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。     

资源枯竭型城市空间扩展进程研究——以淮北市为例

城市空间扩展是衡量新型城镇化背景下城市化进程的重要指标之一,对于研究资源枯竭型城市的可持续发展也有重要的意义。以遥感影像为基础,结合ArcGIS和Matlab软件实现建成区范围的自动提取;选取城市化强度、重心和紧凑度等指标,分析资源枯竭型城市空间扩展的时空特征;结合研究区实际情况和部分统计数据探讨了城市空间扩展驱动机制。结果表明：1992-2016年,淮北市建成区面积由13.64 km²增加到130.19 km²,净增8.54倍。城市化强度水平处于中等程度,城市扩展强度处于较高的水平,城市土地利用集约程度不高;重心总体呈现出东偏的姿态,建成区用地紧凑度逐渐下降。经济及人口、政府决策、交通水平和采煤塌陷区分别是研究区城市空间扩展的驱动机制、引导机制、内生机制和限制机制。     

政府规划约束下的城市空间增长多智能体模拟模型

构建政府规划约束下的包含多种类型智能体和环境因素的城市空间增长多智能体模拟模型,通过居民、开发商和政府三类智能体之间以及智能体与环境之间的相互作用模拟了城市空间增长情况。模型将城市建设用地规划区纳入政府的土地利用政策,探讨了政府规划因素对城市建设用地增长的影响,并根据土地集约利用的原则对模拟结果进行了优化。在Repast和ArcGIS的实验环境下,以南京市中心城区(长江以南)为研究区设置了四组土地利用情景,模拟了2001-2007年研究区的城市建设用地增长情况,对比不同情景下模型的模拟精度,说明正确合理的政府规划引导对城市空间增长的重要作用以及对模拟结果进行优化的必要性。该模型有助于揭示城市空间增长机制,为政府宏观调控政策和规划制定提供参考。     

1988—2018年中国城市实体地域与行政地域用地扩张对比

城市边界是城市演化认知和城市规划决策的空间依据。中国不少研究实践将地级市等行政地域范围视为城市,与物理上主要由连续人造不透水面构成的城市实体地域相比,存在较大的空间边界差异。然而,鲜有研究定量分析“实体”视角下长时间序列的城市用地演化,特别是对实体和行政两种统计单元视角下的城市扩张差异缺乏系统认识。本文基于30 m空间分辨率的多源遥感产品识别了1988—2018年8期的城市实体地域边界,分析其用地扩张过程,进一步与行政地域相对比,系统识别了两种统计视角下城市用地扩张的认知差异和空间模式。主要结论为：① 1988—2018年间,中国面积5 km²以上的城市实体地域单元数量增长了378%,以华东和华中地区的增长最为显著;城市实体地域中,88%为独立增长型,分布广泛但面积大都小于50 km²;12%为空间聚合型,主要分布在发达地区,面积普遍较大。② 相比行政地域,城市实体地域的位序规模更符合幂律分布,其Zipf指数30年来逐渐上升趋向于1,城镇体系发展愈发均衡;相比城市实体地域,行政地域单元在平原地区的城市扩张面积普遍偏高,在沿海地区的城市扩张强度普遍偏低。③ 和城市实体地域单元在拓扑关系上无法一一匹配的1327个行政单元大多分布在人口密集或发达的平原地区;结合实体和行政边界识别了“跨政区同城化”和“政区内集群化”两种扩张模式,前者多发生在省会区域,后者主要分布在华北平原,两者反映了城市化的空间重构。本文研究结果有助于深化中国土地城镇化时空过程的认识,并可对土地资源的科学配置、统一协调及行政区划的优化整合提供空间依据。     

全球超大城市空间扩张及分形特征研究

超大城市是全球经济、文化以及高科技产业发展的承载体和重要纽带,其形态结构特征和人口聚集效应是城市化影响的典型表现,然而当前对于全球超大城市形态特征及扩张模式的研究相对不足。基于2000—2020年全球城市土地利用/覆盖变化数据（GULUC-30）,利用城市扩张强度差异指数分析了超大城市用地的时空变化规律;而后运用面积—半径标度分析模型研究了超大城市的分形特征及扩张模式,最后基于城市用地面积和城市人口之间的线性关系评价城市用地效率。结果发现：① 2000—2020年东南亚和东亚的中国超大城市用地扩张最剧烈,城市用地面积分别扩张了3148.32 km²和5996.26 km²,城市扩张强度差异指数平均值大于3;② 2000—2020年超大城市的形态特征和扩张模式向着更加集约和紧凑的方向发展,径向维数平均值由1.54增加至1.56,分维差呈逐年减少趋势,城市内部结构一体化特征显著;③ 北美和欧洲的超大城市用地效率低,2020年城市用地面积与城市人口比值系数范围为0.89~4.11;南亚和非洲城市用地效率高,比值范围为0.23~0.87。超大城市空间扩张格局和形态变化的认识对于城市用地的集约利用和可持续发展具有重要参考价值。严格控制超大城市扩张规模,促进城市用地的均衡发展是建设韧性城市和实现城市地区可持续发展的必要条件。     

城镇化、郊区化与中国城市空间扩张

城市经济学的理论表明,城市人口增长和交通改善等因素都会导致城市的空间扩张,但其作用的机理不同。结合中国的情况,将城市空间扩张的影响因素分为城镇化和郊区化2个市场化动力,二者都会推动城市空间扩张,导致城市边界向外延伸。历年截面数据和面板数据分析结果都表明,在中国城市空间扩张进程中,城镇化动力和郊区化动力都在起作用,城镇化动力占主导地位,与此同时,郊区化动力也有增强的趋势。人口增长和交通改善推动城市空间扩张,城市建成区面积扩张的推动力远大于阻力。作为城市空间扩张速度变化的分水岭以及市场作用下收入水平显著性改变的分界点,1998年的住房制度改革对于中国城市空间扩张进程有着里程碑式的意义。     

黄河中下游地区降水变化的周期分析

根据利用清代雨雪档案重建的黄河中下游及其4 个子区域1736~2000 年的逐年降水序列, 采用小波变换方法, 分析了该区降水变化的周期特征, 探讨了影响降水周期变化的可能 驱动因子。结果表明: 黄河中下游地区的降水, 具有2~4 年、准22 年及70~80 年等年际与年代际的振荡周期。其中, 2~4 年周期与El Nino 事件关联, 在El Nino事件发生的当年或第二年, 黄河中下游地区的降水比常年偏少; 而准22 年及70~80 年的周期, 与wolf 太阳黑子相对数的周期变化及太平洋年代际振荡(PDO) 信号有关。但在70~80 年的周期尺度上, 太阳活动与降水变化的对应关系在1830 年以前表现为太阳活动偏强(弱) 时, 降水偏少(多); 1830 年以后, 太阳活动的周期演变为80~100 年的更长周期, 因这一阶段可能受到由于人类活动加 强而致的温室气体浓度升高等因素的干扰, 太阳活动与降水之间的关系明显减弱; 而PDO 与降水的对应关系则表现在全时域上, 且在近100 多年, PDO 与降水之间的相关关系逐渐加强, 特别是在1940s 以后达到最大。     

近百年长江中游旱涝的变化

利用史料和器测雨量记录重建的近百年长江中游区域平均逐年旱涝等级指数序列研究了旱涝变化特征，发现：（１）２０世纪前涝后旱，（２）２２年、５－６年和２－３年的准周期振动，（３）６个交替出现的旱涝阶段。     

中国雷电事件的时空分布特征

根据1970-2006年全国847站逐日雷暴日资料,统计分析了中国雷电事件的时空分布特征及雷电在发展阶段和消退阶段的路径变化.结果表明:全国雷电主要有4个多发区:南方区、高原区、北方区和新疆区;全国雷电日数呈下降趋势,高原区和南方区的下降趋势更明显;南方的雷电最早是3月份从江南中部往西往南辐射,然后再往北发展,高原的雷电由四川南部往北往西发展,而北方的雷电从华北东北部往东往南扩展.随着副高的季节性北跳三个区域的雷电在7月份连成一片,全国雷电范围达到最大,8月第2旬随着副高南撤各雷电区开始逐渐撤退,直到10月第1旬.全国雷电大都发生在4-9月午后到深夜(12-24时),其中15-17时和19-20时存在两个峰值,南方雷电发生时间最长,尤其是华南区雷电发生在3-9月,并有三个峰值,而北方区(包括新疆)雷电发生时间较短,主要集中在夏季,发生时段较晚,发生频次也明显偏低.雷电的时空分布及演变特征为雷电的落区预报提供了宏观的气候背景.     

混合模型中的层三角变换估计

提出了有着广泛应用的混合线性模型中参数估计的一种新方法,称层三角变换估计。将该变换用于检验和估计中,将产生一束套用于全面分析混合线模型的计算过程,这些过程在计算是稳定的,而且节省空间。