城市土地利用時空信息數(shù)字重建、分析與模擬

內(nèi)容概要

　　《地球信息科學(xué)基礎(chǔ)叢書：城市土地利用時空信息數(shù)字重建、分析與模擬》綜合系統(tǒng)地闡述了城市土地利用時空信息數(shù)字重建、城市土地利用演化的“過程·格局·機制”分析以及城市擴張未來情景動態(tài)模擬的技術(shù)方法體系；應(yīng)用高分辨率遙感圖像、大比例尺地形圖、歷史資料與調(diào)查數(shù)據(jù)等翔實資料，揭示了近100年來長春城市內(nèi)部土地利用結(jié)構(gòu)與垂直空間演化時空特征以及驅(qū)動機制，進(jìn)而模擬局地尺度不同情景城市土地利用擴張過程；并在北京城市以及京津唐城市群開展空間尺度拓展應(yīng)用?！兜厍蛐畔⒖茖W(xué)基礎(chǔ)叢書：城市土地利用時空信息數(shù)字重建、分析與模擬》通過城市立體空間演變的過程與格局再現(xiàn)解釋城市演變現(xiàn)代過程的自然-人文作用機制，為城市地理、土地利用、地理信息系統(tǒng)與遙感應(yīng)用學(xué)科交叉提供了新的研究范式?！　　兜厍蛐畔⒖茖W(xué)基礎(chǔ)叢書：城市土地利用時空信息數(shù)字重建、分析與模擬》可供土地利用規(guī)劃與管理、城市地理學(xué)、城市規(guī)劃學(xué)、遙感與地理信息系統(tǒng)等科研領(lǐng)域的研究人員、政府決策相關(guān)人員和高校師生參考使用。

作者簡介

　　匡文慧，男，理學(xué)博士。1978年生于內(nèi)蒙古。2002年獲得內(nèi)蒙古師范大學(xué)管理學(xué)學(xué)士學(xué)位.2007年畢業(yè)于中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所獲得理學(xué)博士學(xué)位.2009年中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所博士后出站后留所從事科研工作。曾赴美國奧本大學(xué)、巴西國家空間研究院從事交流與訪問?！　≈饕獙Ｗ⒂谕恋乩茫脖蛔兓?，城市生態(tài)遙感研究工作?，F(xiàn)主持國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目，遙感科學(xué)國家重點實驗室開放基金項目，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目、中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目等專題。曾參與美國國家航空航天局（NASA）、中國－瑞典國際合作，國家科技支撐計劃、資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金等項目。發(fā)表論文40余篇，副主編圖集1部，參編專著4部。

書籍目錄

序前言第一章 緒論第一節(jié) 背景與意義第二節(jié) 前沿與進(jìn)展一、科學(xué)計劃與學(xué)科前沿二、國內(nèi)外研究進(jìn)展第三節(jié) 本書內(nèi)容與框架第二章 城市土地利用時空信息數(shù)字重建第一節(jié) 城市系統(tǒng)作用理論基礎(chǔ)與時空信息表達(dá)一、城市系統(tǒng)作用理論基礎(chǔ)二、城市土地利用時空信息表達(dá)第二節(jié) 城市土地利用內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)數(shù)字重建一、城市土地利用分類與數(shù)字重建方法二、城市多尺度空間定位與多源空間信息融合三、城市空間擴張數(shù)字重建四、城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)數(shù)字重建第三節(jié) 城市土地利用垂直空間結(jié)構(gòu)數(shù)字重建一、城市建筑垂直高度空間表達(dá)二、城市建筑高度遙感信息反演方法三、城市建筑垂直高度空間信息重建第四節(jié) 城市土地利用時空信息集成一、城市土地利用時空信息數(shù)據(jù)管理二、城市土地利用時空信息數(shù)據(jù)集成第三章 城市土地利用時空過程分析第一節(jié) 城市基礎(chǔ)地理概況一、地理位置與行政區(qū)劃二、自然地理環(huán)境三、社會經(jīng)濟因素四、城市化過程與發(fā)展戰(zhàn)略分析第二節(jié) 城市建設(shè)規(guī)劃與職能演變分析一、城市建設(shè)規(guī)劃簡史二、城市職能演變過程第三節(jié) 城市土地利用變化特征分析一、城市土地利用擴張過程分析二、城市土地面積-人口關(guān)系分析三、城市土地利用類型變化特征分析四、城市土地利用類型增長特征分析五、城市土地利用類型內(nèi)部轉(zhuǎn)換特征分析六、城市土地利用變化區(qū)域差異分析第四章 城市土地利用時空格局分析第一節(jié) 城市土地利用方位特征分析一、城市土地利用空間重心轉(zhuǎn)移分析二、城市土地利用距離譜空間分析第二節(jié) 城市土地利用空間演變均質(zhì)性分析一、城市土地利用空間結(jié)構(gòu)均質(zhì)性表達(dá)與原理二、城市土地利用信息熵空間變異模型三、城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分析四、城市土地利用演變信息熵空間變異分析第三節(jié) 城市土地利用空間演變分形特征分析一、城市土地利用分形模型二、城市土地利用擴張分形特征分析三、城市土地利用演變面積-周長分形特征分析四、城市土地利用演變集聚分形特征分析第四節(jié) 城市垂直空間演變樓層高度空間分異分析一、不同土地利用類型垂直空間高度比較分析二、地價對城市垂直結(jié)構(gòu)演變空間分異影響三、城市垂直高度變化對土地利用收益的影響第五節(jié) 城市土地利用時空演變特征與模式分析一、城市土地利用演變特征分析二、城市土地利用演變模式分析三、城市土地利用空間結(jié)構(gòu)存在主要問題第六節(jié) 城市土地利用演變生態(tài)效應(yīng)分析一、城市土地利用空間演變模式對生態(tài)環(huán)境影響分析二、城市內(nèi)部空間功能結(jié)構(gòu)調(diào)整對生態(tài)環(huán)境影響分析三、城市垂直空間結(jié)構(gòu)演變對生態(tài)環(huán)境影響分析第五章 城市土地利用時空作用機制分析第一節(jié) 自然地理因素分析一、城市發(fā)育的親水性二、地形因素分析三、地貌因素分析第二節(jié) 人口與經(jīng)濟驅(qū)動因素分析一、人口驅(qū)動因素分析二、經(jīng)濟增長與產(chǎn)業(yè)發(fā)展驅(qū)動因素分析三、城市土地利用與驅(qū)動因素相關(guān)性模型分析第三節(jié) 空間區(qū)位與政策驅(qū)動因素分析一、交通道路因素牽引影響分析二、地價因素影響分析三、土地利用政策與城市規(guī)劃因素分析第四節(jié) 城市土地利用驅(qū)動因素時空作用方式分析一、城市土地利用時空作用驅(qū)動因素分類二、城市土地利用時空作用過程分析三、城市土地利用時空作用方式分析第六章 城市土地利用時空動態(tài)模擬第一節(jié) 局地尺度城市土地利用動態(tài)模擬模型一、局地尺度元胞自動機與多主體模型集成方法二、局地尺度城市土地利用動態(tài)模擬模型結(jié)構(gòu)與框架第二節(jié) 城市土地利用動態(tài)模擬實現(xiàn)方法一、模型實現(xiàn)流程二、模型功能與實現(xiàn)方法三、城市土地利用動態(tài)模擬主體交互規(guī)則第三節(jié) 局地尺度城市土地利用模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析一、局地尺度城市動態(tài)多智能體模擬平臺二、城市土地利用模擬精度分析三、城市未來擴張對區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響情景分析四、城市土地利用空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施第七章 城市土地利用時空信息數(shù)字重建的應(yīng)用拓展第一節(jié) 城市土地利用時空信息數(shù)字重建一、城市空間擴張時空信息數(shù)字重建二、城市土地利用變化時空信息數(shù)字重建第二節(jié) 城市土地利用空間擴張時空特征分析一、城市土地利用擴張?zhí)卣鞣治龆?、城市空間蔓延時空變化特征分析第三節(jié) 城市土地利用變化時空特征分析一、城市土地利用變化與功能區(qū)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換特征分析二、城市土地利用變化與功能區(qū)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模式分析三、城市土地利用變化與功能區(qū)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換影響因素分析第八章 城市土地利用時空模擬空間尺度拓展第一節(jié) 區(qū)域尺度城市土地利用動態(tài)模擬模型一、當(dāng)前城市土地利用動態(tài)模擬模型局限性分析二、區(qū)域尺度城市土地利用動態(tài)模擬模型結(jié)構(gòu)以及基本功能第二節(jié) 城市群區(qū)域空間與功能結(jié)構(gòu)演變過程分析一、京津唐城市群自然地理概況二、城市群產(chǎn)業(yè)帶發(fā)展與區(qū)域空間結(jié)構(gòu)演變?nèi)?、城市群產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移與功能結(jié)構(gòu)調(diào)整第三節(jié) 城市群城市土地利用動態(tài)變化過程與特征分析一、城市群土地利用變化時空特征分析二、城市群城市擴張時空特征分析三、城市群城市擴張的經(jīng)濟、政策人文驅(qū)動因素分析第四節(jié) 城市群城市空間擴張模擬方法與技術(shù)流程一、模型理論基礎(chǔ)與框架二、模型實現(xiàn)與技術(shù)流程三、空間影響因素識別與分析四、城市空間擴張模擬與算法實現(xiàn)第五節(jié) 城市群城市空間擴張情景模擬一、城市空間擴張模擬精度評價二、城市空間擴張未來情景時空特征分析……第九章 總結(jié)與展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第一章緒論　　第一節(jié)背景與意義　　全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前人類社會面臨的兩大重要挑戰(zhàn)。全球變化實際上是人與自然之間關(guān)系的變化（IGBP，2001）。隨著全球變化與人類活動相互作用機制認(rèn)識的深入，國際上越來越多的學(xué)者、研究團體、決策機構(gòu)加大了對全球變化與人類活動相互作用研究的力度。全球變化研究涉及自然和社會領(lǐng)域的各個方面，特別是與社會、政治、經(jīng)濟和外交等多個領(lǐng)域的結(jié)合促使一些跨學(xué)科研究熱點的出現(xiàn)。全球變化研究，不僅需要關(guān)注其科學(xué)內(nèi)涵和學(xué)術(shù)價值，更要考慮如何為生存空間的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)背景和依據(jù)（Steffen et al，2001；李家洋等，2005）。國際地圈生物圈計劃與國際全球環(huán)境變化人文因素計劃構(gòu)建了新的研究框架，將全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)（Globalchange and terrestrial ecosystems，GCTE）和土地利用/覆被變化（Land use/coverchange，LUCC）兩個核心計劃發(fā)展為全球土地計劃，主要研究土地系統(tǒng)變化的原因和本質(zhì)、土地系統(tǒng)變化的后效性以及土地可持續(xù)性的綜合集成和模擬，目的是分析陸地人類環(huán)境耦合系統(tǒng)的變化，以及局地、區(qū)域和全球尺度上該系統(tǒng)的承載能力（IGBP，2005）。　　城市是一個在局地、區(qū)域和全球尺度上的社會經(jīng)濟、地緣政治和環(huán)境過程交互作用產(chǎn)生的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)。目前，全球人口約1/2居住在城市地區(qū)（UNCHS，2002；UN，2004a；UN，2004b；IHDP，2005），預(yù)計到2030年大約60%的人口居住在城市。其中約90%的人口增長將集中于城市，并且主要集中于發(fā)展中國家（IHDP，2005）。在經(jīng)濟全球化的影響下，全球城市化正在加速發(fā)展，由于城市化引起土地利用/覆被變化，從而導(dǎo)致社會、經(jīng)濟和環(huán)境的進(jìn)一步變化（Weber and Puissant，2003）。城市土地利用成為影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要因素（Wang and Zhang，2001）?！　〕鞘谢鹜恋乩?覆被的劇烈變化，從而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境或通過影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境以累積方式進(jìn)一步影響全球環(huán)境變化（Townshend et al，1991；Loveland etal，1991；Dale et al，1993；Romero et al，1999；Weber and Puissant，2003）?！　HDP核心計劃提出應(yīng)尋求更好地理解局地、區(qū)域和全球尺度城市化與全球環(huán)境變化之間的交互和反饋，特別是人文與自然過程之間的交互作用和產(chǎn)生的結(jié)果（IHDP，2005）。城市土地利用空間結(jié)構(gòu)是城市產(chǎn)生與發(fā)展的外在表現(xiàn)。在局地尺度上理解城市空間結(jié)構(gòu)演變過程及模擬空間擴張是在區(qū)域尺度或全球尺度上解釋與預(yù)測城市化對土地利用/覆被變化以及生態(tài)環(huán)境影響的一項重要內(nèi)容。因此，在研究城市土地利用空間結(jié)構(gòu)演變過程、演變規(guī)律以及與人類活動的作用機制的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確預(yù)測其未來變化過程是城市化與全球環(huán)境變化研究的基礎(chǔ)?！　〕鞘惺巧鐣?jīng)濟發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是社會文明的象征。在城市發(fā)展初始階段由于城市化水平不高，城市發(fā)展對生態(tài)環(huán)境影響甚小。隨著城市發(fā)展速度的加快，城市建設(shè)與人類活動的加強導(dǎo)致城市地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)逐漸被人工生態(tài)系統(tǒng)所替代，城市成為人類活動最為劇烈的區(qū)域。城市是自然、人文要素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，是區(qū)域人口、經(jīng)濟、文化中心，具有內(nèi)部和外部物質(zhì)流、能量流和信息流的循環(huán)（林琿等，1996）。它的形成和發(fā)展是系統(tǒng)中各個組成要素相互作用的結(jié)果。目前，城市已成為人類物質(zhì)財富和精神財富生產(chǎn)、積聚和傳播的中心，其發(fā)展直接關(guān)系著國家經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程（陳述彭，1999）。隨著全球城市化水平的不斷提高，城市作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，對地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展起著重大的推動作用。世界正處于快速的城市化過程中，2008年居住在城市中的人口已經(jīng)超過了世界人口的1/2，到2050年將有2/3的人口居住在城市。發(fā)展中國家，特別是亞洲的發(fā)展中國家，正處于快速城市化過程的轉(zhuǎn)型時期。　　21世紀(jì)以來，中國以年均1.2%的城市化速度增長，2008年中國城市化水平達(dá)45.77%，到2011年底中國城市化水平已超50 %。21世紀(jì)是世界城市化時期，中國正經(jīng)歷快速的城市化過程。在此期間受到“西部大開發(fā)”等國家層面國土開發(fā)戰(zhàn)略、國際大都市（都市圈）等區(qū)域開發(fā)策略、重大建設(shè)工程實施等一系列因素的影響，加之中國經(jīng)濟快速增長，導(dǎo)致中國城鄉(xiāng)建設(shè)用地快速擴張。這些現(xiàn)象引起了科學(xué)家的關(guān)注與擔(dān)憂，認(rèn)為21世紀(jì)的中國正經(jīng)歷“冒進(jìn)式增長”或“大躍進(jìn)”等城市化現(xiàn)象（陸大道等，2007）。中國的快速城市化過程帶來的嚴(yán)重的環(huán)境影響也受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注?？焖俚某鞘谢俺鞘型恋乩每臻g結(jié)構(gòu)的不同配置方式對全球環(huán)境變化的影響較大，其中包括城市布局不夠緊湊導(dǎo)致對基礎(chǔ)設(shè)施的需求增加，交通格局不合理對能源需求的增長以及城市無序擴張對全球食物安全的影響（Camagniet al，2002）?！　〉诙?jié)前沿與進(jìn)展　　一、科學(xué)計劃與學(xué)科前沿　?。ㄒ唬﹪H科學(xué)研究計劃　　2005年國際地圈生物圈計劃和國際全球環(huán)境變化人文因素計劃啟動全球土地計劃，對全球變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)與土地利用/覆被變化及生物多樣性等計劃開展集成研究。全球土地計劃強調(diào)對局地、區(qū)域尺度上的人類環(huán)境耦合系統(tǒng)的變化及其對地球系統(tǒng)的物質(zhì)、能量循環(huán)以及生態(tài)服務(wù)功能的影響進(jìn)行研究。全球土地計劃主要將社會和自然及人類科學(xué)領(lǐng)域的研究者集中起來致力于解答這些問題?！　∪蛲恋赜媱澭芯磕繕?biāo)是量測、模擬和理解人類環(huán)境耦合系統(tǒng)，具體包括： ① 識別陸地生態(tài)系統(tǒng)人類環(huán)境耦合的內(nèi)在動因、結(jié)構(gòu)和本質(zhì)，目的是定量分析其對土地系統(tǒng)產(chǎn)生的影響； ② 評價土地變化如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能； ③ 識別人類環(huán)境耦合系統(tǒng)的脆弱性和持續(xù)性與干擾（包括氣候變化） 相互作用機制及動力學(xué)。它主要圍繞三個主題： 第一，土地系統(tǒng)變化的動力學(xué)； 第二，土地系統(tǒng)變化的后果； 第三，土地可持續(xù)性的集成分析和模擬（IGBP，2005）?！　⊥?，IHDP 第15 號報告《城市化與全球環(huán)境變化》提出通過采用時空尺度交叉、時空尺度比較以及公眾與政策制定者之間的交流等方式加強城市化與全球環(huán)境變化之間關(guān)系的研究，核心是要加強在局地、區(qū)域以及全球尺度城市化與全球變化之間的交互與反饋的理解，開展與環(huán)境問題相關(guān)的社會、政治、經(jīng)濟、文化與生物物理因素的多維集成研究。該計劃主要包括四個研究主題： ① 與全球環(huán)境變化相關(guān)的城市化過程； ② 全球環(huán)境變化以何種途徑影響城市系統(tǒng)； ③ 城市系統(tǒng)人類與環(huán)境之間的交互與響應(yīng)； ④ 城市系統(tǒng)對全球環(huán)境變化影響的交互作用的后果。該計劃的提出是針對陸地生態(tài)系統(tǒng)中的城市化與全球環(huán)境變化之間交互關(guān)系問題，在研究中更重視人文科學(xué)與自然科學(xué)的耦合與交叉解決人類活動環(huán)境系統(tǒng)的耦合關(guān)系（IHDP，2005）。　　2005 年聯(lián)合國出版的千年生態(tài)系統(tǒng)評估（Millennium Ecosystem Assessment ，MA） 報告《生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉： 現(xiàn)狀與趨勢》中對城市系統(tǒng)進(jìn)行專門的評價，認(rèn)為城市人口與經(jīng)濟的發(fā)展將對全球范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生更大的壓力，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能； 特別強調(diào)低海岸帶（low elevation coastal zones，LECZ） 受全球變化的威脅更大，城市生態(tài)系統(tǒng)受全球氣候變化的影響變得更加脆弱（McGranahan etal，2007）?！　。ǘ?學(xué)科前沿與熱點問題　　2008 年全球城市人口超過了50 %，而且該年也是中國改革開放30 年，Science 發(fā)表了Global change and the ecology o f cities （Grimm et al，2008）；T he urban trans-f ormation o f the develop ing world （Montgomery，2008 ；T he si ze，scale，andshape o f cities （Batty，2008） 關(guān)注發(fā)展中國家的城市化問題。城市化影響下的土地利用/覆被變化，城市― 區(qū)域到全球尺度的生物地球化學(xué)循環(huán)的改變，城市化與氣候變化、生物多樣性是重要的研究主題?！　　?/pre>








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