城市湖泊面积演变及湖滨土地利用空间优化配置研究

摘要

城市湖泊是城市里一种宝贵的自然资源，在生产生活供水、微气候调节、城市雨洪调蓄和城市景观建设等方面发挥着不可替代的作用，对城市经济、社会和生态的和谐可持续发展具有重大的价值。然而随着城市化进程不断深入，湖泊的生存空间受到了城市扩张的挤压，对湖泊的肆意开发和利用导致城区内湖泊面积大幅度减少。伴随湖泊面积萎缩而产生的城市内涝等生态问题，不仅严重影响了城市中的正常生活秩序，甚至造成了不可估量的生命和经济财产损失。因此，研究城市湖泊面积变化，探讨湖泊生态保护具有十分重要的现实意义。
　　近些年来，国内外学者已经通过遥感技术实现了对湖泊水体边界的快速提取，为湖泊面积变化的实时监测奠定了基础，但是对湖泊面积变化的驱动机制的探讨尚且不足。而且这些研究主要以静态的分析方法为主，缺少能够描述湖泊面积演变过程的动态模型。此外，在以往的城市规划中很少从湖滨土地利用/覆盖变化的角度考虑城市和湖泊的协调可持续发展问题。
　　为了克服这些问题，本文将城市湖泊和湖滨土地利用/覆盖看作城市系统中两个复杂的子系统，在利用遥感和地理信息系统等空间信息技术的基础上，集合了系统科学、城市规划学、景观学和土地资源管理学等多学科的理论和方法，对城市湖泊和湖滨土地利用/覆盖之间关系和城市湖泊面积的动态演化过程进行了详细的分析，并依此提出以城市经济发展和湖泊生态保护为目标的湖滨土地利用空间优化配置方法。本文研究有别于传统的水文学方法，对现有的城市水资源研究是一种良好的补充，在理论和方法的集成方面具有一定的创新价值。本文的主要研究内容包括以下3个内容：
　　（1）基于空间分析的城市湖泊面积变化与湖滨土地利用/覆盖变化关系精细化模型构建：利用地理信息系统中的空间分析方法评估武汉市城市湖泊面积变化和湖滨土地利用/覆盖变化，总结概括了城市化对城市湖泊的影响。在此基础上，分别对湖泊面积变化和湖滨土地利用/覆盖变化进行数学抽象，从微观层面建立二者之间的联系，即湖泊-土地关系模型，定量分析湖滨的每一种土地利用/覆盖变化对湖泊面积变化的影响。
　　（2）基于多级网格的城市湖泊面积动态演变MAS-CA模型构建：为了利用多智能体系统（MAS）和元胞自动机模型（CA）模拟城市湖泊面积变化的动态过程，必须首先对湖泊进行网格化，因此提出基于矢量和栅格混合模型的城市湖泊多级网格。这种网格能够保证访问和计算的速度，提高城市湖泊网格化管理的效率。以城市湖泊多级网格为物理基础，构建城市湖泊面积动态演变MAS-CA模型。该模型同时考虑了湖泊与湖滨土地利用/覆盖之间的作用关系以及政府、开发商和居民等主体的决策行为，能够动态展现武汉市城市湖泊的变化过程，并揭示湖泊面积变化的驱动因素。
　　（3）基于差分进化算法的湖滨土地利用空间优化配置方法研究：以城市湖泊面积变化的驱动因素和湖泊-土地关系作为湖滨土地利用优化配置的依据，提出以城市经济发展和湖泊生态保护为目标的湖滨土地利用优化方法，并尝试引入差分进化算法，对目标函数进行求解。重点以武汉市后湖为例，分析和比较不同发展策略下湖滨土地利用空间优化配置结果。对结果的评估认为在当前的发展模式更侧重于城市建设，所以应适当加强对后湖生态环境的监管。
　　本文提出的模型和方法能够为城市经济建设与湖泊保护的协调可持续发展，尤其是为湖滨土地的科学开发和利用提供理论依据和技术支撑。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状和进展

1.3存在问题和难点

1.4研究内容和章节安排

2研究区域和数据准备

2.1研究区域概述

2.2数据来源

2.3数据准备

2.4本章小结

3湖滨土地利用/覆盖变化对湖泊面积变化影响研究

3.1城市化对湖泊面积变化影响

3.2湖滨土地利用/覆盖变化对湖泊面积变化影响

3.3本章小结

4基于多级网格的城市湖泊面积动态演变MAS-CA模型研究

4.1元胞自动机模型概述

4.2城市湖泊网格化与城市湖泊多级网格

4.3基于多级网格的城市湖泊面积动态演变CA模型

4.4基于多级网格的城市湖泊面积动态演变MAS-CA模型

4.5 MAS-CA模型模拟实验及结果分析

4.6本章小结

5湖滨土地利用空间优化配置方法研究

5.1湖滨土地利用空间优化配置概述

5.2湖滨土地利用空间优化配置模型

5.3武汉后湖湖滨土地利用空间优化配置应用实验及结果分析

5.4本章小结

6总结与展望

6.1论文主要内容和创新点

6.2未来研究工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表/获得的论文及专利

附录2 攻读博士学位期间参与及完成的科研项目