面向城市扩展过程的动态空间格局指标与自组织空间结构分析模型

Urban expansion is spatially imbalanced. Quantitatively characterizing its spatial pattern is the basis of the recognition of urban expansion dynamics. However, existed landscape indices usually describe the spatial pattern for single time point, and cannot be used to directly characterize dynamic processes. Thus it is hard to recognize the spatial structure of imbalanced urban growth. This project aims to propose a series of process-oriented spatial metrics, and construct self-organizing models for the analysis of urban expansion pattern. The project employs a “bottom-up” strategy, from spatial metrics at micro-level to spatial structure at macro-level. We will propose three kind of indices, namely, multi-order adjacency index, continuous growth intensity, and locational centrality index. They describe the expansion type, growth rate, and spatial context of patch or location. We then probe into the sensitivity analysis and statistics of the indices. On the basis of the indices, we will construct self-organizing models to recognize the hierarchical spatial structure of urban expansion. Finally we will discuss the temporal and spatial scale effects of the indices and models based on typical case studies. The project will fill the gap of lacking process-oriented indices, models, and methods for the analysis of urban expansion heterogeneity, and provide foundations for the recognition of urban expansion dynamics.

城市扩展具有空间非均衡性，定量刻画其空间格局是城市扩展动态过程认知的重要基础。但是，现有的景观格局指标通常描述单一时点的空间特征，不能直接刻画地理过程；从而难以实现对城市扩展非均衡性的空间结构的识别和信息提取。本研究旨在提出面向过程的系列动态空间格局指标，并构建城市扩展空间结构分析的自组织模型和方法。遵循由“微观空间指标”设计到“宏观空间结构”认知的定量研究路径：在斑块/位置层次，从扩展类型、增长速度、空间上下文三个维度对应提出三类动态空间格局指标：多阶邻接度指数、连续增长率指数和位置中心度指数；探讨这些指数的参数敏感性，构建其统计分析方法；研究基于微观层面的动态空间格局指数识别多层次的城市扩展空间结构，提出具有自组织性的模型和方法；基于典型案例数据探讨上述指标和模型的时空尺度效应。本研究将填补面向过程的城市扩展空间异质性研究的指标、模型和方法的缺失，为城市扩展动态过程认知奠定基础。

城市扩展是一个具有空间异质性的动态过程，定量认知该过程需要应用空间格局指标。但是，现有的空间格局指标通常描述单一时点的空间特征，不能直接刻画地理过程，难以实现对城市扩展非均衡性的空间结构的识别。.本项目建立了面向过程的三类动态空间格局指标，多阶邻接度指数（邻近扩张指数）,连续增长率指数，位置中心度。三类指标分别从斑块扩张程度、斑块邻域的扩张速度、斑块与整体空间结构的关系三个方面刻画了城市扩张的微观特征。基于上述指标和空间分析、自组织算法等建立了城市扩展自组织空间结构分析的模型方法，可以有效识别城市扩张组团、种子区域、扩张类型等特征，实现了自下而上的城市扩张特征和结构分析方法，为城市扩展动态过程的定量描述和空间结构认知奠定了基础。.使用上述指标和方法作为工具，在中国和全球的典型城市进行了广泛案例研究。探讨了将微观过程指标和宏观过程指标相结合，更清晰的识别城市扩张的阶段和进程；通过对比全球国家/地区的识别不同城市扩张类型和划分方法；将空间格局和动态过程相结合，发现了格局影响过程的规律，如城市空间扩张的路径依赖、紧凑城市形态减缓人口密度下降等。.在项目执行期内（2016.01-2019.12），本项目各项研究任务按计划执行，项目进展顺利。项目成果发表论文22篇，其中《Landscape and Urban Planning》、《Journal of Clean Production》等SCI/SSCI期刊论文11篇，《地理学报》、《地理科学进展》、《地理科学》、《经济地理》等中文权威期刊论文11篇。项目负责人作为主要成员、有关成果作为组成部分获得地理信息科技进步特等奖（2018）、测绘科技进步一等奖（2016）。