城市化时空演变的多元多尺度分析及其扩张模拟预测研究

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城市化是现代社会发展备受关注的主题之一,科学有效地识别城市化时空格局演变特征与规律,并合理预测城市未来发展的空间格局,对促进区域可持续发展至关重要。本文选取中国东南沿海快速城市化的典型区域浙江省作为研究区,充分运用遥感、GIS和数据挖掘等技术,剖析全省城市化时空格局演变特征及其生态效应,并有机结合城市建设与生态保护,建立科学有效的模型预测未来城市建设用地的空间布局,为实现新型城镇化和生态文明建设背景下的城市健康发展提供一定的理论依据和参考价值。主要研究工作和结论如下:(1)多元多尺度视角下剖析了浙江省1994-2015年城市化时空格局演变特征。为提高分类精度和分类结果的可靠性,融合新型蝙蝠算法、遗传算法和支持向量机,构建了特征选择和参数优化协同处理的非参数分类器,获得了全省1994、2001、2008和2015年的土地利用数据集。运用GIS空间分析、探索性数据分析和景观格局分析方法相结合的多元混合分析框架,从转移规模、热点分布、扩张模式和景观格局等多角度分析了浙江省城市化时空格局的演变特征,从县域和网格尺度进行了建设用地扩张的驱动因素分析。结果表明地形和交通区位条件决定了建设用地扩张的可能性,人口和经济增长对建设用地扩张有显著的推动作用,揭示了自然地理、交通区位和社会经济補合作用下城市土地利用格局受到的影响,表现为耕地和建设用地间此消彼长的典型城市化特征,以杭州、宁波、金-义和温-台为核心的都市圈模式已形成。(2)充分考虑人类活动空间分布及土地利用变化的影响下,研究了生态环境效应对城市化格局演变的响应。①建设用地快速增长引起的土地利用变化导致浙江省生态系统服务价值呈现下降趋势,价值总量共计降低3.86%。生态系统服务价值空间分布不均衡,与夜间灯光强度、建设用地占比整体呈负相关。②基于“暴露-敏感-适应”框架,融合夜间灯光影像、污染物排放、微博签到点、区位条件、生态系统服务价值变化与自然环境状况、生态建设等多源时空大数据构建了生态系统脆弱性评价体系。结果表明浙江省总体脆弱性较低,但空间异质性强,呈现从城镇建成区向周边下降的特征。极度和高度脆弱区主要分布于浙北平原和东南沿海人类活动频繁区,而人类活动稀少的山地丘陵地带脆弱性较低。(3)研究了协调生态保护与城市建设视角下的城市扩张模拟预测模型。以典型城市化且生态系统极度脆弱区杭州市为例,充分考虑城市生态系统的复合性,从人类活动和自然因素相互作用下的生态重要性和需求强度分析,及自然、人工生态系统特征出发构建生态源地识别体系,识别结果能较好地体现生态用地保护强度的空间分布,利用最小累积阻力模型进行生态适宜性分区表明适宜生态保护用地主要分布于城市西南部、南部和西北部。基于此,提出并构建了生态约束下耦合马尔可夫链、深度信念网络和元胞自动机的城市扩张模拟预测模型,其中混合蝙蝠算法优化的深度信念网络用于挖掘元胞自动机的转换规则。结果表明该模型有效克服了传统神经网络易过拟合和泛化能力不足的局限性,在模拟精度(FoM指数)及空间格局相似性方面分别提高了3.70%和10.11%。预测模型兼顾了生态保护和城市空间发展需求,可为更好地制定生态优先理念下的城市规划提供参考和依据。
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