量化城市化的时空模式：以美国城市化增长最快的两个城市为例外文翻译资料

 2022-09-25 16:52:44

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量化城市化的时空模式：以美国城市化增长最快的两个城市为例

G. Darrel Jenerette Alexander Buyantuyev

摘要：土地利用变化会影响生物多样性和生态功能还有服务，而城市化是最极端的土地利用变化形式，它使土地利用远远超出了城市的界限。理解城市化的过程及其生态后果，量化城市化的时空模型是非常重要的。根据历史土地利用数据，我们利用多维分辨率的景观指标数据来描述美国两个发展最快的大都市凤凰城和拉斯维加斯的时空模式。我们的研究结果表明，这两个城市土地变化显示出了惊人的相似的时空模式。在过去的几十年中，这两个沙漠城市的城市化导致人口密度，边缘密度，和城市土地利用和整个土地景观的结构复杂性增加的越来越快。也就是说，随着城市化的不断展开，无论是土地景观还是土地用途都变得多种多样，结构变得更加分散，而且在形状上也更加复杂。两个大城市的高度相似可能是因为它们的自然环境、人口增长方式和城市发展的阶段的相似性。我们的研究结果证实了文献中的理论预测，也发现，这两个城市的时空特征与其他城市不同。解决这些分歧一定能够推动我们对城市动态的理解。最后，这项研究表明，一小部分景观指标能够测度城市化的时空特征，并且，当空间范围确定，改变土地用途时，似乎城市化的模式没有被显著的影响。这个景观格局分析方法，不仅对量化城市化模式十分有效，而且对评估城市的空间模型和研究城市化的生态效应也十分有效。

关键字：城市化的时空模式 土地利用变化 景观指标 空间模式分析 范围 凤凰城 拉斯维加斯

1.绪论

自18世纪后期工业革命以来，世界人口以惊人的速度成倍增加。在10000多年前的原始农业时期，人口只有500万，到1830年，人口越过第一个十亿大关。(http://www.census.gov/ipc/www/idb/worldpopinfo.php)，在1930年达到20亿，在1960年达到30亿，在1975年达到40亿，在1987年达到50亿，在1999年达到60亿，现在已经接近70亿了，（截至2010年已超过68.07亿）。换句话说，人口从500万增加到10亿，花费的时间超过了10000年，但是从十亿到二十亿只用了100年。自那以后，地球上人口每增加10亿的时间减少到了30年（从20亿到30亿），15年（从30亿到40亿），12年（从40亿到50亿，从50亿到60亿）。重要的是，世界城市人口增加速度远远超过农村人口的增加速度，增长速度从1900年的14%上升到1950年的29.1%再到2005年的61%，再到2030年的61%，此外，未来人口增长主要发生在城市地区。现在我们正在见证一个人类历史上的重要转折点，从农业人口转为城市人口的变化。（WU，2008）。

联合国（2004）年预测，到2100年世界人口将有可能稳定在91亿，但是城镇人口将持续增加。城镇人口的增加会对未来世界的环境和社会经济有一些深刻的影响(Grimm et al.,2000,2008;McGranahan and Satterthwaite,2003;Wu,2008).城市化影响了生物多样性，生态系统功能和服务，这些影响远远超过了城市的界限，尽管，城市区域大约只占地球陆地面积的3%。，但是却制造出78%的碳排放，居民用水量有60%，和76%的木材用于工业用途(Brown,2001).历史上发达国家比发展中国家对大气成分的改变影响要大。例如，堪培拉、芝加哥、洛杉矶的二氧化碳排放量是世界平均水平的6-9倍，在1996年美国的人均排放量是发展中国家的200-500倍。（McGranahan and Satterwaite,2003）.在1986年，发达国家使用的氯氟碳碳化合物和哈龙（化学品负责平流层臭氧消耗）的数量是发展中国家的100倍(McGranahan and Satterthwaite,2003)。

另一方面，城市是科技创新，经济发展，和决策的中心，代表着人类最重要的栖息地（Wu，2008）。然而，城市是所有生态系统中最难理解的一个尽管”生态城市可以追溯到几十年前(Collins at al.,2000;Grimmet al.,2000;Wu,2008).城市生态系统对研究人类活动对生态系统的影响过程提供了独特的和重要方法。因为城市化使气候和其他环境条件受到严重改变，与周围其他自然环境相比(McDonnell and Pickett,1900;Zipperer et al.,2007).此外，城市地区发现各种各样的土地利用活动的变化(例如，不同的城市，住宅和农业覆盖类型)，提供了一个充满挑战但是必要的方法学习景观模式和生态过程之间的关系(Zipperer et al.,2000;Wu and David,2002;2008)。

理解城市化对生态过程的影响的第一步是量化城市化本身的空间和时间模式。在过去的几十年里，随着景观生态学的迅速发展，地理信息科学及其相关领域，出现了一系列的定量方法来量化城市景观的空间格局和动态发展(Wu et al.,2000;Jenerette and Wu,2001;Luck and Wu,2002;Alberti,2005).特别的是，景观格局指标越来越多的用来量化城市区域空间梯度，用来比较不同的城市景观，并描述相同的城市景观的时序动态发展。（Wu et al.,2000;Jenerette and Wu,2001;Luck and Wu,2002;Berling-Wolff and Wu,2004;Wu,2004;Seto and Fragkias,2005;Zhu et al.,2006;Weng,2007）.本研究的主要目的是通过一组选定的景观指标来量化美国发展最快的两个城市-凤凰城和拉斯维加斯的历史土地利用变化情况。特别的是，我们比较凤凰城和拉斯维加斯的城镇化的时空模式，测试城市化模式的一些理论和假说，并对本文城市生态研究的几个关键问题总结。

2．研究区域

我们的研究区域是亚利桑那州的凤凰城和内华达州的拉斯维加斯，这两个是美国两个增长最快的城市地区(图一).凤凰城位于美国西南部，是Arizona-Phoenix在城市生态学（CAP-LTER）的长期生态研究项目(Grimm and Redman,2004)。它位于北部的索诺兰沙漠，这个地区的特点是炎热和干燥的气候，夏天的平均温度是30.88摄氏度，冬季平均温度是11.38摄氏度，年降水量约180毫米。原生植被的特点是石炭酸灌木，牧豆树（腺牧豆树）等几个灌木树种，包括雄伟的仙人掌，仙人掌是索诺兰沙漠景观的代表象征。

图一：凤凰城和拉斯维加斯的土地利用变化

从历史上看，这个山谷在公元500-700年是霍霍卡姆文明的起源，然后再1400年被废弃了(Knowles-Yanez et al.,1999).直到1800年代末期，当农业活动从1870年至1920年成为主导(Knowles-Yanez et al.,1999)。自1800年以来，凤凰城地区的人口已经成倍增加(Jenerette and Wu,2001).作为全国第六大城市，凤凰是美国两个发展做快的城市之一，在我们以前的仿真建模工作中，预计凤凰都市区人口在2030年可能提高到7到8百万(Berling-Wolff and Wu,2004).

拉斯维加斯位于莫哈韦沙漠，在凤凰城西北约480公里处，这个沙漠地区的气候是夏季炎热，冬季温和，雨量少。主要的原生植被包括石炭酸灌木为主的树种和其他沙漠灌木树种。拉斯维加斯有比凤凰更久的人类定居历史，1855年摩门教徒现在拉斯维加斯定居，人口增长并没有出现，直到20世纪30年代（Acevedo et al.,2003）.游戏，娱乐和旅游业开始兴起，人口开始加速度增长，自1900年代以来，拉斯维加斯一直呈几何级数增长，从1950年的25000到1995年的超过了100万 (Acevedo et al.,2003).拉斯维加斯被称为“世界娱乐之都”，是美国所有城市中增长最快的。

3.数据和方法

凤凰的历史土地利用数据集是从CAPLTER获取的，包括5个时间段（1912、1934、1955、1912、1934）（Knowles-Yanez et al.,1999）,四种土地利用总体类型分类：城市、农业、娱乐、和沙漠，在表一中列出每种土地利用类型更详细的土地使用类别。拉斯维加斯的历史土地利用数据，包括6个时间段（1907、1923、1952、1972、1995）来自Acevedo et al.(2003).因为这个数据集的目的主要是描绘城市化的时空模式，只需确定三种土地使用类型：城市、沙漠、和水。在空间格局分析之前，土地利用地图用Arcview在四个空间分辨率：30*30，100*100，500*500，1000*1000进行栅格化。以四个分辨率研究空间格局分析的原因是检测空间分析模式对空间格局的影响，这在之前已经有大量的研究报道(Turner et al.,1989;Wu et al.,2000,2002)。用来分析空间格局分析的软件是FRAGSTATS，该软件被用来量化两个研究区域的城市化景观格局，根据我们之前的研究，我们选择了六个指标（PD,MPS,SHDI,AWMFD,LSI,CONT）来表征景观水平的变化和六类指标（城镇百分比，MPS,ED,AWMFD,LSI和SQP）测量城市土地利用的时空动态变化（见表二的详细信息），注意LSI和SQP相互关联（LSI=(1-SQP)-1，（Wu et al.,2002;Wu,2004）,我们使用这两个指标来检测那个更适合描述城市化的空间变化，考虑到同时使用会带来冗余。

数据的质量和准确性评估是土地分析的一个重要和困难的问题，特别是使用历史的遥感土地利用变化数据（Mask et al.,2000;Li and Wu,2006;lverson,2007;Shao and Wu,2008）。在这项研究中，像其他任何历史纪录的土地使用数据，必须包含由使用不同的信息源的不同的采用和报告标准、技术、和格式所引起的误差(lverson,2007;Rhemtulla and Mladenoff,2007)。

表一：通常的土地利用类型和它们的组成

表二：土地测度指标

鉴于这一问题的复杂性，对这些地图的土地利用进行精确地评估是不可能的。这些误差可能会影响景观度量的准确性，尤其是在使用高分辨率和比较详细的分类方法的时候。但是，如果使用低分辨率和高度综合分类方法，注意总体趋势而不是绝对值的时候，对数据精度可以放宽要求(Li and Wu,2006;Buyantuyev and Wu,2007;Shao and Wu,2008)。因此，我们分析的意义不是停留在在一个给定时间的景观指标的价值，而是几十年的指标的一般的时间空间模式。

两个类似的大都市的城市化模式的一致性表明我们使用的方法的稳定性。

4.结果

在这一节中，我们首先描述在城镇化过程中整个景观水平的景观格局的变化，然后再描述这个特定的土地使用类型-城市土地使用的景观格局的变化。

4.1在城镇化过程中整个景观空间格局的变化

加速城市化的两个大都市地区凤凰和拉斯维加斯地区，土地斑块密度呈指数增加，在四个不同的空间分辨率下这一趋势是一致的(如图二所示)。在1955年的凤凰城和1960年代末的拉斯维加斯斑块密度的爆炸性增长，表明景观破碎度显著增加。相比之下，平均斑块的大小在城市化进程中迅速减小，尤其是在1934年凤凰城和1925年拉斯维加斯之后(如图二所示)。随着城镇化的进程香农多样性的增加主要由于土地利用类型的分布不均造成的(在这里不展示香农均匀度指数)，随着城市化的进展，这两个城市景观变得更加分散，土地利用类型之间的分布变得更均匀。

在城镇化进程中单个图斑和土地利用变化有多复杂，这两个尺度之间的关系的结构复杂性是怎样的？凤凰城，在1955年以前，面积加权平均分形维数保持相对不变，之后稳步上升（斑块形状指数和平均斑块分形维数显示了相似的模式，为了避免冗余在这里不展示）。拉斯维加斯，面积加权平均分维数显示了类似的模式，但1923年后增长更为迅速，尤其是在1952年和1967年间(如图二)。对于城市、景观形状指数，在景观层面上的斑块的周长面积比率形式在城市化初期阶段也保持相对不变，然后呈指数增加。该模式表明，在城镇化进程中，景观的形状像一片马赛克变得更加不规则，蔓延，测量属于景观格局的组成和构型方面的聚集程度在城市化期间两个城市都持续下降(如图二)。大体上说，这些景观指数的时间模式表明，在过去的几十年里，城市化大大增加了凤凰城和拉斯维加斯的景观形状的复杂性和分裂的程度。

图二：在六个指标在四个空间分辨率下凤凰城和拉斯维加斯的城市化的时空模式

4.2城市土地利用的空间格局的变化

为了进一步研究在过去的几十年里两个沙漠城市的城市化空间格局是如何变化的，在这里，我们只选择最优的空间分辨率（30*30）下选定的景观指标的模式，它提供了最详细的空间信息。这六个指标都显示了凤凰城和拉斯维加斯之间相似的模式。

城市土地的面积百分比，边缘密度，和景观形状指数在两个大城市地区都呈指数增加(如图三)。在凤凰城，城市化有很大一部分发生在以前的农业地区（沙漠和农业的面积证据不在这里显示）。斑块密度和边缘城市土地的增加表示了城市土地使用的分散程度。城市土地规模表现出钟形图案，表明城市平均用地图块达到城市化过程中最大的尺寸(如图三)，这种模式凤凰城比拉斯维加

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