城市用地扩展对生态风险影响的多情景模拟——以内蒙古呼和浩特市为例

城市用地扩展对生态环境的负面效应日益显著。以呼和浩特市为研究区，在分析城市用地扩展时空特征的基础上，调整优化CA模型，对近景年城市用地扩展进行多情景模拟。从城市扩展、生态景观、粮食安全、生态退化等角度构建生态风险压力评价体系，对各情景下城市用地扩展所致的生态风险压力进行评估，得到的主要结论有：1990-2017年，呼和浩特市城市扩展强度指数不断下降，扩展速率经历了"上升-下降"的波动阶段，空间扩展阶段性特征明显；运用CA模型预测2025年、2030年城市用地扩展，只有耕地保护型、生态经济型方案下建设用地扩展速率处于下降态势，扩展强度指数进一步下降；研究时段内，研究区城市扩建压力上升2.2%，景观生态压力增加1.9%，粮食储备压力提高1.4%，生态退化压力抬高11%，生态风险压力提升15%，生态风险预警达到中警水平；到2030年，趋势外推和耕地保护情景下生态风险压力等级由Ⅲ过渡到Ⅳ，城市化发展情景下生态风险压力等级由Ⅲ跃升至Ⅴ，只有生态经济情景下生态风险压力等级由Ⅲ回落到Ⅱ。     

经济快速增长区城市用地空间扩展对生态安全的影响

目前我国正处于经济快速发展、城市化进程加快阶段,承受着生态环境恶化的巨大压力,大多数城市已为环境污染、空间拥挤、绿化率低、秩序混乱等严重的城市问题所困扰.昆山市作为我国经济发展最为活跃的地区之一,其城市化过程与生态环境安全之间的矛盾更为突出.在总结国内外生态安全和城市生态研究的基础上,分析城市用地扩展对城市生态安全产生的影响.昆山市城市用地空间扩张经历了缓慢发展期(1949～1977年)、老城区改造期(1977～1985年)、新区开发期(1985～1999年)和快速扩展期(1999年至今)4个阶段,针对城市土地利用变化特征及其城市土地利用存在的问题,对昆山市城市用地空间扩展进程和模式及扩展的主要特征方面进行剖析.从城市废水、废气和固废排放量几个方面分析了昆山城市用地空间扩展过程中生态环境变化情况,指出高速工业化、城市化过程,快速增长的经济可能威胁到昆山城市的生态安全.同时建立城市生态安全评价模式,构建城市生态安全评价的指标体系,探讨城市生态安全评价的方法,评价了昆山市1985～2004年的城市生态安全,最后对昆山市未来城市生态安全进行预警.为维护昆山市的生态安全,实现可持续发展提供科学依据.     

RCPs气候情景下珠江三角洲地区城市用地扩展的预测与模拟

随着社会经济的快速发展,中国城市规模和数量不断扩大,城市土地利用系统内部变化错综复杂.本研究以珠江三角洲地区城市群为例,研究了在自然环境条件和社会经济条件共同作用下城市化进程中城市用地动态变化的驱动机制,并设计了规划情景和RCPs气候情景,运用决策树元胞自动机模型对这几种情景下珠江三角洲地区城市用地的动态变化进行预测模拟.结果表明: 非农业人口和社会经济的增长对城市化过程起着决定性的推动作用,交通干线在整个城市化进程中始终起着重要的基础性作用,高程较高和坡度较大的区域制约了该地区的城市化进程.随着时间的推移,无论哪种情景,城市用地扩张的态势不变,但扩张速度到一定时间节点将会减缓,不同情景下减缓的时间点不同;规划情景、MESSAGE模式和AIM模式下的城市用地发展速度依次增加,但MESSAGE气候模式下的城镇发展较符合当前的城镇发展态势;城市用地扩张的区域主要集中在广州、东莞、佛山、珠海、深圳、湛江和潮汕等城市化相对较高的区域.
     

大都市卫星城的城市用地增长及其驱动力——以上海松江区为例

快速城市化过程中,大城市对周边中小城市的城市化具有辐射和带动作用,但周边中小城市的城市空间扩展如何响应大城市的这种影响却很少有研究。本文以上海松江区为例,应用遥感航片解译的多时相土地利用数据,研究大城市对周边中小城市的城市用地增长的影响。结果表明:受大城市城市化和区域经济快速发展的影响,上海市卫星城——松江区的城市用地增长呈现出明显的空间各向异性;城市形态的发展具有明显的大都市向心性;城市用地增长呈加速度发展,并超过大城市的发展速度。研究结果很好地验证了城市形态发展理论中的集中-扩散理论;政府决策、经济发展和人口增长,以及道路交通等基础设施的发展是促进松江区城市扩展的主要驱动因素。     

西安市城乡建设用地时空扩展及驱动因素

城乡建设用地变化及驱动机制是国内外研究的热点领域,我国正处在城镇化快速发展时期,建设用地的迅速扩张已成为当前中国土地利用变化的主要特征。以5期(1975、1990、2000、2005和2010年)土地利用现状数据为基础,利用GIS空间分析技术,提取建设用地变化及空间分布信息,利用建设用地扩展指数和建设用地密度分析方法对近35年来(1975—2010年)西安市建设用地扩展的时空特征进行分析。并结合社会经济数据,对建设用地空间扩展驱动力进行分析。结果表明:西安市建设用地面积急剧增长,建筑密度不断加大,并且城乡空间差异较大。西安市建设用地扩展是多因素综合作用的结果,高程和坡度控制着建设用地的分布格局,城市沿河谷扩展。西安市城市建设应加强区域宏观规划和土地利用详细规划,切实保护秦岭北麓林草地,加强历史文化名城特色,避免低层次文化复古创修。     

青藏高原城市扩展过程的区位因素——基于随机森林的多尺度分析

过去几十年，青藏高原快速的城市扩展过程给生态环境带来了严重威胁。区位因素会影响城市扩展的空间格局，进而改变其对区域生态环境的影响。因此，认识青藏高原城市扩展过程的区位因素特征对于保护区域生态环境具有重要意义。在全区、生物群区和生态区3个尺度上分析了区位因素对青藏高原城市扩展过程的影响。基于长时间序列城市土地数据分析青藏高原城市扩展过程。利用随机森林模型分析青藏高原城市扩展区位因素特征。研究表明，青藏高原在1990-2020年期间经历了快速的城市扩展过程。全区城市土地面积从277.4 km²增加到974.9 km²，增长了2.5倍。对青藏高原城市扩展影响最大的区位因素高程对城市扩展的重要性不断下降。与之相对，铁路因素的重要性迅速上升，其重要性从2.15%增长到10.56%，增加了3.9倍。然而，铁路建设在促进青藏高原城市发展的同时，也会对区域内近三成的濒危物种产生影响。因此，在青藏高原未来城市发展过程中，既要重视铁路对城市扩展带动作用，也要注意减少铁路对区域生物多样性的影响，进而促进高原的可持续发展。     

辽宁中部城市群城市增长时空格局及其驱动力

基于1988、1992、1997、2000和2004年5期Landsat TM卫星遥感影像数据,采用GIS空间分析和景观格局分析的方法,分析了辽宁中部城市群城市增长的时空格局特征,并对其驱动力进行了探讨.结果表明: 1988-2004年间,辽宁中部城市群城市面积持续增加,增长强度逐渐增强, 城市面积由812.55 km²增至1345.86km², 平均增长速率为32-96 km²·a^-1;1997年以后,城市增长强度迅速增大,以1997-2000年的城市扩展强度最大;辽宁中部城市群的城市增长主要集中在中部城镇密集带.1988-1997年,研究区城市面积的增长速度较慢,空间结构紧凑,以边缘增长和填充增长为主;1997-2004年,城市面积增长较快,表现为扩散的城市增长格局和复杂的城市斑块形状,以开发区的飞地式增长和扩散增长为主.非农业人口增长、经济增长、城市群城市空间的相互吸引、工业发展与开发区建设政策等因素是辽宁中部城市群城市空间快速增长的主要驱动力.     

快速城市化地区景观格局梯度动态及其城乡融合区特征——以广州市番禺区为例

以快速城市化的广州市番禺区为研究样区,通过解译1990-2008年4期Landsat TM影像得到研究区土地利用/覆被数据.选取景观类型水平和景观水平上的景观指数,采用景观格局与梯度分析相结合的方法,研究快速城市化地区景观格局的梯度变化及其城乡融合区特征.结果表明：研究区景观格局动态变化显著,在城市化缓冲带上具有典型的城乡融合区特征,城市景观逐年增加且向外围扩展,而农业景观破碎化严重.斑块密度、蔓延度、景观多样性等指数在城市化梯度上表现出明显的规律性,景观指数峰值出现在距离城市中心4～6 km的梯度带上.时间序列上的景观格局数据体现了不同梯度带上景观动态的差异,城乡融合区景观格局具有斑块形状复杂、景观多样性和破碎化程度高、景观动态变化剧烈的特点.景观指数的峰值逐年向外推移,城乡融合区有逐渐向外发展的趋势.探讨了城乡融合区景观格局时空演化的一般特征及其驱动因素,对区域土地利用政策和可持续发展规划具有指导意义.     

南充城市扩展中的景观生态安全格局

基于景观生态安全格局理论和RS、GIS技术,选择地形条件、洪水危害、土壤侵蚀、植被覆盖、地质灾害和生物保护6个要素作为城市空间扩展的生态约束条件,分析了南充市的生态安全等级分布,依据最小积累阻力模型,构建了生态廊道和生态节点等来加强生态网络的空间联系,在保障生态安全的基础上对城市合理的扩展趋势以及空间布局的优化进行分析.结果表明:南充市市域范围内整体生态安全状况较好,低生态安全水平区域较集中地分布于市区南部的嘉陵江下流区域和城郊西部山地;生态要素是南充市城市空间未来扩展的重要制约条件;南充市东部、北部存在发展空间,以卫星城镇模式增长可最大程度地保证南充市的生态安全.     

山东半岛城市扩展模式与生态足迹的关系

理解城市扩展模式与生态足迹动态之间的关系是区域可持续性研究的重要内容,对实现城市可持续发展具有重要指导意义。然而,目前对这二者关系探索的实证研究较少。以山东半岛城市群为例,掌握其2000—2010年的城市扩展模式与生态足迹动态特征,并探索二者之间的关系。采用景观扩展指数和生态足迹模型对研究区的城市扩展模式和生态足迹动态进行计算。在此基础上,将该区44个县划分为4种类型,用相关分析法对城市扩展模式和生态足迹动态的关系进行探索。结果表明,2000—2010年山东半岛城市群的城市用地面积增量加了1.2×10~5hm~2,增幅为19.4%。44个县均体现出边缘型扩展面积最大,生态赤字增加的特点,平均赤字增量为1.26 hm~2/人。垦利等27个县的外延式扩展面积与生态赤字增加量存在较显著的正相关关系,在济阳等17个县中,二者未呈现出相关关系。建议垦利、淄博和青岛等地区在未来城市发展中,控制飞地型和边缘型扩展面积总量,发展清洁能源,遏制化石能源足迹的增长趋势。     

基于DMSP/OLS影像的我国主要城市群空间扩张特征分析

20世纪90年代以来,随着中国城市化步伐的加快,城市用地空间扩张极为明显。采用1992、1995、2000、2005、2009年5期的夜间灯光影像数据提取了京津冀、长江三角洲和珠江三角洲城市群的城市像元,并从空间扩张强度、扩张类型以及方向性空间扩张特征3个方面对三大城市群城市用地的空间扩张特征进行了分析,同时还从社会经济方面对城市群空间扩张的驱动因素进行了讨论。结果表明,三大城市群的空间扩张特征既存在共性也存在明显的差异,同时社会经济的快速发展对城市用地的扩张具有明显的驱动作用,为进一步推动中国城市化进程提供了数据支撑。     

基于多智能体模型的兰州市城镇用地扩展模拟

利用1995、2005、2015、2018年4期兰州市土地利用数据和社会经济统计数据,运用扩展强度指数、Logistic回归、主成分分析等方法揭示兰州市城镇用地演变特征及驱动力,基于多智能体模型用Netlogo软件实现了2025年多情景下兰州市城镇用地扩展模拟。结果表明: 1995—2018年,兰州市城镇用地扩展强度和规模均呈增长趋势,侵占耕地和水域面积共307 km²;兰州市城镇用地扩展与地区生产总值、全社会固定资产投资、人口密度、城镇人口、政策和地形显著相关;从模拟结果来看,多智能体模型在Netlogo软件上能够较好地模拟兰州市城镇用地扩展趋势,在一定程度上为河谷型城市扩展模拟提供了可靠的仿真手段;2020—2025年,综合发展情景、自然扩张发展情景、生态及农田保护发展情景下城镇用地模拟结果均呈增长趋势,扩展规模预计为42.6～134.3 km²,扩展模式将以填充式和飞地式扩展为主。本研究结果可为兰州市的国土空间规划和生态环境布局优化提供决策支持。     

基于多智能体与元胞自动机的上海城市扩展动态模拟

利用元胞自动机模型和多智能体模型相结合的方法,在GIS技术手段的支持下构建了一个能够兼顾两种模型优点的城市扩展动态模型,并以上海市为实证对象,模拟了上海市2005年的城市扩展动态,分别预测了2010年和2020年上海城市扩展的动态演化结果。在元胞自动机模型中定义城市系统中的各种自然、社会和交通等要素,在智能体模型中定义政府和居民智能体的行为。模型将二者结合起来,模拟上海中心城区、城郊区及外围区的城市用地扩展模式。对模型模拟的上海2005年土地利用状态和实际土地利用状态进行验证,Kappa系数的平均值达到0.75以上,说明模型具有较高的可信度。对预测出2010年和2020年上海市土地利用状态分析表明,城镇用地以向东部和南部扩张最为明显。     

1980-2015年珠三角城市群城市扩张的时空特征分析

以珠三角城市群9座城市为研究对象,基于1980-2015年3期遥感影像提取的土地利用数据,通过扩张强度、扩张速率以及景观格局指数定量分析珠三角城市群尺度上城市扩张的时空变化特征。结果表明：（1）城市群扩张数量特征：1980-2015年珠三角城市群建设用地面积扩张约3倍,1980-2000和2000-2015期间分别扩张1513.1、3043.8 km²;扩张强度不断增强,扩张速率明显加快。（2）城市群扩张空间特征：珠三角城市群中扩张迅速的城市主要分布在研究区中部的城镇密集带及沿海地区;扩张较慢的城市主要分布在靠内陆的周边地带。（3）基于时间尺度发现珠三角城市群结构的演变呈现出由单核模式（广州,1980年）-双核模式（广州、深圳,2000年）-多中心、网络化模式演化的特征（东莞、中山等相邻城市,2015年）。（4）基于景观格局特征,珠三角区域扩张快速的城市形状复杂,结构趋于分散;扩张较慢的城市形状更规则,分布更聚集。（5）天然的人文联系与优越的地理位置、社会经济、政府政策以及基础设施的建设等因素共同驱动珠三角城市群的发展。该研究对提高城市群规划管理水平具有参考价值。     

贵州省城镇建设用地扩展的时空演变特征

选择贵州省的85个城镇为研究区,运用1973年1∶5万地形图,1986、1995、2000和2007年4期高分辨率遥感影像,选取城镇扩展动态度指数、城镇扩展贡献率指数和城镇扩展强度指数3个指标,构建城镇综合扩展程度指数模型,定量分析了1973—2007年4个时期贵州省城镇建设用地扩展的总体特征和时空分异特征。结果表明:从1973—2007年,贵州省城镇建设用地呈持续增长态势,城镇建设用地面积共增加17550.8915hm2,其中2000—2007年贵州省城镇建设用地扩展面积最大,动态度、贡献率和强度指数均最大;研究区建设用地扩展具有明显的空间分异特征,1973—1986年,城镇建设用地扩展主要集中在省会城市贵阳市,1986—1995年,地级城市所在城镇扩展面积和强度快速提高,1995—2000年,交通沿线城镇扩展速度加快,2000—2007年,贵州省城镇扩展强度和综合扩展程度不仅在贵阳市和地级城市较快,而且在区位和自然条件良好的县级城镇也迅速提高。     

南昌市城镇空间扩展与景观生态风险的耦合关系

为探究城镇用地空间扩展对景观生态风险的影响,以南昌市为例,运用遥感、GIS及数理统计的方法,借助城镇扩展强度指数研究了南昌市2000—2017年城镇空间扩展的时空变化特征,构建了景观生态风险指数,以3 km×3 km的单元网格进行系统采样,探究城镇扩展下南昌市景观格局的动态变化和景观生态风险,最后基于地理加权回归(GWR)模型,定量分析2000—2017年南昌市城镇空间扩展与景观生态风险之间的耦合关系。结果表明:(1)2000—2017年,南昌市城镇用地增加了247.56 km~2,年均扩展速率达17.75 km~2,其中2000—2005年扩展最快,呈现出剧烈扩展的态势,扩展强度达到0.55。城镇扩展主要沿正北和西北方向扩展,分布在青山湖区、南昌县、新建区等,总体上呈快速扩展趋势;(2)南昌市景观格局以耕地为主,建设用地快速扩张,耕地、林地、草地面积持续减少,土地利用的景观格局指数反映此期间人类活动的干扰程度加剧,景观斑块数量增加,整体破碎度提高。借助地统计分析方法,计算得到南昌市景观生态风险由2000年的0.1354上升至2017年的0.1420,景观生态风险呈逐渐升高的趋势;(3)2000—2017年,城镇用地面积与景观生态风险、城镇空间扩展强度指数和景观生态险变化值之间,都呈现负相关影响,后者相关性在减弱。回归系数的空间分布上,由中部向外逐渐升高,低值位于城镇扩展较快的南昌市区,城镇的快速扩展使城镇用面积大幅增加,景观破碎度、损失度降低,景观生态风险随之降低;高值出现在进贤县、安义县等经济发展缓慢的地区,城镇用地扩展幅度小,扩展边界斑块破碎度大,分离度上升,景观生态风险增加。研究结果为促进城市建设与生态环境保护的相互协调,正确评价人类活动对城市生态系统的影响,以及南昌市的可持续发展和科学管理提供借鉴。     

关中平原城市群扩张对生态用地的多尺度影响

城市扩张与生态空间保护的矛盾是新型城镇化和国土空间规划过程中急需解决的问题之一。作为黄河流域生态保护与高质量发展的核心区域，关中平原城市群面临更加严峻的生态和资源胁迫。但相关研究主要对研究区整体的生态环境变化进行测度，少有研究分析城市群发展对生态用地的多尺度影响，且忽略了城市群中土地变化最剧烈，生态受胁迫最严重的城市边缘区。因此，基于土地利用数据，结合土地利用转移矩阵、景观指数、估算城市扩张间接影响的生态用地面积等方法，研究从城市群、重点城市和主要城市边缘区3个尺度分析1990-2018年城镇扩张对生态用地的直接和间接影响。结果表明：（1）关中平原城市群土地利用类型以半生态用地（耕地）为主，面积占比超过40%。而城市边缘区主要以半生态用地和建设用地为主。1990-2018年城市群建设用地面积比例由3.67%增长至5.93%，耕地面积共计减少3032.11 km²，自然生态用地的面积增加628.03 km²。受耕地占补、退耕还林等多重政策的影响，半生态用地和自然生态用地的变化呈现为"拉锯式"发展特征。（2）城市扩张对半生态用地的直接影响大于对自然生态用地的直接影响，各尺度土地利用转移变化大同小异，新增建设用地的主要来源均为耕地，其中城市边缘区的耕地受城镇扩张的挤占最为突出。（3）城市扩张对自然生态用地的间接影响大于直接影响，且不同城市建设用地对自然生态用地的间接影响因耕地补偿机制的不同而有所差异。因此，对关中平原城市群实施"一刀切"的耕地补偿政策实际上并不合理，应当因地制宜，考虑地区土地资源条件，适当调整发展和约束政策，更有利于城市群的可持续发展。     

丝绸之路经济带核心区新疆城镇建设用地扩展的时空演变特征及影响机理

将丝绸之路经济带核心区新疆城镇建设用地扩展作为一个时空变化系统进行分析,提取1980—2015年7个年份用地演变信息,结合10 km×10 km方格网构建,从总量趋势、分地州市级区域、分用地类型及特殊性全面认知扩展的时空演变特征,采用地理探测器模型,在县域尺度定量诊断城镇建设用地扩展的人文要素和自然要素的影响程度及各要素间的交互影响作用,进而识别其主控要素并探讨其作用机理,对比分析天山北坡城市群和喀什都市圈两个重点发展区域的分异性。研究结果表明:近35年以来,丝绸之路经济带核心区新疆城镇建设用地扩展约2.9倍,扩展强度波动增长且以分散小斑块为主,各地州市扩展规模和强度的时空差异性显著,次一级城镇建设用地类型扩展呈现动态变化特征,用地扩展受自然本底胁迫条件和经济社会发展过程多重影响有其特殊性;全域城镇建设用地在县域尺度以低水平扩展与各级人文要素和自然要素水平的耦合匹配关系为主;综合地理探测器因子分析模块和交互作用模块的探测结果,判定地形位指数、城镇化率、地形起伏度、二三产业比重为影响丝绸之路经济带核心区新疆县域城镇建设用地扩展的主控要素,并探寻各主控要素的作用机理;在重点发展区域天山北坡城市群和喀什都市圈的驱动要素有共性也有明显分异性。该研究为丝绸之路经济带核心区新疆城镇建设用地因地因城因类的差别化调控及区域可持续发展提供科学支撑和决策依据。     

基于夜间灯光数据的太湖流域城镇扩张对净初级生产力的影响研究

理解人类活动变化对生态环境的影响,识别生态环境变化区域及其成因,对制定差异化的区域生态保护政策具有重要意义。基于MODIS17A3和DMSP/OLS稳定夜间灯光数据,结合RS与GIS技术,构建城镇开发程度指数,采用一元线性趋势分析法对城镇开发程度进行分区,利用Pearson相关系数计算城镇开发程度与NPP的作用关系,并运用热点分析模型探讨土地利用转型对NPP变化的影响。结果表明:(1)2000—2010年,太湖流域年均NPP变化范围是388.79—452.54 gC m~(-2)a~(-1),NPP变化呈波动下降趋势;(2)城镇开发程度缓慢增加区对NPP变化影响较小,增加区与快速增加区对NPP变化影响较大;(3)太湖流域土地转型主要发生在耕地转建设用地、林地转建设用地和水域转建设用地,建设用地面积的快速扩张及由此导致的城镇开发程度的增加,是流域NPP降低的主要原因。