中国城市高密度开发及其对耕地占用的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 徐晓凡 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 谈明洪 |
| 关键词 | 容积率 城市 高度 遥感 粮食安全 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 中国城市建筑的高密度开发一方面提高了土地利用效率并减少优质耕地受 城市开发占用，另一方面也带来了建筑成本、人居环境以及自然生态方面的问 题。为引导和鼓励土地节约集约利用以及限制城市高度增长，中国政府分别出 台了一系列政策。因而，有必要了解中国城市开发密度的总体情况，并评估这 一现状在多大程度上减少了建设占用耕地，保障了粮食生产。许多学者采用不 同方法反演了不同的城市建筑密度和建筑高度指标（如垂直高度、容量、建筑 面积等），但适用于大尺度研究的较高分辨率的城市开发密度数据仍然很少，并 且现有研究未对遥感反演所使用的波段信息和回归算法模型效果进行对比。此 外，数据的缺乏限制了对不同等级、不同规模和不同区域城市建筑容积率差异 的定量分析，以及对我国城市高密度开发在耕地占用和粮食生产上的保护效果 的定量评估。 本研究综合运用建筑物楼层数据和多源遥感数据，选择并构建城市容积率 遥感反演模型，建立中国城市容积率 100 m 分辨率数据集；利用所获得的城市 容积率数据计算中国城市的平均容积率，并分析中国不同等级、不同区域、不 同规模城市的容积率特征及差异；进一步基于全球城市高度数据集，定量评估 不同情景下我国城市高密度开发对耕地占用和粮食安全的影响。 本文的主要研究结论有： （1）对比并优化了基于多源遥感数据的城市容积率反演模型。结合雷达和 光学影像数据，并计算时间统计和空间纹理指标以得到空间-光谱-时间特征 （SSTM）集，能够明显改善反演模型的模拟精度。对于不同的机器学习回归算 法的试验表明，随机森林回归在精度上远优于其他的回归算法。综合考虑模拟 精度和运算时间，可以使用 200 树的随机森林回归模型作为容积率反演的回归 器。利用 SSTM 数据集和地形信息波段作为输入，反演模型在测试集上的均方 根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）分别为 0.85 和 0.51，优于前人研究 中同等分辨率数据产品的精度。模型训练和对 30000 个数据的预测耗时约 3 小 时，说明该反演方案适用于较大空间尺度上的城市容积率数据产品生产。 （2）生产了中国城市容积率 100 m 分辨率数据集。本研究利用 200 树随机 森林回归算法构建基于多源遥感数据的城市容积率反演模型，基于 2018 年全年 的哨兵 1 号（18147 景）、哨兵 2 号（164849 景）遥感影像的所有可用晴空观测 生成覆盖全国的 SSTM 数据集，并结合地形数据和覆盖全国 75 个城市的容积率 参考数据对模型进行训练和模拟，从而获得 100 m 分辨率的中国城市容积率数 据集。精度评价显示，模型在验证集上的 RMSE和 MAE分别达到 0.863和 0.561。同时，对 100 个城市和城郊区域的容积率参考均值与模拟均值的散点图分析显 示， r 2值达到 0.886。 （3）对于中国城市平均容积率的分析显示，不同区域、不同规模、不同等 级的城市平均容积率存在显著的差异。单因素分析结果显示，不同自然地理区 域、经济区域、城市行政等级、人口规模等级、平均高程和坡度的对数均分别 与城市的平均容积率均存在显著的相关性（p < 0.001），而城市面积对数的相关 关系不显著（p > 0.05）。多因素分析结果则显示，中国城市的人口密度、单位 面积 GDP、高程和地理分区都对我国城市的平均容积率都存在极其显著（p < 0.001）的影响，而人均城市面积、地形坡度和城市行政等级在此回归模型中并 不显著。 （4）基于城市建筑总容量相同的假设，对中国城市用地在不同情景下的建 设需求进行了计算和空间分布模拟。结果显示，我国的城市土地开发强度远高 于欧美发达地区及其他亚洲地区。如果中国分别按照美国、欧洲和亚洲区域的 城市开发强度进行比较分析，城市用地需求将分别扩大约 32.6%、34.2%和 58.1%；城市周边地区的平均粮食产量比全国平均粮食单产高出 24.2–26.5%；高 密度发展保护了耕地，适度提高城市开发强度可减少全国约 4.4–7.6%的耕地受 到占用，可使我国多生产约 10.1–18.8%的粮食，相当于当年全球粮食贸易量的 18.1–30.8%。这说明，中国城市的高密度开发减少了优质耕地占用，同时维护 了国内粮食安全和全球粮食供应。 本文提出了一套兼顾准确率和计算效率的大尺度城市容积率反演方法，制 作了覆盖全国城市的容积率 100 m 分辨率数据集，并定量评估了不同情景下我 国城市高密度开发对耕地占用和粮食安全的影响。本研究的结论与数据成果能 为城市三维空间和生态环境研究提供数据基础，并为城市开发建设和耕地占用 管理的政策制定提供依据和支撑。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 118 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209340]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 徐晓凡. 中国城市高密度开发及其对耕地占用的影响[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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