（生态学专业论文）上海城市扩展及其动态模拟研究.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 删73脚8m 2m 舢脚y 本论文研究得到国家自然科学基金项目： 城市景观格局与热岛效应相互关系的多尺度研究 ( 3 0 7 7 0 3 8 4 ) 资助 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 上漪域孝粼动吞黝君 ， 是在华东师范大学攻读硕_ 壬博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。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：埤 日期：p 产年月f 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 上晦旅 幸钟履且虫影磊檄拟研穸 系本人在华东师范大学攻读 学位期间在导师指导下完成的硪生博士( 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 学位论文枣， 于年，月 日解密，解密后适用上述授权。 ( y ) 2 不保密，适用上述授权。 新签名丝题趑沁 本人签名础牛一 沙p 年f 月f y l “涉密”学位论文廊是已经华东师范人学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华尔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j 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) 。 选送堡硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 周秀佳教授上海中医药大学主席 由文辉教授华东师范大学 顾泳洁副教授华东师范大学 论文摘要 本文利用上海市1 9 8 9 2 0 0 5 年间航空影像、d e m 数据作为主要数据源，提取城 市土地利用的信息，分析快速城市化阶段城市土地利用的时空变化特征、城市扩展 的形态特征和模式；利用s l e u t h 模型模拟上海市2 0 0 6 2 0 3 5 年间的土地利用和城 市用地扩展的变化；并对城市扩展的驱动机制进行分析。得出以下主要结论： ( 1 ) 城市化是城市土地利用变化的主要推动力。城市的扩展导致城市用地、道 路交通用地和公共绿地增加，耕地、农村居住用地大量减少，在所有的土地类型转 换中，耕地转为城市用地的数量最大；土地利用变化具有明显的时间异质性，1 9 8 9 1 9 9 4 、2 0 0 0 2 0 0 5 年是两个发展较快的时期，特别是2 0 0 0 - 2 0 0 5 年间城市扩展和 土地利用变化达到了历史最高水平，1 9 9 4 2 0 0 0 年土地利用变化相对较低；城市土 地利用程度逐渐提高，同时土地资源破碎度和分离度也显著增高。 ( 2 ) 城市用地扩展具有明显的时空异质性。城市用地扩展在不同的象限区域之 间存在明显的空间差异，在同一象限存在显著的时间差异。城市用地主要是向西和 西南方向发展，东和东北方向城市用地扩展强度较小，而东南方向的城市扩展主要 集中在黄浦江沿岸。城市用地扩展的时空异质性还表现为城市用地扩展强度表现为 距离效应，即所有时段的城市用地扩展强度指数由市区向郊区呈现先增后减的格局， 峰值出现在城郊结合部，且逐年外推，随着时间的推移，丰城区的辐射能力在不断 的增强，辐射的距离也在不断的增加，核心区的作用越来越明显。 ( 3 ) 城市增长模式表现为城市化初期( 1 9 8 9 - - 1 9 9 4 ) 呈中心城区的边缘增长模 式，在城市化加速期，1 9 9 4 2 0 0 0 年中心城区继续呈边缘增长模式，但增速放缓， 周边郊县( 区) 开始边缘增长，轴向带状增长开始出现，总体上形成了多个增长中 心并存的态势；2 0 0 0 - 2 0 0 5 年呈中心城区和周边郊县组成的多中心边缘连续蔓延增 长模式，轴向带状扩展和跳跃式扩展都达到了较高的水平，导致大量农田被蚕食。 而在整个研究期内，一直都伴随着填充式扩展。 ( 4 ) s l e u t h 模型较好的模拟了在4 种不同的保护等级情景下2 0 0 6 - 2 0 3 5 年 的城市增长和土地利用变化。在无保护的情景下，3 0 年间城市用地增长了 9 1 2 6 7 k m 2 ，随着保护等级的提高，城市用地的增加量逐渐减少。不同的保护等级对 城市景观格局也会产生影响，在无保护、适度保护和中度保护情景下，城市用地的 分维数和最大斑块数呈指数式增长，2 0 1 5 2 0 2 0 年间开始趋于平缓，平均邻近距离 在适度和中度保护情景下，呈指数增长，在无保护情景下呈先增后将，但变化的速 度依次减小，这表明保护等级越低，城市无序扩散越厉害，在高度保护情景下，三 个景观指数变化都很平缓，景观格局基本保持不变。因此，加大保护力度有利于耕 地等非城市用地资源的保护。 ( 5 ) 城市扩展的主要驱动力有：政府决策、社会经济发展因素、道路交通等基 础设施建设、人口增长因素；自然环境等，上述因素共同决定了上海市过去1 6 年间 的城市的增长模式和速度。 关键词：城市化、城市扩展、土地利用、s l e u t h 模型、驱动力、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 目录 论文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章 前言l 1 1研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1城市扩展研究现状2 1 2 2 城市c a 模犁研究概况3 1 3 研究内容、研究方法和技术路线5 第二章研究区域概况与数据源7 2 1 研究区域概况7 2 1 1 上海自然环境概况一7 2 1 2 社会经济条件7 2 1 3 研究区域8 2 2 数据源8 第三章城市扩展对城市土地利用变化的影响9 3 1 研究方法一9 3 1 1 数据顶处理：9 3 1 2 土地利用转移矩阵模型一l l 3 1 3 土地利用指数1 l 3 1 4 景观格局指数13 3 2 结果与分析1 6 3 2 1 ，十地利用类犁之间的转换1 6 3 2 2 土地利用变化幅度一l8 3 2 3 土地利用类型动态度分析1 9 3 2 4 十地利用综合程度指数模颦2 0 3 2 5 景观格局动态变化分析2 0 3 3 结论与讨论2 5 3 3 1 城市化是城市十地利用变化的主要推动力2 5 3 3 2 土地利用变化旱现出较快的变化速度2 5 3 3 3 城市十地利用程度逐渐增加，但仍不够成熟2 6 第四章上海城市用地扩展的时空特征和扩展模式2 7 4 1 研究方法2 7 4 1 1 城市用地扩展面积和扩展强度指数2 7 4 1 2 象限方位分析方法2 8 4 1 3 缓冲带分析方法2 8 4 1 4 城市用地重心转移2 8 4 2 结果与分析2 9 4 2 1 城市用地的象限方位分析2 9 4 2 2 城市用地重心转移分析3 2 4 2 3 城市用地基于距离冈素的扩展缓冲带分析3 3 4 3 城市用地扩展模式分析3 3 4 4 结论与讨论3 4 v 4 4 1 城市用地扩展具有明显的时空异质性3 4 4 4 2 城市用地扩展模式3 5 第五章基于s l e u t h 模型的城市土地利用空间扩展研究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 增长环3 8 5 2 2 输入数据3 9 5 2 3 模型增长控制系数4 0 5 2 4 模型增长舰则4 2 5 3 数据处理4 4 5 4 模型校准4 6 5 5 未来3 0 年的城市扩展及土地利用变化预测4 7 5 5 1 模型预测4 7 5 5 2 土地利用变化的情景预测。4 9 5 5 3 不同情景下城市用地景观格局变化5 0 5 6 结论与讨论5 2 第六章城市扩展主要驱动力分析5 3 6 1 自然环境冈素5 3 6 2 政府政策与突发事件5 3 6 3 经济发展因素5 4 6 4 道路交通等基础设施建设5 5 6 5 人口增长冈素5 6 第七章研究结论、建议和展望5 8 7 1 结论5 8 7 2 对城市扩展的建议5 9 7 3 研究不足与展望6 0 参考文献6 l 附录6 7 后记6 8 v 1 1 1研究背景和意义 第一章前言 2 0 世纪9 0 年代以来，在“国际地圈与生物圈计划”( 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“全球环境变化人文计划”( 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 ) 的推动下，土地 利用土地覆盖变化( 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 ) 的研究逐渐加强( 李 秀彬，1 9 9 6 ) ，使得土地利用土地覆盖变化和相关的驱动机制研究成为目前全球变化 研究的前沿和热点( 王丽萍等，2 0 0 5 ) 。随着社会经济的发展，城市用地的扩展已是土 地利用土地覆盖变化的一个主要特征，也是城市化的一个重要的衡量指标( 王丹百萍 等，2 0 0 5 ；卢晓峰，2 0 0 8 ) 。 城市是指以人为主体，以空间利用和自然环境利用为特点，以集聚效益为目的， 集约人口、经济、科学文化的空间地域系统，是一定区域范围内的政治、经济、文 化的中心( 李邦邦，2 0 0 5 ) ，同时也是一个典型的动态复杂系统，具有开放性、动态性、 自组织性、非平衡性等耗散结构特征( b a r r e d oe ta 1 ，2 0 0 3 ) 。城市化，或称城镇化 ( u r b a n i z a t i o n ) 是指人口向城市集中的过程，这一过程包含了社会、人口、空间和 经济转换等多方面的内容( 陈本清和徐涵秋，2 0 0 5 ) 。过去的2 0 多年里，由于人口的快 速增长、技术和政治改革所带来的经济快速发展，全世界许多都市区经历了剧烈的 增长。尤其在发展中国家，快速增长的城市化，使得城市化带来的问题急剧恶化 ( c o h e n ，2 0 0 6 ) 。城市化已被普遍认为是最重要的社会现象之一，对于城市、区域乃 至全球尺度上的环境都有重要的影响( d i e t z e le ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 伴随着城市区域的扩展，城市土地利用结构发牛了很大的变化，城市用地的急 剧增加，耕地等非城市土地资源的大量减少，是人地矛盾日益尖锐的主要因素之一。 改革开放以来，中国正在经历快速的城市化过程，城市用地的急剧扩张是现在乃至 将来土地利用变化的主要特征( 张心怡等，2 0 0 6 ) 。城市化在为我们提供更多就业机会 和制造更多福利的同时，也产生了如环境污染、交通拥挤、犯罪、居住环境恶化等 的一系列城市问题，影响区域和全球的可持续发展。随着中国城市化进程的进一步 深入，大都市将成为中国城市化进程中最引人注目的地区，同时也是中国未来城市 化最具有活力的地区之一。 上海是中国第一大城市，是我国城市化发展速度最快的地区之一。随着浦东开 发区的兴起，上海地区成为我国十几年来城市化过程最为剧烈的地区，其快速城市 化过程为相关的研究提供了良好的素材。尽管从人文地理、城市地理、遥感应用等 角度对城市空间演化过程( 房国坤等，2 0 0 0 ；胡序威等，2 0 0 0 ；王铮和邓悦，2 0 0 1 ) 、城市 发展战略( 张占耕，2 0 0 0 ) 、城市职能演变( 彭震伟，1 9 9 5 ) 、城市土地利用演变( 吴志强和 姜楠，2 0 0 0 ；李晓文等，2 0 0 3 ；徐进勇等，2 0 0 6 ) 、城市景观动态( 高峻和宋永昌，2 0 0 1 ；王 玉洁等，2 0 0 6 ) 等方面已有不少研究。但基于g i s 和空间动态模型对城市扩展过程中 变化规律的分析，以及城市扩展和土地利用变化的模拟预测却未曾见，上述研究多 从单一角度出发，缺乏对典型区域城市扩展系统性和综合性研究，特别是在变化模 拟、预测方面明显不足。因此，认识和理解上海城市扩展过程的基本特征，建立城 市空间动态模型对城市发展变化过程中的动态行为和土地利用变化进行有效的描述、 模拟预测和分析，并在此基础上提供区域发展决策支持，从而降低城市化过程的风 从国内对城市扩展的各方面研究的情况来看，“3 s ”技术( r s 、g i s 、g p s ) 的普 遍应用是一个发展的主流，成为了城市扩展研究的丰要手段。随着先进的遥感平台 及新一代传感器的研制和使用，遥感数据所能反映的信息越来越多，加上遥感数据 处理能力的加强以及结合强大的g i s 、g p s 系统，使得“3 s ”技术在对城市土地利用动 态变化、城市扩展形态和扩展模式等方面的研究中得到广泛应用。例如，m a s e k 等 利用l a n d s a t 数据研究了华盛顿1 9 7 3 - - 一1 9 9 6 年的城市增长，并认为不同时期的城市增 长与经济模式相关( 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 + 遥感影响对美国中央普及特海湾的城市土地利用类型进行监督分类， 研究表明在这十年城市扩展造成了该地区不透水面面积百分率升高了6 7 个百分点 ( a l b e a ie ta 1 ，2 0 0 4 ) 。s u d h i r a 等人在印度班加罗尔运用遥感影像研究了城市扩展带来 的土地利用变化和景观破碎化，并用景观指数求证了城市辐射状扩展( s u d h i r aa n d r a m a c h a n d r a ，2 0 0 7 ) 。在国内，刘盛和等利用1 9 8 2 - - 1 9 9 7 年间的三个时期的土地利用 数据，利用g i s 技术对北京城市土地利用扩展的时空过程进行了时空聚类和历史形 态分析，证实了工业用地的高速向外扩展是北京城市土地利用规模“超常膨胀”的主 要原因，揭示了城市土地利用扩展的空间分异规律以及土地利用扩展中心、扩展轴 时空迁移的模式( 刘盛和等，2 0 0 0 ) 。汤君友和杨桂山利用不同时相的城市土地利用多 源遥感图像，运用g i s 空间分析方法，对无锡市城镇建设用地扩展的时间过程和空 间格局特征进行分析，揭示了城市用地扩展的时空分异规律，并结合社会经济条件 分析了用地时空扩展的驱动力( 汤君友和杨桂山，2 0 0 4 ) 。 在城市扩展带来的影响研究方面，近年来，主要侧重在城市扩展与人类健康、 城市扩展与人类环境、城市扩展与土地资源保护、城市扩展与全球变化方面。e w i n g 等人的研究表明城市扩展的形式与美国青少年的体重过重有关( e w i n ge ta l ，2 0 0 6 ) 。 b a r t 研究表明欧盟国家的交通c 0 2 排放与城市用地的增长的相关性要高于c 0 2 排放 量与g d p 和人口的增加( b a r t ，2 0 0 9 ) 。a r a b y 在开罗的研究表明城市扩展是城市环境 的下降的主要原因，并指出现存的管理政策和城市扩展得不到有效控制严重威胁着 未来的环境和经济的稳定( e la r a b y ，2 0 0 2 ) 。 1 2 2 城市c a 模型研究概况 c a ( c e l l u l a ra u t o m a t a 简称c a ) 是一种时间、空间、状态都离散，( 空间上的) 相 互作用和( 时间上的) 因果关系皆局部的格网动力学模型，它“自下而上”的研究思路， 强大的复杂计算功能、固有的并行计算能力、高度动态特征以及具有空间概念等特 征，使得它在模拟空间复杂系统的时空演变方面具有很强的能力。c a 在2 0 世纪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 用于观察自组织系统的逻辑特性 ( 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 世纪7 0 年代首次将c a 的概念引入地理学研 究，采用c a 来模拟美国五大湖区底特律地区城市扩展( t o b l e r , 1 9 7 0 ) 。随后，c o u c l e i s s l e u t h 最近几年也被较多的应用于城市扩展模拟与土地利用变化的预测中。如张 岩等模拟了北京的城市扩展( 张岩等，2 0 0 7 ) ；吴晓青等在沈阳进行了较好的模拟( 吴晓 青等，2 0 0 9 ) ：郗凤明等在营口较好地模拟了在6 中预案下的城市及村镇聚落增长与 土地利用变化( 郗凤明等，2 0 0 8 ) 。另外，也被用于模拟无锡( 涂小松等，2 0 0 8 ) 、杭州( 刘 勇等，2 0 0 8 ) 等城市的增长。 1 3 研究内容、研究方法和技术路线 1 3 1 研究内容 本文利用上海市航空影像、d e m 数据作为主要数据源，提取城市土地利用的信 息，分析由于城市扩展导致的城市土地利用变化的时空特征和变化规律，以及城市 用地扩展的形态特征和扩展模式。并利用s l e u t h 模型预测上海市土地利用和城市 用地扩展的未来变化；在此基础上，结合相关年份的上海市统计数据，分析城市扩 展的主要驱动力。以期为上海市未来土地利用变化和城市增长、城市规划与管理、 以及城市土地资源的可持续发展等提供参考和决策依据。基于上述研究目标，本文 的研究内容分以下几个部分： 1 、城市化过程的土地利用变化研究 利用1 9 8 9 - 2 0 0 5 年间四个时期的城市土地利用数据，利用马尔可大转移矩阵、 土地利用变化幅度、土地利用动态度、土地利用综合指数、景观格局指数等方法， 研究不同时段内城市扩展导致的区域土地利用时空变化特征和规律。 2 、城市用地扩展的时空分异和扩展模式 利用1 9 8 9 - - 2 0 0 5 年间城市用地数据，采用扩展强度、象限方位分析、缓冲带分 析、重心转移等方法来研究不同时段内城市用地扩展的形态特征，并在此基础上分 析不同时段内主要城市用地扩展模式。 3 、上海未来城市扩展的模拟与预测 利用s l e u t h 模型良好的适应性，用四个时期的土地利用数据进行模型校准， 使模型能较好的拟合上海城市发展的历史规律和特点。在此基础上，用于模拟不同 发展情景下上海城市的扩展，分析城市扩展的未来变化的时空特征。 4 、城市扩展驱动力研究 利用上海市统计年鉴等数据，对影响城市扩展的主要驱动因素进行分析研究， 探讨城市扩展与各个因素之间的关系。 1 3 2 研究方法和技术路线 研究方法： 本研究在a r c g i s 9 0 软件平台下，对各个时期的遥感影像进行人工目视解译和 屏幕数字化，得到城市扩展信息数据库，然后对城市扩展进行空间分析，并运用城 市扩展相关指数、景观格局指数共同研究城市扩展的特征和规律；在s l e u t h 模型 软件平台下，利用a r c g i s 9 0 下预处理后的数据，对城市扩展的未来发展进行模拟， 得出不同发展预案下的扩展结果。然后对结果进行分析和讨论；将城市扩展特征结 社会经济等统计数据进行统计分析等方法来研究城市扩展的特点和规律。 术路线： 图1 1 本文研究的技术路线 f i g 1 1t h ef l o wc h a r to ft h es t u d y 6 第二章研究区域概况与数据源 2 1 研究区域概况 2 1 1 上海自然环境概况 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 ，地处长江三角洲前缘，东濒 东海，南临杭州湾，西接江苏、浙江两省，北界长江入海口，长江与东海在此连接。 上海正当我国南北弧形海岸线中部，交通便利，腹地广阔，地理位置优越，是一个 良好的江海港口。气候属北亚热带季风性气候，四季分明，日照充分，雨量充沛。 上海气候温和湿润，春秋较短，冬夏较长。 上海全市土地面积为6 3 4 0 5k m 2 ，占全国总面积的0 0 6 ，南北长约1 2 0k m ， 东西宽约1 0 0k m 。境内辖有崇明、长兴、横沙3 个岛屿，其中崇明岛面积1 0 4 1 2 1k m 2 ， 是我国的第三大岛。 上海境内除西南部有少数丘陵山脉外，为坦荡低平的平原，平均海拔