基于反馈机制的城市扩张模拟研究进展

回顾了城市扩张模拟的研究进展,发现相关研究在表达城市系统的复杂性特征时存在较多问题,主要原因是未能较好地反映城市扩张与驱动因子间的相互作用与反馈机制。部分研究虽然隐含地考虑了这种"因-果"相互作用关系,但尚未形成一套成熟的框架体系,主要表现在:1)从研究深度看,反馈机制的实现尚无一套系统的方法;2)就研究广度而言,目前城市扩张模拟较少考虑多类别反馈机制的综合作用。新理论与方法(如复杂系统与网络)的引入及模型耦合等是未来基于反馈机制的城市扩张模拟研究的重要方向。     

黄河流域城市群扩张的时空格局演化及情景模拟——以呼包鄂榆城市群为例

黄河流域城镇扩张对区域景观格局影响显著,城市群人口聚集与增长引发了流域“人-地”矛盾和“空间冲突”等一系列生态环境问题。基于土地利用数据和FLUS模型对2025年和2035年呼包鄂榆城市群城镇化与土地利用时空演化特征进行多情景模拟预测。结果表明：① 1990—2018年呼包鄂榆城市群整体发展水平较低,建设用地面积经历了“平稳增加-缓慢增加-急剧增加”的变化过程,区域总体以草地为主,其占土地总面积的50%以上,其次是未利用土地和耕地,林地和建设用地次之。② 城市群扩张最剧烈地区在空间上主要发生在呼和浩特市、包头市等城市主城区,且扩张模式以外延式扩张为主,扩张来源主要是耕地、草地等生态用地。③ 三种情景模拟发现,2025年和2035年区域土地利用变化的空间结构和特征差异明显。自然发展情景下,城市扩张不受约束,高速增长占据了大量生态用地;加入生态约束条件很好的控制了对草地和林地的占用;经济发展情景下,城市扩张将进一步占据更多的未利用土地和耕地。本研究通过城市群扩张时空格局演化及情景模拟分析,尝试为区域规划、城市空间规划和区域生态空间保护提供多角度、多情景和可选择的政策决策参考。     

珠三角县域城市潜力的空间集聚演化及影响因素

运用因子分析、扩展的潜力模型、ESDA和空间计量经济学模型,基于五个时间断面的数据,探讨了1990-2009年珠三角县域潜力的空间集聚格局演变特征及其影响因素。研究发现：总体上珠三角县域潜力具正空间集聚特征,但集聚程度不高且趋于减弱;大多数县域潜力的局部空间集聚特征保持相对稳定且规律性明显,高潜力县域集中在广-佛都市区并呈向深-莞-惠都市区发展态势,低潜力县域进一步向研究区西部集聚,并在西部形成面状连续分布区;局部空间集聚格局也发生了一些变化：HH和LL集聚区位有所变化,局部集聚类型间有一定的转化,县域潜力的空间集聚的不均衡性在西部与中东部地带间有进一步扩大倾向。从县域潜力集聚演化的影响因素上看,县域间相互作用、地理区位、消费者购买力、人力资本、劳动力成本、信息化水平有显著正向影响;企业数量、城市化水平有显著负向影响;交通运输条件、固定资本投入和两个经济政策因素的影响不显著。     

韧性视角下城市社会脆弱性评估及优化策略——以珠三角城市群为例

从防灾减灾角度研究珠三角城市群的社会脆弱性,提出降低社会脆弱性的优化策略。首先,从人口、经济、基础设施、社会组织保障等4个方面构建城市灾害社会脆弱性评价指标体系;其次,基于客观赋权的信息熵法,建立城市灾害社会脆弱性定量评价模型,计算珠三角城市群社会脆弱性指数,分析各城市社会脆弱性演变规律和影响因素;最后,基于韧性视角提出降低社会脆弱性的优化建议。结果表明：2010—2020年,各大城市的人口脆弱性增加,经济脆弱性呈先增后减趋势,基础设施脆弱性增加,社会组织保障脆弱性降低,社会脆弱性呈先增后降趋势;广州、珠海和深圳社会脆弱性相对较低,肇庆和江门相对较高;经济脆弱性和社会组织保障脆弱性是影响整个城市群社会脆弱性的主要因素;应从科学制订城市空间规划、开展城市韧性水平科学评估、推进城市韧性系统建设、促进蓝/绿/灰防灾基础设施融合、构建城市群防灾韧性管理制度等方面提升韧性城市建设,以整体提高珠三角城市群的防灾减灾能力和城市韧性水平。     

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。     

长江经济带城市扩张的时空分异特征及影响机制

城市人口增长被普遍认为是驱动城市空间扩张的重要因素,明晰城市扩张的时空分异特征以及城市人口规模与城市用地扩张的关系是优化城市空间结构、抑制城市用地无序扩张的前提。基于卫星影像识别长江经济带包含城市生态空间的城市用地,采用空间分析方法和计量模型,在分析长江经济带1990—2020年城市扩张时空分异特征的基础上,探索不同区域城市人口规模与城市扩张的关系。研究发现：(1) 2015年之后长江经济带的城市扩张速度大幅下降,中上游城市表现出明显不同于下游地区的城市扩张时序特征,2010年之后上游扩张速度超过中游。空间上,长江经济带城市扩张规模存在明显的空间分异,高速扩张区由东向西移动,中上游与下游间的城市用地规模差异趋于收敛;下游城市扩张存在较强的空间依赖性,中上游未表现出显著的空间自相关;(2)不同区域城市人口规模与城市扩张变化率之间的关系存在显著差异,上游呈负相关关系,中下游呈“U”型关系,表明上游城市人口规模尚未出现明显的过度扩张,而中下游部分城市已出现人口过度扩张,中游城市居民对城市舒适度的关注度和敏感度更高。最后,研究分区域提出政策建议,为城市精准施策、推动城市高质量发展提供科学参考。     

长沙都市区生境质量对城市扩张的时空响应

生境质量是评价生态环境的重要指标,掌握其对城市扩张的时空响应规律,有助于提升都市区城乡规划质量和生态管控的合理性。本文在运用InVEST模型对长沙都市区1995-2015年生境质量时空演化的基本特征进行分析的基础上,利用缓冲区由内向外逐层剖析,探讨长沙都市区近20年来城市扩张格局及其对生境质量的影响。结果表明：①长沙都市区建设用地面积从170.26 km²增至487.19 km²;三环线以内建设用地快速扩张,从三环线起向外扩张逐渐放缓;②生境质量中等及以上的区域占比从1995年的43.49%下降到2015年的27.22%,生境质量平均值则相应地从0.46下降到0.31,且退化最明显的区域从核心外围区(5-10号缓冲区)外移到三环线附近(10-15号缓冲区);③各圈层建设用地扩张强度与生境质量变化之间存在显著的空间负相关性,生境质量变化对城市扩张响应最强烈的区域始终位于核心外围区;④建设用地空间布局零散和几何形态不规则程度的增加加剧了生境质量的退化,并在三环线附近区域(10-15号缓冲区)表现最为明显,应成为未来长沙都市区城乡规划和生态管控的重点区域。     

大规模投资建设背景下城市过度扩张的约束机制——以无锡市为例

2008年国家出台大规模投资建设经济刺激方案,在促进经济发展的同时,也极易造成城市空间过度扩张.本文以无锡市为案例建立城市建设投资与城市空间扩张Cobb-Douglas生产函数修正模型(AC-D模型),通过仿归一化方法提取1991、1998、2001、2005、2008年TM遥感影像上城市空间扩张信息,并与5年城市建设投资数据引入AC-D模型,验证城市建设投资对城市空间扩张的促进程度,同时计算城市建设投资的不同领域对城市空间扩张的贡献率.在此基础上,根据GDP、城市建成区面积和人口总量等约束条件,构建基于遗传算法的城市建设投资结构优化遗传算法模型(GA模型),得出防止城市过度扩张的最佳城市建设投资规模及投资结构,旨在为城市建设投资方向的选择与城市空间可持续发展提供科学依据.     

2000-2015年城市和工矿用地扩张对净初级生产力的影响

中国近15 a来快速的城市化和工业化对陆地净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）的影响是关系到碳循环和全球变化效应的重要问题。首先,本文基于VPM（Vegetation Photosynthesis Model）模型得到NPP数据,基于中国土地利用数据集（National Land Use Datasets of China（NLUD-China））获取2000-2015年城市和工矿用地数据,然后通过邻域替代法模拟2000-2015年间因中国城市和工矿用地扩张损失的陆地NPP。结果表明：2015年城市和工矿用地占中国国土总面积的1.2%,在2000-2015年间面积增加了70×10³ km²。城市和工矿用地扩张导致陆地NPP损失1.24 TgC·a^-1到3.14 TgC·a^-1,在2005-2010年损失NPP最多（3.14 TgC·a^-1）。耕地被建设用地占用是造成中国陆地NPP损失的重要原因,在2010-2015年共有13×10³ km²的耕地被城市和工矿用地占用,因此损失的NPP达1.51 TgC·a^-1,占中国城市和工矿用地扩张损失NPP总量的82%。从时空分布特征来看,21世纪初剧烈的城市扩张造成沿海和中部地区NPP损失严重（2000-2005年沿海地区主要因城市扩张损失NPP高达0.82 TgC·a^-1）,而2010-2015年主要因工矿用地扩张使西部地区NPP损失升高（在2010-2015年因工矿用地扩张损失NPP 0.46 TgC·a^-1,占中国NPP损失总量的30.81%）,NPP损失量呈现出从东高西低逐渐过渡到东西平衡的时空格局。从影响上分析,城市和工矿用地不透水地表比例（0.59±0.19）高于自然植被的不透水地表比例（0.29±0.14）,并且城市内部透水地表的平均标准化NPP（0.9）低于自然植被的平均标准化NPP（1.1）,是造成城市和工矿用地损失NPP的主要原因。     

“一带一路”沿线地区城市扩张和形态变化分析

尽管越来越多的人认识到“一带一路”沿线各国的城市化进程对其经济、政治和环境系统所起的重要作用,但对监测区域范围内城市扩张和形态变化的比较研究却极为有限。基于欧空局气候变化倡议项目最新发布的1992—2015年300 m分辨率的全球土地覆盖数据集、1992—2012年DMSP/OLS夜间灯光数据和2000—2015年LandScan人口数据,本文首先分析了1992—2015年“一带一路”陆域城市用地增长的空间格局和十大分区城市用地面积的动态。其次,通过分析3个时间点（1992年、2003年和2015年）上同心环内城市用地密度的时空变化,量化了“一带一路”沿线80个城市的扩张和形态变化。最后采用3种统计模型（线性、幂律和指数函数模型）来分析城市用地面积、加权灯光面积和城市人口之间的长期关系。结果显示,“一带一路”陆域城市用地面积占土地总面积的比例从1992年的0.24%上升至2015年的0.56%,并且非洲和亚洲的发展中国家是“一带一路”监测区域城市化的主要贡献者。同心环内城市用地密度从城市中心到城市边缘呈递减趋势,且城市间的空间分布完全不同。中国、欧洲、非洲、西亚、东南亚和印度6个分区人口数超过100万的城市间比较显示,除了中国城市形态变得分散,其他分区城市形态总体变得紧凑。分析结果也显示,夜间灯光信号所反映的城市经济活力和城市人口分布趋势在不同程度上影响城市空间扩张和形态变化。     

结合宏观和微观视角的城市扩张方向异质性分析

探究城市扩张过程在不同方向的异质性及其规律,对理解城市空间结构变化和城市动态增长过程具有重要意义。基于武汉市1995-2016年间5期遥感数据,应用反S函数与邻近扩张指数(PEI)方法,分别从宏观和微观角度定量刻画城市土地密度梯度分布的形态(宏观形态)和斑块扩张过程(微观视角),结合空间形态演变阶段探究方向异质性规律。研究表明:1)扇形方向与交通廊道的城市土地密度在梯度上呈"反S形"分布,反S函数可较好拟合其形态。2)各向城市空间的紧凑与松散变化过程具有异质性,西南方向的宏观形态趋于紧凑,东北方向的宏观形态由紧凑变得松散,东南和西南方向的斑块扩张处于聚合阶段。3)各向城市空间形态演变可划分为块状、块状生长、指状和指状生长时期:在块状生长时期,交通廊道的宏观形态更紧凑,廊道内斑块扩张更紧凑,且与廊道外的差距增大;在指状生长时期,交通廊道的宏观形态更松散,廊道内斑块扩张更紧凑,但与廊道外的差距减小。     

水资源约束下河西走廊的城市竞争能力与扩张幅度研究

基于西北干旱区河西走廊7个城市市区的水资源供应状况及其短缺程度和城市化进程加快与水资源短缺二者的矛盾关系,分析了在水资源约束下河西走廊城市竞争力和城市扩张的变动幅度等问题。认为河西走廊绝大多数城市"缺水又费水",城市发展具有明显的"旱生性"。在水资源约束下,城市扩张的总体特征表现为以总量扩张为主,"农转非"空间和用地拓展空间大,以高耗低效扩张为主,水土资源投入产出效益普遍低下,城市发展处在主靠资源开发拉动经济增长的低级阶段,扩张质量有待提高。为了确保城市的有序竞争与扩张,建议在城市建设过程中坚持以人为本,以水为生命线,以经济发展为动力,以城市规划为法定依据,先发展后扩张,量水依法优质扩张,突出城市建设特色与个性,确保城市可持续发展。     

基于分区域的元胞自动机及城市扩张模拟

元胞自动机用于模拟城市扩张具有很好的空间建模能力,通常采用的建模方式将影响因子的空间条件作为线性要素对待,而在元胞转换规则建模中考虑影响因子的空间非线性特征更逼近真实状况.该文提出一种基于分区域的元胞自动机模型,通过划分各个全局影响因子的重要性子区域,计算不同类型区域中各因子对土地利用转换的影响强度,从而得到全区域的空间非线性转换规则.利用该模型模拟东莞市1988-1993年的城市扩展过程,并与Logistic模型模拟结果对比,表明这种有空间约束条件的分区域元胞自动机模拟精度更高,能有效模拟城市扩张的空间格局.     

基于城市扩张的动态选址模型——以深圳垃圾转运站选址为例

现有的许多选址模型研究,主要集中在对选址算法的改进,而忽略了城市作为复杂地理系统所具备的不确定性和动态发展性对选址结果的影响。这往往导致最终的选址结果在设施投入使用后,无法满足新的需求甚至出现不适应新环境的情况。本文将基于GeoCA(地理元胞自动机)的城市扩张模型引入到传统的Location-allocation选址模型中,构建一个动态的选址模型框架,探索如何将选址结果建立在动态的、科学的城市形态预测基础上,促使选址结果更具有客观性、先见性和更符合可持续发展观,这也正是本研究的重要意义所在。同时,框架中的许多子模型都能够单独被优化,具有高度的可伸缩性,能够自适应于特定区域的选址要求。     

考虑人群活动的城市场所洪涝灾害风险动态评估——以深圳市为例

为了揭示人群动态活动对城市洪涝灾害风险的影响,本文引入场所视角,建立了考虑人群活动的城市场所洪涝灾害风险评估模型,以深圳市福田区4个典型社区为例分析了工作日和休息日的白天、晚上4个时段下不同类型场所的洪涝灾害风险变化。结果表明：(1)除危险性以外,频繁的人群活动亦会增加场所的洪涝灾害风险,与人群活动相关的指标权重达0.31;(2)不同类型场所的洪涝灾害风险差异显著,且随着人群活动动态变化,生活场所平均风险最高,在4个时段波动较小;居住型混合场所洪涝平均风险次之,但晚上时段比白天高25%左右;商业场所、公共服务场所和办公型混合场所平均风险也较高,在工作日白天高于其他时段;绿色休闲场所在4个时段风险都最低;(3)居住型社区和综合型社区的洪涝风险存在显著差异,居住型社区为持续性高风险社区,其高风险场所占比在4个时段均超过40%,尤其在晚上达60%,而综合型社区风险呈现出工作日白天高于其他时段的特征,其高风险场所比例最高达54%。     

城市群视角下空间联系与城市扩张的关联分析

在城市群发展的不同阶段,城市扩张表现出不同的时空特征。从城市群视角研究城市扩张的时空规律,对于理解城市扩张与城市群网络化组织结构之间的复杂耦合关系具有重要意义。本文以长江三角洲城市群为例,基于交通网络、引力模型和空间句法模型,结合1980、1990、2000和2010年Landsat遥感影像提取建设用地扩张信息,计算城市扩张强度与速度指标;采用核心城市可达性与空间相互作用力强度分析城市的交通网络区位;采用空间句法模型计算城市交通网络的通达性和城市在城市群交通路网中的地位。结果表明：城市扩张强度与核心城市可达性、核心城市空间相互作用力强度、空间句法变量指标呈正相关关系。城市扩张速度与上述指标在第一阶段(1980-1990年)和第二阶段(1990-2000年)呈正相关关系;但在第三阶段(2000-2010年)整体表现为负相关,分布在城市群外围、交通路网联系程度较低的城市扩张速度更快,呈现出空间收敛的趋势。表明城市群中的城市空间联系在城市扩张中起到重要但又不断演变的作用,研究结果对于长三角城市群规划和其他城市群城市扩张调控具有借鉴意义。     

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。     

珠三角县域城市潜力的空间集聚演化及影响因素简

运用因子分析、扩展的潜力模型、ESDA和空间计量经济学模型,基于五个时间断面的数据,探讨了1990-2009年珠三角县域潜力的空间集聚格局演变特征及其影响因素。研究发现：总体上珠三角县域潜力具正空间集聚特征,但集聚程度不高且趋于减弱;大多数县域潜力的局部空间集聚特征保持相对稳定且规律性明显,高潜力县域集中在广—佛都市区并呈向深—莞—惠都市区发展态势,低潜力县域进一步向研究区西部集聚,并在西部形成面状连续分布区;局部空间集聚格局也发生了一些变化：HH和LL集聚区位有所变化,局部集聚类型间有一定的转化,县域潜力的空间集聚的不均衡性在西部与中东部地带间有进一步扩大倾向。从县域潜力集聚演化的影响因素上看,县域间相互作用、地理区位、消费者购买力、人力资本、劳动力成本、信息化水平有显著正向影响;企业数量、城市化水平有显著负向影响;交通运输条件、固定资本投入和两个经济政策因素的影响不显著。     

利用遥感监测和分析珠江三角洲的城市扩张过程——以东莞市为例

伴随着经济的快速增长，珠江三角洲近年来出现了迅速的城市化以及乡村城市化的过程。沿着城镇边缘和公路两旁，大片的农田被侵占来单方面地满足城市开发的需要，忽略了粮食产量减少以及环境质量恶化等问题。利用遥感可以有效地监测珠江三角洲的城市扩张过程。在遥感多时相监测的基础上通过熵的计算，可以定量地描述城市扩张的空间规律及扩散过程。