城市群联合扩张和生态敏感资源保护的协同模拟与预警

To promote the coordinated development of urban agglomeration and surrounding ecological environment, it is necessary to carry out the simulation of urban agglomeration expansion and develop the early warning system of eco-sensitive resources. This project will use the Pearl River Delta (PRD) as an example for simulating the spatio-temporal dynamics of its urban agglomeration, and the dynamic monitoring and protection of its surrounding eco-sensitive environment. Fuzzy Formal Concept Analysis (FFCA) will be carried out to extract the formal context grid of urban growth pattern at various scales from empirical cases, in order to reveal the relationship between different sorts of urban growth patterns. The ultra-distant interaction of cities inside the urban agglomeration would be captured and simulated based on Network Dynamics. The nonlinear pattern of land use change is examined within the framework of Bifurcation Theory so that the transition tipping point of urban system can be found, together with the development structure from different bifurcations. The conflict between economic agglomeration and ecological benefits will be solved by revising swam intelligence-based multi-objective optimization algorithm. The spatially optimized solutions will be obtained within a practical elastic searching range. Handheld GPS and radar remote sensing devices are integrated to dynamically monitor illegal land use and ecological factors of vegetation and water body. In all, this project aims to provide knowledge of urban agglomeration development, and further generalize the research results from PRD to other urban agglomerations in China.

为了促进城市群与周边生态环境的协调发展，需要分别解决城市群联合扩张模拟，以及生态敏感资源预警这两个重要的科学问题。以珠江三角洲为例，对城市群发展及其周边生态敏感资源在时空演变下的保护进行协同模拟。采用模糊形式概念分析(FFCA)方法，从大量的案例中自动挖掘出不同尺度下城市发展的概念图谱关系，以揭示各种城市发展模式之间的联系；进一步结合网络动力学，模拟城市群中各个节点的超距离相互作用；借助分岔理论，探讨城市土地利用变化的非线性动力学规律，寻找系统演变的临界点并模拟出不同分支下的城市发展格局；综合考虑经济集聚效益与生态效益之间的矛盾，通过多目标群集智能优化算法，建立基于弹性区间的空间优化模型；研究手持GPS和雷达遥感集成式动态监测技术，针对生态敏感区内的城市违法用地，植被、水体等生态因子及时做出动态监测和预警。期望通过本项目的研究也能为我国其它地区的城市群发展和生态保护提供借鉴

本项目针对地理信息系统（GIS）所缺乏的大尺度模拟预测的核心内容，在快速环境演变下的智能化地理模拟优化与遥感研究中取得了一系列进展，主要解决了三大关键科学问题：1）复杂资源环境下的城市群（大尺度）区域扩张规律研究；2）基于智能算法的生态环境保护研究及其应用；3）基于智能方法的环境遥感研究及其应用。分析了大尺度区域的城市扩张演变规律，结合网络海量数据和形式概念分析考虑不同城市之间的联系程度与发展差异性；对元胞自动机（CA）模型在我国城市区域规划的经验和问题进行了详细而深入的总结，为其他发展中国家和地区提供宝贵的支持与帮助；充分利用已有的旧样本数据来帮助建立新的CA模型，可以节省大量的采样成本，并且能够有效提高样本缺乏情况下的模型精度；构建综合人文和自然驱动因素的系统动力学模型，能够很好地模拟土地利用系统各个驱动力之间的复杂行为关系，并模拟不同条件下的土地发展规模和趋势，从而为土地利用规划和政策调控提供有效的参考。.结合人工智能、博弈理论与GIS，构建了一系列基于多目标智能算法的空间优化模型，协调快速城市扩张与生态保护的空间冲突，建立结合元胞自动机和神经网络的违章用地预警系统；总结了包含多种地理模拟和空间优化模块的地理模拟优化系统在“三规合一”工作中的应用，为自然保护区划定、土地利用规划等大尺度复杂区域的发展和规划决策提供了强有力的分析工具；提出利用单分类算法如最大熵模型MAXENT、PBL算法提取城市用地以及全球积雪覆盖范围，可进一步推广应用到其它区域和其它遥感数据的分类研究；将Landsat8数据与地表温度、经纬度、归一化植被指数、归一化建筑指数、改进的归一化水体指数等因子耦合，基于自动气象站的气温数据建立了多窗口线性回归模型，并有效利用该模型估算了浙江北部冬季的气温。.本项目陆续在IJGIS、Annals of the American Association of Geographers以及Landscape and Urban Planning上刊出论文。本项目共正式发表了论文17篇，其中SCI/SSCI 13篇。