（人文地理学专业论文）城市化与城市生态安全耦合研究——以大连为例.pdf

摘要 大力提高城市化水平是许多发展中国家的首选战略，然而快速城市化引发的生态环境 问题却令人担忧，生态环境安全已经引起了国际社会的高度关注。城市化与城市生态环境 存在复杂的耦合与胁迫关系，这种交互耦合关系是一个开放的、非平衡的，具有非线性相 互作用和自组织能力的动态涨落系统。如何协调城市化与生态环境的关系问题成为学术界 和政府决策部门关注的重大问题。 当前，国内外不同专业背景的学者，从自己从事的专业和研究领域出发，城市化与城 市生态安全方面的研究主要倾向于城市发展的应用研究、城市内部生态环境、城市生态系 统以及城市生态安全脆弱性评价等方面，而很少从生态环境安全多约束条件的角度，将城 市化过程与生态环境安全相应过程时空耦合有机结合起来进行基础性研究，很少从城市内 部分析城市化质的时空差异、城市生态安全的时空差异、城市化与城市生态安全耦合的时 空差异。 大连市位于中国东北的最南端，东临黄海，西邻渤海，南与山东半岛隔海相望，北与 东北大陆相连，是一座三面环海的半岛城市。伴随着东北老工业基地振兴与辽宁省滨海经 济带开发，城市化发展迅速，给原有的生态环境增加了更大的压力。论文以城市化与生态 环境相互作用为主线，以地理学、环境科学、地理信息科学、生态学和社会学等学科的相 关理论为支撑，采用理论研究与实证分析相结合的方法，深入研究大连市城市化进程与生 态环境安全相互作用的基础上，实证研究城市化与生态环境安全之间的时空交互耦合机制 及其规律性，并在此基础上，探索解决城市化与生态环境安全之间矛盾的方法和提出大连 城市与生态环境安全可持续发展的对策措施。论文研究的主要内容： ( 1 ) 城市化与城市化测度研究 对城市化的狭隘认识导致城市化和城市化测度研究落后于城市化的发展。主要表现在 下面几个方面：城市地表过程营力一城市化研究存在概念上的误区；城市化水平测度缺乏 统一的、综合性的指标体系；缺乏对城市立体增长的系统性定量研究；中心城区城市化的 系统化、定量化研究亟待加强。对城市化的理论与城市化的测度研究是论文研究的重点部 分。 ( 2 ) 城市生态安全与城市生态评价 城市生态系统是一个复杂的大系统，内部各种条件因素相互联系，相互作用，为了尽 可能理清各因素之间的关系，论文采用d p s i r m 模型框架研究城市生态安全状况。d p s i r m i 模型( d r i v i n gf o r c e p r e s s u r e - s t a t e - i m p a c t - r e s p o n s e - m a n a g e m e n t ，驱动力一压力一状态一影响一 响应一管理) 是一种因果网络模型，是论文研究的重要部分。 ( 3 ) 空间信息矢量网格系统 空间信息矢量网格s l v g ，结合时空耦合评价模型是研究城市化、城市生态安全、及 城市化与城市生态安全时空耦合研究的基础，是论文研究的重要内容。 ( 4 ) 城市化与城市生态安全耦合模型 城市化与生态环境耦合协调度就是衡量城市不同发展阶段，在城市发展这一大系统 中，城市与生态环境这两个子系统的耦合程度，是论文的核心部分内容。 ( 5 ) 多约束性地理元胞自动机( c e l l u l a r a u t o m a t a , c a ) 与城市化、城市生态安全 利用多约束性地理元胞自动机c a 与g i s 结合来模拟城市化与城市生态安全空间演 变，通过一定的约束条件来调控和优化城市的发展，技术可行性好，同时具有重要的现实 意义。多约束性地理元胞自动机c a 结合g i s 与城市化与城市生态安全耦合是论文研究的 核心部分内容。 ( 6 ) 城市化与城市生态安全耦合与城市可持续发展研究 通过大连市城市化与城市生态安全耦合特征，为城市的可持续发展提供空间决策和智 力支持，是论文研究的重要内容。 关键词：城市化；城市生态安全；空间信息矢量网格；耦合；城市梯度 t h er e s e a r c ho nc o u p l i n gu r b a n i z a t i o na n du r b a n e c o l o g i c a ls a f e - - t h e c a s eo fd a l i a n a b s t r a c t ： t og r e a t l yp r o m o t eu r b a n i z a t i o ni sap r e f e r r e ds t r a t e g yi nm a n yd e v e l o p i n gc o u n t r i e s , b u t t h ee c o l o g i c a lp r o b l e m sc a u s e db yr a p i du r b a n i z a t i o nc o n c e r nt h es o c i e t y e c o l o g i c a ls e c u r i t y h a sd r a w nh i g ha t t e n t i o no ft h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t y t h e r ei sac o u p l i n ga n dc o e r c i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nu r b a n i z a t i o na n du r b a ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h i sk i n do fc r o s s - c o u p l i n g r e l a t i o nc a nb er e g 肿d e da sa no n - l i m i t sa n dn o n - e q u i l i b r i u md y n a m i cf l u c t u a t i n gs y s t e mw i t l l n o n - l i n e a ri n t e r a c t i o na n ds e l f - o r g a n i z a t i o nc a p a b i l i t y h o wt oc o o r d i n a t et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nu r b a n i z a t i o na n dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n th a sb e c o m eam a j o rc o n c a , o r nf o ra c a d e m i c c o m m u n i t i e sa n dg o v e r n m e n td e c i s i o n - m a k i n gd e p a r t m e n t s a tp r e s e n t , s c h o l a r so fd i f f e r e n tp r o f e s s i o n a lb a c k g r o u n d s ，f r o mb o t hh o m ea n da b o a r d , t e n dt of o c u st h e i rs t u d i e si nt h i sf i e l df r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t sl i k ea p p l i e dr e s e a r c ho fu r b a n d e v e l o p m e n t , i n t e r n a lc i t ye c o l o g i c a le n v i r o n m e n t , u r b a ne c o l o g i c a ls y s t e ma n de v a l u a t i o no f u r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t yv u l n e r a b i l i t y f e wo ft h e mc o m b i n ea n dc o u p l es p a t i a l l ya n d t e m p o r a l l yt h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s so fe c o l o g i c a ls e c u r i t y t o g e t h e r , f r o mt h ea s p e c to fm u l t i - c o 鼬t st oe c o - e n v i r o n m e n t a ls a f e t y , a n dd oe l e m e n t a r y s t u d i e si nt h i sf i e l d a n df e wd oa n a l y s e sf r o mt h ei n t e r n a lo ft h ec i t yt h es p a t i a la n dt e m p o r a l d i f f e r e n c e so fu r b a nq u a l i t y , u r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t y , a n dc o u p l i n gb e t w e e nu r b a n i z a t i o na n d u r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t y d a l i a nc i t y , w h i c hi sl o c a t e da tt h es o u t h e r nt i po fn o r t h e a s tc h i n a , n e i g h b o r i n gt h ey e l l o w s e at ot h ec a s ta n db o h a is e at ot h ew e s t , f a c i n gs h a n d o n gp e n i n s u l aa c r o 鼹t h es e a , c o n n e c t e d t on o r t h e a s tc h i n a , i sap e n i n s u l ac i t ys u r r o u n d e do nt h r e es i d e sb yt h es e a a l o n gw i t ht h e r e v i v a lo fn o r t h e a s to l di n d u s t r i a lb a s ea n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o a s t a le c o n o m i cb e l ti n l i a o n i n gp r o v i n c e ，t h ec i t yi se n j o y i n gaf a s tu r b a n i z a t i o n , w h i c hh a sb r o u g h tg r e a t e rs t r e s st o t h eo r i g i n a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t a k i n gt h em u t u a le f f e c t so fu r b a n i z a t i o na n de c o l o g i c a l e n v i r o n m e n ta sm a i nt h r e a d , c o r r e l a t i v et h e o r i e so fg e o g r a p h y , e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ， g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns c i e n c e ，e c o l o g ya n ds o c i o l o g y , e t ca ss u p p o r t , t h i st h e s i sa d o p t sa c o m b i n a t i o nm e t h o do ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de m p i r i c a la n a l y s i s ，a n do nt h eb a s i so fs t u d y i n g t h em u t u a le f f e c t so fu r b a n i z a t i o no fd m i a nc i t ya n di t se c o l o g i c a ls e c u r i t y , s t u d i e se m p i r i c a l l y s p a c e - t i m em u t u a lc o u p l i n gm e c h a n i s mb e t w e u r b a l l i z a t i o na n de c o l o g i c a ls e c u r i t ya sw e l la s i t sr e g u l a r i t y a n do nt h i sb a s i s t h et h e s i sa t t e m p t st op r o p o s es o l u t i o n st ot h ec o n f l i c t sb e t 、嘲 u r b a n i z a t i o na n de c o l o g i c a ls e c u r i t y , a n dr e a l i z et h ec o r m s ；p o n d i n gm e a s u r e so fd a l i a nf o ra s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fb o t ht h ec i t ya n di t se c o l o g i c a ls e c u r i t y t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e s ： ( 1 ) r e s e a r c ho f u r b a n i z a t i o na n du r b a n i z a t i o nm e a s u r e m e n t 啊幢l l a r l d wu n d e r s t a n d i n go fu r b a n i z a t i o nl e a dt ot h ef a c tt h a tt h er e s e a r c ho fu r b a n i z a t i o n a n du r b a n i z a t i o nm e a s u r e m e n ti sm u c hb e h i n dt h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n i tc a nb e n f r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：u r b a n $ u r f a c 2p r o c e s sc a m ps t r e n g t h - t h em i s u n d e r s t a n d i n g si nt h e c o n c e p to fu r b a n i z a t i o m l a c ko fau n i f i e da n dc o m p r e h e n s i v ei n d i c a t o rs y s t e mf o ru r b a n i z a t i o n m e 嬲u r m n e n t ：l a c ko fas y s t e m a t i cq u a n t i t a t i v er e s e a r c ho ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lg r o w t ho ft h e c i t y ；t h es y s t e m a t i c 。q u a n t i t a t i v er e s e a r c ho fu r b a n i z a t i o no fc e n t r a lu r b a na r e as h o u l db e s t r e n g t h e n e d s e a r c ho nt h e o r i e so fu r b a n i z a t i o na n di t sm e a s u r e m e n ti st h ef o c u so ft h i st h e s i s ( 2 ) u r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t ya n du r b a ne c o l o g i c a le v a l u a t i o n u r b a ne c o s y s t e mi sac o m p l e xa n dl a r g e s c a l es y s t e m , i n s i d ew i t c ht h ef a c t o r sa n d c o n d i t i o n sa 糟c o n n e c t e dw i t ha n da f f e c te a c ho t h e r i no r d e rt om a k et h er e l a t i o n s h i pb e t 、) l ，e e n v a r i o u sf a c t o r sa sc l e a ra si tc o u l db e ，t h et h e s i sa d o p t st h ed p s i r mm o d e lt os t u d yt h eu r b a n e c o l o g i c a ls e c u r i t y s i t u a t i o nd p s i r mm o d e lt h a ti s d r i v i n g f o r c e p r e s s u r e - s t a t e - l m p a c t - r c s p o n s e m a n a g e m e m ，t h ed r i v i n gf o r c e p r e s s u r e s t a t e i m p a c t r e s p o n s e m a n a g e m e n t , i sac a u s a ln e t w o r km o d e l a n di sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h et h e s i s ( 3 ) s p a t i a li n f o r m a t i o nv e c t o rg i r ds y s t e m s p a t i a li n f o r m a t i o nv e c t o rg i 】溅c o m b i n e dw i t hs p a t i a la n dt e m p o r a lc o u p l i n ge v a l u a t i o n m o d e l ，i st h eb a s i s o ft h er e s e a r c ho fu r b a n i z a t i o n , u r b a ne c o l o g i c a l s e c u r i t y , a n d s p a t i a l - t e m p o r a lc o u p l i n gr e s e a r c ho fu r b a n i z a t i o na n du r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t y i ti sa l s o a l l i m p o r t a n tp a r to f t h i st h e s i s h ) u r b a n i z a t i o na n du r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t yc o u p l e dm o d e l t h ed e g r e eo fc o u p l i n gb e t w e e nu r b a n i z a t i o na n de c d l o g j i c a le n v i r o n m e n ti st om e a 踟l r et h e c o u p l i n gd e g r e eo ft h et w os u b - s y s t e m s ：t h ec i 锣a n dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti nt h el a r g e s y s t e mo ft h ec i t y sd e v e l o p m e n ti ni t sd i f f e r e n ts t a g e s ，w h i c hi st h ec o r eo ft h et h e s i s ( 5 ) c e n u l a ra u t o m a t aa n du r b a n i z a t i o n , u r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t y t ot a k ea d v a n c eo ft h ec o m b i n a t i o no fc aa n dg i st oi m i t a t et h es p a t i a le v o l u t i o no f u r b a n i z a t i o na n du r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t y , a n dt oc o n t r o la n do p t i m i z et h ec i t y sd e v e l o p m e n t t h r o u g hc e r t a i nc o n s t r a i n t sa n dc o n d i t i o n si sf e a s i b l et e c h n i c a l l ya n d o fg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t h i si sa l s ot h ec o r ec o n t e n to ft h et h e s i s ( 6 ) r e s e a r c ho fc o u p l i n gb e t w e e nu r b a n i z a t i o na n du r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t y , t h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to f t h ec i t y b a s e do nt h ec o u p l i n gf e a t u r e so fu r b a n i z a t i o na n de c o l o g i c a ls e c u r i t yo fd a l i a nc i t y , t o p “d 【ed e c i s i o n - m a k i n ga n di n t e l l e c t u a ls u p p o r tf o rt h ec i t y ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti sa n i m p o r t a n tp a r to f t h i st h e s i s k e y w o r d s ：u r b a n i z a t i o n ) u r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t y ；s p a t i a li n f o r m a t i o nv e c t o rg i r d ： 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注和致 谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示 和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：捌7 似 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有权保留并向国家 有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 大连城市化与城市生态安全耦合研究 1 绪论 工业化与城市化带来的生态环境问题已成为上世纪以来社会发展中最突出问题之一， 发展中国家尤为严重。大力提高城市化水平是许多发展中国家的首选战略，但快速城市化 引发的生态环境问题却令人担忧，生态环境安全已经引起了国际社会的高度关注。城市化 进程的快速推进是现代市场经济发展的客观要求。世界城市化给全人类带来经济和社会效 益的同时也带来许多问题，尤其是一系列的城市生态环境问题。( 周海丽、史培军等，2 0 0 3 ： 周启星、王如松，1 9 9 8 ；朱坦等，2 0 0 5 ；张一平，1 9 9 8 ：杨文举等，2 0 0 2 ；s h ie ta 1 ，2 0 0 6 ； a u , 2 0 0 6 ；m 6 r t b e r ge ta 1 ，2 0 0 7 ：b l a c k ，1 9 9 9 ，2 0 0 3 ；c h e n g ，2 0 0 3 ；h a l l ，1 9 8 4 ) 城市是人口和各种经济活动最集中的一种聚居形态，是一个特殊的“自然一经济一社会 一环境一复合生态系统。它既是人类社会文明和发达的象征，也是人与自然界矛盾最突出 的区域。进入2 l 世纪，人类追求一个社会、经济、自然、环境协调发展，物质、能量、信 息高效利用，生态良性循环的聚落环境，并把目光越来越多地投向他们赖以生存的城市环 境质量上。因此，建设生态城市是全人类在2 l 世纪努力追求的一个重要目标。一般地，在 发展中国家，快速的城市化发展造成了生态环境的不断恶化，似乎二者呈线性正相关；然 而，在发达国家，虽然城市化水平很高，但生态环境却没有明显的进一步恶化，甚至还有 所改善。这就给我们提出了如下几个问题：城市化水平愈高，生态环境就愈差吗? 为了保 护生态环境，就必须控制城市发展吗? 城市化与生态环境的互动机制是什么? 是否有规律 可循? 因此，分析研究城市化与城市生态环境的互动机制，把握二者的变化规律，为生态 城市建设与科学制定城市持续发展提供科学依据，就显得尤为重要。( h e n d e r s o n , 1 9 7 4 ： h a t h o u t , 2 0 0 2 ：j o n a t h a n , 1 9 9 7 ：r i c h a r d s o n , 1 9 8 7 ：b l a n k ，2 0 0 0 ；c h a n g , 2 0 0 6 ：d o b k i n se l ： a l ，2 0 0 1 ) 1 1 研究的背景及意义 改革开放以来，党中央、国务院非常重视生态环境保护工作，制定了法律，设置了机 构，逐步增加了环境保护和治理的投入，加大了对重点区域综合治理的力度，一些城市和 地区生态的环境质量得到了明显的改善，环境保护工作不断取得进展。但是，由于经济快 速增长，城市化进程的加快，增长方式粗放，资源消耗大，污染物排放总量有所增加，环 境形势依然十分严峻，城市建设面临严重的生态危机，严峻的生态环境问题已经成为制约 城市社会经济发展的瓶颈。 城市在整个国民经济中具有重要的地位和作用，全国工业、国民生产总值、国家税收 l 大连城市化与城市生态安全耦合研究 绝大部分都来自于城市。城市作为一定地域的政治、经济、文化以及社会发展起着主导作 用的区域。城市化是我国经济和社会发展规划的重大发展战略之一。我国处于城市化发展 的加速时期，需要转移大量的资源、人口为支撑，极大削弱了生态环境的承载力。城市化 以及城市化带来的序列生态环境问题是全球共同关注的一个焦点。国家环保总局发布的 2 0 0 7 年中国环境状况报告中：地表水污染形式依然严峻，七大水系总体为重度污染，近海 岸海域总体为轻度污染；城市质量总体良好，但部分城市污染仍然较为严重，酸雨分布区 域保持稳定；全国城市生态环境质量总体稳定，生态环境总体稳定，但部分城市生态环境 质量退化。 目前，我国的生态环境形势令人担忧，生态恶化的趋势尚未得到根本扭转，国家生态 安全面临前所未有的挑战。环境污染严重，危害人民群众身体健康。物种资源破坏，制约 人类社会长远发展。自然灾害频频发生，造成了生命财产重大损失。尽管造成城市生态环 境的因素是多方面的，但是从城市化与城市生态安全的角度，实证研究大连城市化与城市 生态安全耦合，深入分析大连城市化与生态环境相互作用的机理与规律，提出有效的措施， 具有很强的现实意义： 有利于合适的城市化发展战略的制定； 有利于城市生态环境保护政策和措施的制定； 有利于大连城市化与生态环境协调发展：大连自然一经济一社会一环境协调发展。 通过系统分析城市化与生态环境耦合机理及其发育规律，提出相应的对策，在理论研 究意义： 丰富城市可持续发展研究的内容： 通过对城市化与生态环境耦合机理及发育规律的揭示，为城市的空间布局提供空间决 策和智力支持，进一步明确城市可持续发展的方向和研究重点，丰富了城市可持续发展研 究的内容： 丰富城市化与城市生态安全耦合理论研究： 城市梯度、空间信息矢量网格s i v g 、c a 与耦合协调理论相结合，研究城市化与城市 生态安全的时空耦合，丰富城市化与城市生态安全耦合理论研究； 丰富城市化与城市生态安全研究的技术方法： 以d p s i r m 模型、城市梯度模型、空间信息矢量网格s i v g 为基础，运用约束性地理 元胞自动机c a 结合地理信息系统和遥感技术动态分析城市化与城市生态安全时空演变与 动态模拟，丰富了城市化、城市生态安全以及城市化与城市生态安全研究的技术方法。 2 大连城市化与城市生态安全耦合研究 1 2 城市化与城市生态安全研究进展 1 2 1 国外研究进展 城市化引发的城市生态环境问题早已引起人们的注意。1 9 世纪末期，英国学者h o w a r d 著述田园城市，试图用理性的规划方法来协调城市化与城市生态环境之间的发展。然 而真正以专题形式来研究它们的关系是从2 0 世纪中期开始的。自从2 0 世纪初欧洲学者运 用生态学方法在城市健康、土地及社会分层研究中取得成功以来，城市化与人类聚居问题 一度被列入联合国人与生物圈m a b ( m a na n dt h eb i o s p h e r ep r o g r a m m e ) 计划的子项目当 中，其研究激起了全球研究者的广泛关注( 杨士弘，2 0 0 3 ；史作民等，1 9 9 6 ) 。2 0 世纪8 0 年代后，城市可持续发展及生态环境评价的研究热潮高起，城市化及其生态环境问题几乎 都围绕着生态城市、城市可持续研究而展开，多学科、多角度、多层次、多种方法综合， 研究城市化与城市生态环境。根据国外对此问题关注的程度差异大致可以将其研究历程划 分为三个阶段( m a s a h i s ，1 9 8 9 ：刘力，2 0 0 1 ) ： ( 1 ) 尝试研究阶段。1 8 世纪工业革命后，人口大量向城市集中，城市自然环境发生 了巨大的变化，促使人们开始关注其生存的环境，城市化与其生态环境的关系问题开始引 起各学科的广泛关注。城市规划学家首先从规划角度尝试解决此问题，1 8 9 8 年h o w a r d 的 “田园城市 理念激起了规划学界的广泛关注。1 9 0 4 和1 9 1 5 年g e d d e s 相继出版了城市 开发、 进化中的城市，使社会学家融入人地关系的研究当中。1 9 2 5 年p a r k 城市的 发表，意味着生态学对城市问题的重视。充分利用生态学和社会学的原理将城市化外部生 态问题的研究转向城市内部社会空间结构和土地利用方面，城市化及其生态环境问题的生 态学研究方法成为主流。在实践方面，f i t t e r 和j o v e ( 分别从生态规划的角度研究了伦敦和 巴黎等城市的过度城市化与城市生态环境演替关系问题。 ( 2 ) 深入研究阶段。r c a r s o n ( 1 9 6 2 ) 寂静的春天和m a c n a r g ( 1 9 6 9 ) ( d e s i g nw i t h n a t u r e ) ) 发表，特别是1 9 7 2 年联合国科教文组织u n e s c o ( u n i t e dn a t i o n se d u c a t i o n a l s c i e n t i f i ca n dc u l t u r a lo r g a n i z a t i o n ) 制定了m a b 研究计划，其中人类聚居地的综合生态研 究被列为重点项目，从此城市化与生态环境关系的研究在国际学术团体和非官方组织之间 积极展开。m e a d o w s ( 1 9 7 2 ) 的赫斟i匕薪斋安碍= 般鬻赫斟窘茹漭斋_库 一一 旰耕翼游薪鬻t匕_库 一一 ； 一一 一罔围同围罔图冈国口崮田广_1- 一 皤国禽细擀脚盈莽 时国言细肃呻盈蔚 一 篱斟i匕浆玲簿精孺 赫哥晦讲嫩吩巢玲群精_库 皤舀串葺 一赫斟窘蒜河蒋睦 蔫斟降讲嫩蛉瑙$藩瞠一 时国冷薄 赫斟i匕毒时冷枷 霉皤翥玲瓣睦 赫 吾 窘 打 赫 吾 睇 考 ) 畸 岭 斌 菇 莓11i旰豺炮蛉耳皤串韧 赫 鲁 安 打 落 云 旰 棼+ 炮 誊 n 箸 鎏 i；li一 赫哥窘灯赫哥噼崭蚺蛉到寺卖沸潮 圜h章凑游*星各戋圃 啊蟾_1110 a蟹￥叶of口置再矗臻 大连城市化与城市生态安全耦合研究 2 城市化测度、城市生态安全评价与数据库 2 1 城市化与城市化生态安全指标体系选取 在联合国推荐了指标体系后，指标体系便成了各国学者关注的热点。从论文第1 部分分 析，尽管城市化与生态环境分属于了两个系统，但由于人类生活的物质性及活动的多样性， 城市化与生态环境很难客观区分，它们及其子系统、要素之间已经形成相互作用、相互连接、 相互影响的复杂关系。论文从人地关系理论出发，分别构建城市化与生态环境指标体系，然 后对二者之间的关系分析与评价，所以指标体系的建立就成为研究城市化与生态环境耦合的 基础性工作。在遵循科学性、可操作性、完备性、动态性、主成份性和独立性等原则的基础 上，我们分别采用频度统计法、理论分析法、专家咨询法对指标进行设置和筛选。城市化、 城市生态安全的指标选取，城市化、城市生态安全指标体系的筛选流程如图2 所示。 图2 城市化与城市生态安全指标筛选流程 f i g 2s e l e c t i o nf l o wo f i n d i c a t o r so f u r b e n i z a f i o na n du r b a ne c o l o g i c a ls e c u r i t y 2 2 城市化与城市生态安全指标空间分析模型与标准化方法 2 2 1 城市化与城市生态安全指标空间分析模型 论文中城市化与城市生态安全指标空间分析模型是基于规则网格的空间差值模型，实现 软件为v e r t i c a lm a p p e r 3 5 地理信息系统软件；赋值模型采用m a p b a s i c 9 软件以及c 群实现；基 1 6 大连城市化与城市生态安全耦合研究 础地理信息系统软件平台采用m a p i n f 0 9 5 ，编程语言采用c 撑实现。空间分析模型如表3 所示， 空间插值方法的速度限制因素与准确性如表4 所示。 表3 城市化与城市生态安全指标空问分析模型 t a b 3s p a c i a ia n a l y s i sm o d e lo fu r b a n i z a t i o na n du r b a n o i 晒c a ls e c u r i l y 模型类型模型名称模型适用的数据类型 距离反比权重模型( m w )连续的空间数据 克里金( i 讲g i l 呜) 连续的空间数据 不规则三角网( t 矾)连续的空间数据 规则网格空间插值模型 自然临近插值法( n n )连续的空间数据 定点区域估计方法连续的空间数据 四边形法( b i l i n e e r ) g u l u r 连续的空间数据 至问相互孑i 角模型 h i f f 模型连续的空间数据( 商业) 高程赋值模型批量处理等高线 赋值模型 单元赋值模型批量处理空间信息矢量网格 ( 来源于v e r t i c a lm a p p e ru s e rg u i d e ，2 0 0 4 ) 表4 空间插值方法的速度限制因素与准确性 t a b 4l i m i t i n gf a c t o r so f s p e e da n da c c u r a c yo f s p a t i a li n t e r p o l a t i o n 空间插值方法运算速度限制因素准确性 不规则三角网( 1 1 n )快无 准确 距离反比权重模型( i d w ) 快 搜索半径和显示半径的大小 不是很准确 四边形法( b i l i n e e r ) r e c t a n g u l a r 很快 搜索半径的大小 准确 一百然临近插值法( n n )慢点的空间分布情况准确 克里金c k n g i n g ) 慢方向分析的数量不是很准确 空间相互作用模型快搜索半径和显示半径的大小不是很准确 ( 来源于v e r t i c a lm a p p e ru s e rg u i d e ，2 0 0 4 ) 2 2 1 1 整体插值 所谓整体内插，就是在整个区域用一个数学函数来表达地形曲面，如图3 所示。整体内 插函数通常是高次多项式，要求地形采样点的个数大于或等于多项式的系数。当地形采样点 的个数与多项式的系数相等时，这时能得到一个唯一的解，多项式通过所有的地形采样点， 属纯二维插值；而当采样点个数多于多项式系数时，没有唯一解，这时一般采用最小二乘法 求解，即要求多项式曲面与地形采样点之间差值的平方和为最小，属曲面拟合插值或趋势面 插值。从数学角度讲，任何复杂曲面都可由多项式在任意精度上逼近，但由于以下原因，在 d t m 内插中整体内插并不常用： 整体内插函数保凸性较差； 1 7 大连城$ 化与城市生态喜奎耦台研究 圈3 整体自插 f i g 3l n k g h i n t e r p o l a t i o n 0 不容易得到稳定的数值解； o 多项式系数物理意义不明显： 0 解算速度慢且对计算机容量要求较高； 不能提供内插区域的局部地形特征。 整体内插函数常常用来揭示整个区域内的地形老观起伏态势。在d t m 内插中，般是 与局部内插方法配合使用，例如，在使用局部内插方法前，利用整体内插去掉不符合总体趋 势的宏观地物特征。另外，也可利用它来进行地形采样数据中的粗差检测。 2 2 1 2 局部分块内插 利用数学曲面来模拟实际地形表面，是地形表达的一个常用的手段。例如一阶线性平面 可模拟具有单一坡度的斜坡地形表面二次曲面方程可表达山头、洼地区域，而三次曲面则 能描述较为复杂的地形曲面。虽然低阶多项式可表达各种地形曲面，但一个地区却常常包含 各种复杂的地貌形态，简单的曲面并不能很好的表达这些地形曲面。理论上任何复杂的曲面 部可用多项式进行逼近，由于高阶多项式的上述缺点，它也不是理想的地形描述工具。解决 这类问题的办法就是采取分而治之的办法，即将复杂的地形地貌分解成一系列的局部单元 在这些局部单元内部地形曲面具有单一的结构，由于范围的缩小和曲面形态的简化，用简单 曲面就可较好的描述地形曲面。 将地形区域按一定的方法进行分块，对每一块根据地形曲面特征单独进行曲面拟合和高 程内插，称为d t m 分块内插( 图4 ) 。区域分块简化了地形的曲面形态，使得每一块都可用 不同的曲面进行表达但随之而来的是如何进行分块和如何保证各个分块之问的曲面的连续 性。一般的可按地形结构线或规则区域进行分块，而分块大小取决于地形的复杂程度、地形 1 8 大连城市化与城市生态安全相晗研究 采样点的密度和分布；为保证相邻分块之间的平滑连接，相邻分块之间要有一定宽度的重叠， 另外一种保证分块之间的平滑连接的方法是对内插曲面补充一定的连续性条件。 图4 局部分块内插 f 嘻4b l o c ki n t e r p o l a t i o n 不同的分块单元可用不同的内插函数，常用的内插方法有线性内插、双线性内插、多项 式内插、样条函数内差、多层曲面叠加法等。 线性内插和双线性内插 形如h = 戤+ 砂+ c 的多项式称为线性平面，它将分块单元内部的地形曲面视为平面。如 果在线性多项式中增加了交叉项拶，线性内插则变成双线性内插：h = 饿+ 砂+