（生態(tài)學(xué)專業(yè)論文）上海城市擴(kuò)展及其動(dòng)態(tài)模擬研究.pdf

u n i v e r s i t yc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n ti d ：51 0 7 0 8 0 2 0 1 3 u r b a ns p r a w la n dd y n a m i cs i m u l a t i o no f s h a n g h a i at h e s i si 1 1e c o l o g y 一一 t ob es u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r b y s h e nx i n g h u a s u p e r v i s e db y l ij u n x i a n ga s s o c i a t ep r o f e s s o r d e p a r t m e n to fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s h a n g h a i ，c h i n a m a y ，2 0 1 0 刪73腳8m 2m 舢腳y 本論文研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目： 城市景觀格局與熱島效應(yīng)相互關(guān)系的多尺度研究 ( 3 0 7 7 0 3 8 4 ) 資助 華東師范大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 鄭重聲明：本人呈交的學(xué)位論文 上漪域孝粼動(dòng)吞黝君 ， 是在華東師范大學(xué)攻讀碩_ 壬博士( 請(qǐng)勾選) 學(xué)位期間，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確 說(shuō)明并表示謝意。 作者簽名：埤 日期：p 產(chǎn)年月f 日 華東師范大學(xué)學(xué)位論文著作權(quán)使用聲明 上晦旅 幸鐘履且蟲(chóng)影磊檄擬研穸 系本人在華東師范大學(xué)攻讀 學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的硪生博士( 請(qǐng)勾選) 學(xué)位論文，本論文的研究成果歸華 東師范大學(xué)所有。本人同意華東師范大學(xué)根據(jù)相關(guān)規(guī)定保留和使用此學(xué)位論文，并向主 管部門(mén)和相關(guān)機(jī)構(gòu)如國(guó)家圖書(shū)館、中信所和“知網(wǎng) 送交學(xué)位論文的印刷版和電子版； 允許學(xué)位論文進(jìn)入華東師范大學(xué)圖書(shū)館及數(shù)據(jù)庫(kù)被查閱、借閱；同意學(xué)校將學(xué)位論文加 入全國(guó)博士、碩士學(xué)位論文共建單位數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出 版，采用影印、縮印或者其它方式合理復(fù)制學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于( 請(qǐng)勾選) () 1 經(jīng)華東師范大學(xué)相關(guān)部門(mén)審查核定的“內(nèi)部 或“涉密 學(xué)位論文棗， 于年，月 日解密，解密后適用上述授權(quán)。 ( y ) 2 不保密，適用上述授權(quán)。 新簽名絲題趑沁 本人簽名礎(chǔ)牛一 沙p 年f 月f y l “涉密”學(xué)位論文廊是已經(jīng)華東師范人學(xué)學(xué)位評(píng)定委員會(huì)辦公室或保密委員會(huì)審定過(guò)的學(xué)位 論文( 需附獲批的華爾師范大學(xué)研究生申請(qǐng)學(xué)位論文“涉密”審批表方為有效) ，未經(jīng)上 述部j 審定的學(xué)位論文均為公開(kāi)學(xué)位論文。此聲明欄不填寫(xiě)的，默認(rèn)為公開(kāi)學(xué)位論文，均適用 上述授權(quán)) 。 選送堡碩士學(xué)位論文答辯委員會(huì)成員名單 姓名職稱單位備注 周秀佳教授上海中醫(yī)藥大學(xué)主席 由文輝教授華東師范大學(xué) 顧泳潔副教授華東師范大學(xué) 論文摘要 本文利用上海市1 9 8 9 2 0 0 5 年間航空影像、d e m 數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，提取城 市土地利用的信息，分析快速城市化階段城市土地利用的時(shí)空變化特征、城市擴(kuò)展 的形態(tài)特征和模式；利用s l e u t h 模型模擬上海市2 0 0 6 2 0 3 5 年間的土地利用和城 市用地?cái)U(kuò)展的變化；并對(duì)城市擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析。得出以下主要結(jié)論： ( 1 ) 城市化是城市土地利用變化的主要推動(dòng)力。城市的擴(kuò)展導(dǎo)致城市用地、道 路交通用地和公共綠地增加，耕地、農(nóng)村居住用地大量減少，在所有的土地類型轉(zhuǎn) 換中，耕地轉(zhuǎn)為城市用地的數(shù)量最大；土地利用變化具有明顯的時(shí)間異質(zhì)性，1 9 8 9 1 9 9 4 、2 0 0 0 2 0 0 5 年是兩個(gè)發(fā)展較快的時(shí)期，特別是2 0 0 0 - 2 0 0 5 年間城市擴(kuò)展和 土地利用變化達(dá)到了歷史最高水平，1 9 9 4 2 0 0 0 年土地利用變化相對(duì)較低；城市土 地利用程度逐漸提高，同時(shí)土地資源破碎度和分離度也顯著增高。 ( 2 ) 城市用地?cái)U(kuò)展具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性。城市用地?cái)U(kuò)展在不同的象限區(qū)域之 間存在明顯的空間差異，在同一象限存在顯著的時(shí)間差異。城市用地主要是向西和 西南方向發(fā)展，東和東北方向城市用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度較小，而東南方向的城市擴(kuò)展主要 集中在黃浦江沿岸。城市用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空異質(zhì)性還表現(xiàn)為城市用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度表現(xiàn)為 距離效應(yīng)，即所有時(shí)段的城市用地?cái)U(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)由市區(qū)向郊區(qū)呈現(xiàn)先增后減的格局， 峰值出現(xiàn)在城郊結(jié)合部，且逐年外推，隨著時(shí)間的推移，豐城區(qū)的輻射能力在不斷 的增強(qiáng)，輻射的距離也在不斷的增加，核心區(qū)的作用越來(lái)越明顯。 ( 3 ) 城市增長(zhǎng)模式表現(xiàn)為城市化初期( 1 9 8 9 - - 1 9 9 4 ) 呈中心城區(qū)的邊緣增長(zhǎng)模 式，在城市化加速期，1 9 9 4 2 0 0 0 年中心城區(qū)繼續(xù)呈邊緣增長(zhǎng)模式，但增速放緩， 周邊郊縣( 區(qū)) 開(kāi)始邊緣增長(zhǎng)，軸向帶狀增長(zhǎng)開(kāi)始出現(xiàn)，總體上形成了多個(gè)增長(zhǎng)中 心并存的態(tài)勢(shì)；2 0 0 0 - 2 0 0 5 年呈中心城區(qū)和周邊郊縣組成的多中心邊緣連續(xù)蔓延增 長(zhǎng)模式，軸向帶狀擴(kuò)展和跳躍式擴(kuò)展都達(dá)到了較高的水平，導(dǎo)致大量農(nóng)田被蠶食。 而在整個(gè)研究期內(nèi)，一直都伴隨著填充式擴(kuò)展。 ( 4 ) s l e u t h 模型較好的模擬了在4 種不同的保護(hù)等級(jí)情景下2 0 0 6 - 2 0 3 5 年 的城市增長(zhǎng)和土地利用變化。在無(wú)保護(hù)的情景下，3 0 年間城市用地增長(zhǎng)了 9 1 2 6 7 k m 2 ，隨著保護(hù)等級(jí)的提高，城市用地的增加量逐漸減少。不同的保護(hù)等級(jí)對(duì) 城市景觀格局也會(huì)產(chǎn)生影響，在無(wú)保護(hù)、適度保護(hù)和中度保護(hù)情景下，城市用地的 分維數(shù)和最大斑塊數(shù)呈指數(shù)式增長(zhǎng)，2 0 1 5 2 0 2 0 年間開(kāi)始趨于平緩，平均鄰近距離 在適度和中度保護(hù)情景下，呈指數(shù)增長(zhǎng)，在無(wú)保護(hù)情景下呈先增后將，但變化的速 度依次減小，這表明保護(hù)等級(jí)越低，城市無(wú)序擴(kuò)散越厲害，在高度保護(hù)情景下，三 個(gè)景觀指數(shù)變化都很平緩，景觀格局基本保持不變。因此，加大保護(hù)力度有利于耕 地等非城市用地資源的保護(hù)。 ( 5 ) 城市擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力有：政府決策、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素、道路交通等基 礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、人口增長(zhǎng)因素；自然環(huán)境等，上述因素共同決定了上海市過(guò)去1 6 年間 的城市的增長(zhǎng)模式和速度。 關(guān)鍵詞：城市化、城市擴(kuò)展、土地利用、s l e u t h 模型、驅(qū)動(dòng)力、上海 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，u r b a nl a n du s ed a t a s e t sd e r i v e df r o ma e r i a lp h o t o so fs h a n g h a if r o m 19 8 9t o2 0 0 5a n dd e md a t aw e r eu s e dt oa n a l y s es p a t i a o t e m p o r a ld y n a m i c so fu r b a n l a n du s e ，u r b a nm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n du r b a ng r o w t hp a r e md u r i n gr a p i d u r b a n i z a t i o np r o c e s s e so fs h a n g h a i s l e u t hm o d e lw a se m p l o y e dt op r e d i c tu r b a nl a n d u s ec h a n g ea n du r b a ne x p a n s i o nf r o m2 0 0 6t o2 0 3 5 a n df i n a l l y , t h ed r i v i n gf o r c e so f u r b a ng r o w t hw a sa n a l y s e da sw e l l m yf m d i n g sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) u r b a n i z a t i o nw a st h em a i nd r i v e rt ou r b a nl a n du s ec h a n g e u r b a nl a n d ，t r a f f i c l a n da n dp u b l i cg r e e na r e a si n c r e a s e d , m e a n w h i l et h ea r a b l el a n d ，r u r a lr e s i d e n t i a ll a n d d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y a m o n ga l ll a n du s et y p e s ，t h el a r g e s tt r a n s f o r m a t i o nw a st h a to f a r a b l el a n dc o n v e r t e dt ou r b a nl a n d l a n du s ec h a n g eh a se x h i b i t e das i g n i f i c a n tt e m p o r a l h e t e r o g e n e i t y t h e r ew e r et w or a p i du r b a ng r o w t hp e r i o d so f19 8 9 19 9 4a n d2 0 0 0 2 0 0 5 ， e s p e c i a l l yt h ep e r i o do f2 0 0 0 t o2 0 0 5 ，t h eu r b a ng r o w t ha n dl a n du s ec h a n g eh a sr e a c h e d t h eh i g h e s tl e v e li nt h eh i s t o r y b u tf r o m19 9 4t o2 0 0 0 ，l a n du s ec h a n g ew a sa ta r e l a t i v e l yl o w e rl e v e l t h ed e g r e eo fu r b a nl a n du s eh a si n c r e a s e dg r a d u a l l y , m e a n w h i l e ， t h el a n d s c a p ef r a g m e n t a t i o na n ds e p a r a t i o nw a sa l s oi n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ( 2 ) t h eu r b a ng r o w t hs h o w e dad i s t i n c ts p a t i a la n dt e m p o r a lh e t e r o g e n e i t y t h e u r b a nl a n de x h i b i t e do b v i o u ss p a t i a lh e t e r o g e n e i t yb e t w e e nd i f f e r e n tq u a d r a n t s ，a n d t e m p o r a ld i f f e r e n c e sw i t h i nt h es a m eq u a d r a n t t h em a i nu r b a ng r o w t hh a p p e n e di nt h e w e s t b y s o u t ha n ds o u t h w e s td i r e c t i o n t h ee x p a n s i o ni n t e n s i t yw a s l o w e ri nt h e e a s t b y n o r t ha n dn o r t h e a s td i r e c t i o n w h i l et h eu r b a ng r o w t hi nt h es o u t h e a s td i r e c t i o n m a i n l yc o n c e n t r a t e da l o n gt h eh u a n g p ur i v e r t h es p a t i o t e m p o r a lh e t e r o g e n e i t yo f u r b a n g r o w t ha l s op r e s e n t e dad i s t a n c e d e p e n d a n te f f e c t ，i e t h eu r b a ne x p a n s i o ni n t e n s i t yf o r a l lt i m ep e r i o d se x h i b i t e da ni n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s ep a a e ma l o n gt h eu r b a n r u r a l g r a d i e n t t h ep e a ko c c u r r e di nt h eu r b a nf r i n g ea n dm o v e do u t w a r do v e rt i m e t h e r a d i a t i o ne f f e c ta n dd i s t a n c eo ft h eu r b a nc e n t r a la r e aw a ss t r o n g e ro v e rt i m e ( 3 ) t h eu r b a ng r o w t hp r e s e n t e dd i f f e r e n tp a t t e r n sd u r i n gt h eu r b a n i z a t i o np r o c e s s e s i nt h ee a r l i e rs t a g eo fu r b a n i z a t i o nf r o m19 8 9t o19 9 4 ，t h eu r b a ng r o w t hd o m i n a t e db y i i l e d g e e x p a n s i o nt y p ea r o u n du r b a nf r i n g e ra r e a i nt h ea c c e l e r a t e ds t a g e ，f r o m 19 9 4t o 2 0 0 0 ，t h ee d g e e a p a n s i o ng r o w t hc o n t i n u e db u ts l o w e dd o w n , m e a n w h i l e ，t h ea d j a c e n t s m a l lt o w n sa n dd i s t r i c t si n i t i a t e dt h e i re d g e e x p a n s i o ng r o w t h , a n dt h el i n e a r d e v e l o p m e n to rr i b b o nd e v e l o p m e n to r r c u r e da l o n gc o r r i d o r ss u c ha st r a f f i cl i n e t h e w h o l ea r e ae x h i b i t e dam u l t i c e n t e rg r o w t h t h i sm u l t i - c e n t e rg r o w t hb o o m e dw i t ht h e c o m b i n a t i o no fe d g e e x p a n s i o n , r i b b o nd e v e l o p m e n t , s p r a w l i n ga n dl e a p f r o g d e v e l o p m e n t t h ei n f i l lg r o w t ha l w a y sh a p p e n e dt h r o u g ht h ew h o l es t u d yp e r i o df r o m 1 9 8 9 t 0 2 0 0 5 ( 4 ) s l e u t hm o d e lc o u l dw e l ls i m u l a t e dt h ef u t u r eu r b a ng r o w t ha n dl a n du s e c h a n g eu n d e rf o u rd i f f e r e n ts c e n a r i o sw i t hd i f f e r e n tp r o t e c t i o nl e v e l sf r o m2 0 0 6 t o2 0 35 u n d e rn o - p r o t e c t i o ns c e n a r i o ，u r b a nl a n di n c r e a s e d912 6 7 k m z t h ea u g m e n to fu r b a n l a n dd e c r e a s e dw i t ht h ep r o t e c t i o nl e v e le n h a n c e d 。t h eu r b a ng r o w t hw i t l lp r o t e c t i o n l e v e lw i l ld i s t i n c t l ya f f e c tt h eu r b a nl a n d s c a p ep a t t e r n f r o mn o - p r o t e c t i o ns c e n a r i ot o l i g h tp r o t e c t i o ns c e n a r i oa n dt h e nt om o d e r a t ep r o t e c t i o ns c e n a r i o ，t h ep r o f i l eo ff r a c t a l i n d e x ( p a f r a c ) a n dl a r g e s tp a t c hi n d e x ( l p i ) e x h i b i t e da ne x p o n e n t i a ls t y l e ，i tw i l lt e n d t os t a b l ea tt h ey e a ro f2 015 - 2 0 2 0 t h em e a nn e a r e s tn e i g h b o r h o o di n d e x ( e l c n _ m n ) p r e s e n t e das i m i l a rp a r e r nw i t ht h a to fp a f r a ca n dl p i u n d e rt h es c e n a r i o so fl i g h ta n d m o d e r a t ep r o t e c t i o n ，b u te x h i b i t e dap a t t e r no fi n c r e a s et h e nd e c r e a s e a l lt h e s et o g e t h e r i n d i c a t e dt h a tt h el o w e rt h ep r o t e c t i o n , t h eh i g h e rd i s o r d e rt h ee x p a n s i o n b u tu n d e r h i g h e s tp r o t e c t i o ns c e n a r i o ，t h et h r e ei n d e x e ss h o w e dt r i f l ec h a n g ei n d i c a t e dt h eu r b a n l a n d s c a p ep a t t e mk e e pr a t h e rs t a b l e ( 5 ) t h em a i nd r i v i n gf o r c e so fu r b a ng r o w t hw e r ei d e n t i f i e da sg o v e m m e n t d e c i s i o n m a k i n g ，s o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t r a n s p o r ti n f r a s t r u c t u r e ，p o p u l a t i o n g r o w t ha sw e l la sn a t u r a le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sw h i c ht o g e t h e rs h a p e dt h ec u r r e n t u r b a ng r o w t hp a t t e r na n dg r o w t hr a t ed u r i n gt h ep a s t16y e a r si ns h a n g h a i k e yw o r d ： u r b a n i z a t i o n ；u r b a ng r o w t h ；u r b a nl a n du s e ；s l e u t hm o d e l ，d r i v i n g f o r c e ；s h a n g h a i ， i v 目錄 論文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章 前言l 1 1研究背景和意義1 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1 2 1城市擴(kuò)展研究現(xiàn)狀2 1 2 2 城市c a 模犁研究概況3 1 3 研究?jī)?nèi)容、研究方法和技術(shù)路線5 第二章研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)源7 2 1 研究區(qū)域概況7 2 1 1 上海自然環(huán)境概況一7 2 1 2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件7 2 1 3 研究區(qū)域8 2 2 數(shù)據(jù)源8 第三章城市擴(kuò)展對(duì)城市土地利用變化的影響9 3 1 研究方法一9 3 1 1 數(shù)據(jù)頂處理：9 3 1 2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型一l l 3 1 3 土地利用指數(shù)1 l 3 1 4 景觀格局指數(shù)13 3 2 結(jié)果與分析1 6 3 2 1 ，十地利用類犁之間的轉(zhuǎn)換1 6 3 2 2 土地利用變化幅度一l8 3 2 3 土地利用類型動(dòng)態(tài)度分析1 9 3 2 4 十地利用綜合程度指數(shù)模顰2 0 3 2 5 景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析2 0 3 3 結(jié)論與討論2 5 3 3 1 城市化是城市十地利用變化的主要推動(dòng)力2 5 3 3 2 土地利用變化旱現(xiàn)出較快的變化速度2 5 3 3 3 城市十地利用程度逐漸增加，但仍不夠成熟2 6 第四章上海城市用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空特征和擴(kuò)展模式2 7 4 1 研究方法2 7 4 1 1 城市用地?cái)U(kuò)展面積和擴(kuò)展強(qiáng)度指數(shù)2 7 4 1 2 象限方位分析方法2 8 4 1 3 緩沖帶分析方法2 8 4 1 4 城市用地重心轉(zhuǎn)移2 8 4 2 結(jié)果與分析2 9 4 2 1 城市用地的象限方位分析2 9 4 2 2 城市用地重心轉(zhuǎn)移分析3 2 4 2 3 城市用地基于距離岡素的擴(kuò)展緩沖帶分析3 3 4 3 城市用地?cái)U(kuò)展模式分析3 3 4 4 結(jié)論與討論3 4 v 4 4 1 城市用地?cái)U(kuò)展具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性3 4 4 4 2 城市用地?cái)U(kuò)展模式3 5 第五章基于s l e u t h 模型的城市土地利用空間擴(kuò)展研究3 7 5 1s l e u t h 模型概述3 7 5 2s l e u t h 模型原理3 8 5 2 1 增長(zhǎng)環(huán)3 8 5 2 2 輸入數(shù)據(jù)3 9 5 2 3 模型增長(zhǎng)控制系數(shù)4 0 5 2 4 模型增長(zhǎng)艦則4 2 5 3 數(shù)據(jù)處理4 4 5 4 模型校準(zhǔn)4 6 5 5 未來(lái)3 0 年的城市擴(kuò)展及土地利用變化預(yù)測(cè)4 7 5 5 1 模型預(yù)測(cè)4 7 5 5 2 土地利用變化的情景預(yù)測(cè)。4 9 5 5 3 不同情景下城市用地景觀格局變化5 0 5 6 結(jié)論與討論5 2 第六章城市擴(kuò)展主要驅(qū)動(dòng)力分析5 3 6 1 自然環(huán)境岡素5 3 6 2 政府政策與突發(fā)事件5 3 6 3 經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素5 4 6 4 道路交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)5 5 6 5 人口增長(zhǎng)岡素5 6 第七章研究結(jié)論、建議和展望5 8 7 1 結(jié)論5 8 7 2 對(duì)城市擴(kuò)展的建議5 9 7 3 研究不足與展望6 0 參考文獻(xiàn)6 l 附錄6 7 后記6 8 v 1 1 1研究背景和意義 第一章前言 2 0 世紀(jì)9 0 年代以來(lái)，在“國(guó)際地圈與生物圈計(jì)劃”( i n t e r n a t i o n a l g e o s p h e r e b i o s p h e r ep r o g r a m m e i g b p ) 和“全球環(huán)境變化人文計(jì)劃”( i n t e r n a t i o n a l h u m a nd i m e n s i o n sp r o g r a mo f g l o b a le n v i r o n m e n t a lc h a n g e ，i h d p ) 的推動(dòng)下，土地 利用土地覆蓋變化( l a n d - u s ea n dl a n d c o v e rc h a n g e ，l u c c ) 的研究逐漸加強(qiáng)( 李 秀彬，1 9 9 6 ) ，使得土地利用土地覆蓋變化和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究成為目前全球變化 研究的前沿和熱點(diǎn)( 王麗萍等，2 0 0 5 ) 。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市用地的擴(kuò)展已是土 地利用土地覆蓋變化的一個(gè)主要特征，也是城市化的一個(gè)重要的衡量指標(biāo)( 王丹百萍 等，2 0 0 5 ；盧曉峰，2 0 0 8 ) 。 城市是指以人為主體，以空間利用和自然環(huán)境利用為特點(diǎn)，以集聚效益為目的， 集約人口、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)文化的空間地域系統(tǒng)，是一定區(qū)域范圍內(nèi)的政治、經(jīng)濟(jì)、文 化的中心( 李邦邦，2 0 0 5 ) ，同時(shí)也是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)，具有開(kāi)放性、動(dòng)態(tài)性、 自組織性、非平衡性等耗散結(jié)構(gòu)特征( b a r r e d oe ta 1 ，2 0 0 3 ) 。城市化，或稱城鎮(zhèn)化 ( u r b a n i z a t i o n ) 是指人口向城市集中的過(guò)程，這一過(guò)程包含了社會(huì)、人口、空間和 經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)換等多方面的內(nèi)容( 陳本清和徐涵秋，2 0 0 5 ) 。過(guò)去的2 0 多年里，由于人口的快 速增長(zhǎng)、技術(shù)和政治改革所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全世界許多都市區(qū)經(jīng)歷了劇烈的 增長(zhǎng)。尤其在發(fā)展中國(guó)家，快速增長(zhǎng)的城市化，使得城市化帶來(lái)的問(wèn)題急劇惡化 ( c o h e n ，2 0 0 6 ) 。城市化已被普遍認(rèn)為是最重要的社會(huì)現(xiàn)象之一，對(duì)于城市、區(qū)域乃 至全球尺度上的環(huán)境都有重要的影響( d i e t z e le ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 伴隨著城市區(qū)域的擴(kuò)展，城市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)牛了很大的變化，城市用地的急 劇增加，耕地等非城市土地資源的大量減少，是人地矛盾日益尖銳的主要因素之一。 改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)正在經(jīng)歷快速的城市化過(guò)程，城市用地的急劇擴(kuò)張是現(xiàn)在乃至 將來(lái)土地利用變化的主要特征( 張心怡等，2 0 0 6 ) 。城市化在為我們提供更多就業(yè)機(jī)會(huì) 和制造更多福利的同時(shí)，也產(chǎn)生了如環(huán)境污染、交通擁擠、犯罪、居住環(huán)境惡化等 的一系列城市問(wèn)題，影響區(qū)域和全球的可持續(xù)發(fā)展。隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的進(jìn)一步 深入，大都市將成為中國(guó)城市化進(jìn)程中最引人注目的地區(qū)，同時(shí)也是中國(guó)未來(lái)城市 化最具有活力的地區(qū)之一。 上海是中國(guó)第一大城市，是我國(guó)城市化發(fā)展速度最快的地區(qū)之一。隨著浦東開(kāi) 發(fā)區(qū)的興起，上海地區(qū)成為我國(guó)十幾年來(lái)城市化過(guò)程最為劇烈的地區(qū)，其快速城市 化過(guò)程為相關(guān)的研究提供了良好的素材。盡管從人文地理、城市地理、遙感應(yīng)用等 角度對(duì)城市空間演化過(guò)程( 房國(guó)坤等，2 0 0 0 ；胡序威等，2 0 0 0 ；王錚和鄧悅，2 0 0 1 ) 、城市 發(fā)展戰(zhàn)略( 張占耕，2 0 0 0 ) 、城市職能演變( 彭震偉，1 9 9 5 ) 、城市土地利用演變( 吳志強(qiáng)和 姜楠，2 0 0 0 ；李曉文等，2 0 0 3 ；徐進(jìn)勇等，2 0 0 6 ) 、城市景觀動(dòng)態(tài)( 高峻和宋永昌，2 0 0 1 ；王 玉潔等，2 0 0 6 ) 等方面已有不少研究。但基于g i s 和空間動(dòng)態(tài)模型對(duì)城市擴(kuò)展過(guò)程中 變化規(guī)律的分析，以及城市擴(kuò)展和土地利用變化的模擬預(yù)測(cè)卻未曾見(jiàn)，上述研究多 從單一角度出發(fā)，缺乏對(duì)典型區(qū)域城市擴(kuò)展系統(tǒng)性和綜合性研究，特別是在變化模 擬、預(yù)測(cè)方面明顯不足。因此，認(rèn)識(shí)和理解上海城市擴(kuò)展過(guò)程的基本特征，建立城 市空間動(dòng)態(tài)模型對(duì)城市發(fā)展變化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為和土地利用變化進(jìn)行有效的描述、 模擬預(yù)測(cè)和分析，并在此基礎(chǔ)上提供區(qū)域發(fā)展決策支持，從而降低城市化過(guò)程的風(fēng) 從國(guó)內(nèi)對(duì)城市擴(kuò)展的各方面研究的情況來(lái)看，“3 s ”技術(shù)( r s 、g i s 、g p s ) 的普 遍應(yīng)用是一個(gè)發(fā)展的主流，成為了城市擴(kuò)展研究的豐要手段。隨著先進(jìn)的遙感平臺(tái) 及新一代傳感器的研制和使用，遙感數(shù)據(jù)所能反映的信息越來(lái)越多，加上遙感數(shù)據(jù) 處理能力的加強(qiáng)以及結(jié)合強(qiáng)大的g i s 、g p s 系統(tǒng)，使得“3 s ”技術(shù)在對(duì)城市土地利用動(dòng) 態(tài)變化、城市擴(kuò)展形態(tài)和擴(kuò)展模式等方面的研究中得到廣泛應(yīng)用。例如，m a s e k 等 利用l a n d s a t 數(shù)據(jù)研究了華盛頓1 9 7 3 - - 一1 9 9 6 年的城市增長(zhǎng)，并認(rèn)為不同時(shí)期的城市增 長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)模式相關(guān)( m a s e ke ta 1 ，2 0 0 0 ) 。m a r i n aa l b e r t i 等人利用1 9 9 1 1 9 9 9 年的 l a n d s a te t m + 遙感影響對(duì)美國(guó)中央普及特海灣的城市土地利用類型進(jìn)行監(jiān)督分類， 研究表明在這十年城市擴(kuò)展造成了該地區(qū)不透水面面積百分率升高了6 7 個(gè)百分點(diǎn) ( a l b e a ie ta 1 ，2 0 0 4 ) 。s u d h i r a 等人在印度班加羅爾運(yùn)用遙感影像研究了城市擴(kuò)展帶來(lái) 的土地利用變化和景觀破碎化，并用景觀指數(shù)求證了城市輻射狀擴(kuò)展( s u d h i r aa n d r a m a c h a n d r a ，2 0 0 7 ) 。在國(guó)內(nèi)，劉盛和等利用1 9 8 2 - - 1 9 9 7 年間的三個(gè)時(shí)期的土地利用 數(shù)據(jù)，利用g i s 技術(shù)對(duì)北京城市土地利用擴(kuò)展的時(shí)空過(guò)程進(jìn)行了時(shí)空聚類和歷史形 態(tài)分析，證實(shí)了工業(yè)用地的高速向外擴(kuò)展是北京城市土地利用規(guī)?！俺Ｅ蛎洝钡闹?要原因，揭示了城市土地利用擴(kuò)展的空間分異規(guī)律以及土地利用擴(kuò)展中心、擴(kuò)展軸 時(shí)空遷移的模式( 劉盛和等，2 0 0 0 ) 。湯君友和楊桂山利用不同時(shí)相的城市土地利用多 源遙感圖像，運(yùn)用g i s 空間分析方法，對(duì)無(wú)錫市城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的時(shí)間過(guò)程和空 間格局特征進(jìn)行分析，揭示了城市用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空分異規(guī)律，并結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件 分析了用地時(shí)空擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力( 湯君友和楊桂山，2 0 0 4 ) 。 在城市擴(kuò)展帶來(lái)的影響研究方面，近年來(lái)，主要側(cè)重在城市擴(kuò)展與人類健康、 城市擴(kuò)展與人類環(huán)境、城市擴(kuò)展與土地資源保護(hù)、城市擴(kuò)展與全球變化方面。e w i n g 等人的研究表明城市擴(kuò)展的形式與美國(guó)青少年的體重過(guò)重有關(guān)( e w i n ge ta l ，2 0 0 6 ) 。 b a r t 研究表明歐盟國(guó)家的交通c 0 2 排放與城市用地的增長(zhǎng)的相關(guān)性要高于c 0 2 排放 量與g d p 和人口的增加( b a r t ，2 0 0 9 ) 。a r a b y 在開(kāi)羅的研究表明城市擴(kuò)展是城市環(huán)境 的下降的主要原因，并指出現(xiàn)存的管理政策和城市擴(kuò)展得不到有效控制嚴(yán)重威脅著 未來(lái)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定( e la r a b y ，2 0 0 2 ) 。 1 2 2 城市c a 模型研究概況 c a ( c e l l u l a ra u t o m a t a 簡(jiǎn)稱c a ) 是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，( 空間上的) 相 互作用和( 時(shí)間上的) 因果關(guān)系皆局部的格網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型，它“自下而上”的研究思路， 強(qiáng)大的復(fù)雜計(jì)算功能、固有的并行計(jì)算能力、高度動(dòng)態(tài)特征以及具有空間概念等特 征，使得它在模擬空間復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)空演變方面具有很強(qiáng)的能力。c a 在2 0 世紀(jì)4 0 年代第一次被u l a m 提出后迅速被v o nn e u m a n n 用于觀察自組織系統(tǒng)的邏輯特性 ( w h i t ea n de n g e l e n , 1 9 9 3 ) ，t o b l e r 在2 0 世紀(jì)7 0 年代首次將c a 的概念引入地理學(xué)研 究，采用c a 來(lái)模擬美國(guó)五大湖區(qū)底特律地區(qū)城市擴(kuò)展( t o b l e r , 1 9 7 0 ) 。隨后，c o u c l e i s s l e u t h 最近幾年也被較多的應(yīng)用于城市擴(kuò)展模擬與土地利用變化的預(yù)測(cè)中。如張 巖等模擬了北京的城市擴(kuò)展( 張巖等，2 0 0 7 ) ；吳曉青等在沈陽(yáng)進(jìn)行了較好的模擬( 吳曉 青等，2 0 0 9 ) ：郗鳳明等在營(yíng)口較好地模擬了在6 中預(yù)案下的城市及村鎮(zhèn)聚落增長(zhǎng)與 土地利用變化( 郗鳳明等，2 0 0 8 ) 。另外，也被用于模擬無(wú)錫( 涂小松等，2 0 0 8 ) 、杭州( 劉 勇等，2 0 0 8 ) 等城市的增長(zhǎng)。 1 3 研究?jī)?nèi)容、研究方法和技術(shù)路線 1 3 1 研究?jī)?nèi)容 本文利用上海市航空影像、d e m 數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，提取城市土地利用的信 息，分析由于城市擴(kuò)展導(dǎo)致的城市土地利用變化的時(shí)空特征和變化規(guī)律，以及城市 用地?cái)U(kuò)展的形態(tài)特征和擴(kuò)展模式。并利用s l e u t h 模型預(yù)測(cè)上海市土地利用和城市 用地?cái)U(kuò)展的未來(lái)變化；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)年份的上海市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析城市擴(kuò) 展的主要驅(qū)動(dòng)力。以期為上海市未來(lái)土地利用變化和城市增長(zhǎng)、城市規(guī)劃與管理、 以及城市土地資源的可持續(xù)發(fā)展等提供參考和決策依據(jù)。基于上述研究目標(biāo)，本文 的研究?jī)?nèi)容分以下幾個(gè)部分： 1 、城市化過(guò)程的土地利用變化研究 利用1 9 8 9 - 2 0 0 5 年間四個(gè)時(shí)期的城市土地利用數(shù)據(jù)，利用馬爾可大轉(zhuǎn)移矩陣、 土地利用變化幅度、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用綜合指數(shù)、景觀格局指數(shù)等方法， 研究不同時(shí)段內(nèi)城市擴(kuò)展導(dǎo)致的區(qū)域土地利用時(shí)空變化特征和規(guī)律。 2 、城市用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空分異和擴(kuò)展模式 利用1 9 8 9 - - 2 0 0 5 年間城市用地?cái)?shù)據(jù)，采用擴(kuò)展強(qiáng)度、象限方位分析、緩沖帶分 析、重心轉(zhuǎn)移等方法來(lái)研究不同時(shí)段內(nèi)城市用地?cái)U(kuò)展的形態(tài)特征，并在此基礎(chǔ)上分 析不同時(shí)段內(nèi)主要城市用地?cái)U(kuò)展模式。 3 、上海未來(lái)城市擴(kuò)展的模擬與預(yù)測(cè) 利用s l e u t h 模型良好的適應(yīng)性，用四個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)， 使模型能較好的擬合上海城市發(fā)展的歷史規(guī)律和特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，用于模擬不同 發(fā)展情景下上海城市的擴(kuò)展，分析城市擴(kuò)展的未來(lái)變化的時(shí)空特征。 4 、城市擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力研究 利用上海市統(tǒng)計(jì)年鑒等數(shù)據(jù)，對(duì)影響城市擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析研究， 探討城市擴(kuò)展與各個(gè)因素之間的關(guān)系。 1 3 2 研究方法和技術(shù)路線 研究方法： 本研究在a r c g i s 9 0 軟件平臺(tái)下，對(duì)各個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行人工目視解譯和 屏幕數(shù)字化，得到城市擴(kuò)展信息數(shù)據(jù)庫(kù)，然后對(duì)城市擴(kuò)展進(jìn)行空間分析，并運(yùn)用城 市擴(kuò)展相關(guān)指數(shù)、景觀格局指數(shù)共同研究城市擴(kuò)展的特征和規(guī)律；在s l e u t h 模型 軟件平臺(tái)下，利用a r c g i s 9 0 下預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，對(duì)城市擴(kuò)展的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行模擬， 得出不同發(fā)展預(yù)案下的擴(kuò)展結(jié)果。然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和討論；將城市擴(kuò)展特征結(jié) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等方法來(lái)研究城市擴(kuò)展的特點(diǎn)和規(guī)律。 術(shù)路線： 圖1 1 本文研究的技術(shù)路線 f i g 1 1t h ef l o wc h a r to ft h es t u d y 6 第二章研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)源 2 1 研究區(qū)域概況 2 1 1 上海自然環(huán)境概況 上海位于1 2 0 0 5 1 1 2 2 0 1 2 e ，3 0 0 4 0 3 1 0 5 3 n ，地處長(zhǎng)江三角洲前緣，東瀕 東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省，北界長(zhǎng)江入?？?，長(zhǎng)江與東海在此連接。 上海正當(dāng)我國(guó)南北弧形海岸線中部，交通便利，腹地廣闊，地理位置優(yōu)越，是一個(gè) 良好的江海港口。氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，四季分明，日照充分，雨量充沛。 上海氣候溫和濕潤(rùn)，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)。 上海全市土地面積為6 3 4 0 5k m 2 ，占全國(guó)總面積的0 0 6 ，南北長(zhǎng)約1 2 0k m ， 東西寬約1 0 0k m 。境內(nèi)轄有崇明、長(zhǎng)興、橫沙3 個(gè)島嶼，其中崇明島面積1 0 4 1 2 1k m 2 ， 是我國(guó)的第三大島。 上海境內(nèi)除西南部有少數(shù)丘陵山脈外，為坦蕩低平的平原，平均海拔