基于场景的城市可持续性建模，重点关注快速城市化下的耕地变化：杭州1990-2035年的案例研究外文翻译资料

 2023-01-08 10:55:03

本科毕业设计（论文）

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基于场景的城市可持续性建模，重点关注快速城市化下的耕地变化：杭州1990-2035年的案例研究

作者：侯浩，Ruci Wang, Yuji Murayama

国籍：中国，日本，日本

出处：总体环境科学

中文译文：

创新点

bull; 研究了杭州城市化及其对耕地的影响。

bull; 揭示了人口对城市扩张下农田改造的影响。

bull; 采用了城乡梯度分析和景观指标测量相结合的方法。

bull; 设计了三种情景来预测2035年杭州的城市景观。

图文摘要

文章信息

文章历史：

2018年8月22日收到

2019年1月16日收到修订版

2019年1月16日接受

2019年1月17日在线提供

关键词：

CA-Markov模型

土地建筑指标

基于场景的建模

城市化

城乡梯度

摘要

中国正在经历快速的城市化，这给全国的农田带来了巨大的压力，特别是在一些发展迅速的城市，例如杭州。本研究试图对1990年至2035年杭州的农田动态变化进行监测和模拟。在土地覆盖图的基础上，结合城乡梯度分析，探讨了耕地的时空变化。在了解了农田变化的时空格局之后，利用历史土地覆盖图和其他解释性数据，采用元胞自动机-马尔可夫模型进行了基于场景的模拟。据此，设计了自发情景（SS）、保护区保障情景（PAES）和最佳农业发展情景（OADS）三种情景，用于模拟2035年的农田分布。监测结果显示，监测结果显示，1990-2015年，迅速的城市化进程导致耕地面积减少1512.46平方公里。距离市中心12公里的地区遭受了最大的耕地损失。在所有空间度量中，农田聚集指数与距市中心的距离的相关性最高（r =0.77，2015年），表明城乡梯度聚集趋势明显。模拟结果表明，2035 年，保护区保障情景（PAES）和最佳农业发展情景（OADS）下，研究区域的农田分别比自发情景（SS）下增加了81.76 km2 和255.14 km2 。因此，在保护区保障情景（PAES）和最佳农业发展情景（OADS）中应用的政策对农田保护是有效的。

copy; 2019 Elsevier B.V.保留所有权利。

  1. 介绍

自第二次世界大战结束以来，世界在过去70年中经历了极端的城市扩张（Wu等，2017)。此外，城市人口在过去100年中从14％增加到55％，预计到2050年将达到68％（Thapa和Murayama，2009年;联合国，2018年)。快速城市化在农业（Cai等，2013）、林业（Zhou等，2017b）、大气（Zhou等，2014）和生态系统（Estoque和Murayama，2012）等各个领域造成了问题。与发达国家相比，发展中国家由于政府对经济增长的渴望，正在经历更加迅速的城市扩张（Haregeweyn等人，2012)。中国是所有发展中国家里最为典型的一个例子，自1978年改革开放以来，经历了前所未有的城市扩张（Su等，2014)。根据政府报告，城市化水平从1978年的17.9％上升到2015年的56.1％（Wu等，2017)。大城市的城市化进程在中国得到更加积极的观察，部分原因是大都市边界的城市郊区建有众多科技园区，经济和工业园区以及其他新开发区（张等人，2016)。因此，文献中报告了城市扩张与土地资源保护（如农田）之间的冲突日益加剧（Haas和Ban，2014年；Xiong等人，2012年；Zhang等人，2013年）。

城市化被认为是将以农业为基础的农村社会转变为以工业为基础的城市社会的过程（Yao等人，2017)。这一转变通过占用耕地进行城市发展或吸引农民放弃耕地寻求更好的非农业经济机会实现（Jiang等人，2013年）。因此，城市化总是伴随着农田的损失（Cumming等，2014)。政府报告称，中国21世纪前十年的农田损失约为437万公顷（国土资源部，2011年)。城市发展需求的增加被认为是造成耕地流失的主要原因，在北京（Song等，2015年）、上海（Qiu等，2017年）、杭州（Wu、Zhang等，2012年）、常州（Qianwen等，2017年）等几个中国城市都有这种现象。保护农业用地是保证粮食供应的根本措施（Qianwen等，2017）。考虑到农业保护的重要性，近年来中央政府出台了一系列严格的耕地保护政策（Wu等，2017）。因此，近年来，中国的耕地总量保持相对稳定（Lu等人，2017年）。稳定的统计数字可能会误导人们对农田最小变化的理解。然而，最近的研究发现了一种“收益-损失”的形式，即部分耕地从草原和森林中获得，同时部分耕地又转化为建成区，从而实现了总量的平衡（Lu等人，2017年;Yu等，2018)。这种发展模式通常出现在城市扩张中的大城市，并给当地政府和居民带来不可预测的环境后果。因此，监测农田变化和模拟未来农田分布对地方政府制定适当的可持续发展政策至关重要，尤其是在正在经历极端城市扩张的大城市中。

遥感卫星图像是探测和分析城市发展时空格局和动态以及土地覆盖变化的有效来源（Hou等，2016）。各种卫星任务，无论其主要目标如何，都通过多分辨率监测地表状况，产生了许多长期时间序列分析的图像（Estoque和Murayama，2015；Mallinis等人，2014；邱等人，2017；熊等人，2012）。例如，自1982年以来，陆地资源卫星计划一直提供免费的连续全球覆盖卫星数据，空间分辨率为30米（Bagan和Yamagata，2012年）。基于遥感卫星图像，可以获得和分析土地覆盖变化的强度和空间格局，进一步研究与城市扩张有关的环境问题。

预测土地利用/覆盖是城市规划和政策制定中的一个重要方法（Aburas等人，2017年；Fu等人，2018年；Han和Jia，2017年；Siddiqui等人，2017年）。土地利用/覆盖的预测模型主要分为两类：数量预测模型（QPM）和空间预测模型（SPM）。QPM模型包括马尔可夫模型、回归模型和神经网络模型，可以模拟每种土地覆盖类型的总量，但不能预测其空间位置。SPM模型包括元胞自动机模型（CA）和代理模型，有利于实现不同土地覆盖类型的空间配置预测。此外，它还可以在空间上挖掘土地覆盖的动态信息（Adhikari和Southworth，2012年；Kamusoko等人，2009年；Sloan和Pelletier，2012年）。数量和空间预测模型的结合可以从统计和空间角度提供更准确的结果（Arsanjani等人，2011年；Kamusoko等人，2009年；Mondal和Southworth，2010年；Palmate等人，2017年）。近年来，CA-Markov模型在地理和空间领域得到了广泛的应用，尤其是在土地利用/覆盖预测方面（Ghosh等人，2017年；Palmate等人，2017年；Sang等人，2011年）。考虑到联合模型的优点，CA马尔可夫模型是预测未来农田状况的一个有利选择。

仅仅根据历史趋势来模拟土地覆盖状况还不足以准确预测未来，因为新出台的政策很容易改变当地的发展模式。基于场景的建模结合了历史趋势和模型中的相关政策，由于其在评估支持可持续发展目标的政策方面的潜力，正引起学术界和政府的关注（Thapa和Murayama，2012年）。例如，Thapa和Murayama（2012）根据相关政策和规划地图设计了环境保护和资源节约方案，以检测尼泊尔加德满都山谷未来的城市增长分配。Kindu等（2018）根据空间和统计政策分别设计了森林保护和水保护情景和可持续强化情景，以预测埃塞俄比亚穆内萨沙舍门的土地覆盖状况。Wang等人（2018）根据政府文件设计了次区域开发和绿地改善方案，以预测东京的土地覆盖情况。根据不同的政策输入变量，可以预测今天的决策对某些资源未来的影响（Martinuzzi等人，2015年）。此外，在制定和评估复杂的政策决策时，了解和理解备选方案的潜在结果是很有价值的（Sun等人，2012年）。

杭州是浙江省省会，是长江流域第二大都市（Qian，2015)。杭州有2200年的历史，自然景观宜人，被誉为国际旅游城市和园林城市（Wu、Zhang，2012）。此外，由于地理位置优越，1990年后城市化速度加快，导致人口和经济快速增长（Wu等人，2013年）。目前，杭州以其先进的金融服务、电子商务、信息技术闻名于国际大都市（Qian，2015）。杭州地理位置优越，城市化速度快，农业资源丰富，国际知名度高，是一个有趣而重要的研究案例。因此，本研究的目的是（1）监测过去25年内其农田的变化;（2）根据自然增长、解释变量和相关政策预测其农田的未来状况。基于上述目标，本研究的最终目标是生成与研究区域农田动态模式相关的信息，从以下角度为可持续发展提供细节。我们认为，在杭州快速城市化条件下，考虑到耕地的位置和数量，实行耕地保护政策，可以降低耕地过度流失的风险。

  1. 材料与方法

2.1.研究区域

杭州是浙江省省会，位于中国东南沿海。杭州以风景如画的自然风光和根植于日常生活的高度发达的信息技术而闻名。杭州是长三角城市群中最大的城市之一，2016年底杭州市人口918万（杭州市统计局，2017年）。根据最近两次全国人口普查，杭州的城市化率从2000年的58.6%上升到2010年的70.0%（Qian，2015年），2017年本地人均国内生产总值为20354美元，远远高于全国平均水平（9019美元）（杭州市统计局，2018年；中国国家统计局，2018年）。 杭州地处中国最富饶的土地之一，除经济发展外，农业也十分发达。2016年全市粮食种植面积107986公顷，粮食总产量635975吨（杭州市统计局，2017年）。

中国自1978年开始实行开放政策，但实际上在1990年启动“上海浦东新区对外投资开放”国家战略后，杭州进入了快速城市化阶段（Wu、Zhang，2012）。因此，我们选择1990年作为本研究监测的起点。为了避免近30年来行政边界变化的影响，我们定义了一个100times;100公里的景观，不管当前的行政边界是什么，以杭州市中心50公里半径为研究区域（图1）。基于地方性常识，选择作为城市标志的武林广场作为杭州市中心。

2.2.数据处理

利用从USGS（https://earthexplorer.usgs.gov/）下载的时间序列陆地卫星TM/ETM /OLI/TIRS图像，创建农田监测和建模用地覆盖图。选择时间跨度为25年的4幅重叠影像，以检测农田的时间动态（表S1）。对于这一选择，考虑了在旱季（秋季）拍摄的具有最小云量的图像。1990年拍摄的图像有一定的云量，因此，1991年同一季节拍摄的另一张图像有助于反映整个地区的土地覆盖状况。

建模阶段采用了解释性数据，包括中央商务区（CBD）、火车站、主要道路、永久水体、保留区、数字高程模型（DEM）和坡度（表S1）。CBD、火车站和主要道路因其在促进城市化方面的潜在影响而被选中，这些位置被用于利用Arcgisreg;软件包（版本10.4）中的“欧几里得距离”分析生成距离图。在模型中，永久水体被用来在空间上限制建筑区域扩展到这些区域。耕地保留区来源于浙江省国土资源厅（浙江省国土资源厅，2013年）发布的《浙江省土地利用综合规划（2006-2020年）》。对原始地图进行数字化分类，提取耕地保护区。此外，把2017年杭州市统计年鉴中被记录的杭州市和余杭区的耕地面积指数作为模型中的控制参数（杭州市统计局，2017年）。由于平坦区域更适合城市扩张，因此该地形也被视为一个关键要素，我们使用DEM和坡度来覆盖模型中的效果。DEM数据是由USGS（https://earthexplorer.usgs.gov/）衍生的航天飞机雷达和地形任务（STRM）产品，坡度由ARCGIS中的“坡度”函数从DEM计算得出。

2.3.总体工作流程

本研究包含两个主要目标：监测历史土地覆盖动态和模拟未来土地覆盖状况。为了实现这些目标，工作流程设计如下（图2），主要包括四个步骤：（1）基于Landsat时间序列图像用最大似然法进行监督分类和相应的准确度评估；（2）用多环缓冲器对耕地和建成区进行城乡梯度分析及相应的统计分析；（3）土地建筑学计量和耕地统计分析；（4）基于场景的土地覆盖建模，基于土地覆盖图和解释数据，采用CA-Markov模型，对建模结果进行统

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