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。     

长春城市空间扩张特征、机理与调控

城市空间快速膨胀与盲目扩张是当前我国许多大城市普遍面临的问题.20世纪90年代以来,长春城市空间的快速无序扩张趋势日益严重,随之产生许多经济、社会和生态方面的负面效应.城市经济的高速发展、人口增长与空间扩散、开发区建设、机动化与交通设施建设、住宅扩散与郊区房地产开发以及城市规划的宏观导向等因素,在不同程度上影响与加速了长春的城市空间扩张.为遏制其"摊大饼"式的空阃扩张及其带来的负面效应,从城市增长模式、空间优化布局、房地产开发控制与引导、快速交通体系建设、耕地与生态系统保护等5个方面提出了调控长春城市空间快速扩张的主要对策.     

基于Theil指数和Sharpley值分解的山东省城市土地扩张强度差异及其成因研究

基于山东省17地市2002-2011年数据和Theil指数及其分解方法研究表明,山东省城市土地扩张强度差异存在"先扩大后缩小"的趋势,相似人口规模等级城市内部差距及经济发展水平较高区域城市内部差异显著。政府财政支出、区域产业结构、城市人口密度和区域开放度等均是影响山东省城市土地扩张强度的重要因素。Sharpley值分解结果表明,区域第三产业比重和市辖区人口密度对山东省城市土地扩张强度差异的相对贡献率呈增长趋势,开放度的相对贡献率先增后减,区域第二产业比重成为弥补城市间土地扩张强度差距的因素,政府财政规模对城市土地扩张强度差异变化的影响较小。     

基于分区FA-MLP-CA模型的城市扩张模拟——以成渝地区双城经济圈为例北大核心CSCD

空间异质性主要表现为时空非平稳性,引入空间异质性用于提取用地变化转换规则是学术界一直探讨的热点问题。该文针对城市群空间扩张模拟过程中的空间非平稳性和建模过程中的因子优化问题,运用K-means空间聚类算法和因子分析(FA)方法,耦合多层感知机(MLP)与元胞自动机(CA),构建基于城市扩张速率分区的FA-MLP-CA模型,并利用该模型预测2030年成渝地区双城经济圈城市扩张。研究结果显示:模型总体精度(OA)和品质因数(FoM)分别达到0.9785和0.3801,相较于未引入因子优化的常规分区MLP-CA模型和城市扩张速率分区MLP-CA模型,总体精度分别提高0.0043和0.0014,FoM分别提高0.0298和0.0091;相较于未分区的传统模型,OA和FoM分别提高0.0076和0.0992;城市扩张速率分区MLP-CA模型与常规分区MLP-CA模型相比,OA和FoM分别提高0.0029和0.0207。研究表明,分区建模能改善常规建模过程中因空间异质性导致的对局部特征学习不充分的问题,其中采用城市扩张速率分区能在一定程度上提升模拟效果;而引入因子分析后不仅可提升模型精度,而且能很好地增强模型可解释性。     

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。     

我国城市扩张、城市转型与碳排放的关系

利用1998—2012年我国省域面板数据,应用主成分分析方法构建城市扩张指数和城市转型指数,并测算各省份各年的碳排放总量,在此基础上,采用基于VECM的格兰杰因果检验来探讨城市扩张、城市转型与碳排放之间的长短期关系,并应用广义脉冲响应函数分析变量间的短期冲击机制。研究显示:(1)短期内,城市转型与碳排放之间存在双向因果关系。(2)碳排放与城市扩张联合形成了城市转型的长、短期格兰杰原因。(3)长期中,碳排放与城市转型联合形成了城市扩张的格兰杰原因。(4)城市扩张与城市转型仅仅能在短期内联合构成了碳排放增加的格兰杰原因,并不能产生长久稳定的格局。据此,得出一些科学规划城市发展及有效推进减少碳排放的政策启示。     

基于城市扩张的土地储备数量预测研究——以南京市区为例

土地储备数量是土地储备制度运行中的主要问题,受到国内业界的广泛关注。新增土地储备与城市扩张有着密切的联系,通过SLEUTH元胞自动机模型,用1947年, 1978年, 1990年, 2000年和2005年5个年度城市土地利用变化的遥感影像图,模拟南京未来城市扩张,并结合历年来南京新增储备土地占城市扩张总量经验值比例,得出了新增储备量的测算结果,为测算南京市区土地储备量提供了借鉴方案。该方法不仅在量上可得出增量储备的结果,而且通过GIS空间分析的方法,与未来城市规划的土地利用规划图进行空间叠合,可以初步明确储备的增量分布方案,对土地储备工作具有现实的指导意义。     

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。     

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。     

中国城市扩张态势与驱动机理研究学派综述

作为世界上最大的发展中国家,随着城市扩张问题的日益凸显,中国城市扩张研究也逐渐成为学术界关注的焦点。本文首先对国内外关于中国城市扩张速度与规模、模式与类型,以及城市空间结构演变的研究进行系统归纳;然后,在此基础上分别从经济学派、制度学派和经验学派的角度对中国城市扩张的驱动机理进行总结,并简要评述各学派研究的特点及局限性。笔者认为,中国的城市扩张具有明显的阶段性、区域性及等级性,即处于不同发展阶段不同区域的不同等级的城市表现出不同的扩张态势,其相应的扩张机理也不同。因此,关于中国城市扩张的后续研究应加强现阶段及长时间尺度研究,选取更具普适性案例,采用更加全面数据和综合的方法,注重不同学派视角的综合,对中国城市扩张进行更加全面与科学的研究。     

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。     

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。     

中国城市群经济增长质量与数量协调关系的时空演化与机理

以中国“十三五”规划纲要提及的19个城市群为研究对象,分别从经济效率、经济结构、经济稳定性、经济发展潜力、成果分配、资源环境、民生福利7个维度刻画城市群经济增长质量,从GDP增长率和人均GDP两个维度刻画经济增长数量以构建综合指标体系,运用熵值法、耦合协调模型、地理探测器等方法,剖析2006—2018年中国城市群经济增长质量与数量的耦合协调关系及其相互作用机理,研究结果表明：① 总体协调水平上,中国城市群经济增长质量与数量的协调度较低,且呈下降趋势;② 协调度空间格局上,经济增长质量与增长数量、增长速度的空间格局呈现“东高西低”的趋势,且保持相对稳定,但经济增长质量与增长规模的协调度空间格局差异较大;③ 协调类型上,“数量滞后”型呈零星分布,“规模滞后”型向中西部集聚,“速度滞后”型向东北拓展,“质量滞后”型表现出多样性特征;④ 经济增长质量与规模、速度的协调关系表现出不一致的特征;⑤ 相互协调机理分析发现,民生福利、经济发展潜力、人均GDP对中国城市群经济增长质量与数量协调水平的提升具有显著影响。⑥ 针对不同协调类型的城市群应分别采取相应举措以助力中国城市群经济高质量发展。     

Coupling fuzzy clustering and cellular automata based on local maxima of development potential to model urban emergence and expansion in economic development zones

ABSTRACT

Modeling urban growth in Economic development zones (EDZs) can help planners determine appropriate land policies for these regions. However, sometimes EDZs are established in remote areas outside of central cities that have no historical urban areas. Existing models are unable to simulate the emergence of urban areas without historical urban land in EDZs. In this study, a cellular automaton (CA) model based on fuzzy clustering is developed to address this issue. This model is implemented by coupling an unsupervised classification method and a modified CA model with an urban emergence mechanism based on local maxima. Through an analysis of the planning policies and existing infrastructure, the proposed model can detect the potential start zones and simulate the trajectory of urban growth independent of the historical urban land use. The method is validated in the urban emergence simulation of the Taiping Bay development zone in Dalian, China from 2013 to 2019. The proposed model is applied to future simulation in 2019–2030. The results demonstrate that the proposed model can be used to predict urban emergence and generate the possible future urban form, which will assist planners in determining the urban layout and controlling urban growth in EDZs.     

基于SLEUTH模型的东莞市区城市增长模拟研究

应用SLEUTH城市增长模型,借助GIS、RS技术,对东莞市区1990-2003年的城市增长过程进行模拟,同时预测2003-2030年城市增长情况。结果表明,SLEUTH模型较好地描述了东莞市区"自下而上"的城市增长模式,在这种增长模式下,未来东莞市区的城市化水平将在10～20 a内达到临界状态。研究结果对于理解东莞市区城市增长的内在规律具有理论和现实指导意义,同时可为政府制定相关决策提供依据。     

A travel time-based variable grid approach for an activity-based cellular automata model

Urban growth and population growth are used in numerous models to determine their potential impacts on both the natural and the socio-economic systems. Cellular automata (CA) land-use models became popular for urban growth modelling since they predict spatial interactions between different land uses in an explicit and straightforward manner. A common deficiency of land-use models is that they only deal with abstract categories, while in reality, several activities are often hosted at one location (e.g. population, employment, agricultural yield, nature…). Recently, a multiple activity-based variable grid CA model was proposed to represent several urban activities (population and economic activities) within single model cells. The distance-decay influence rules of the model included both short- and long-distance interactions, but all distances between cells were simply Euclidean distances. The geometry of the real transportation system, as well as its interrelations with the evolving activities, were therefore not taken into account. To improve this particular model, we make the influence rules functions of time travelled on the transportation system. Specifically, the new algorithm computes and stores all travel times needed for the variable grid CA. This approach provides fast run times, and it has a higher resolution and more easily modified parameters than the alternative approach of coupling the activity-based CA model to an external transportation model. This paper presents results from one Euclidean scenario and four different transport network scenarios to show the effects on land-use and activity change in an application to Belgium. The approach can add value to urban scenario analysis and the development of transport- and activity-related spatial indicators, and constitutes a general improvement of the activity-based CA model.     

Calibration of an urban cellular automaton model by using statistical techniques and a genetic algorithm. Application to a small urban settlement of NW Spain

Cellular automata (CA) stand out among the most commonly used urban models for the simulation and analysis of urban growth because of their ability to reproduce complex dynamics, similar to those found in real cities, from simple rules. However, CA models still have to overcome some shortcomings related to their flexibility and difficult calibration. This study combines various techniques to calibrate an urban CA that is based on one of the most widely used urban CA models. First, the number of calibration parameters is reduced by using various statistical techniques, and, second, the calibration procedure is automated through a genetic algorithm. The resulting model has been assessed by simulating the urban growth of Ribadeo, a small village of NW Spain, characterized by low, slow urban growth, which makes the identification of urban dynamics and consequently the calibration of the model more difficult. Simulation results have shown that, by automating the calibration procedure, the model can be more easily applied and adapted to urban areas with different characteristics and dynamics. In addition, the simulations obtained with the proposed model show better values of cell-to-cell correspondence between simulated and real maps, and the values for most spatial metrics are closer to real ones.     

城市土地利用扩展的空间模式与动力机制

本文通过系统地评析国外不同学术派系对城市土地利用扩展的空间模式、动力机制及管理政策的研究进展 ,指出其研究重点已从归纳空间演替模式深化到探究城市土地开发过程中的决策过程与动力机制 ,从崇尚土地市场的自由运作转向对其进行精明管理。     

城市土地利用演化CA模型的扩展研究

城市土地利用演化的实质是人为干预下城市生态景观的自组织机制作用过程。根据城市土地利用演化生命机制概念,构建基于地理特征的城市土地利用演化CA模型,并以深圳特区为试验区域进行实证研究。结果表明,基于城市生命机制和地理特征的城市土地利用演化CA模型,可以有效地进行城市土地利用演化的时空模拟与预测。