP密度和人口密度对建筑用地景观扩张有显著正影响,生态控制线、高程、坡度和至道路的距离有着显著负影响。每单位生态控制线范围、坡度的增加分别将使建筑用地景观扩张的机会比率将平均减少到原来0.8168倍、0.8841倍。各驱动因素表现出区域和尺度差异性,GDP对宝安区、南山区和坪山区,人口增长对宝安区、龙华区,以及交通可达性对大鹏新区、龙岗区驱动分别最为突出。研究结果可以为中国城市快速扩张过程中的景观格局变化提供科学实践。