基于集成学习和元胞自动机的城市地理模拟

集成学习通过将若干弱分类器集成以取得比单个弱分类器更好的性能，是机器学习的重要研究方向。针对常用城市地理模拟系统中元胞自动机转换规则获取算法的局限性，本文提出基于集成学习算法的元胞自动机，并将其应用于城市建设用地的动态模拟。以决策树作为弱分类器，应用集成学习算法和元胞自动机，对东莞市2001年到2005年的建设用地时空格局进行了模拟，取得了较好的模拟效果。精度评估结果表明，经集成学习后的决策树比单个决策树对城市建设用地动态的模拟精度更高，算法泛化能力更好。     

商丘虞城城市扩展遥感监测

基于1985—2015年Landsat系列遥感影像,利用面向对象分类技术提取商丘、虞城城市建设用地信息,从城市扩展强度、紧凑度、分形维数等方面对商丘、虞城城市空间形态演化特征进行定量化研究,依据两城市建设用地面积和两城市中心间的距离构造城市面积引力系数,从而定量化定义城市发展"点-轴"系统中的初期、中期、后期,揭示城市一体化发展的地理学规律,为合理布局城镇体系及合理规划卫星城提供科学依据.研究结果表明:商丘近30年来、虞城近15年来城市建设用地规模呈指数快速增长;两城的城市紧凑度随着城市的快速扩展而呈现总体减小的趋势;分形维数大于1.5,城市形态表现出复杂性;商丘虞城两城发展模式符合典型的点轴系统模式,2005年以来,两城存在明显的相向扩展趋势;城市发展点轴系统由无到初期、初期到中期、中期到后期、后期到一体化的城市引力阈值分别为30,100,300,1000.     

基于CA模型的海港城市空间形态演化模式研究——以天津滨海新区外生情景模拟为例

本文通过研究具有典型特征的天津滨海新区城市形态的快速演化过程,探索海港城市空间形态演变的过程—格局—机理,以期丰富相关基础理论,为城市规划建设布局提供科学依据。基于改进logistic-CA模型嵌入复合灰色预测方法,模拟分析1998-2014年城市空间形态历史演化,预测外生情景下2014-2030年城市形态演化。结果表明:改进模型具有很好的适应性,模拟结果显示2014-2030年5个组团将转变为两大轴带扩展,最后实现区域用地全部城市化。进而得出结论:海港城市形态演化经历4个阶段,即单核生长,组团扩展,轴带扩张,区域填充;海港城市空间形态空间演化中,表现出逐渐摆脱外部,实现独立自身发展;在外生发展模式下,城市形态易走向分散化,出现跳跃式与填充式扩展的交替。     

国家历史文化名城长汀建设用地空间演变及驱动力分析(2006-2016)

针对城市空间扩张带来的用地紧张浪费、用地结构失调等问题,以国家级历史文化名城长汀为例,借助ArcGIS、SPSS分析工具,运用分形维数、等扇形分析等空间分析方法,定量解析2006—2016年长汀主城区八大类城市用地的空间演变特征,并揭示其驱动机制。研究发现:长汀主城区城市建设用地扩张经历了"低速低强"、"中速高强"、"高速中强"3个发展阶段,城市形态逐渐趋于紧凑;城市空间扩张以外部扩张和内部更替为主且方位多元化,受地形条件影响,长汀建设用地扩张以S方向为主,老城区主要向NE方向填充;随城市化进程的加剧,产业和经济因素成为建设用地扩张的主要驱动力,人口和耕地因素的影响呈现不同程度的减弱趋势。该研究为优化长汀城市用地结构、提高土地利用效率、制定合理的规划方案提供一定参考。     

浙江省主要城市空间形态演变及城镇化质量评估

"城市化"是当今中国城市发展的重要战略方向,城市形态分析与城镇化质量评估是城市化研究的基础理论问题.文章借助RS和GIS技术提取出浙江省11个主要城市在1993年、2003年和2014年的建成区信息,并利用形状指数、紧凑度、分形分维、扩张速度和扩张强度及城市重心转移等指标对浙江省城市形态进行了测度.并基于熵值法对社会、经济、人口、环境等共23个因子建立评价指标体系,对不同城市的城镇化质量进行评估并提出相关建议.     

城市形态边界维数与常用空间测度的关系

在城市地理系统对称发育的假设条件下,从标准圆出发,基于城市形态的几何测度关系推导出边界维数的倒数与紧凑度以及圆形率的半对数关系.借助国内有关学者发表的观测数据验证了推导结果.指出,城市形态的边界维数是一个宏观概念,而紧凑度和圆形率则是一种微观概念.边界维数与紧凑度的数理关系反映城市地理系统宏观规律与微观结构的内在联系,这类关系正是地理空间复杂性关注的问题之一.     

基于分形理论的北京城市形态结构遥感分析

 城市形态结构分析对北京市的长远规划具有重要意义,运用分形思想规划城市对人居环境的改良和人地关系的协调也有着重要意义。本研究基于分形理论,运用GIS空间分析等方法,对北京城市形态结构和变化进行了定量的分析与评价,预测了北京市未来城市发展范围。利用TM遥感影像监督分类,提取1992、1999和2006年北京市建筑用地面积,以城市中心为圆心,取几十个半径递增的同心圆进行剪裁,得出各个同心圆内的城市建筑用地面积。通过反复试验确定双标度区并得到城市建筑用地面积折线图,并对面积进行基于乘幂关系的函数拟合,拟合优度R2≥0.995。并得到分维数D以及北京市范围及其变化。在得到这些数据后,进行了深入的分析以解释这些现象,同时对北京市与其他大城市的城市形态进行对比。最后,对北京市的城市建筑用地的未来发展以及可能出现的情况做出预测。     

基于夜间灯光数据的武汉市建设用地扩张规律研究

选取1997年到2012年间的6期DMSP/OLS夜间灯光数据,采用基于统计数据的二分比较法,对武汉市建成区进行提取.利用建设用地扩张幅度、建设用地增长类型、城市扩张速度、城市扩展方向、城市外围轮廓的紧凑度等指标分析了武汉建设用地扩张的规律和特点.结果表明:武汉市建成区总体扩张幅度为152.2%,增长速度经历了"慢-快-慢"的交替,城市分布中心主要向东南移动,建成区的紧凑度先减小后增大.此外,通过相关性分析证明经济发展、人口和城市化之间存在强烈正相关.     

基于RS与GIS的山地城市建设用地扩展研究——以重庆市南岸区为例

随着经济不断发展以及全球人口持续增长,建设用地指标紧缺的问题日益凸显,山地城市建设用地扩展研究对于城市的进一步发展有着重要的作用。采用1978—2010年间的8期Landsat-TM数据,通过计算景观分离度、分维数、建设用地动态度、建设用地扩展指数和建设用地重心等指标,对南岸区32年来建设用地扩展过程进行了定量研究。研究结果表明:南岸区建设用地扩展保持较高的速度,城市用地结构更为紧凑,建设用地形态趋于规则化发展,建设用地稳定性也越来越强,且其重心由南岸区的西部向东部迁移。该研究成果对南岸区城市建设与规划具有参考意义。     

济南市区域交通可达性与城市功能用地变化研究

区域交通可达性对城市形态具有重要的影响,对分析城市形态发展和城市中各个类型功能用地的演变具有很大作用.利用Arc GIS空间分析技术,将济南市城区内交通路网矢量化,然后转成栅格数据文件重分类再赋值,生成基于交通可达性的成本距离栅格文件,与济南市城市功能用地进行叠加分析,研究区域交通可达性对城市功能用地结构演化的影响.结论为:济南市各类城市功能用地在城市交通网络发展带动下的演变过程中,呈现先高速增长向外扩张,后稳定增长的趋势.     

Beijing Urban Development Model: Urban Growth Analysis and Simulation

Urban growth analysis and simulation have been recently conducted by cellular automata (CA) models based on self-organizing theory which differs from system dynamics models. This paper describes the Beijing urban development model (BUDEM) which adopts the CA approach to support urban planning and policy evaluation. BUDEM, as a spatio-temporal dynamic model for simulating urban growth in the Beijing metropolitan area, is based on the urban growth theory and integrates logistic regression and MonoLoop to obtain the weights for the transition rule with multi-criteria evaluation configuration. Local sensitivity analysis for all the parameters of BUDEM is also carried out to assess the model's performances. The model is used to identify urban growth mechanisms in the various historical phases since 1986, to retrieve urban growth policies needed to implement the desired (planned) urban form in 2020, and to simulate urban growth scenarios until 2049 based on the urban form and parameter set in 2020. The model has been proved to be capable of analyzing historical urban growth mechanisms and predicting future urban growth for metropolitan areas in China.     

深圳市城市扩展预测与分区评价

以深圳市为研究对象, 基于CLUE-S模型, 模拟深圳市2020年城市扩展格局, 然后依据扩展速度强度、形态结构、社会经济效益和生态效益4个方面的指标建立城市扩展综合效益评价体系, 利用自组织特征映射网络(SOFM)对深圳市城市扩展进行分区评价。主要结论如下: 1) 未来(2020 年)深圳市城市扩展状况可 划分为4个区域(高度城市化区、经济增长区、城市扩展潜力区和生态优先区), 各区需针对自身特点合理调整发展战略; 2) 按照目前的发展趋势, 到2020年, 深圳市城市扩展综合效益较高, 但也存在社会经济效益和生态效益不能兼顾与土地利用效率不够高等问题; 3) 基于CLUE-S模型和SOFM网络, 结合城市扩展综合效益评价体系, 可以实现对未来城市扩展状况的预测和分析。     

银川市2000-2020年土地利用时空变化特征及预测

为探究银川市土地利用的时空变化特征,基于2000、2010、2020年3期土地利用数据,通过土地利用变化、景观生态学和元胞自动机(cellular automata, CA)-Markov模型,定量研究了20年间银川市土地利用景观格局变化特征,并对土地利用变化进行模拟预测。结果表明:耕地、林地、水域和未利用土地面积减小,草地和城乡工矿居民用地面积增加,各土地利用类型之间转换较为强烈,土地利用变化结构的主体为草地和城乡工矿居民用地,土地利用程度不断加深但具有区域差异性特征;土地利用景观形状的复杂程度增加,城市空间不断扩张,整体景观都趋于平均,景观异质程度增强,景观向多样化方向发展趋势;CA-Markov模型能有效模拟银川市土地利用变化情况且具有较高精度,Kappa系数为0.828 5;2030年耕地、林地和未利用土地面积减少,草地和城乡工矿居民用地面积增加。人口数量与结构、国内生产总值(gross domestic product, GDP)、经济增长以及区域宏观政策是研究区各类土地利用类型变化的主要驱动因素。     

1930s-1960s珠江三角洲城镇建成区位序—规模、扩展及其形态特征

基于1930s、1960s的1:5万地形图的解译,借助GIS软件,计算了1930s和1960s珠江三角洲地区15个城镇建成区面积、位序-规模、紧凑度与圆形率,并对该时段内建成区扩展强度及其形态特征进行了分析.1930s与1960s位序-规模分别呈Y=11.48X-1.30 、Y=15.63X-1.28,城镇体系具有相似的特征,呈现金字塔的城镇规模结构;建成区规模小,扩展速度低,约0.98km2/10a;建成区的扩张主要表现为四周扩展和主轴线扩展;形态紧凑性差,呈现分散化态势.依据城镇发育的条件与形态特征,将城镇形态分为低山丘陵主导型、河网主导型、平原主导型3种.     

基于GIS和ANN-CA的广州市黄埔区耕地预警

根据地理模拟和耕地保护相耦合的思想,基于近15 a的土地利用变化数据,以广州市黄埔区为例,从土地利用方式转换的角度出发,进行耕地的空间预警研究.①利用ArcGIS得到土地利用转移矩阵,分析得出建设用地扩张是造成耕地流失的最大因素;②采用GeoSOS集成的ANN-CA模型,以低速扩张的模式预测2020年建设用地空间分布格局;③利用ArcGIS空间分析功能,将建设用地预测图与2009年耕地现状图进行重叠分析,提取耕地预警区域.预警总面积为931.86 hm～2,占2009年耕地总面积的37.88%,耕地与建设用地之间存在尖锐矛盾.因此,相关部门可根据预警区域的地理位置和面积大小,采取补偿措施,以此协调城市发展和耕地保护之间的矛盾.     

基于多源遥感数据的城市扩张测度研究——以厦门市为例

以2000、2005、2009、2013年的Landsat遥感影像数据和相应年份的DMSP/OLS夜间灯光数据为基础,结合厦门市的社会经济数据,运用GIS和RS分析手段,通过引入紧凑度、城市重心、城市扩张速度、城市扩张强度、全域空间自相关系数、弹性系数等指标,对城市扩展过程中的时空特征、形态演变及其与经济发展之间的协调性进行测度.结果表明,厦门城市扩展空间形态变化呈现明显的阶段性,城市扩张过程中空间形态趋向稳定,土地开发利用和城市功能配置还处于较低水平.     

有轨交通转变下的广州火车站地区城市形态发展

分析在有轨交通转变下广州火车站地区城市形态的发展，提出以火车站枢纽为核心的圈层结构，并着重讨论“核心枢纽区”、“枢纽外围区”这两个具明确特征的空间圈层的发展。同时对广州火车站地区未来的发展提出几点建议。     

基于灰色序列GM(1,1)模型的建设用地预测

以泉州为例,采用灰色序列GM(1,1)模型来预测其建设用地,通过对1996—2004年的建设用地面积进行观察和拟合,预测泉州2005—2020年建设用地面积,预测结果具有有效性和实用性,并提出提高土地利用率及控制建设用地规模的措施.     

基于城市流模型的城市群扩张模拟——以武汉城市圈为例

随着区域城市化和城市区域化的不断发展,城市群扩张已成为中国城市化进程研究中备受关注的课题,城市群的扩张模拟也成为一个热点研究问题.在传统的城市扩张模拟中,CA(cellular automaton, 元胞自动机)模型以其独特的规则简单,可扩展性强等优点,在城市扩张模拟方法中逐渐占据主导地位,但目前CA模型主要应用于对单一城市的扩张模拟,对大范围区域内城市群的综合扩张模拟精度不高.该文引入了城市流模型对传统CA模型加以改进,将空间相互作用力量化并嵌入CA模型的转换规则中,并以武汉城市圈为例,应用改进模型模拟了武汉城市圈的扩张变化.结果显示,相比传统的Logistic-CA模型,该文提出的模型精度更高,说明城市群内部空间作用力对城市群扩张影响显著,同时,预测了武汉城市圈2020年的城市扩张情况.研究表明,未来城市扩张将集中在中心城市边缘地带.     

城市扩张对区域生态安全格局影响研究——以合肥市为例

城市用地空间扩张对生态环境的影响映射出人类社会活动和生态环境保护之间的交互作用,系统地研究城市空间无序蔓延所诱发的城市土地利用方式变化对城市生态环境的影响程度,对助推我国生态文明建设目标具有重要现实意义。为探究合肥市城市扩张对生态安全格局的影响程度,综合运用生态遥感指数、最小累积阻力模型、电路理论和斑块生成土地利用模拟模型,构建合肥市生态安全格局,识别生态夹点和生态障碍点,再从模拟验证的基础上（总体精度为94.71%,Kappa系数为90.04%,Fom值为0.102）,预测了2030—2040年的城市扩张,并根据预测结果探讨城市扩张对区域生态安全格局影响程度。研究发现：合肥市生态环境质量整体呈现南高中低的分布格局,识别出合肥市生态源地共计35处,源地间活跃生态廊道70条,非活跃廊道共17条,生态夹点290个,生态障碍点112个。2020—2040年合肥市城乡、工矿居民用地、林地、水域和未利用土地面积将不断增加,而耕地以及草地面积将持续减少。2020—2040年期间城镇建成区分别侵占了生态廊道、源地、夹点、障碍点面积为55.95km2、10.51km2、1.04 km2、1.35 km2。研究结果可为今后快速发展城市的生态环境治理和国土空间生态保护修复工作提供理论依据和技术参考。