城市快速扩张驱动下的耕地演化模拟与预测——以广东省东莞市为例

在快速城市化进程中,有效地保护耕地数量和质量是一个重要的科学命题。本文以广东省东莞市为例,通过构建Logistic-CA城市扩张模型,试图探明城市快速扩张主导下的耕地演化特征和机制,对耕地演化进行模拟与预测,为城市的可持续发展规划和耕地保护提供科学的参考依据。首先,分析了1998-2013年东莞市各用地类型间的转换关系,对城市扩张与耕地演化的机制进行了探究;其次,综合考虑地理、经济与政策因子,通过对地理因子模拟和地理与经济结合模拟2种结果的比较分析,选取最优因子组合定义了CA转换规则,构建Logistic-CA模型;最后,基于该模型,依据2006-2020年东莞市土地利用总体规划图,对耕地演化进行预测,并进行数量、质量和空间形态上的分析。模拟结果表明,在耕地演化机制上,东莞市在2003-2008年和2008-2013年2个时段中新增城市用地分别有71.96%和80.86%直接或间接来源于耕地,且相应时段内的耕地补给量远小于耕地流失量;在空间形态上,呈现大块耕地边缘破碎化,细碎耕地逐步消亡的空间演化模式。模型的预测结果表明,至2020年耕地将会减少8205.4 hm²,且优等耕地和高等耕地的减少比重分别达到5.16%和5.27%。     

内嵌空间聚类算法的分区地理元胞自动机建模与应用

传统的地理元胞自动机(Geo-Cellular Automata;GeoCA)模型,大多采用统一的转换规则驱动元胞空间内的所有元胞进行演变。然而,许多地理现象都存在着空间异质性,统一的元胞转换规则忽略了空间异质性的存在。针对这一问题,本文提出了空间聚类的分区地理元胞自动机模型,采用空间聚类算法对元胞空间进行分区,对不同的分区分别求取转换规则,以此来提高地理元胞自动机的模拟精度。以杭州市为案例区,采用本文提出的空间聚类的分区地理元胞自动机模型,对研究区2000-2005年的城市用地变化进行了模拟。结果表明:与采用统一转换规则的GeoCA相比,引入空间聚类算法的分区GeoCA具有较高的模拟精度,尤其是在空间形态和整体结构上,具有较好的模拟效果。     

城市扩张驱动下植被净第一性生产力动态模拟研究——以广东省为例

城市间相互作用对城市扩张时空演变及其植被碳循环效应具有重要影响。本文将城市相互作用因子引入到元胞自动机(CA)的城市扩张模拟中,使用极限学习机(ELM)来自动获取CA的转换规则,并提出了ELM-CA模型;结合Biome-BGC模型,以广东省为例,对未来城市扩张及其植被净第一性生产力(NPP)效应进行耦合研究。结果表明:ELM-CA模型无需人工确定各变量权重大小,在不同类型变量的参数获取方面具有优势。通过嵌入城市间相互作用,ELM-CA模型能较好地模拟广东省城市用地扩张过程和格局。另外,广东省城市用地扩张对植被NPP具有重要影响,主要表现为城市用地的增加显著地降低植被NPP。按2000-2005年间城市扩张趋势,到2020年,由城市用地扩张导致的植被NPP降低约占广东省植被NPP的1.79%。引导城市合理扩张,对于维持生态系统碳平衡、促进社会经济的可持续发展具有重要意义。     

基于元胞自动机模型的河道汇流过程模拟

对河道汇流过程进行模拟可为洪水灾害预警预报提供参考。利用水力水文学方法能很好地模拟河道汇流过程,但需要输入的参数多,运算过程复杂,对数据精度要求高,而且在无资料区流域无法确定河道上断面流量情况下,该方法具有一定局限性。本文将元胞自动机模型与水文模型相结合,构建了河道汇流过程中的元胞自动机模型和产流汇流规则。通过建立河道坡面拓扑关系,利用SCS-CN（Soil Conservation Service-Curve Number）模型逐个计算河道元胞上的坡面入流,并利用曼宁方程模拟河道汇流过程,最后在ArcEngine平台下进行二次开发,实现了河道汇流可视化。本文以厦门市茂林溪流域为研究区,对1997年5月6日至7日的一场降雨进行了模拟。将本文模拟结果与该流域其他学者的研究进行了对比分析,结果表明在输入数据与水文模型参数相同的情况下,本文不仅模拟出每次降雨间隔产生的较小洪峰,并且整场降雨产生的最大洪峰流量精度与时间精度均提高了5倍,可以更准确地模拟河道汇流过程,适用于河道汇流可视化,该模拟可以为洪水灾害预警预报提供一定参考。     

顾及地类转换差异的城市空间扩展元胞自动机模型及应用研究

元胞自动机模型已经成为城市空间扩展模拟研究的重要方法之一,并得到广泛应用。然而,现有的城市扩展元胞自动机模型仍存在不足。由于元胞状态设置较为简单,从而使模型转换规则中对不同用地类型向城市用地转换的差异与强度考虑不够。基于此本文在元胞自动机模型的框架下,设计了多元结构的元胞状态及转换规则,提出了顾及地类转换差异与强度的城市扩展元胞自动机模型。在计算非城市用地向城市用地转换的转换概率时,该模型考虑了3个方面的概率：① 地形地貌、经济发展等城市发展的驱动因素对城市用地扩展的影响概率,该概率采用logistics方法进行计算;② 邻域元胞的用地类型对中心元胞转换概率的影响,该概率采用扩展摩尔型方法进行计算;③ 不同类型的非城市用地（本研究中包括耕地、林地和裸地3种类型）向城市用地转换的强度,该概率由模拟基期土地利用数据与目标年份土地利用数据的叠加,得出不同类型的非城市用地在此时间段内向城市用地转换的规模,进而确定不同类型的非城市用地向城市用地转换的强度。最后,将以上3种概率的乘积作为元胞转换的概率。通过转换概率与转换阈值的对比判断中心元胞是否在下一个阶段转换为城市用地。经过迭代计算,不断增加城市用地元胞的数量。当模拟城市用地的结果与目标年份的城市用地规模差值在一定的范围内时停止模拟,得出最终结果。模型构建完成后,本文以长株潭城市群核心区为例进行了模拟实验。以2001年该地区的土地利用数据为基期数据,模拟2010年该地区的城市用地规模和空间分布。研究结果表明,根据本文提出的模型模拟的城市扩展结果与真实数据相比具有较高的一致性。模拟结果正确率达到68.66%,比基于传统logistics回归的元胞自动机模型的模拟精度提高了4.25%,Kappa系数为0.675。该模型较好地模拟了长株潭城市群核心区城市扩展,在城市空间扩展模拟中具有较好的适应性与有效性。     

基于生态空间胁迫的大都市区增长情景模拟

大都市区增长是当前中国城镇化发展的一种主要模式,如何确定其最佳空间增长形态是新型城镇化关注的重要内容之一。本研究立足于未来“生态城市”建设理念,从自然资源生态敏感性和城市发展适宜性角度构建双重约束条件,利用元胞自动机模型构建了生态空间胁迫下的城市增长过程模拟框架,探讨了边缘性增长、生态性增长与协调性增长3种发展模式,并从建设适宜性、生态安全性与斑块紧凑性等角度构建评价指标对模拟方案进行定量化对比。最后,以长江中游城市群的南昌大都市区进行实例应用,结果表明,协调性空间增长模式能最大程度降低城市建设对生态安全空间的侵蚀,大都市区在制定城市增长边界等空间政策时宜参考此种发展模式,基于生态空间胁迫分析的城市增长过程建模是一种有用的规划决策情景分析工具。     

AutoPaCA:耦合过程-模式的城镇空间增长模拟模型

理解城镇增长过程、模式、机理并预判未来发展趋势,对优化城镇空间布局,促进城市可持续发展有重要意义。元胞自动机模型（Cellular Automata, CA）是研究城镇增长过程、模式的有效技术手段,但传统CA模型对城镇增长过程和空间模式的协同考虑不足。本研究构建了基于斑块（Patch）的城镇CA模型AutoPaCA,实现对城镇增长过程及空间模式的协同表征和精细控制,将城镇增长过程分为边缘增长和跳跃增长两种形式,并实现了对不同形式下城镇斑块位置、形状和面积大小的精细控制,同时考虑城镇空间模式的集聚性、整体形态及空间约束。此外,还提出使用景观格局分析法分析历史时期城镇增长过程和模式,并结合遗传算法实现对模型参数的地域化自动校正,降低人为主观因素对模拟结果的影响。将模型应用于长沙市1995—2035年的城镇增长模拟与多情景分析。结果表明,构建的AutoPaCA模型可以取得较好的模型精度,200次模拟结果的互异邻域相似性指数均值达到0.486;在生态保护情景下,长沙市城市内部生态结构保存完好,且表现出更为明显的长株潭一体化趋势,说明本研究提出的AutoPaCA模型及参数校正方法是有效的。     

空间复杂性与地理元胞自动机模拟研究

面对具有非线性、非平衡、自相似、自组织等复杂性特征的空间复杂现象,基于传统的牛顿力学和微分方程数学的地理模型显得力不从心,非线性科学作为解决地理复杂现象的有效工具成为地理学研究的前沿.基于对地理复杂性的分析、作者提出了一种基于元胞自动机(Cellular Automata)的地理模型框架,并在地理信息系统集成的基础上,对美国安阿伯波市的城市增长与扩散进行了生动地模拟和预测.     

基于ANN-CA的银川平原湿地景观演化驱动力情景模拟分析

本文通过对湿地景观的时空动态发展过程其形成空间格局的分析,构建了基于ANN-CA的银川平原湿地景观时空模拟模型,并对湿地景观格局过程与主要驱动力因子间的响应关系进行了情景模拟。研究结果表明:年降水量对天然湿地中的河流湿地和湖泊湿地的驱动作用呈正相关关系,对水稻田和坑塘湿地的影响不显著;人口密度对人工湿地的驱动作用呈正相关,随着人口密度的增加,水稻田和坑塘向各个方向大面积蔓延,河流和湖泊等天然湿地的面积则逐渐减少;随着农业生产活动的加强、农业总产值的增加,河流和湖泊缓慢减少,水稻田和坑塘等人工湿地分布迅速扩张。     

基于立体网格的放射性污染物扩散过程模拟与表达

针对放射性污染物的扩散过程表达问题,设计了适用于该方法的状态建模与面向对象建模混合的数据模型,该模型支持真三维的网格化表达与元胞机推演,可以将传统放射性污染物的计算与表达结合在一起,数据不需要多次转换与重采样,降低了精度和效率的损失。通过两个实验,分别针对单源和多源放射性污染物的大气扩散过程进行了模拟,扩散模拟的结果符合放射性污染物扩散的客观规律,整个扩散表达过程中任意一个时刻、截面或者空间的污染物浓度都可以动态地计算和表达,过程具有非常好的直观性和可分析性。     

日照市东港区土地利用结构与空间布局分析

通过对土地利用的多样化指数、集中化指数以及土地利用组合类型3种方法分析东港区土地利用结构,运用优势度指数和均匀度指数作为衡量土地利用空间布局的指数,对东港区土地利用结构和空间布局进行定量分析,得出该区土地利用集中化程度较低,土地利用总体功能不高。为全区土地利用的空间分布提供基础依据,对优化土地利用提供现实基础。     

基于半变异函数的重庆市地表温度空间异质性建模及多尺度特征分析

城市地表温度空间异质性的研究对理解城市地表温度空间结构有重要意义。本文利用大气校正法反演地表温度,基于半变异函数构建城市地表温度空间异质性模型,并进一步分析不同空间尺度下地表温度空间异质性结构参数的变化规律。以2013年6月16日的Landsat 8为数据源,以重庆为研究区开展实验,研究结果表明：① 不同空间尺度下重庆地表温度空间异质性均呈现指数模型分布特征;② 在30 m空间尺度下,地表温度空间异质性主要是由空间结构引起,但随机因素引起的空间变异占比为0.45,呈现出明显的块金效应,表明该尺度下随机因素引起的空间变异不可忽略;③ 从空间尺度（30~1500 m）整体变化上看,地表温度空间异质性主要由空间结构引起,同时表现出明显的尺度效应;随着空间尺度增大,块金值（C₀）、偏基台值（C）、基台值（C₀+C）以及块基比（C₀/（C₀+C））逐渐减小,表明地表温度空间异质性逐渐减弱但空间自相关性逐渐增强。变程（A）逐渐增大,表示空间自相关性范围逐渐扩大;④ 随机因素引起的空间变异占比为0.23~0.46,呈现出波动变化,这是因为地表温度在像元内部也存在空间异质性。空间结构引起的空间变异相对平缓,这是因为空间尺度的变化不会改变地形结构;⑤ 从尺度域来看,基台值与块金值在尺度域（690 m,1500 m）内呈现出较大幅度波动变化状态,且变化趋势相似,表明地表温度空间异质性的变化与随机因素有较大关联。综上所述,分析地表温度空间结构需要选取合适的空间尺度,尺度较小时,容易受到随机因素干扰,从而影响地表温度在空间结构上的空间变异性;尺度较大时,地表温度空间异质性较弱且变化不稳定。     

关于空间数据与空间数据模型的思考--中国GIS协会理论与方法研讨会(北京,2004)总结与分析

空间数据和空间数据模型是GIS理论与方法的核心内容。本文总结中国GIS协会理论与方法研讨会(北京,2004)的成果,围绕GIS研究与发展的新动向,分析了空间数据组织、集成、质量、不确定性与数据挖掘及3维空间数据建模、空间关系与可视化等方面的理论问题与发展趋势,并思考和讨论了空间认知学与本体论在GIS理论与方法研究中的作用。     

城市空间结构要素与人群聚散稳定性的关联性探索

人群移动和城市空间结构的关系研究一直是人文地理关注的焦点,它可以帮助理解人群城市空间中移动的潜在动力和影响因素,从而评价城市空间结构的合理性,对城市规划、选址具有重要意义。轨迹大数据为研究城市大规模群体活动、城市空间结构以及二者的关系提供了新视角。本文以人群聚散稳定性为切入点,以深圳市交通小区为分析单元,从社会经济属性、土地利用模式和路网中心性3个方面定量探索城市空间结构特征与人群聚散稳定性的关联性。结果发现：区域的人口数量和密度越大,人群聚散稳定性越低;土地利用混合度越高,均衡性越低,人群聚散稳定性越低;与路网全局中心性比,局部范围内的路网中心性对人群聚散稳定性的影响较大,并且随着距离不同而发生变化。这些知识帮助加深理解人群聚散与城市空间结构特征之间的关系。     

新疆土地利用空间结构和布局分析

基于2008年新疆土地利用数据,采用计量地理学模型,并借助SPSS软件和ArcGIS软件,对新疆各地州(市)的土地利用数量结构和空间格局现状进行了定量分析,并与全国土地利用结构对比。结果表明:新疆现状土地资源具有明显的地域差异,北疆地区土地利用程度明显优于南疆,这种差异与所处的地理位置、地形地貌密切相关;土地利用结构的多样性和集中度由北向南递减;新疆的土地利用结构单一,各地区的土地利用类型组合系数普遍不高,反映出新疆土地利用的整体功能还有很大的提升空间。     

低温对中国居民健康影响的空间差异性分析

全球变暖导致气象灾害频发,尤其是极端天气事件。极端温度对公共健康的影响已成为当今研究的热点问题之一。相比于发达国家,中国在该领域研究起步较晚。虽然已有出色的成果,但在以下3个方面还略显不足：① 大多数研究基于一个城市或几个城市,缺乏基于大量数据的区域尺度的研究;② 已有研究往往按地理因素或行政单位来划分区域,而忽视区域内部温度的异质性;③ 相比高温热浪,鲜少有研究关注低温冷害的影响。针对上述问题,本文收集了中国疾病预防控制中心2007-2012年全国127个站点的数据,利用分布式滞后非线性模型,探究了中国5个温度带温度与居民非意外死亡之间的暴露-反应曲线。在此基础上,定义当地温度分布1%处的温度为极端低温,根据温度-死亡风险曲线,计算了冷害造成的死亡风险。结果表明,不同温度带的温度-死亡关系曲线呈现U型或J型。极端低温对北亚热带影响最小,其相对风险为1.27（95%CI: 0.94-1.72）;对中亚热带影响最大,其相对风险为1.93（95%CI: 1.08-3.60）。随着温度带温度的升高,低温冷效应的影响呈现“M”型,这一特征与不同温度带经济发展有关。因此,不同地区的政府除了应着力提高地区经济发展外,还应根据地区特征,采取更积极有效的措施来应对低温冷害可能给当地公共健康造成的威胁。     

延安新区地表垂直形变时空演化的经验正交函数分析

采用SBAS-InSAR技术对43景Sentinel-1A影像进行处理,获取延安新区（北区）地表形变信息,并运用经验正交函数对结果进行分解,得到研究区域的时间系数和空间分布。结果表明,延安新区（北区）的最大沉降速率为-56 mm/a,最大抬升速率为32 mm/a。从第1模态可以看出,挖方、填方是造成地表抬升和沉降的主要原因;第2模态则反映了工程建设不同时期对应的不同地表形变状态,即加速、减缓、平稳3个阶段。     

内蒙古贫困地区生态安全评价及空间格局分析

在压力-状态-响应(Pressure-State-Response, PSR)模型确立指标体系的基础上,采用灰色关联度分析和熵值赋权相结合的方法,测算出2012年内蒙古贫困地区生态安全综合,压力,状态和响应指数,对研究区生态安全状况进行综合评价;并利用地理空间分析方法和空间分析软件GeoDA对生态安全综合状况进行空间相关性分析,同时结合研究区自然地理特征和社会经济状况,对其生态安全空间格局特征及成因进行诊断性分析.研究发现:(1) 内蒙古贫困地区生态安全水平整体处于一般状态,等级布局具有大聚集,小分散的特点;(2) 生态安全状况分布并非完全随机性,而是表现出空间相似值之间的空间聚集,具有正相关性;(3) 生态安全等级分布状况呈现出区域分异的特点,总体表现为内蒙古西部和东部贫困地区处于一般状态,而中部贫困地区生态安全水平整体处于良好状态,区域内部生态安全水平具有明显的县域差异;(4) 生态安全水平较好的县域和生态安全处于一般水平的县域,压力,状态,响应指标方面差距明显,且影响因素各异.     

近30年天津滨海新区湿地景观格局遥感监测分析

在GIS和FRAGSTATS软件支持下,结合景观格局数量分析方法,利用1979-2008年间共6期TM遥感影像与非遥感数据,对天津滨海新区近30年的湿地景观空间格局进行了动态分析。结果表明,滨海新区湿地(以人工湿地为主),1979-2004年滨海新区湿地总面积变化不大,但各类型间转换较大,主要是自然湿地转变为人工湿地,沼泽湿地几近消失。2006-2008年,由于城市建设大量滨海滩涂湿地被围填占用,到2009年5月自然海岸线的90%以上被占用。景观破碎度增加,湿地斑块数量从137个增加到704个,同时造成平均斑块面积下降。驱动力分析表明,降雨量减少的同时,年平均气温上升是主要的自然驱动因素。和自然因素相比,人类干扰为主要人文驱动因素,表现在水产养殖为主的农业经济活动、城市建设用地占用和围海造地等方面。目前,滨海新区几乎没有自然湿地生态系统,破碎化和人工化是该区域湿地的主要特征。     

1975-2009年锡林郭勒盟东部地区草地退化态势及其空间格局分析

研究采用锡林郭勒盟东部3旗、市(东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗以及锡林浩特市)1975年MSS数据、1990,2000\2005年的Landsat TM数据,以及2009年的HJ-1等遥感影像,在分析研究区陆地植被覆盖与变化特点的基础上,建立了研究区草地变化遥感解译的分类系统,构建了锡林郭勒盟东部地区5期草地现状、4期草地...