基于多源遥感数据的京津冀城市群城市环境动态评估

基于多源遥感数据产品,利用区域环境状况综合评价指数(comprehensive environment index,CEI)评估京津冀城市群范围内2000-2020年城市环境动态,并基于Kruskal-Wallis(K-W)检验和Mann-Whitney U(M-W U)检验区分不同城市范围内环境动态的差异.研究发现,2000-2020年京津冀城市环境整体呈改善趋势,环境动态类型为相对改善和改善的面积占比分别为38.1%和28.4%.2000-2005、2005-2010和2010-2015年这3个时间段环境退化、相对退化区域的面积之和均>90%,而2015-2020年环境改善和相对改善的面积分别占比50.8%和41.7%.在这一过程中,PM2.5质量浓度的降低对城市环境的改善起主要作用.京津冀城市群范围内的老城区、新城区和城乡过渡带三者的环境动态差异显著,其中老城区以环境改善为主(66.5%),新城区和城乡过渡带的环境动态类型则多为不变(45.6%和49.3%).在未来,要继续加强京津冀生态环境联建联治,特别注重生态基础较差、环境持续退化地区的污染治理和生态建设;在城市扩张的过程中,要避免以环境污染为代价的开发和建设,打造绿色生态新城区.

中国北方未来干旱化情景下的土地利用变化模拟

目前,中国北方未来干旱化过程对土地系统的可能影响还不是十分清楚,这将在一定程度上限制中国北方土地资源的合理开发利用。因此,利用系统动力学(SD)的原理和方法,首先构建了中国北方未来干旱化过程影响下的土地利用变化系统动力学模型。进而在不同系统状态下,模拟了中国北方13省未来30年不同干旱化过程和社会经济情景共同影响下的区域土地利用结构变化过程。1989￣2001年的模型检验结果表明该SD模型具有一定的可靠性,能在一定程度上理解土地利用系统的复杂变化过程。2000￣2030年在干旱化过程转折、不明显和加速3种情景下的情景模拟结果发现,干旱化过程对中国北方未来水资源总量变化影响明显。在干旱化过程3种情景下,北方13省水资源总量从4686.17亿m3下降到3887.88亿m3,水资源正逐渐成为稀缺资源,并成为区域可持续发展的重要制约因素。在中国北方人口增加和经济发展的持续压力下,建筑用地和交通用地在未来增长迅速。城镇,交通等生活型用地与耕地资源之间的矛盾将会十分突出。因此,在未来的发展中,寻求合理的土地利用结构和格局,适应气候变化和社会经济因素的共同压力,将是中国北方区域可持续发展过程中必须面临和解决的问题。

论综合灾害风险防范模式——寻求全球变化影响的适应性对策

在评述国际上近年开展综合灾害风险研究进展的基础上,总结了笔者对综合灾害研究的一些想法与开展综合灾害风险防范的实践,提出了建立综合灾害风险防范模式,即发展区域灾害系统的理论;综合灾害脆弱性、恢复性与适应性,全面理解灾害风险的形成机制;整合政府、企业与社会减灾资源,系统集成区域减灾范式;建立巨灾风险转移机制,实现减灾由区域防范到全球防范的综合。

干旱过程对耕地自然生产功能的影响

客观评估干旱过程对耕地自然生产功能的影响有利于耕地保护中的科学决策。该文评价了干旱过程对北京耕地自然生产功能的影响。首先利用地表湿润指数来表征地表干湿程度,经Mann-Kendall方法检验出1951-2006年北京典型的干旱过程;其次利用气象数据和桑斯维特纪念模型计算了干旱过程起始和中止年份的自然生产潜力;最后分析了干旱过程对耕地自然生产潜力的影响。主要结论如下:1951-2006年,北京总体呈变干趋势,1979-1984年和1998-2006年干旱过程比较明显;1979、1984、1998和2006年北京平均自然生产潜力分别约为1043、912、1085和872g/(m2.a),其中通州区的单位自然生产潜力最大,延庆最小;干旱过程对耕地自然生产潜力影响较大,自然生产潜力总量减少量在1979-1984年超过了10%,到1998-2006年即将达到20%。因此,在耕地管理过程中,不仅要注重耕地的数量和分布,还要考虑气候波动尤其是干旱过程对耕地生产功能的影响。

中国地震灾害管理政策的演变——基于1949-2018年法律法规文件的计量分析

中国地震频发且常遭受严重的灾害损失。随着2018年中华人民共和国应急管理部的成立,及时梳理地震灾害管理政策法规的演变和总结经验教训对降低地震风险有积极意义。本文收集了1949年来511份国家层面的地震灾害管理政策文件,结合政策文献计量和定性分析方法,总结了中国地震灾害政策的阶段性特征。结果表明,以1976年的唐山地震和2008年的汶川地震为时间节点,中国的地震灾害管理政策可以分为空白阶段(1949-1976)、萌芽阶段(1977-2007)和发展阶段(2008-2018)。从政策发文部门看,2018年应急管理部成立前,中国地震应对工作呈现出临时性和政策发布零碎化的特点。从议题上看,萌芽阶段侧重震前的地震科学技术,而发展阶段更注重震时的应急管理和震后的重建,但尚未形成"震前-震时-震后"的应急管理全过程机制。未来,中国地震灾害管理应向综合风险防范转变,借应急管理部成立的契机提高防范和应对地震风险的能力,以实现防灾减灾和可持续发展并重的目标。

1992—2016年京津冀城市群城市扩展过程和驱动分析

基于长时间序列夜间灯光数据、归一化植被指数和地表温度数据,利用支撑向量机完善了京津冀城市群1992—2016年城市建设用地信息.在此基础上,采用景观扩展指数分析了城市扩展过程,并采用相关分析和Logistic回归分析模型,探讨了社会经济和地理区位因素对城市扩展的影响机制.结果表明:京津冀城市建设用地面积从1992年的1 662.8km^2增长到了2016年的9 092.5km2,年均增长速度为7.3%.京津冀城市群的城市扩展以边缘型为主.社会经济因素与城市扩展呈显著正相关,其中人民生活水平的提高与城市扩展的相关性最高.地理区位因素和政策因素也是影响城市扩展的重要因素,未来京津冀城市群的发展应重点关注空间格局和经济结构的调整,走集约发展之路,探索人口经济密集地区优化开发的模式,促进区域协调发展.

山东半岛城市扩展模式与生态足迹的关系

理解城市扩展模式与生态足迹动态之间的关系是区域可持续性研究的重要内容,对实现城市可持续发展具有重要指导意义。然而,目前对这二者关系探索的实证研究较少。以山东半岛城市群为例,掌握其2000—2010年的城市扩展模式与生态足迹动态特征,并探索二者之间的关系。采用景观扩展指数和生态足迹模型对研究区的城市扩展模式和生态足迹动态进行计算。在此基础上,将该区44个县划分为4种类型,用相关分析法对城市扩展模式和生态足迹动态的关系进行探索。结果表明,2000—2010年山东半岛城市群的城市用地面积增量加了1.2×10~5hm^2,增幅为19.4%。44个县均体现出边缘型扩展面积最大,生态赤字增加的特点,平均赤字增量为1.26 hm^2/人。垦利等27个县的外延式扩展面积与生态赤字增加量存在较显著的正相关关系,在济阳等17个县中,二者未呈现出相关关系。建议垦利、淄博和青岛等地区在未来城市发展中,控制飞地型和边缘型扩展面积总量,发展清洁能源,遏制化石能源足迹的增长趋势。

结合生态系统服务供需和人类福祉的区域规划

生态系统服务与人类福祉的和谐关系是区域规划的基石。现有的区域规划较少同时考虑生态系统服务的供需和流域居民的福祉差异。以城市化流域——官厅水库流域为例,应用改进后的CASA模型、IPCC清单法、SolVES模型和问卷调查量化食物供给、碳固持和文化服务以及人类福祉,再结合服务的供需关系及人类福祉水平开展聚类分区,并针对各区情况提出规划建议。结果显示,官厅水库流域内食物供给和文化服务供大于求,而碳固持服务供不应求。流域福祉位于中等水平,分值为3.44(满分5分)。其中,居民的基本物质需求分值最高(3.64),收入分值(3.00)明显低于流域整体水平。除此之外,居民认为供水、医疗条件和收入这些福祉要素仍有待改善。流域可分为城市发展区、城郊休闲区、生态涵养区和文化建设区。在各区需采用因地制宜的方式,通过增大植被覆盖面、开展文旅产业和推动冰雪项目等形式,提高居民生活质量和维持区域可持续性。

基于Google Earth Engine平台的官厅水库流域开放水体动态研究

利用二阶段城市水体指数(two steps urban water index)结合地形坡度掩膜方法,基于Google Earth Engine(GEE)平台调用了5196幅Landsat影像,提取并分析了官厅水库流域1987-2018年长时间序列的开放水体动态.水体提取总体精度达到93.5%,Kappa系数达到0.871,提取的开放水体可用于动态分析.在此基础上,基于分段线性回归,将1987-2018年官厅水库流域开放水体面积划分为缓慢上升、快速下降和迅速回升3阶段的变化.相应地,1987-1996、1997-2010和2011-2018年水体面积年均变化量分别为5.50、-7.45和15.19 km^(2).年均降水量的变化是官厅水库流域开放水体面积变化的重要影响因素,一元线性回归决定系数为0.29(P<0.01).1997年后,流域水体面积变化受人类用水增加及土地利用变化的影响增强.研究结果可为城市化背景下区域水资源保护,促进区域可持续发展提供借鉴.

中国建成区植被变绿趋势识别及对比分析

基于2001−2020年增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI),利用曼-肯德尔(Mann-Kendall,M-K)检验与泰尔指数,分析中国老城区(2000年已成为建成区)与扩展区(2000−2016年新增建成区)的植被变绿趋势,以及在不同气候变化区植被变绿趋势的差异.研究发现:1)中国约20%(17290 km^(2))的建成区植被呈显著变绿趋势.其中华东−华中湿暖趋势带的建成区植被变绿面积,占中国建成区植被总变绿面积的46.61%,30个省级行政区10%以上的建成区植被呈显著变绿趋势.2)在老城区与扩展区的植被变绿趋势的对比上,老城区的植被显著变绿,扩展区的植被微弱变绿,老城区的植被变绿面积(13474 km^(2))是扩展区植被变绿面积(3818 km^(2))的3.5倍多.不同气候变化区的植被变绿趋势差异表明,需要因地制宜地应对气候变化对城市建成区植被生长的影响,重视西南−华南干暖趋势带的供水设施建设,保证植被的生长需求.

全球城市扩展模拟数据集(1992-2050)

全球城市扩展数据是开展全球城市扩展过程及其影响与优化研究的基础,但现有数据未有效区分城乡建设用地,导致相关研究结果存在较大不确定性。本文复合全球建设用地数据和全球城市中心位置数据重建了全球1992–2020年逐年城市扩展过程,利用土地利用情景变化动力学-城市(Land Use Scenario Dynamics-urban,LUSD-urban)模型分区模拟了5种共享社会经济路径下全球2020–2050年城市扩展过程,构建了一套有效区分城乡建设用地且连续可比的全球城市扩展数据集。精度评价表明该数据集准确可靠,模型模拟结果的Kappa系数为0.88、FoM为0.23。本数据集包含1992–2020年逐年全球历史城市建成区范围和2021–2050年逐五年全球未来城市建成区范围,数据集的空间分辨率为1 km,存储格式为.tif。数据量为498 MB,压缩后为23.7 MB。

城市扩展多尺度驱动机制分析——以北京为例

厘清土地利用变化与其驱动力之间的关系,是土地利用变化研究的核心,也是建立变化模型和定量预测的基础。以北京为研究案例,基于遥感影像和GIS技术,获取了1991—2004年北京城市扩展信息,定量分析比较了1991—2004年北京地区面状、线状和点状三种城市扩展空间过程。并从宏观、中观和微观三个尺度上,分析了北京城市扩展过程的驱动机制。结果表明:①城镇用地扩展过程显著,城镇用地在区域总面积中所占比例从1991年的9.80%增长到2004年的17.93%;②城市化过程,主要表现为点状、线状和面状城市化三种基本模式;③宏观、中观和微观三层次的驱动因子影响城市扩展过程。宏观尺度上,城市规划,土地利用政策等政府行为和过去三千年城市发展形成的旧有城市格局从根本上决定了现代北京城市发展的基本风貌和格局;在中观尺度上社会和经济因素为城市扩展提供了驱动力,最明显的是人口增长和人民生活水平的提高;微观尺度的地形、区位和交通限制决定了城市扩展的可能性,最利于城市扩展的因子是距高速公路的距离。三者综合作用的结果是1991—2004年北京城市化强度出现一个先增长后减小的发展趋势。

气候干旱和经济发展双重压力下的北京水资源承载力变化情景模拟研究

水资源是人与其他生命系统不可缺少的一种宝贵资源，是社会经济发展的基本支撑条件。通过影响农业生产、工业生产、居民生活和环境质量，水资源影响着城市的社会经济水平。在改革开放以来的30年内，北京经历了快速的国民经济发展，但这也对水资源造成了更大的压力，使得北京成为世界上严重缺水的大城市之一。由于未来的经济和人口发展规划对水资源供给提出更高的要求，因此，论文利用系统动力学（SD）的原理和方法，首先构建了气候干旱和经济发展双重压力下的北京水资源承载力模型，进而在中国北方干旱化大背景和北京城市规划目标的基础上，设计了规划发展情景、气候干旱情景和适应对策情景并进行了模拟分析。1990-2005年的模型检验结果表明该SD模型具有一定的可靠性，能在一定程度上模拟北京水资源的复杂变化过程。2006-2020年的模拟结果显示气候干旱下北京水资源可供应量减少到29.88×10^8m^3，比起2005年减少了7.62%，远低于按规划目标发展下的水资源需求量52.83×10^8m^3。在水资源的约束下，人口和经济发展受到限制，北京可承载农业总产值、工业总产值和人口分别为128.05×10^8元、3152.69×10^8元和1167.18×10^4人，远低于北京城市总体规划设想。比较3种适应对策，开展调水工程对人口承载力影响最大，依靠科技进步对经济发展影响最大，产业结构调整的作用比较小。综合各种适应对策和气候干旱作用之后，水资源可供应量、人口和经济发展承载量接近或超过规划目标要求。

环渤海地区三大城市群城市规模分布动态比较——基于1992—2012年夜间灯光数据的分析和透视

利用从DMSP/OLS夜间灯光数据中获取的1992—2012年城市用地信息,以城市首位度、城市基尼系数、位序—规模法则等理论方法为基础,系统比较了环渤海湾地区三大城市群城市规模时空动态特征。结果表明:1环渤海地区三大城市群1992—2012年城市用地规模及其等级都在迅速扩张与提升,首位城市的辐射带动作用都仍需进一步加强,城市群内各城市之间城市用地规模差异都在不断缩小,城市用地规模分布总体上都在日趋平衡。2京津冀城市群中"多中心"发展模式初显,城市用地规模分布最为集中,高位序城市突出而中小城市发育不够;山东半岛城市群呈"双核"发展模式,城市用地规模分布最为平衡,高位序城市不够突出而中小城市发育相对较好;辽中南城市群持续呈"单核"发展模式,首位城市的规模优势地位在缓慢增强,但中小城市发育不够。

1990—2018年土地利用/覆盖变化研究的特征和进展

土地利用/覆盖变化(LUCC)是地表综合集成研究的一个学科基础和前沿领域。本文利用定性与定量相结合的方法对1990—2018年的LUCC研究进展进行了系统综述。在回顾LUCC研究历程的基础上,结合文献分析,详细总结了不同LUCC研究阶段的基本特征和主要进展。进而阐述了当前LUCC研究面临的主要挑战,提出了未来LUCC研究的主要发展方向。1990年以来LUCC研究关注度不断提升,相关英文论文发文量和引文量呈指数增长趋势。LUCC研究正从1990—2004年间的过程研究阶段和2005—2013年间的影响研究阶段迈向2014年以后的可持续性研究阶段。当前LUCC研究正面临着如何借鉴可持续科学框架、整合新兴技术和支撑国土空间规划等挑战。未来LUCC研究需要与景观可持续科学和地理设计紧密结合,积极面向国土空间规划主战场,为建设美丽中国和落实联合国可持续发展目标服务。

全球变化与区域可持续发展耦合模型及调控对策

全球气候变化和土地利用/覆盖变化已经导致许多地区水资源短缺、生态系统服务退化和巨灾风险增加等一系列生态环境问题。如何有效地应对气候变化风险,促进全球和区域的可持续发展,是当前全球变化研究中的一个重要论题。国家重点基础研究发展计划项目"全球变化与区域可持续发展耦合模型及调控对策(2014CB954300)"以可持续性科学为主要依据,以有序人类活动理念为指导思想,以实地观测、模型模拟和情景分析为主要手段,揭示气候变化和人类活动的定量关系,评估气候变化条件下人类活动对区域生态系统服务和人类福祉的影响,建立气候变化—有序人类活动—区域可持续发展耦合模型,提出景观及区域尺度上人类适应全球变化的综合策略。该研究项目将有助于发展和完善景观可持续性科学,促进我国半干旱地区主动适应全球气候变化的土地系统设计的理论和实践。

干旱化与土地利用变化对中国北方草地与农牧交错带耕地自然生产潜力的综合影响评价

气候和土地利用变化通过不同的方式影响耕地的自然生产潜力,目前在时空尺度上定量分析典型生态边缘区气候干旱和土地利用变化对耕地自然生产潜力综合影响的研究还比较薄弱。论文首先采用桑斯维特纪念模型(Thornthwaite-Memorial Model)对北方草地与农牧交错带地区耕地自然生产潜力进行了计算。然后结合气象数据,分析了干旱化对研究区耕地自然生产潜力的影响。又在遥感数据生成的1990,1995和2000年1km土地利用/覆盖数据基础上,分析了土地利用变化对耕地自然生产潜力的影响。结果发现1970～2006年研究区总体上呈现出较强的变干趋势,但波动明显,干旱导致耕地自然生产潜力在1990～1995年和1995～2000年分别减少了约16.61×106t和19.55×106t。1990～1995年和1995～2000年耕地增加率分别为2.64%和2.55%,在此基础上,耕地自然生产潜力分别增加了5.36×106t和4.48×106t。从整个研究区尺度来看,1990～1995年和1995～2000年耕地自然生产潜力分别减少了约11.24×106t和15.08×106t。从基于气象站点的泰森多边形尺度来看,研究区的西北区域,主要包括陕西、宁夏和甘肃部分地区,耕地自然生产潜力对于气候变化比较敏感,而包括河北、山西部分地区在内的研究区华北南部区域和内蒙古北部主要受到土地利用变化的影响。

中国城市用地与人口规模分布时空动态比较——以环渤海地区为例

复合1992-2012年DMSP/OLS稳定夜间灯光等多源遥感数据和统计数据,运用多种城市规模分布理论方法,对城市用地与人口规模分布时空演变特征进行系统比较。结果表明:环渤海地区城市用地规模增长速度明显快于城市人口规模增长速度,城市人口规模分布比城市用地规模分布更为均衡;城市用地规模呈首位型分布但首位优势在减弱,城市人口规模呈位次型分布但首位优势在增强;位序迅速上升的城市主要位于山东省和河北省,位序显著下降的城市主要位于辽宁省。环渤海地区城市规模空间分布呈显著的区域差异和空间极化特征,且城市用地规模分布空间特征比城市人口规模分布更为突出。研究结论可为优化区域城市空间开发格局、促进人地系统可持续发展提供参考。

基于DMSP/OLS夜间灯光数据的土地城镇化水平时空测度研究——以环渤海地区为例

在遥感和GIS技术支持下,发展出一种基于长时间序列DMSP/OLS夜间灯光数据的土地城镇化水平测度方法,并以环渤海地区为例进行1992—2010逐年土地城镇化水平时空测度研究。结果表明,在1992—2010年间:1基于DMSP/OLS夜间灯光数据提取的城镇用地信息总体精度和Kappa系数平均值分别达到了88.11%和0.61,能较好地反映区域城镇发展的实际情况,具有一定的可信度;2从总体上看,环渤海地区土地城镇化水平增长迅速,由1992年的0.82%增至2010年的3.20%,年均增长率指数为7.80%;3从区域差异上看,环渤海地区三大城市群之间、滨海城市与非滨海城市之间、距海岸线不同距离的区域之间土地城镇化水平差异显著并呈进一步扩大趋势;4从空间特征上看,土地城镇化水平高值区呈现出一定的向海性。本研究可为快速有效地测度分析区域土地城镇化水平,进而调整和优化区域城镇化格局,推进区域新型城镇化建设提供决策参考。

成渝城市群近40年城市规模分布演变——基于K-S检验的滚动样本回归

准确量化城市规模分布是城市空间规划和管理的重要基础。然而,由于长时序城市人口数据可比性差和城市样本的选择比较主观的原因,成渝城市群近40年的城市规模分布动态还不清晰。文章在订正成渝城市群地区近40年城市土地数据的基础上,基于K-S检验的滚动样本回归方法,多尺度分析了该区域城市规模分布动态。结果显示,成渝城市群1980-2015年城市土地面积由203 km^2增加到4 491 km^2,增长了21.09倍,年均增长率为9.3%。同期,城市群的城市规模分布总体上呈现集聚分布特征,帕累托系数值始终小于1。从时间动态来看,成渝城市群的城市规模分布表现出先集聚后均衡的特征。1980-2000年趋于集聚,帕累托系数从0.66下降到0.60。2000年后趋于均衡,帕累托系数上升到0.68。建议在未来成渝城市群规划建设中,通过交通路网建设,增强重庆和成都的辐射带动作用,带动中小城市的发展,逐渐形成等级规模结构完整协调的城市体系。