城市增长与景观变化的多尺度研究 ——以杭州市为例

论文摘要

改革开放以来,城市以空前的速度增长,中国的城市化已成为影响经济社会发展的主题之一。对城市增长的时空特征、演变过程、驱动因素的探讨以及对未来城市增长的预测一直以来都是城市相关领域的研究热点。在快速城市化地区,如何有效引导和调控城市增长,控制城市外延扩张带来的负面影响,就成为现阶段亟待研究的现实问题。根据等级理论,尺度被认为是描述现实世界层次结构的核心概念。城市可看作是具有等级结构的复杂系统,在研究城市增长与景观格局时必须充分考虑尺度问题。一般认为,尺度包括时间尺度、空间尺度和决策尺度,其中,空间尺度又可分为粒度和幅度。在城市景观格局分析和景观动态变化模型中,尺度问题对分析结果影响显著。近期研究十分强调模型的多尺度分析能力,以解决尺度依赖性问题。已有城市景观的粒度和幅度分析方面的研究成果颇丰,而元胞自动机等城市增长模型的尺度研究相对较少,尤其缺乏规划和管理角度的尺度问题研究。因此,在以往研究的基础上,本文具体探讨城市增长空间驱动因素的尺度依赖性、城市景观格局的多尺度分析、城市增长模型的尺度敏感性;同时,充分利用遥感数据和经济社会数据,对杭州市的城市增长过程进行实证研究。本文的总体研究框架分为尺度、方法和结果三个部分。首先,从尺度概念界定出发,提出空间幅度的研究思路。接着,利用定量研究方法,研究城市增长的影响因素、变化过程和未来模拟。最后,总结论文的结果与发现。本文共分为7章,所作的主要研究工作如下:第1章为绪论,阐述研究背景和意义。第2章较为全面地概括城市增长与景观变化的尺度问题,指出城市景观分析和模拟中应进一步探讨尺度问题。第3章提出研究的总体设计,将等级理论和扩散-凝聚理论作为理论基础,并介绍数据收集过程和主要的研究方法。第4章为城市增长空间驱动因素的尺度依赖性分析,在变化概率、变化密度、变化强度的多尺度分析框架中,引入变化时序的研究。选取经济社会因素、生物物理因素和政策规划因素等作为解释变量,利用探索性空间数据分析和空间logistic回归模型,建立不同尺度上城市增长格局与空间驱动因素的定量关系。对杭州市的研究表明,次要道路、城市建成区和空间政策尺度依赖性较弱,而主要道路、可开发用地规模和人口变化尺度依赖性较强。到主要道路和工业中心的距离、可开发用地数量和人口增长区域是影响大规模城市开发的重要因素,而与次要道路和建成区的邻近度是影响开发概率和开发时序的主要因素。第5章为城市景观格局变化的多尺度分析,从城市区域和城市土地利用两个层次出发,采用景观梯度分析与景观填充分析发现城市开发概率、探测其变化密度。将景观格局分析应用于城市区域和城市土地利用两个层次时,前者应侧重选取破碎化程度指数,而后者应侧重选取城市斑块形态和连通度指数。本章沿杭州市扩散廊道设置5个景观梯度,结果表明各个梯度带的城市平均斑块面积沿中心往外逐渐降低,经过开发区的梯度带表现为多峰值变化,而城市景观形状指数在城市郊区未出现显著下降。对大规模城市斑块的分析发现,杭州市建成区的分维数为1.76,具有理想的填充能力;自发增长较少和边缘增长占主导,决定其填充增长规模较小。杭州市城市增长在1996年后逐渐由扩散走向集聚,但还未达到成熟阶段。第6章为SLEUTH模型的尺度敏感性分析及城市增长多方案预测与评估。探讨SLEUTH模型的尺度敏感性时发现,当空间幅度增大时,不可预见性因素增多,从而使自发增长较多,加之低密度开发导致模型校正结果出现偏差。因此,适当降低模型的蔓延系数、合理设置排除层有助于防止过度增长。利用SLEUTH模型对杭州市城市增长进行多方案预测,生成现有发展趋势、交通导向、农田适度保护和紧凑城市4种方案,并从增长数量、空间分布、规划表现力3个不同方面评估上述4种方案的优劣。结果表明,若维持现有趋势增长,可能会突破规划确定的用地规模,加剧耕地的破碎化程度;通过交通引导城市向热点地区集中,有助于防止城市过于分散;采取农业适宜性限制和实施紧凑城市方案有助于边缘增长。最后,对SLEUTH模型模拟能力的结果表明,应该加强对突发性政策因素的模拟。第7章根据以上分析得出结论并讨论其中所存在的不足,同时简要分析研究结果的政策含义。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 表索引
• 图索引
• 1 绪论
• 1.1 选题背景与依据
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 研究框架
• 1.4 可能的创新之处
• 2 城市增长与景观变化研究综述
• 2.1 城市增长与景观变化研究的尺度问题
• 2.2 城市增长及驱动因素研究
• 2.3 城市增长的元胞自动机模拟
• 2.4 本章小结
• 3 研究总体设计
• 3.1 理论借鉴
• 3.1.1 等级理论与尺度
• 3.1.2 扩散-集聚理论
• 3.2 研究区域概况与数据来源
• 3.2.1 研究区域概况
• 3.2.2 数据来源
• 3.3 研究方法
• 3.3.1 遥感图像处理
• 3.3.2 空间计量方法
• 3.3.3 景观格局分析方法
• 3.3.4 SLEUTH城市增长模型
• 3.4 技术路线
• 3.5 本章小结
• 4 城市增长空间驱动因素的多尺度分析
• 4.1 引言
• 4.2 城市增长的多尺度分析思路
• 4.2.1 尺度
• 4.2.2 城市增长的多尺度分析
• 4.3 研究方法与数据处理
• 4.3.1 探索性空间数据分析（ESDA）
• 4.3.2 空间logistic回归模型
• 4.3.3 研究区域与数据处理
• 4.3.4 空间变量
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 探索性空间数据分析结果
• 4.4.2 空间logistic回归模型估计结果
• 4.5 本章小结
• 5 城市景观格局变化的多尺度分析
• 5.1 引言
• 5.2 城市景观格局的多尺度分析思路
• 5.3 研究方法与数据处理
• 5.3.1 研究区域与数据处理
• 5.3.2 景观格局分析方法
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 景观类型数量与结构变化
• 5.4.2 城市景观梯度分析
• 5.4.3 城市景观填充过程分析
• 5.4.4 城市增长的扩散与集聚分析
• 5.4.5 景观变化与增长驱动因素的关系分析
• 5.5 本章小结
• 6 基于SLEUTH模型的城市增长多尺度模拟
• 6.1 引言
• 6.2 城市增长模拟的多尺度分析思路
• 6.3 研究方法与数据处理
• 6.3.1 研究区域与数据处理
• 6.3.2 SLEUTH模型选取及方案模拟
• 6.3.3 缓冲区与扩展方位分析
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 SLEUTH模型的尺度敏感性分析
• 6.4.2 SLEUTH模型的多方案预测
• 6.4.3 SLEUTH模型的多方案评估
• 6.4.4 SLEUTH模型的模拟能力分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论、政策含义及需深化研究的问题
• 7.1 研究结论
• 7.2 政策含义
• 7.3 需深化研究的问题
• 参考文献
• 附录 词汇
• 附录 作者简历