城市景观生态学 过程、影响和可持续性

本书是作者在所承担的国家重大科学研究计划项目和创新研究群体科基金项目的基础上，综合**研究成果撰写而成的。本书共7章。首先，基于景观可持续科学理念，提出了“过程-影响-持续性”的城市景观可持续性研究框架，建立了基于夜间灯光数据的大度城市景观过程信息获取的方法体系，介绍了夜间灯光数据的系统订正方法、和订正方法和综合分类处理方法。其次，基于多尺度景观分析视角，详细揭了近30年来中国城市化水平、城市扩展、城市规模-位序、城市蔓延和城市透水层的基本格局和过程特征。进而综合利用遥感、地理信息系统和模型模手段，在不同时空尺度上揭示了中国城市景观过程对自然栖息地、耕地净初生产力和地表温度的影响。最后，定量评估了中国近30年城市化进程中城环境、居民福祉和人类-环境系统的基本状况。

前言
第1章绪论1
参考文献4
第2章城市景观生态学概述5
2.1城市土地的基本概念和特征5
2.1.1问题的提出5
2.1.2城市土地的基本概念5
2.1.3基于等级理论的城市土地定义6
2.1.4全球城市土地基本特征7
2.1.5讨论与结论10
2.2城市生态学11
2.2.1城市生态学逐渐演变的定义和视角11
2.2.2城市生态学的主要研究进展18
2.3中国城市生态学进展24
2.3.1中国的城市发展24
2.3.2中国城市生态学的发展28
2.3.3中国的城市生态学特征35
2.4城市景观可持续性36
2.4.1景观生态学和日益凸显的城市主题37
2.4.2从城市生态学到城市景观生态学40
2.4.3城市景观生态学框架42
2.4.4城市居民的人类福祉评价46
2.4.5城市可持续性评价48
参考文献51
第3章城市景观测量64
3.1夜间灯光数据的应用进展64
3.1.1问题的提出64
3.1.2DMSP/OLS夜间灯光数据的特点65
3.1.3常用DMSP/OLS夜间灯光数据集66
3.1.4DMSP/OLS夜间灯光应用趋势68
3.1.5应用领域和方法72
3.1.6讨论和结论75
3.2夜间灯光数据预处理77
3.2.1问题的提出77
3.2.2使用的数据78
3.2.3夜间灯光数据在城市景观测量中存在的问题78
3.2.4系统订正80
3.2.5饱和像元订正84
3.3城市建成区提取89
3.3.1问题的提出89
3.3.2数据90
3.3.3方法91
3.3.4结果95
3.3.5讨论和结论97
3.4城市不透水层提取101
3.4.1问题的提出101
3.4.2数据102
3.4.3方法104
3.4.4结果109
3.4.5讨论和结论111
参考文献114
第4章城市景观过程122
4.1中国城市化水平动态122
4.1.1问题的提出122
4.1.2数据123
4.1.3方法124
4.1.4结果125
4.1.5讨论127
4.1.6结论131
4.2中国城市扩展过程131
4.2.1问题的提出131
4.2.2数据132
4.2.3方法133
4.2.4结果133
4.2.5讨论139
4.2.6结论140
4.3中国城市蔓延过程142
4.3.1问题的提出142
4.3.2数据143
4.3.3方法144
4.3.4结果146
4.3.5讨论150
4.3.6结论153
4.4中国城市规模-位序分析154
4.4.1问题的提出154
4.4.2数据155
4.4.3方法155
4.4.4结果158
4.4.5讨论162
4.4.6结论164
4.5中国城市不透水层过程与机制165
4.5.1问题的提出165
4.5.2数据165
4.5.3方法166
4.5.4结果169
4.5.5讨论177
4.5.6结论183
参考文献184
第5章城市景观过程的影响194
5.1城市景观过程对自然栖息地的影响194
5.1.1问题的提出194
5.1.2数据195
5.1.3方法195
5.1.4结果198
5.1.5讨论202
5.1.6结论203
5.2城市景观过程对耕地净初级生产力的影响203
5.2.1问题的提出203
5.2.2数据205
5.2.3方法206
5.2.4结果207
5.2.5讨论211
5.2.6结论216
5.3城市景观过程对热环境的影响217
5.3.1问题的提出217
5.3.2数据218
5.3.3方法218
5.3.4结果220
5.3.5讨论228
5.3.6结论233
参考文献233
第6章城市景观可持续性239
6.1中国城市景观过程的综合环境效应239
6.1.1问题的提出239
6.1.2数据240
6.1.3方法242
6.1.4结果246
6.1.5讨论252
6.1.6结论255
6.2中国城市居民的空气污染暴露性255
6.2.1问题的提出255
6.2.2数据256
6.2.3方法257
6.2.4结果257
6.2.5讨论262
6.2.6结论265
6.3中国城市居民的地震灾害暴露性265
6.3.1问题的提出265
6.3.2数据267
6.3.3方法267
6.3.4结果269
6.3.5讨论274
6.3.6结论278
6.4中国人类-环境系统可持续性评价278
6.4.1问题的提出278
6.4.2数据279
6.4.3方法280
6.4.4结果281
6.4.5讨论284
6.4.6结论287
参考文献288
第7章结语295
7.1本书精要295
7.2展望297
参考文献299
作者简介

    第1章 绪论
    自1750 年至1850 年工业革命以来，城市化已成为全球环境变化和社会经济转型的主要驱动力(Grimm et al.， 2008; Wu， 2008， 2010)。近几十年中，伴随着发达国家和发展中国家新兴城市的迅速发展及旧城的扩张，这种现象尤其突出。截至2008 年，全球超过50%的人口生活在城市区域，同时，城市人口的数量正在以每周100 万人的速度迅速增长(Anonymous， 2010)。据联合国预测，2050 年全球人口的80%将会生活在城市地区。即使世界人口在2050 年已趋于稳定，但城市人口仍将继续增长，未来人口的增加都将集中在城市地区(大多集中于亚洲和非洲等)。因此，可以肯定的是，我们的未来将会变得更加“城市”。
    城市化既是福也是祸(Wu， 2008， 2010)。城市是经济增长的引擎，是创新和社会文化发展的中心。城市通常对能源和原材料有更高的使用效率。同时，城市比农村更易获得教育、就业、医疗保健和社会服务。除此之外，通过人口的聚集，城市至少在原则上能够为其他物种节省更多的土地。但是，城市也是环境问题严重、社会经济不公平性不断增长、政治和社会动荡存在的地方。尽管物理上城市化的土地面积仅占地球陆地表层总面积的3%，但城市“生态足迹”是不容小觑的——通常是城市占地面积的数百倍(Lucket al.， 2001; Jenerette and Potere， 2010)。城市区域的碳排放量约占碳排放总量的78%，城市用水约占居民用水总量的60%，城市用于工业用途的木材使用量占木材使用总量的76%(Grimm et al.， 2008; Wu， 2008， 2010)。结果就是，城市化已经从局地到全球尺度严重影响了生物多样性、生态系统过程、生态系统服务、气候和环境质量。
    然而，直到最近，生态学家还主要致力于“自然”生态系统，并将城市视为不具有研究价值的“破坏性的生态系统”(Collins et al.， 2000)。但这并不意味着城市生态学是“全新的”。事实上，“城市生态学”在“生态学”和“景观生态学”产生之前就已经存在了。在过去的20 多年中，城市生态学已经发展成为一个高度交叉的研究领域，越来越被生态学家、地理学家和社会科学家所接受。城市生态学的这种发展是少有的，其与整体上景观生态学的兴起，特别是城市景观生态学研究的兴起有很大关系。其使得一个充满活力并且令人兴奋的研究领域——城市景观生态学得以诞生。
    本书主要关注城市景观过程中生态环境影响和区域可持续发展问题，共7 章(图1.1)。首先，基于景观可持续科学理念，提出“过程-影响-可持续性”的城市景观可持续性研究框架，建立基于夜间灯光数据的大尺度城市景观过程信息获取方法体系，介绍夜间灯光数据的系统订正方法、饱和订正方法和综合分类处理方法。其次，基于多尺度景观分析视角，详细揭示近30 年来中国城市化水平、城市扩展、城市规模-位序、城市蔓延和城市不透水层的基本格局和过程特征，进而综合利用遥感、地理信息系统和模型模拟手段，在不同时空尺度上揭示中国城市景观过程对自然栖息地、耕地净初级生产力和地表温度的影响。最后，定量评估中国近30 年城市化过程中城市环境、居民福祉和人类-环境系统的基本状况。
    具体地，第2 章城市景观生态学概述。首先，在综述目前城市土地多种定义基础上，基于等级理论提出城市土地定义等级系统，分析全球城市土地的基本特征。随后，回顾城市生态学的沿革和演变，提出城市景观生态学的研究框架，总结城市生态学的主要进展。在此基础上，结合中国的城市发展历史，归纳中国城市生态学的发展阶段和研究特征，并探讨了未来研究的方向。最后，在解析城市生态学发展趋势的基础上，提出城市景观生态学的研究框架，并进一步介绍城市景观中人类福祉和城市可持续性评价的方法。
    第3 章城市景观测量。首先，概述近年来夜间灯光数据的应用进展，总结夜间灯光数据的特点，对比了常用的夜间灯光数据集，依托文献分析方法综述了夜间灯光数据应用领域和方法，并对未来研究提出了展望。在此基础上，针对夜间灯光在城市景观测量中稳定性和连续性差的问题，提出了长时间序列夜间灯光数据系统订正方法。该方法包括相对辐射订正、年内合成订正和年际序列订正3 个步骤。同时，针对灯光饱和的问题，也提出了利用植被指数数据订正饱和像元的方法。最后，利用订正后的数据，分别发展了城市建成区和城市不透水层提取的方法，提取中国城市建成区和城市不透水层的信息，验证提取结果的精度。
    第4 章城市景观过程。首先，介绍利用灯光数据衡量城市化水平的方法，并从国家、省级和县级尺度分析中国近20 年来城市化水平的动态。然后，基于夜间灯光提取的城市建成区数据和城市扩展指数，在国家、经济区和城市群尺度分析中国20 多年来城市扩展的过程。随后，结合城市建成区数据、人口普查数据和城市蔓延指数，在国家、区域和不同规模城市的尺度分析中国城市蔓延的特征。同时，结合城市建成区数据、帕累托回归和位序钟方法，在全国和城市群尺度分析中国城市规模-位序特征。最后，结合城市不透水层数据、统计分析方法和景观生态学多尺度分析原理，在省级、地级和县级尺度探讨城市不透水层的驱动机制。
    第5 章城市景观过程的影响。首先，结合提取的城市土地数据和世界自然保护联盟发布的栖息地分类标准，在国家、生态区和热点地区3 个尺度量化城市扩展对自然栖息地的占用。随后，结合植被净初级生产力模型和土地利用数据，在国家、农业区和热点地区3 个尺度量化城市扩展对耕地净初级生产力的影响。最后，结合遥感获取的地表温度数据和气象站点数据，在生态区、城市群和城市核心区3 个尺度分别分析城市景观过程对地表温度和城市热岛效应的影响。
    第6 章城市景观可持续性。首先，综合利用多源遥感数据，从国家、城市群和快速城市化地区3 个尺度评估中国城市的环境变化。随后，将人口普查数据分别与空气污染数据产品和地震灾害图结合，从人类福祉角度即居民健康和安全的角度，分析中国城市居民对空气污染和地震灾害的暴露性。最后，利用人类可持续发展指数，从国家、区域和省级尺度分别评估中国过去20 年的人类-环境系统可持续性。
    第7 章结语。总结本书的主要工作和主要发现，并对未来城市景观生态学的发展和中国城市景观生态学的研究进行讨论和展望。
    参 考 文 献
    Anonymous. 2010. The century of the city. Nature， 467(7318): 900-901.
    Collins J， Kinzig A， Grimm N， et al. 2000. A new urban ecology. American Scientist， 88 (5):416-425.
    Grimm N， Faeth S， Golubiewski N E， et al. 2008. Global change and the ecology of cities. Science，319 (5864): 756-760.
    Jenerette G， Potere D. 2010. Global analysis and simulation of land-use change associated with urbanization. Landscape Ecology，25 (5): 657-670.
    Luck M， Jenerette G， Wu J， et al. 2001. The urban funnel model and the spatially heterogeneous ecological footprint. Ecosystems， 4:
    782-796.
    Wu J. 2008. Making the case for landscape ecology: An effective approach to urban sustainability. Landscape Journal， 27: 41-50.
    Wu J. 2010. Landscape of culture and culture of landscape: Does landscape ecology need culture? Landscape Ecology， 25 (8):
    1147-1150.
    第2 章 城市景观生态学概述
    2.1 城市土地的基本概念和特征*
    2.1.1 问题的提出
    全球正在经历的快速城市化进程已经对生态环境造成了严重影响(Irwin andBockstael， 2007; Grimm et al.， 2008; Fragkias and Seto， 2012; Wu， 2013c， 2014)。为了评价城市化对生物多样性、生态系统过程和环境状况的影响，我们必须掌握全球城市土地的总量和空间分布特征。近年来，已有学者借助遥感和地理信息系统技术获取了全球城市土地信息，但对全球城市土地的基本特征却莫衷一是。例如，目前对全球城市土地总面积的估测值最小不及全球陆地总面积的1%，优选已接近全球陆地总面积的3%，估测结果存在明显差异(Elvidge et al.， 2010; Ciesin et al.， 2011)。除提取城市土地信息的数据源和方法不同之外，不一致的城市土地定义是造成全球城市土地基本特征仍存在争议的主要原因(McIntyre et al.， 2000; McIntyre， 2011; Raciti et al.， 2012; Wu， 2014)。
    本节的目的在于厘清城市土地的基本概念和特征。为此，首先在分析城市土地主要数据及其定义的基础上，提出了一个基于“巢式”等级理论的城市土地概念框架；然后，基于此概念框架对现有全球城市土地数据进行了归纳，明确了全球城市土地的总量和空间分布特征。
    2.1.2 城市土地的基本概念
    “城市”一词在文献中有着大量不同的含义(McIntyre et al.， 2000; McIntyre， 2011)。一般情况下，总人口规模、人口密度和不透水层3 个要素被用作定义城市的标准(Wu，2014)。在这里，仅分析了全球城市土地数据涉及的城市土地定义。本书共搜集了1993～2013 年公开发布的12 项全球城市土地数据，这些数据涉及6 个不同的城市土地定义(表2.1)。这些数据包括9 项全球城市土地空间分布数据(Angelet al.， 2005; Bartholome and Belward，2005; Schneider et al.， 2009， 2010; Elvidge et al.， 2010;Klein Goldwijk et al.， 2010; Angel et al.， 2011; CIESIN et al.， 2011; ESA， 2011;Demographia， 2012)、1 项世界观察研究所发布的全球城市土地面积估测数据(O'Meara，1999)和2 项来源于全球城市研究专著(Worldwatch Institute)的全球城市土地面积估测数据(Douglas， 1994; Gamba and Herold， 2009)。这些数据涉及的6 个城市土地定义包括“城市范围”“城市行政范围”“以建筑环境占主导的区域”“建成区”“人造地表和相关区域”和“不透水层”。
    本书发现，不同定义下，全球城市土地面积的估测结果存在差异(表2.1)。“城市范围”和“城市行政范围”下的全球城市土地面积估测值接近全球陆地面积的2%，其他4 个定义下的全球城市土地面积估测值不超过全球陆地面积的0.6%。另外，两个无明确的城市土地定义的全球城市土地面积估测值接近全球陆地面积的3%(Gamba and Herold，2009; CIESI