（生态学专业论文）城市化影响下自然人工复合生态系统脆弱性评估模型构建与应用研究.pdf

4 1 1jllllllil_一 2 0 0 9d i s s e r t a t i o nf o rp h dd e g r e e q l l l l i iil ll l l li l l li l l l l l ? y 17 4 3 9 5 4 u n i v e r s i t yn o ：10 2 6 9 s t u d e n tn o ：5 2 0 5 0 8 0 2 0 01 r e s e a r c ho nm o d e l i n gt h ev u l n e r a b i l i t yi na h u m a n - e n v i r o n m e n ts y s t e mu n d e r u r b a n i z a t i o np r o g r e s s b y l il i n a b a ，e a s tc h m an o r m a lu n i v e r s i t y ，2 0 0 2 m s c ，e a s tc h m an o r m a lu n i v e r s i t y ，2 0 0 5 ad i s s e r t a t i o ns u b t t e di np a r t i a i 。f i 几f 凡l m n to f t h e r e q u e m 匝n t sf o r t h ed e g r e eo fd o c t o ro fp i l o s o p h y i n 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 ( u r b a ne c o l o g y ) e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 9 d i s s e r t a t i o na d v i s o r ：p r o f e s s o rd al i a n g i u n p r o f e s s o r 物u 船n h u j 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文咄昂亿口酐柱，姐驹 弥札椭珥织罂掣 是在华东师范大学攻读硕士茂步( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工蟛瓮胬 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或砷劳 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：日期：为，o 年石月，日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 嚷您兰塞矮凳笔竺鬟x 存尔玩晚踊系本人在华东师范大学攻读 饿诨绉顿型两递乌龟闲研茹 “不个八匹十小”仙八于杈畎 学位期间在导师指导下完成的硕士博士么请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东 师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管 部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允 许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入 全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版， 采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密 学位论文幸， 于年月同解密，解密后适用上述授权。 ( j2 不保密，适用上述授权。 v 爻讹 本人签名 拥痢 f 如，o 年月 日 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 一 博士学位论文评阅人、答辩委员会成员名单 学位申请者姓名李丽娜导师姓名、职称由文辉教授、达良俊教授 学科专业生态学论文工作起讫日期 2 0 0 5 9 - 2 0 0 9 5 姓名职称工作单位备注 p 锨 教授u n i v e r s i t yo fa r i z o n a c h e s s o n 论 文 吴健平教授华东师范大学地理系 评 阅 张庆费教授上海市园林科学研究所 人 宋永昌教授华东师范大学环境科学系 论 车生泉教授上海交通大学园林科学与工程系 文 答 高峻教授上海师范大学旅游学院 辩 委吴健平教授华东师范大学地理系 员 张庆费教授上海市园林科学研究所 五 成 贝 答辩委员会秘书姓名、职称答辩日期 ， 1 一 a c k n o w l e d g e m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni st oe v e r y o n ew h ob e l i e v e d ，t r u s t e d , s u p p o r t e d , c o m f o r t e d ，a n d g e n e r a l l yh a d t h ep a t i e n c et op u tu pw i t hm ef r o mt h es t a r to fm ye d u c a t i o n a le x p e d i t i o nu n t i l t h ec o m p l e t i o no fm yp h i ) j o u r n e y 1w o u l dn o tb ew h e r eia mt o d a yw i t h o u tt h el o v ea n d e n e r g y o ft h e s e p e o p l e s p e c i f i c a l l y ，m yp a r e n t s a n dm yh u s b a n d ，w i t h o u tw h o s e u n c o n d i t i o n a ls u p p o r t1w o u l dn o th a v em a d ei tt h r o u g ht h i sp r o c e s s ，t h e i rl o v ea n d u n d e r s t a n d i n gh a v eh e l p e dm et oe n d u r et h i sr e s e a r c ha n dn o tl o o s em yp o s i t i v eo u t l o o k 1w o u l dl i k et oc o n v e ym ym o s th e a r t f e l tg r a t e f u l n e s st ot h em a n yp e o p l ew i t h o u tw h o m t h i sd i s s e r t a t i o nw o u l dn o th a v eb e e nc o m p l e t e d p a r t i c u l a r l y ，1w o u l dl i k et ot h a n km y c o - s u p e r v i s o r sp r o f d al i a n g i u na n dp r o f y o uw e n h u if o rt h e i rg u i d a n c e ，a n de n d l e s s s u p p o r tt h r o u g h o u tt h eu n d e r t a k i n go ft h i sr e s e a r c h s i n c e r et h a n k sa l s og ot op r o f l a r r yl i ， f o rg i v i n gm et h eo p p o r t u n i t yw o r k i n gi nh i sl a b ；t op r o f p e t e rc h e s s o nf o ro p e n i n ga n o t h e r d o o ro fr e s e a r c hf o rm e ，a n df o rh i ss u p p o r ta n dh e l p f u la s s i s t a n c ea l o n gt h ew a y s p e c i a l t h a n k sa l s og i v e nt om ye n t i r ef e l l o wg r a d u a t e se s p e c i a l l ya l lo ft h ev e u e e r s ，p a s ta n d p r e s e n lw h o h a v et a k e nt h eg o o dw i t ht h eb a da n da r es t i l lt h e r ef o rs u p p o r tt h r o u g ht h e t oa l lm ym e n d s ，t h a n ky o uf o rb e i n gt h e r ef o rm ew h e nn oo n ee l s ew a s ，b e l i e v e dm e w h e nil o s tm yf a i t h t oa l lt h o s eu n n a m e dp e r s o n sw h op l a y e dap a r ti nt h ec o m p l e t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o n it h a n ky o u y o u rc o n t r i b u t i o n sh e l pm ek e e pt h ef a 曲b e f o r er e a c h i n gt h e g o a ll i n e t a b l eo fc o n t e n t s t a b l eo fc o n t e n t s c h a p t e r j ：i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h ee m e r g e n c eo fu r b a nv u l n e r a b i l i t ya n a l y s i s 1 2 o b j e c t i v eo ft h ed i s s e r t a t i o n 1 3 o r g a n i z a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o n 1 4c o n c l u s i o n 1 c h a p t e r 2 ：l i t e r a t u r er e v i e wo fv u l n e r a b i l i t yr e s e a r c h 2 1i n t r o d u c t i o n 2 2 v u l n e r a b i l i t yr e s e a r c h 5 6 2 3 d e v e l o p m e n to ft h e o r y 2 4c u r r e n td e b a t e s 2 5 v u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n t 8 1 2 1 5 1 8 2 6c o m m o nd e n o m i n a t o r sf o rv u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n t 3 1i n t r o d u c t i o n 3 2 c o n c e p t o fv u l n e r a b i l i t y 3 3f r a m e w o r k 3 4c o n c l u s i o n s 2 7 3 0 3 0 3 2 5 8 c h a p t e r4 ：m e t h o d o l o g ya n d r e s u l t 6 0 4 1 d e s c r i p t i o no ft h es t u d ya r e a 4 2d a t aa n dp r o c e s s i n g 6 0 6 4 4 3 s h a n g h a il a n d - n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft e m p o r a la n ds p a t i mv a r i a t i o n 6 8 4 4u r b a n i z a t i o nd r i v e r sa n a l y s i s 4 5 嘞m o d u l e s 4 6c o m b i n em o d u l e si n t oc am o d e l 4 7c o n c l u s i o n 1 0 6 1 1 2 、 t a b i co f c o n t e n t s 5 1r e s u l td a t a b a s e 5 2c a l i b r a t i o n 5 3 a c c u r a c y j f j f ! f 5 4u v a g r a d a t i o n 5 5 c h a n g et r e n do fu v a 5 6p r e d i c tu v ai n2 0 1 0i ns h a n g h a i 1 1 5 1 1 6 1 1 6 1 1 7 1 1 8 1 2 3 c h a p t e rl ；：c o n c l u s i o n s 1 2 4 6 1e v a l u a t i o no fr e s u l t 6 2t h e o r e t i c a lc o n t r i b u f i o n s 1 2 4 6 3 i m p l i c a t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c h 1 2 5 1 2 7 a p p e n d i x1 l i s to f p u b l i c a t i o n s 1 4 1 a p p e n d i x2 1 4 2 、 l i s to f t a b l e sa n df i g u r e s l i s to ft a b l e s t 蛆l e1d e f i n i t i o n so fv 【n e r a b 【l i t y 3 8 1 = a b l e2 吧a i h 匣ra 猥a g e sf o rs h a n g h a i 6 3 1 ：a b l e3d a t a s o l r r c e sa n d y e a ru s e df o r n e r a b i l i t ya n a l y s i s 6 6 t a b l e4d 剐e r so fu r b a n i z a t i o n 7 6 t a b l e5h i g h l yc o i 源e l a t e df a c t o r st o 丁in e r 蛆i l i t ye x p o s u r e ( u r b a n i z a t i o n ) 。7 9 t a b l e6t h er e s u i j so fp r i n c i p a lc o 0 n e n ta n a l y s i si nt 脏s t u d y 。7 9 t a b l e7e s t m a t e sd e m o g r a p h i cd r r v e r sd is h a n g h a i 玳c h i n a o r 2 = 0 8 6 7 ) 9 4 t f 气b l e8s h a n g h a i1 9 8 5 - 2 0 0 5a l lk i n d so fl a n d u s ea n a i j y s i so fd 班r n 、a n c e ( i - i m 2 ) 。9 8 t a b i 愚9e s t m a t e ss 砌s t i c a lr e s u i t sf r o mp a n e la n a l y s i s 1 0 2 t a b l e1 0o p e r a t i o np h a s e sa n dd 帅u t s si nc am o d e l 11 6 t a b l e1 1t h ev a i i 甩o fu v ao fe a c hy e a r 1 2 1 l i s to ff i g u r e s f i g1c o p i n gr a n g eo fr e s i l i e n c ea n da d a p t a b i l i t y 4 8 f i q2a nt l e es t e pm 匣t h o df o r u r b a n l z a n o n 、八小陋r a b ，i t y a s s e s s 住n t s ! ；( ) f i g3ac o n c e p t u a lf ra m 匣w o r kf o ru r b a n i z a n o nv i 丁i ，n e r a b i u t y 。5 4 f i g4u 、後f r a m 匣w o r ko fc o u p l e dh i m a n e n v t o n m e n ts y s t e m s 5 6 f i g5d a ：i ad e r i v ea n dt ra n s f e rn 叮t oc am o d e l 6 7 f i g6s p a t i a i ，o v e r l a yo ft h ei n f o r m a t i | d nr e f e rrd q gt oe a c hc e l l 6 7 f i g7i a n du s e l p so fs h a n g h a ii n1 9 8 5 ，1 9 9 0 ，1 9 9 5 ，2 0 0 0a n d2 0 0 5 6 9 f i g81 9 8 5 - 2 0 0 5l a n d u s e c o v e r a g ec h a n g e 7 0 f i q9c o m p l 6 l r i s o no f1 w 叵ra 1 1 0o fl a n du s el 王v e l sw i t ht h ei n c r e a s er a t i o o fb i ，1 b i ma r e a 1 9 8 51 d2 0 0 5 7 l h g1 0c h a n g e so fg r o w t hd n e n s n yi n d i c e so fu r b a nc o n s 则c o ni 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g2 1s a m l e du r b a nc e l l sa sap e r c e n l a g eo fs l o p e 咖r w 儿s 9 5 f i g 2 2s a l 衄l ef o r e s ts e n s i t r v i t yh l a p 9 5 f i g2 3r e s o u r c ed i s t r i b u t i o no fs h a n g h a i 9 6 f 1 g2 4am o d e l i n gf 良a n 匝w o r kc o n s i s t n 呵go fc o u p l e dm o d e l s = rt h e m a c r 0 l e v e la n dt h e c r o l e v e l 1 0 8 f i g2 5t h ec e l ls i z eo f5 0 mc o r r e s p o n dt or e s ) e n t s 一10 9 f 1 g2 6m 0 0 r en e i g h b o r h o o d 1 1 0 f i g2 7t h el t e s u i jd a r a b a s e o fc a m o d e l 1 1 5 f i q2 8s n 仉，a t i o na c ( 、i 瓜a c y 。1 1 7 f i g2 9d 气1 ad i s t r i b u t i o n s t o g r a mo ft h e 玳t e g r a t e d 【n d e xo fs h a n g h a i e c o l o g i c a l i n e r a b i l i t y 1 1 8 f i g3 0t h es t r e n g t ho fe x p o s u i t ec h a n g e 1 1 8 f i q31t h em g hs e n s i 耵r ya r e a s 。11 9 f i q3 2t h es t r e n g t ho fa d a p t a b i t yc h a n g e 。1 2 0 f 1 q3 3u v a p r o f 怎si n1 9 8 5 ，1 9 9 0 ，1 9 9 52 0 0 0 a n d2 0 0 5 ，i 汪s p e c 啪i ：y 1 2 2 f i g3 4t h es t r e n g t ho fu v ac h a n g e 1 2 2 f i g35n 趣m g h ，n e 黜蝠m i t y 触疆a sn2 010 1 2 3 2 摘要 摘要 城市化问题，一直是我国经济发展与现代化进程中需要解决的重大理论与政策问题。 本文旨在从脆弱性和区域复杂系统分析的角度切入，建立区域城市化脆弱性研究的理论体 系，并以此理论为基础评估区域发展中的脆弱度，提出了区域在城市化进程下的脆弱性评估 模型，并应用于上海市城市化的实践，进行了实证分析。全文可分为三大部分，研究内容如 下： 第1 章和第2 章描述脆弱性研究内容。笔者概括地综述了脆弱性研究的主题与最新发 展，梳理其理论发展的脉络，并从区域复杂系统分析的角度提出了城市化背景下脆弱性的内 “ 涵。同时，突出了对自然人工复合生态系统脆弱性研究的新见解，并确定了本研究的研究 重点以及和其他领域脆弱性研究的区别。 第3 章和第4 章，首先笔者根据脆弱性的评估内容的研究，建立了评估的框架结构； 这一框架以暴露压力，敏感性，和适应性作为核心概念，阐述了物理脆弱性与社会脆弱性 的相互作用及其动力学过程。并运用主成分分析法来确认城市化的主要动因，按照分析结果， 城市化主要驱动力可分为4 类：( 1 ) 土地利用影响；( 2 ) 交通影响；( 3 ) 人口影响；( 4 ) 经 济影响。依据这4 驱动力综合集成g i s 、蒙特卡罗法( m o n t ec a r l om e t h o d ) 和元胞自动机 ( c e l l u l a r a u t o m a t a ) 构建了城市化进程中脆弱性评估模型。 为了检测u v a 算法的实用性，笔者在第5 章和附录对上海进行了个案研究。通过 i w a 算法，c a 模型和地理信息系统( g i s ) 联合使用，对这一区域城市化进程中的生态 脆弱性进行了分析。利用u v a 算法，分别计算出1 9 8 5 ，1 9 9 0 ，1 9 9 5 ，2 0 0 0 的脆弱性后， 摘要 通过遗传算法校准，用c a 模型对2 0 0 5 年的生态系统脆弱性进行模拟。再将模拟结果和实 测2 0 0 5 年生态系统脆弱性进行对比。 针对城市区域自然环境和社会环境具体实际情况，本论文既注重对脆弱性自然 属性的研究，更加强对其社会经济属性等的综合研究，主要在以下几个方面取得了一些 新的研究进展： 1 根据城市区域自然环境和社会环境的特征，构建了暴露压力，敏感性，适应性 三要素为核心概念的u v a 模型，该模型科学合理、简洁易操作。模型的权重和 公式均由历史数据回归生成，人为影响小，便于城市间进行对比研究。 2 为减少专家意见差异造成的影响，本研究运用主成分分析法和蒙特卡罗算法科学 合理地确定了个驱动力和参数。 3 在c a 模型中，选择均一自然单元来进行宏观因子和微观因子的数据提取及量化， 能真实反映研究对象的本质特征。 4 对比实测和拟合结果，r 2 = 0 9 4 ，拟合情况十分理想。结果表明，u v a 算法结合 c a 模型的方法，真实可靠，有较强的实际应用价值，可用于长期预估。 这个项目的长期目标是建立一种可以运用于各个大城市的脆弱性评估方法。通 过这种方法。可以( 1 ) 描述和分析城市化进程给生态系统和社会系统带来的影响，( 2 ) 为后续城市设计开发和政策措施评估，提供指导和计量工具，以防止或减轻不良影响。 关键词：城市化；脆弱性；评估；模型；上海 2 a b s t r a c t e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dm o d e r n i z a t i o ni no u rc o u n t r yh a v ec r e a t e ds i g n i f i c a n t u r b a n i z a t i o np r o b l e m si nb o t ht h e o r e t i c a lf r o n t sa n dp o l i c yf r o n t st h a tn e e dt ob es o l v e d t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e v e l o pam o d e lt h a tc a nm e a s u r er e g i o nu r b a n i z a t i o n v u l n e r a b i l i t yq u a n t i t a t i v e l ya n du n a m b i g u o u s l y ，a n dd e m o n s 仃a t ei t sa p p l i c a t i o nb ya p p l y i n gi t t os h a n g h a i t h i sd i s s e r t a t i o nc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t sa sf o l l o w s ： c h a p t e r s1a n d2d e s c r i b et h ep r e e x i s t i n gr e s e a r c hc o n t e n to nv u l n e r a b i l i t y a f t e r r e v i e w i n gt h ef o o t p r i n to fv u l n e r a b i l i t y , t h i s d i s s e r t a t i o nw i l l p r e s e n t at h e o r e t i c a l r e c o n c e p t u a l i z a t i o no f v u l n e r a b i l i t yf r o mar e g i o ns y s t e mc o m p l e x i t ya n g l e a tt h es a m et i m e ， i tw i l l h i g h l i g h t n e wi n s i g h t si n t ot h e c o n c e p t u a l i z a t i o n o ft h e v u l n e r a b i l i t y o f h u m a n - e n v i r o n m e n ts y s t e m sa n di d e n t i f yc r i t i c a lp o i n t so fc o n v e r g e n c eo fw h a to t h e r w i s e m i g h tb ec h a r a c t e r i z e da u sd i s p a r a t ef i e l d so fr e s e a r c h i nc h a p t e r s3a n d4 ，b a s e do nt h er e c o n c e p t u a l i z a t i o no fv u l n e r a b i l i t y , t h eh e a r to f t h i sd i s s e r t a t i o ni si n t r o d u c e d ：t h eu r b a nv u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n t ( u v a ) f r a m e w o r k t h i s f r a m e w o r kw i l li n c l u d et h ee l e m e n t so fe x p o s u r e ，s e n s i t i v i t ya n da d a p t a b i l i t ya st h ec o r eo f t h er e c o n c e p t u a l i z a t i o na n dd i s s e c tt h ed y n a m i c so fa n dm u t u a li n t e r a c t i o n sb e t w e e ns o c i a l a n db i o p h y s i c a lv u l n e r a b i l i t i e s b yp r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s ，f o u rk e yd r i v e r sh a v eb e e n i d e n t i f i e di nt h i sf r a m e w o r k ：( 1 ) t h es e l fp r o p e n s i t yd r i v e r ，( 2 ) t r a n s p o r t a t i o nd r i v e r , ( 3 ) d e m o g r a p h i cd r i v e r , a n d ( 4 ) e c o n o m i cd r i v e r t h eu v am o d e lw i l l b ed e v e l o p e db y i n t e g r a t i n gg i s ，m o n t ec a r l om e t h o da n dc e l l u l a ra u t o m a t a ( c a ) t oa s s e s sv u l n e r a b i l i t yb y t h e s ef o u rd r i v e r si nh u m a n - e n v i r o n m e n ts y s t e mu n d e ru r b a n i z a t i o np r o c e s s t oe x a m i n et h ea p p l i c a b i l i t yo fu v a , c h a p t e r5p r e s e n t sac a s es t u d yo fs h a n g h a i ，i n w h i c ht h ec o n c e p t sa n dm o d e l sd e v e l o p e da r ea p p l i e du s i n gu v am o d e la saq u a n t i t a t i v et o o l f o rm e a s u r i n gv u l n e r a b i l i t y g i sa n do t h e rr e a ld a t af r o m1 9 8 5 ，1 9 9 0 ，1 9 9 5 ，a n d2 0 0 0a r e u s e dt op r o d u c eu v ar e s u l t sf o rt h o s ey e a r s ，w i t hw h i c ht h ec am o d e li sr u nw i t hm o n t e c a r l oc a l i b r a t i o nt os i m u l a t ea2 0 0 5p r e d i c t i o n t h i sp r e d i c t i o ni st h e nc o m p a r e dw i t ht h e r e a l2 0 0 5v u l n e r a b i l i t ym a po fs h a n g h a i ，v a l i d a t i n gt h eu v am o d e l a b s t r a c t p r e r e s e a r c hp r o v i d e da l li n - d e p t hl o o ki n t ot h es o c i a la n dn a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f s h a n g h a i b a s e do nt h ei n t e g r a t e ds t u d i e sw ed i d , w ee m p h a s i z es o c i a l e c o n o m i ca t t r i b u t e st o v u l n e r a b i l i t y , n o to n l yt h en a t u r a la t t r i b u t e s w eh a v em a d es o m ei m p r o v e m e n t si nt h i sf i e l d 雏f o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h es o c i a la n dn a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs h a n g h a i ，w ee s t a b l i s h e da l l u r b a nv u l n e r a b i l i t ya n a l y s i sm o d e l ( e v a ) o nt h eb a s i so fe x p o s u r e ，s e n s i t i v i t ya n d a d a p t a b i l i t y t h eu v a i ss c i e n t i f i c ，a n do p e r a t i o n a l b e c a u s em o s to ft h ew e i g h t sa n d e q u a t i o n sa r er e g r e s s e df r o ms t a t i s t i c a ld a t a , w i t h o u th u m a ni m p a c t , r e s u l t sb e t w e e n c i t i e sw i l lb em o r ec o m p a r a b l e t oa v o i dt h ee f f e c to fm e a s u r i n gd i f f e r e n c e sb e t w e e ne x p e r t s ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nw e d i d n tu s ea n ys c o r i n gm e t h o d i n s t e a dw eu s e dc u m u l a t i v ec o n t r i b u t i o nf r o mp r i n c i p a l c o m p o n e n t sa n a l y s i s t oi d e n t i f yd r i v i n gf o r c e s ，a n dd e c i d e dp a r a m e t e r sb yg a m e t h o d i nc am o d e lw ea d o p tt h es m a l l e s tm e a n i n g f u lc e l l st od e r i v e da n ds t a n d a r d i z e