（人文地理学专业论文）呼包鄂城市群城市化遥感监测及其模拟预测.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 城市群在区域和全球范围内的作用越来越重要，呼包鄂城市群作 为西部地区新兴的城市群在起步阶段就表现出很强的竞争力，在西部 地区城市化进程中的作用日趋明显。近年来呼包鄂地区城市地域拓展 迅速，2 0 0 8 年g d p 是1 9 9 6 年( 3 5 2 5 0 亿元) 的近1 3 3 倍，占全区 g d p 的6 0 2 8 ，在内蒙古地区经济的发展中占据主导地位。但该地区 的城市发展仍然以粗放式发展为主，在城市扩展中暴露出涉及资源和 环境等的很多问题。研究呼包鄂地区城市用地特点，认清呼包鄂城市 群的发展现状，正确模拟预测其城市用地扩展的方向和范围，对控制 和引导城市建设用地合理扩展具有重要作用。 本文采用d m s p o l s 数据提取呼包鄂城市群1 9 9 6 - 2 0 0 8 年的城市 空间信息，在a r c g i s 空间分析功能支持下，结合相应的统计数据， 分析呼包鄂城市群的城市扩展用地的影响因素，探讨城市扩展的研究 方法i 在此基础上分析呼包鄂城市群在1 9 9 6 - 2 0 0 8 年之间的扩张状 况，确定了模拟预测方法，并预测2 0 2 0 年呼包鄂城市群的发展方向 和扩展范围。主要结论如下： ( 1 ) 通过对1 9 9 6 年和2 0 0 8 年城市化信息的遥感监测，得出呼 包鄂城市群城市化发展迅速，其中鄂尔多斯市的城市化发展速度远高 于呼和浩特市和包头市，约是他们的4 5 倍。 ( 2 ) 基于l o g i s t i c 回归模型通过对1 9 9 6 年- 2 0 0 8 年进行模 拟训练，获得准确的模拟参数和周期，在此基础上展开对2 0 2 0 年呼 包鄂城市群的模拟。模拟数据显示：呼包鄂城市群城市化范围进一步 加大，全区城市用地面积增加了9 7 6 8 k m 2 。面积增加最大的是呼和浩 特市( 4 7 7 8 k m 2 ) ，其次是鄂尔多斯市( 3 9 8 蜡) ，但是在增加比率上鄂尔 多斯市仍然是最大( 2 1 4 ) 。各地级市和旗县城市用在原有基础上扩 展，并且沿路发展的趋势明显，其中呼和浩特市沿市区周边均有发展， 在西侧沿铁路和公路向土默特左旗方向扩展；包头市主要向北发展， 城市用地主要集中在现有城市范围北边缘和京藏高速公路之间；鄂尔 多斯市城市化进程进二步加快，城市用地迅猛增加。 ( 3 ) 呼包鄂城市群城市用地扩展手多方面因素的影响，其中社 会经济状况直接影响城市用地的发展速度，道路对城市用地的影响主 内蒙古师范大学硕士学位论文 要体现在引导城市用地的形状和方向上，政府政策决定了城市用地占 用其他土地的类型，同时也从侧面影响了城市用地的分布。 关键词：城市化，遥感监测，模拟预测，呼包鄂城市群 内蒙古师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t u r b a na g g l o m e r a t i o n so nt h er e g i o n a la n dg l o b a lp l a yt h e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e ，h u b a o eu r b a na g g l o m e r a t i o n sa san e w u r b a na g g l o m e r a t i o n si nt h ew e s t e r nr e g i o ni nt h ei n i t i a l s t a g e g r o u ps h o w e das t r o n gc o m p e t i t i v e ，a n di t sa f f e c th a sb e c o m em o r e e v i d e n ti nt h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o ni nt h ew e s t e r nr e g i o n i n r e c e n ty e a r s ，h u b a o eu r b a na g g l o m e r a t i o n si se x p a n d i n gb yl e a p s a n db o u n d s ，t h eg d pi n2 0 0 8 ( 35 2 5b i l l i o ny u a n ) n e a r l y13 3t i m e s t h e n19 9 6a n dt a k ea b o u t6 0 2 8 i nt h ew h o l e r e g i o n ，i t se c o n o m i c d e v e l o p m e n ti nt h ei n n e rm o n g o l i ar e g i o nt od o m i n a t e b u tt h e r e g i o n su r o a nd e v e l o p m e n ti ss t i l lm a i n l yd e p e n do ne x t e n s i v e p r o d u c t i o n ，i nt h ec o u r s eo fe x p a n s i o no ft h ec i t ye x p o s e dm a n y p r o b l e m si n v o l v ei nt h e r e s o u r c e sa n dt h ee n v i r o n m e n t r e s e a r c h i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i t yl a n d u s ei nt h er e g i o no fh u b a o e ， r e c o g n i z et h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h eu r b a na g g l o m e r a t i o n ，t o s i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o nt h ed i r e c t i o na n ds c o p eo ft h eu r b a nl a n d u s ee x p a n s i o nc o r r e c t l yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nc o n t r o la n dg u i d e t h ee x p a n s i o no fu r b a nl a n du s er a t i o n a l i nt h ec u r r e n t ，i ti sm o r eq u a l i t a t i v er e s e a r c ho nd y n a m i c s m o n i t o r i n ga d o p t e dt h er e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yt oh u b a o eu r b a n a g g l o m e r a t i o n s ，w h i l ei sl e s sr e s e a r c ho nq u a n t i t a t i v ee x p a n s i o no f i t ss i m u l a t i o na n d p r e d i c t i o n i nt h i sp a p e r , f o ru s ed m s p | o l sd a t a e x t r a c ts p a t i a li n f o r m a t i o no fh u b a o eu r b a na g g l o m e r a t i o n sf r o m 19 9 6t o2 0 0 8i n s u p p o r to fa r c g i s ，c o m b i n i n gw i t hr e l e v a n t s t a t i s t i c a ld a t a ，t oa n a l y s i st h ee x p a n s i o nf a c t o r so fu r b a nl a n du s e 内蒙古师范大学硕士学位论文 a n ds e a r c ht h er e s e a r c hm e t h o do fu r b a ne x p a n s i o n ，o nt h a tb a s i s a n a l y s i se x p a n s i o ns t a t eo fh u b a o eu r b a na g g l o m e r a t i o n si nt h e y e a r sb e t w e e n19 9 6 2 0 0 8t h et od e t e r m i n et h ep r e d i c t i o nm e t h o d ， a n dp r e d i c t e d - t h ed e v e l o p m e n to ft h ed i r e c t i o na n dt h es c o p eo f h u b a o eu r b a na g g l o m e r a t i o n s 1 h em a i nc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) w ec a no b t a i nt h er a p i do fu r b a n i z a t i o nb yr e m o t es e n s i n g m o n i t o r i n g o fu r b a n i z a t i o ni n f o r m a t i o no fh u b a c eu r b a l l a g g l o m e r a t i o n si n19 9 6a n d2 0 0 8 ，w h i c hu r b a n i z a t i o ng r o w t hr a t e o fe r d o sm u c h h i g h e rt h a nt h ec i t yo fh o h h o ta n db a o t o u ，a b o u t4 5 t i m e s ( 2 ) b a s e d o nl o g i s t i c r e g r e s s i o nm o d e l ，s i m u l a t i o nt r a i n i n g a c c o r d i n gt ot h ei m a g eo f t h ey e a r s19 9 6 - 2 0 0 8 ，a c c e s st oa c c u r a t e s i m u l a t i o np a r a m e t e r sa n dt h ec y c l e ，a n dt h e ns t a r tt os i m u l a t et h e s i t u a t i o n so fh u b a o eu r b a na g g l o m e r a t i o ni n2 010 s i m u l a t i o nd a t a s h o w ：t h es c o p eo fh u b a o eu r b a n a g g l o m e r a t i o nf o rf u r t h e r i n c r e a s e ，r e g i o n su r b a nl a n da r e ai n c r e a s e db y9 7 6 8k m 2 n e l a r g e s ta r e ao fi n c r e a s ei sh o h h o t ( 4 7 7 8 k m 2 ) ，f o l l o w e db ye r d o s ( 3 9 8 k m 2 ) ，b u tt h el a r g e s ti n c r e a s er a t ei s s t i l lt h ee r d o sa b o u t 214 u r b a nl a n du s eo fc i t i e sa n dc o u n t i e sc o n t i n u ee x p a n do nt h e o r i g i n a lf o u n d a t i o na n dt r e n da l o n gt h er o a do b v i o u s ，w h i c hi st h e d e v e l o p m e n to fh o h h o ts u r r o u n dt h eu r b a np e r i p h e r y , i nt h ew e s t e x p a n s i o nt ot h ed i r e c t i o no ft u m o t e z u o q ia l o n gt h er a i l w a ya n d h i g h w a y ；i nb a o t o u ，t h em a j o re x p a n s i o nd i r e c t i o ni nt h en o r t h ， u r b a nl a n du s ec o n c e n t r a t e db e t w e e nt h en o r t he d g eo fe x i s t i n g u r b a na n dt h eh i g h w a yb e t w e e nb e i j i n ga n dt i b e t ；t h eu r b a n i z a t i o n p r o c e s sf u r t h e rs p e e du pa n du r b a nl a n du s ei n c r e a s e dr a p i d l yi n e r d o s ， 、m 一 一一 jjlh e r ea r ev a r i o u st a c t o r si m p a c te x p a n s l o no fh u b a o eu r b a n a g g l o m e r a t i o n s ，t h es o c i o e c o n o m i cc o n d i t i o n sa f f e c td e v e l o p m e n t s p e e do fu r b a n l a n du s ed i r e c t l y , t h ei m p a c to fr o a d so nu r b a nl a n d u s em a i n l yi nt h es h a p ea n d d i r e c t i o n ，g o v e r n m e n tp o l i c yd e c i s i o n s 内蒙古师范大学硕士学位论文 t h eu r b a nl a n do c c u p i e db yo t h e rl a n dt y p e s ，b u ta l s oe f f e c t st h e 1 1o 一 一 d i s t r i b u t i o no f u r b a nl a n dmp r o f i l e k e yw o r d s ： u r b a n i z a t i o n ， r e m o t e s e n s i n gm o n i t o r i n g ， f o r e c a s t i n g ，h u b a o eu r b a na g g l o m e r a t i o n s 内蒙古师范大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。本人保证所呈交的论文不侵犯国家机 密、商业秘密及其他合法权益。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 签名：一刍1 盂日期：护和年石月7 6 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解内蒙古师范大学有关保留、使用学 位论文的规定：内蒙古师范大学有权- 保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此珧疋。 签每：菘祷锄张李嚼夕 j 日期i ，矽力年月彩日 第一章引言 1 引言 1 1 问题的提出 随着世界范围内的城市化进程不断发展，尤其是发展中国家的这一进程的加 速，我国作为世界范围内最大的发展中国家，改革开放3 0 年来，城市数量从1 9 3 个发展到6 5 5 个，建制镇从2 1 7 3 个发展到1 9 3 6 9 个，城镇人口达到5 9 亿，我 国城市化率从2 0 左右提高到4 4 9 据联合国人口基金会预测，2 0 3 0 年中国城 市化水平将达到6 4 。随着人口、资源和产业等在全球市场经济机制的作用下 以城市为主导重新进行空间配置的日益增强，促使城市化水平的迅速提高，城市 群的形成和扩张是城市化发展的必然趋势，并在城市化进程中起着越来越重要的 作用【l l 。 在新的历史条件下，经济全球化和区域经济一体化趋势加速发展，城市竞争 不再是区域范围内城市之间的竞争，而是作为一个更大的城市群经济实体，在更 广阔的开放式空间范围内参与全球竞争口1 。随着我国工业化和城市化进程的不断 加快，以城市群为主导的区域经济发展形式和竞争格局已经成为中国经济运行的 重要特征。自从西部大开发战略实施以来，内蒙古g d p 增长连续几年居全国第 一i 成为西部地区经济发展的热点。而在内蒙区域内的经济发展中呼包鄂地区占 据着主导地位，三市总面积近2 4 万平方公里，占全区面积的1 1 ，总人口6 5 3 万约占全区的2 8 ，是自治区经济最为发达的地区，也是我国北方重要的产业 密集区之一。2 0 0 8 年呼包鄂三市的g d p 总额为4 6 7 9 ，占全区g d p 的6 0 2 8 。 在2 0 0 8 年由中国社会科学院财贸所倪鹏飞博士牵头发布的( 2 0 0 7 年中国城市竞 争力蓝皮书中提出呼包鄂城市群具备很好的发展潜质。呼包鄂城市群正处于发 展的起步阶段，在经济迅速发展的同时城市化与生态环境之间的矛盾也日益显现 出来。土地沙漠化、草场退化、水土流失等环境问题成为国内外有关专家关注研 究的热点。 城市化研究是当今城市发展研究中的热点之一，受到社会各界的广泛关注。 目前，对城市化水平的测度主要基于人口、社会经济统计指标n 1 。这些指标强调 了城市化过程的社会经济属性，主要来源于行政单元的统计数据，存在着人为主 观因素干扰和滞后性的不足：遥感数据因为克服了统计数据的主观、不确定，、缺 乏空问信息等缺点，而被逐步应用于城市化研究中。将二者结合起来将使城市发 展动态监测更加准确。 内蒙古师范大学硕士学位论文 城市化意味着城市建设用地在空间上的扩张，这是一个复杂的时空转换过 程，最终使得以自然为主的土地利用变成住宅为主的城市土地利用，带来复杂的 生态环境后果，影响城市、区域的可持续发展h 1 。据预测，未来一段时期，随着 全区社会经济的发展和呼包鄂城市群的建设，内蒙古城市化步伐将进一步加快， 城市建设用地将持续扩张，呼包鄂地区生态环境压力将进一步加大，急需政府管 理部门制定确实有效的规划和管理措施，控制和引导城市建设用地合理扩展。 1 2 研究进展 城市化是衡量一个国家社会经济发展水平的重要标志。城市化概念最初是城 市中心对农村腹地影响的传播过程；是全社会逐步接受城市文化的过程；入口集 中的过程；城市人口与全社会人口比例提高的过程嘲。城市化是各级规模城市发 育成长的过程；是大中小城市和小城镇都必然经历的过程。城市群体空间结构的 演变与城市化的进程及方式密切相关( 张京祥，2 0 0 0 ) 。在城市化进程中，由于 受自然条件和社会、经济发展的影响，在一些发展条件比较好的地域出现了新的 城市化地域单元形式碱市群。城市群体空间格局的形成是区域城市化与城市区 域化的重要表现，它作为区域城市化高级阶段性现象，是集聚与扩散的共同作用 的产物嘲。城市群以其独特的优势迅速发展，对地区乃至国家经济增长的贡献率 越来越大，成为参与国际竞争新的地域单元；同时以其日渐增长的对国家经济发 展的重要支撑和辐射带动作用而逐渐取代单个城市成长为新的区域经济增长极， 从而带动更大区域范围的经济发展忉。国外学者对城市群进行了长期系统的研 究，近年来国内学者也开始并不断深化对城市群的研究。 1 2 1 国外研究进展 西方学者在2 0 世纪初对城市群的研究主要集中在城市化过程中的扩展机制 和发展模式方面。2 0 世纪5 0 年代开始的对现代意义上的城市化空间扩展的研究 主要建立在对城市的人口及社会经济数据的统计分析之上。进入2 0 世纪9 0 年代， 发达国家对城市群的研究主要集中在对自然资源最大限度集约利用上，研究范围 也从一个区域、一个国家向跨区域乃至全球范围发展。 西方国家的城市空间发展战略规划源于对解决“城市病”而进行的大量探索 删。2 0 世纪初期，西方学者就将目光不仅投向城市内部的规划改造，而是投射到 城市之外，探求整个功能区域的协调发展和优化。最早可以追溯到1 8 9 8 年英国 学者霍华德( e h o w a r d ) 提出了著名的“田园城市模式 ：以实现高度密集的城 2 第一章引言 市生活与恬静的乡村生活的有机结合。艾萨德在研究了区位对城市产生的影响之 后，进一步分析了城市群规模扩展机制，认为如果区位间相互接近、临界等费用 线相交，就会发生聚集，这些论述为研究城市间的相互关系奠定了思维模式和理 论基础臼3 。根据波兰科学院院士萨伦巴( p e t e rz a r e m b a ) 教授的分析，影响城 市发展的因素主要有三个依据：自然条件对城市用地发展的适合程度；城市公用 设施和运输系统扩展的可能；现代城市土地利用，根据每一个城市的不同区位、 自然条件和城市发展方向，城市空间的扩散模式是不同的，因而有些城市的地域 形态形成了带状或者椭圆形发展。1 9 1 8 年沙里宁( e s e a r i n e n ，1 9 1 8 ) 的“有机 疏散 理论设计了著名的大赫尔辛基规划方案，其他西方许多大城市，诸如伦敦、 巴黎等也将其规划逐步由单个城市扩展到整个区域、城市群体空间层次n 町；1 9 2 2 年恩温( r u n w i n ) 提出“卫星城理论并将之实施于大城市调整的实践；斯坦因 ( c l a r e n c es t e i n ) 提出以“区域城市一来取代大都市，强调区域城市体系是一 个开放的系统，打破行政边界，从城市和区域的角度来研究和规划城市。芒福德 对城镇密集区倡导“区域整体论 ，主张大中小城市相结合，通过整体化的、清 晰的、高速的区域交通体系的联系，最终形成网络似的空间结构体系。 法国学者戈特曼在1 9 5 7 年提出的新的城市群的概念中城市群被认为是一个 面积广大，由几个大都市相连接的城市化区域。同年美国学者e l u l l m a n 提出 了的空间相互作用的理论，对城市群内外空间相互作用机制影响深远。7 0 年代 日本的小林博氏通过对东京大都市圈的研究在总结了前人研究的基础上归纳并 强化了城市发展过程的三个概念：大都市地区、大城市区、城市化地带。1 9 7 0 年希腊学者c a d o x i a d i s 预测世界城市的发展最终会形成连片的大都市区域。 8 0 年代加拿大学者t g m c g e e 通过对东南亚发展中国家城市密集地区进行研究 后提出了“城乡融合区，这一模式的提出掀起了以中国为首的发展中国家城镇 体系空间扩展的热潮，该模式是以区域为基础、像对分散的城市化过程，区别于 西方以城市为基础的高度集中的城市化过程。 2 0 世纪9 0 年代之后，伴随着经济的全球化和以信息技术为标志的科技革命 极大的促进了城市群的研究。对于城市群空间过程的关注想对于不断发展的城市 景观格局的分析，国外更多的研究开始注重人口及经济发展背景下的城市群动力 研究机制，即学者们不仅关注城市空间的扩展，更加关注城市群生长的驱动力。 城市的受限扩展凝聚( d l a ) ( b a t t y ，1 9 9 1 ) ；分形增长( b a t t ya n dl o n g l e y ，1 9 9 4 ) 开始用于对城市空间演变进行探索性研究1 。元胞自动机也被用于城市和城市群 3 内蒙古师范大学硕士学位论文 的形态和增长的模拟研究，并取得了很好的效果。j f r i e d m a n n ( 1 9 9 3 ) 、 p y r g e o t i s ( 1 9 9 1 ) 等从全球一体化、信息技术网络化、跨国公司等级化等研究视 角探讨其对全球城市体系的组织结构以及可能产生的影响，认为大都市带实际上 是产业空间结合的产物，作为新的地域空间的组织形式，将占据全球经济的核心 位置( 顾朝林) 。 1 2 2 国内研究进展 我国由于受整个城市近代化历程较晚的影响，和西方国家城市形态研究相 比，我国起步较晚。国内学者对城市群体系的研究源自城镇体系的研究“嬲。8 0 年代以后随着改革开放的不断深化，我国城市进入了快速发展的时期，城市规划、 地理学、建筑学的学者纷纷关注城市形态的研究n 羽。 随着区域一体化的进展，2 0 世纪8 0 年代以来我国学者开始关注都市区( 圈) 及城市群( 带) 的研究，从理论到实证的研究成果不断出现n 帕。8 0 年代初，丁 洪俊、宁越敏以“巨大都市带 的概念引进了戈特曼的大都市带理论。国内的学 者开始研究国外城市群的发展及其对我国区域城市化的借鉴意义。根据中国区域 城市化的发展，不少学者提出了具有中国特色的城市群的新概念。代表性成果主 要有：贺业矩的中国古代城市规划史论从( 1 9 8 6 ) 。董鉴汉的中国城市建设 史( 1 9 8 2 ) 、叶晓军的中国都城发展史( 1 9 8 7 ) 。周一星( 1 9 8 8 ) 则在对中西 方城市具体差异比较的基础上提出了“中国式 的都市连绵区( m e t r o p o l i t a n i n t e r l o c k i n gr e g i o n ，m i r ) 这一群体空间结构概念，并初步揭示了其形式机制。 等，这些学者从传统城市空间结构的历史演变方面进行了研究。 二 9 0 年代中后期，国内学者对城市群体空间有针对性的实证研究逐渐丰富， 许多研究机构对中国沿海的几大城市群的空间结构、人口与经济的集聚和扩散机 制进行了比较系统的研究n 鄹。这时期的主要成果有：在理论研究上，崔功豪( 1 9 9 2 ) 认为城市带的基本特征为：高密度的聚落，发展的枢纽，形状的模糊性，发展的 阶段性，结构的组合体特征新趋势的培养基。姚士谋( 1 9 9 2 ) 的中国的城市群， 探索了城市群发展的规律，空间分布和发展趋势。孙胤社对中国城市空间结构的 扩散演变的理论与实证研究( - 矽j , j g 社1 9 9 4 ) ；赵永革( 1 9 9 5 ) 提出中国沿海地区 的城镇结构已经形成城市群，并以辽宁都市区为实证进行了研究；代合治( 1 9 9 8 ) 以城市群的面积、总人口、城市人口和城市数量以及城市等级结构为指标划定了 我国4 个等级共1 7 个城市群。：张京祥( 2 0 0 0 ) 提出了城镇群体空间的概念，并 就区域和圈域两个层面进行了探讨： 4 第一章引言 近年来，国内学者对城市群空间的界定研究开始增多n 钔。姜世国( 2 0 0 4 ) 基 于“功能主义刀定性方法，以及断裂点公式、距离衰减效应的定量方法，划分了 杭州都市区的空间范围。方创琳等( 2 0 0 5 ) 根据城市群发育程度指数模型计算结 果，将中国城市群划分为3 个等级，并分析发现，中国城市群总体发育程度比较 低且发展的差异程度很大，并呈现出发展的阶段性、总体分布的不平衡性、空间 分异的规律性、内部集聚的异质性和明显的分化性等空间分异特征。目前国内学 者对全球化与信息化对城市形态的影响表现出极大的关注，研究方法上，国内仍 主要以定性研究为主，但也有学者在定量研究方面做出了尝试n 刀。 1 3 研究方法 1 3 1gis 空间分析 1 3 1 1 gis 空间数据采集 地理模拟系统的数据主要来自g i s 的空间数据n 刖。对于g i s 应用来说，最基 本的g i s 数据是根据研究目标的性质不同而收集的，包括野外调查及测量数据、 人口普查数据、社会经济调查数据和各种统计资料等，还包括地图( 国家行政区 划地图) ，区域的社会、经济等专题图和已有的一些与应用相关的数据资料。这 些数据可分为第一手的原始数据和处理过的数据，也可以分为数字化的数据和非 数字化的数据。 非数字化数据野外文本记录、统计数据报表、社会经济、人口调查报告等纸 制地图、专题图、统计图表等，一般需要采集的g i s 空间数据有以下几种： ( 1 ) 各类统计调查数据； ( 2 ) 野外调查测量数据，包括调查记录文本、g p s 、全站仪等仪器所测得的 数字化数据资料； ( 3 ) 已有地图( 专题图) 数字化； ( 4 ) 遥感数字图像； ( 5 ) 修改或转换已有数据库资料。 g i s 数据采集工作的主要任务有将现有的地图、外业观测成果、航空像片、 遥感图片数据、文本资料等转换成g t s 可以识别和处理的数字形式；数据添加到 数据库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性； 不同的数据来源需要进行数据转换和处理，便于g i s 的分析和处理工作的进行， 数据转换需要使用到不同的软件、设备和方法，数据处理包括生成拓扑关系、几 5 内蒙古师范大学硕士学位论文 何纠正、图像镶嵌和裁剪等。图像数据是g i s 空间数据的重要组成部分，图像数 据的收集实际上就是数字化的过程。一般有扫描数字化和手扶跟踪数字化两种数 字化方法。扫描数字化是使用扫描仪直接把图形( 地形图、专题图等) 和图像( 航 空像片、卫星像片等) 扫描输入到计算机中，以像元信息进行存储表示，然后采 用矢量化软件从栅格图像上自动或半自动生成矢量数据；手扶跟踪数字化是使用 手扶跟踪数字化仪，将已有图件作为底图，对某些需要的信息进行跟踪数字化。 一般来讲，扫描数字化因其输入速度快、不受人为因素的影响，操作简单而越来 越受到大家的欢迎，且随着计算机硬件的发展，计算机运算速度、容量的提高， 使得扫描输入已成为图形数据输入的主要方法。属性数据是记录和描述空间实体 对象特征的数据。属性数据一般包括名称、等级、代码等多种形式。属性数据有 时单独存储在空间数据库中，形成专门的属性数据，有时则直接记录在空间数据 文件中。往往需对属性数据进行编码处理，将各种属性数据变为计算机能有效存 储和处理的形式。 1 3 1 2 g is 空间分析 g i s 数据库存储基础的空间数据，在具体的应用中需要利用各种g i s 空间分 析功获取进一步的空间数据n 射。g i s 空间分析的一般方法： ( 1 ) 空间查询和检索 用来查询、检索和定位空间对象，包括图形数据的查询和属性数据的查询以 及空间的查询几种方式，空间查询和检索是g i s 的基本功能之一，也是进行其他 空间分析的基础。 ( 2 ) 空间量算 空间量算主要是用一些简单的量测值来初步描述复杂的地理实体和地理现 象，这些值包括点、线、面等空间实体对象的重心、长度、面积、体积、距离和 形状等。 ( 3 ) 空间插值 空间插值用于将离散的测量数据值，按照某种数学关系转换为连续变化的数 学曲线以便与空间实体的实际分布模式进行比较，并可以推求出未知点和未知区 域的数据。 ( 4 ) 叠置分析 叠置分析是g i s 空间分析中重要的分析方法之一。g i s 中使用分层方式来管 理数据：叠置分析是将同一研究区的多个数据层集合为一个整体，对多个数据层 6 第一章引言 进行交、差等逻辑运算，得到不同层空间数据的空间关系。叠置分析又包括矢量 数据的叠置和栅格数据的叠置分析两种。 ( 5 ) 缓冲区分析 缓冲区分析是g i s 空间分析中使用较多的分析方法之一是将一组或一类空 间对象按照某一个缓冲距离建立其缓冲区多边形的过程，然后将原始图层与缓冲 区图层相叠加，进而分析两个图层上空间对象的关系。从数学的角度来说，缓冲 区就是空间对象的邻域，邻域的大小由邻域半径( 即前面所说的缓冲距离) 来确 定。缓冲区分析与叠置分析不同，前者包括了缓冲区图层的建立和叠加分析，而 后者只是对现有的多个数据层进行叠加分析，并不自己生成新的图层参与分析。 1 3 2 l o g is tic 回归模型 l o g i s t i c 回归模型实际上是普通多元线性回归模型的推广，但它的误差项 服从二项分布而非正态分布，因此在拟和时采用最大似然估计法( m a x i m u m l i k e l i h o o d ，m l ) 进行参数估计。最大似然法的基本思想是先建立似然函数与对 数似然函数，再通过使对数似然函数最大求解相应的参数值，所得到的估计值称 为参数的最大似然估计值。 l o g i s t i c 回归模型作为一种离散选择模型，多变量逻辑模型通常用来模拟 个人、家庭、商业企业和开发商这样特定主体的行为，是交通模式选择、区位选 择等研究领域的重要方法心州2 。l o g i s t i c 回归模型虽然机理上并不复杂，并且饱 受空间自相关、采样以及模型对于不同土地利用类型和不同密度的站点特征变化 的预测上的适应性等方面的问题的困扰，但是正如美国加州大学伯克利分校教授 l a n d i s 所言，正是因为其简单和对数据的要求相对较小，使得l o g i s t i c 回归模 型成为我们建立呼包鄂城市群未来模型的工作的基本思路。利用l o g i s t i c 回归 模型进行城市扩展模拟的流程( 图1 - 1 ) 。 7 内蒙古师范大学硕士学位论文 图i - il o g is ti c 回归模型城市扩展模拟流程图 在一般的多元回归中，若以p ( 概率) 为因变量，则方程为 p = a o + a l x l + a 2 x 2 + a 。x n ，但是用这个方程计算是常会出现p 1 和p 0 的不合理情形，因此对p 作对数转换，通过逻辑回归模型，t 时刻象元的土地开 发适宜性为： ，2 百南 式中，巧为任意单元在t 时刻发展成为城市用地的概率。若元胞满足条件， 则值为1 ：否则为0 。 z i j = a o + a l x l + a 2 x 2 + + a - x - 1 - 2 式中a o ，a l ，a 2 a m 为参数。x l ，x 2 ，t ”x m 为空间变量，例如离市中 心距离，离镇中心距离，离公路距离，离铁路距离，离高速公路的距离。 考虑到邻近范围城市化元胞对中心元胞的影响，定义邻域作用值： n ( u r b a n ( i j ) )o 。 q _ i ：= 半1 了工丁一 8 1 - 3 第一章引言 式中q t 矿表示t 时刻i ，j 元胞是否转化概率，n ( u r b a n ( i j ) ) 3 * 3 邻域窗 口中城市化的像元数。 3 勺 综合考虑局部邻域范围、单元约束条件及空间距离的影响，某单元在t + l 时 刻发展为城市用地的概率可由下式表示： 豸+ 12 百南宰c ? ( 谢t 奉q ； 式中c o n ( s u i t t # ) 为单元约束总条件值，如果元胞为城市元胞，则值为1 ，否 则为o 。 由于政府政策等因素的影响，使元胞转化为城市用地具有一定的不确定性， 因此将随机变量引入c a 中，可以使模拟结果更接近真实情况( w h i t ee ta l ，1 9 9 3 ) ， 随机项的表达式为： r a = i + ( - i ny ) 1 - 5 式中，y 为( o ，1 ) 范围内的随机数，a 为控制随机变量大小的参数，一般 定为0 5 则公式( 1 ) 进一步修改为 吖1 = r a 去蜘n ( s i j t 阳i j t = 1 + ( 一l ny ) 8 木i 南c 。ns i j t ) 木qt ，t 1 _ 6 当瑶大于给定的阈值t t 的时候则这个元胞转化为城市用地，否则转化为非城 市用地。 1 3 3 城市扩展c a 模型 1 3 3 1 c a 的出现 自动机理论或自动演化系统是英国数学家图灵教授( a l l a nt u r i n g ) 于1 9 3 6 年在研究程序化计算机的数学模型时提出的。计算机的创始人之一的冯一诺依曼 也做了大量研究。 c a 首先由应用数学家y o nn e u m a n n 和u l a m 在2 0 世纪4 0 年代提出，但是当 q 内蒙古师范大学硕士学位论文 时称为细胞空间或单元空间。当时他们正在研究生物系统的简单数学模型。后来 人们将c a 作为数学模型应用在许多领域，任何具有大量离散要素和局部交互的 可分析系统都可以用c a 作为数学模型。利用这种系统，其系统内，部件之间简 单的交互规则可以产生非常复杂的自然形态船3 lc a 已表明可以求出描述世界上 大量宏观物理现象的微分方程离散近似解，因此已经应用在流体动力学、离子物 理学、化学系统、模式识别、并行计算等技术领域，甚至应用作为螺旋状星系的 演化模型，作为生物科学的模型还应用在细胞组的功能、心脏纤维、神经元网络 和生态系统的研究领域。 1 3 3 2 城市c a h f i g e r s t r a n d 的空间扩展模型可认为是最早的类似c a 的地理模拟模型。这 是因为他的模型考虑了邻域的影响。h f i g e r s t r a n d 运用蒙特卡洛方法模拟了城 市的扩展。该模型主要是根据人口历史数据，通过运用距离变量的引力作用来模 拟城市人口的迁移。模型使用预先定义的简单规则来说明微观的个体行为如何形 成宏观的空间格局嘲1 。t o b l e r ( 1 9 7 9 ) 首次认识到c a 在解决地理问题上具有许多 优势。在他的c a 空间模型中，元胞的状态由邻域的元胞状态集按照统一的局部 规则决定，这类模型的基本原理是用元胞空间来描述地理空间的动态变化。 自2 0 世纪8 0 年代以来，城市c a 的研究取得了可喜的成果，城市地理学家 们发表了大量的论文( d e a d m a n e t a l ，1 9 9 3 ：b a t t y e t a l ，1 9 9 4 ；b a t t y e t a l ，1 9 9 7 ； c o u c l e t - - i s ，1 9 9 7 ：w h i t e e t a l ，1 9 9 7 ；w u e t a l ，1 9 9 8 ；l i e t a l ，2 0 0 0 ：l i e t a l ， 2 0 0 2 ) 0 o 城市的发展在空间上表现为2 维空间，因此，用2 维c a 模拟城市的发展 更为方便、直观，c a 在模拟城市发展方面具有非常大的潜力伫射。城市c a 跟传统 的w o l f r a m ( 1 9 8 4 ) c a 有很大不同，为使城市c a 能够更好的模拟城市发展，需要 将传统c a 严格的限制条件适当进行放宽，如传统c a 中采用的元胞总数较少，元 胞空间都是同质的，循环的时间也很少( b a t t y e t a l ，1 9 9 4 ；w u e t a l ，1 9 9 8 ) 。同 时，通过预定义转换规则，城市c a 可以产生更优的城市发展格局，这对城市规 划有着重要的意义。 + c a 可以模拟虚拟的城市，主要用来检验城市发展的一系列理论。当c a 用来 模拟虚拟城市的发展时，这些模型侧重于检验城市理论，没有使用丰富的空间信 息( c o u , - - - c l e l i s ，1 9 9 7 ；b a t t y e t a l ，1 9 9 9 ；w h i t e e t a l ，1 9 9 7 ) 。在这些城市c 中，绝大多数模型通过研究城市增长的机制来检验城市地理学的理论，主要研究 城市发展模式和城市系统。利用c a 模型还能模拟实际的城市演变，并进一步产 l o 第一章引言 生优化的城市形态口”。c a 模型能模拟出与实际城市非常接近的一些特征 ( w h i t e e t a l ，1 9 9 3 ：w h i t e e t a l ，1 9 9 7 ) 。近年来，越来越多的学者用城市c a 来 模拟真实城市，这些研究表明，c a 可以形成实际、复杂的城市格局。这些研究 主要集中在城市分形结构、高分辨率的数据源、城市结构和城市可持续发展等方 面。除了模拟现有的城市格局外，c a 还可以用来设计结构更优化的城市格局。 g i s 可以为c a 的模拟提供区域的自然、社会经济数据。此外c a 与g i s 的耦合 可以使其为规划提供科学的依据。最近的c a 常常与g i s 耦合，这种c a 定义在非 均一的元胞空间上，它的转换规则在某种意义上是与位置特征相关的侧。c a 与 遥感和g i s 的一体化可以为c a 模拟真实的城市提供详细的土地利用数据和空间 特征数据( l i e t a l ，2 0 0 0 ) 。 13 33 城市c 模拟的原理 c a 有四个基本要素：元胞、状态、邻域和转换规则。城市c a 是在二维元胞 空间上运行的。很多情况下，城市c a 将模拟空间分成统一的规则格网。某时刻；