基于VW-LCA模型的宝鸡市辖区城镇建设用地扩张模拟研究

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城镇建设用地扩张是不断推进城镇化建设的必然结果,持续扩张会导致其他土地利用类型的转变,各种土地利用类型之间相互竞争,造成人地关系紧张,若不能合理、有效地控制和规划城镇建设用地扩张,势必引发诸多社会和环境问题,造成不必要的损失。自西部大开发战略和建设关中-天水经济区战略实施以来,西部地区逐渐形成了以西安为中心,宝鸡为副中心的城市发展格局。随着关中平原城市群发展规划的落地实施,未来西安将发展成为国家中心城市,而新的关中城市群发展格局也将逐渐形成。优化城市规模结构,提升人口和经济集聚水平,建设功能完备的城镇体系成为关中平原各城市建设的重中之重,宝鸡市也将迎来规模更大、速度更快的城镇化发展,然而宝鸡市辖区地形复杂,城市发展空间不足,资源环境承载能力逐渐减弱,使得宝鸡市辖区城市发展面临巨大挑战。因此优化城市发展格局,对城镇建设用地扩张实施科学地模拟与预测,推动城镇建设用地合理扩张成为研究的重点和热点。本研究以逻辑回归元胞自动机(Logistic Cellular Automata,LCA)模型、遗传算法和变权综合理论为基础,结合宝鸡市辖区发展规律和特点,构建基于可变权重的逻辑回归元胞自动机(Variable Weights Logistic Cellular Automata,VW-LCA)模型。VW-LCA模型的核心功能基于.NET平台进行二次开发实现,以2005年、2010年和2015年的宝鸡市辖区土地利用数据为基础,集成自然环境、社会经济等多源、多时段数据,通过对比分析LCA模型和VW-LCA模型的模拟结果,验证改进模型的可行性和有效性,最后模拟宝鸡市辖区2020年城镇建设用地扩张情景,分析宝鸡市辖区未来城镇建设用地扩张特征和城市发展趋势。通过理论分析和实证研究,本研究得到的主要结论有:(1)LCA模型是研究城镇建设用地扩张的有力工具,能根据自然环境和社会经济等影响因子模拟出较为合理的城镇建设用地扩张边界。研究中使用LCA模型模拟了 2010年至2015年的城镇建设用地扩张,其总体精度和Kappa系数分别为98.77%和0.982,FoM精度值为0.042,各项指标说明该模型用于研究宝鸡市辖区城镇建设用地扩张具有一定的合理性。(2)遗传算法和变权综合理论相结合,并集成多源、多时段数据改进LCA模型,具有可行性和有效性。对比VW-LCA模型和LCA模型2015年城镇建设用地扩张的模拟结果,表明VW-LCA模型能更好的反映宝鸡市辖区城镇建设用地扩张情况。研究中采用相同的参数设置VW-LCA模型和LCA模型,其中VW-LCA模型模拟2010年至2015年宝鸡市辖区城镇建设用地扩张的总体精度和Kappa系数分别为98.79%和0.983,FoM精度值为0.150。从数值上来看,VW-LCA模型的总体精度比LCA模型高0.02%,Kappa系数比LCA模型高0.001,FoM精度值比LCA模型高0.108。不管是LCA模型还是VW-LCA模型,模拟的总体精度和Kappa系数都比较高,原因是宝鸡市辖区内城镇建设用地面积仅为全域的3%,而占主要地位的林地、草地和耕地相对变化较小。由于FoM精度值表征的是变化区域的信息,其值能相对准确地反映该情景下模型模拟的精度。由此可知,VW-LCA模型的模拟效果比LCA模型更好。(3)宝鸡市辖区城镇建设用地扩张经历了由快速到放缓的过程,2010年至2015年间增速最高达20.17%,沿渭河两岸“一带两翼”式发展格局突出,2015年至2020年,各区城镇建设用地扩张逐渐放缓。城镇建设用地扩张的平均中心逐渐向东、向南转移,扩张趋势上西部地区拉动整体向渭河沿岸靠拢,促使金台、渭滨两区均衡发展,而中东部地区沿渭河两岸向东扩张。除此之外,趋势椭圆逐渐向内收缩,表明宝鸡市辖区城市空间发展更加强调优化和集聚。景观格局分析结果表明,宝鸡市辖区内城镇建设用地的斑块数量先增多后减少,在快速发展阶段新的工业园区逐渐形成,片区式发展特征明显,而后期注重优化布局使斑块数量减少。城镇建设用地的最大斑块指数和聚集程度逐步降低,而均匀性指数逐步提高,说明宝鸡市辖区城市空间扩张速度明显同时更加注重均衡性。(4)使用VW-LCA模型对宝鸡市辖区2020年城镇建设用地扩张情景进行模拟,结果表明,未来宝鸡市辖区发展将更加注重结构优化和布局,扩张速度将逐渐放缓。通过对宝鸡市辖区未来城镇建设用地模拟结果的统计和趋势分析,可以看出宝鸡市中心城区的发展由“更快”逐渐转变为“更好”,城市空间集聚性越来越高,城市中心逐渐南移,城市空间发展整体呈现“东扩南移”的特点,符合城市发展规划战略目标。由此可见,通过逐步调整宝鸡市辖区将发展为市域中部城镇发展带,带动其他地区的协调发展。
摘要第3-5页
Abstract第5-7页
第1章 绪论第11-21页
    1.1 研究背景与研究意义第11-13页
        1.1.1 研究背景第11-12页
        1.1.2 研究意义第12-13页
    1.2 国内外研究综述第13-19页
        1.2.1 城镇建设用地扩张机制研究综述第13-14页
        1.2.2 城镇建设用地扩张模拟研究综述第14-16页
        1.2.3 元胞自动机模型研究综述第16-18页
        1.2.4 研究评述第18-19页
    1.3 研究内容、方法与技术路线第19-21页
        1.3.1 研究内容第19页
        1.3.2 研究方法第19-20页
        1.3.3 技术路线第20-21页
第2章 研究区概况与数据处理第21-29页
    2.1 研究区概况第21-25页
        2.1.1 地理位置第21-22页
        2.1.2 地形地貌第22页
        2.1.3 交通地位第22-24页
        2.1.4 水文气候第24页
        2.1.5 经济发展第24-25页
    2.2 数据来源及处理第25-29页
        2.2.1 数据来源第25-26页
        2.2.2 数据处理第26-29页
第3章 基础理论与方法第29-39页
    3.1 人地关系理论第29-31页
        3.1.1 基本特征第29-30页
        3.1.2 基本结构与原理第30-31页
    3.2 元胞自动机模型第31-33页
        3.2.1 元胞第32页
        3.2.2 元胞状态第32页
        3.2.3 邻域第32页
        3.2.4 转换规则第32-33页
    3.3 逻辑回归元胞自动机模型第33-34页
    3.4 变权综合理论第34-36页
    3.5 遗传算法第36-39页
第4章 VW-LCA模型的构建与实现第39-45页
    4.1 VW-LCA模型的框架第39-40页
    4.2 VW-LCA模型的校验方法第40-41页
    4.3 VW-LCA模型的实现第41-45页
第5章 宝鸡市辖区城镇建设用地扩张模拟与分析第45-63页
    5.1 适宜性因素分析第45-49页
        5.1.1 影响因子相关性分析第46-48页
        5.1.2 影响因子筛选第48-49页
    5.2 空间规划与约束分析第49-51页
    5.3 城镇建设用地扩张模拟第51-55页
        5.3.1 参数体系建立第51页
        5.3.2 模拟结果与验证第51-55页
    5.4 城镇建设用地扩张分析第55-63页
        5.4.1 城镇建设用地扩张统计分析第56-58页
        5.4.2 城镇建设用地扩张趋势分析第58-61页
        5.4.3 城镇建设用地扩张景观格局分析第61-63页
第6章 结论与展望第63-67页
    6.1 主要结论第63-65页
    6.2 论文创新点第65页
    6.3 研究不足与展望第65-67页
参考文献第67-73页
附录第73-77页
致谢第77-79页
攻读学位期间研究成果第79页
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