青藏高原城市擴(kuò)展過程的區(qū)位因素
——基于隨機(jī)森林的多尺度分析

毛誠瑞,任 強(qiáng),李 磊,何春陽,*

1 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室,北京 100875 2 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875 3 應(yīng)急管理部-教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院,北京 100875 4 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875

青藏高原是我國乃至全球生物多樣性保護(hù)的熱點地區(qū)[1]。然而,由于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一且對人類活動極為敏感,青藏高原也是我國最大的生態(tài)脆弱區(qū)[2]。近年來,在“西部大開發(fā)”與“一帶一路”倡議的共同推動下,青藏高原城市經(jīng)歷了快速的城市擴(kuò)展過程[3]。這導(dǎo)致了土壤流失、草地退化和水質(zhì)污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題[4—5],使得區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與脆弱的高原生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間的矛盾日益突出。城市的區(qū)位因素是指促使城市區(qū)位地理特征和功能形成及變化的條件,包括自然區(qū)位因素(例如,地形、氣候和河流等)和社會經(jīng)濟(jì)區(qū)位因素(例如,交通、政治和宗教等)[6—7]。區(qū)位因素會影響城市擴(kuò)展的空間格局,從而改變城市擴(kuò)展對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響[8]。未來,青藏高原的城市還會進(jìn)一步擴(kuò)展[9]。認(rèn)識青藏高原城市擴(kuò)展過程的區(qū)位因素特征是優(yōu)化高原城市土地空間格局的基礎(chǔ),對實現(xiàn)高原可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

目前,已有學(xué)者揭示了青藏高原典型城市的擴(kuò)展過程區(qū)位因素特征。這些研究定性或定量的分析了地形、交通和河流等區(qū)位因素對青藏高原城市擴(kuò)展的重要性[10—14]。例如,唐艷等[10]和蒲光昕等[11]采用定性的方式分析了西寧市城市擴(kuò)展過程的區(qū)位因素特征,發(fā)現(xiàn)地質(zhì)地貌條件限制了西寧市的城市擴(kuò)展。Pan等[12]和Tang等[13]采用定量的方式分別分析了西寧市和拉薩市的城市擴(kuò)展過程的區(qū)位因素特征,發(fā)現(xiàn)交通因素對兩個城市的擴(kuò)展具有重要的推動作用。這些局地尺度的研究為認(rèn)識青藏高原城市擴(kuò)展的區(qū)位因素特征提供了良好的基礎(chǔ),然而對于青藏高原全域尺度的城市擴(kuò)展過程區(qū)位因素特征的分析還有待進(jìn)一步研究。此外,已有區(qū)位因素研究的分析尺度集中于行政區(qū)劃尺度,缺乏基于生態(tài)學(xué)尺度的區(qū)位因素研究。然而,生物群區(qū)和生態(tài)區(qū)是生態(tài)學(xué)尺度的重要組成單元,具有相似的生境類型和生物多樣性的屬性,是分析城市擴(kuò)展過程對自然生境和生物多樣性影響的重要尺度[15—16]?；谏鷳B(tài)學(xué)尺度進(jìn)行區(qū)位因素研究,可以與生物多樣性保護(hù)相結(jié)合,進(jìn)一步分析區(qū)位因素影響下的城市擴(kuò)展對生物多樣性的影響,進(jìn)而為青藏高原的生物多樣性保護(hù)提供政策建議。

隨機(jī)森林為從生態(tài)學(xué)尺度分析青藏高原城市擴(kuò)展過程區(qū)位因素提供了有效的方法。隨機(jī)森林是一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法,可以很好地擬合與城市擴(kuò)展密切相關(guān)的區(qū)位因素間的線性關(guān)系,進(jìn)而準(zhǔn)確評估各區(qū)位因素的相對重要性。目前,已有學(xué)者使用隨機(jī)森林的方法在不同地區(qū)開展了城市擴(kuò)展區(qū)位因素研究。例如,Zhang等[17]采用隨機(jī)森林方法分析了惠州市惠城區(qū)2000—2010年城市擴(kuò)展區(qū)位因素的特征,發(fā)現(xiàn)交通因素對惠城區(qū)城市擴(kuò)展具有重要的影響。宋世雄等[18]利用隨機(jī)森林分析了呼包鄂榆城市群城市擴(kuò)展的主要區(qū)位因素,發(fā)現(xiàn)到城市中心的距離是影響區(qū)域城市擴(kuò)展最重要的因素。

本文的目的是從生態(tài)學(xué)尺度分析青藏高原城市擴(kuò)展過程的區(qū)位因素特征。首先,基于高分辨率長時間城市土地數(shù)據(jù)集(GAIA),通過目視解譯的方法提取青藏高原1990—2020年城市土地,并分析區(qū)域30年來的城市擴(kuò)展過程。然后,利用隨機(jī)森林方法在全區(qū)、生物群區(qū)和生態(tài)區(qū)3個尺度上分析青藏高原城市擴(kuò)展的區(qū)位因素特征。本研究的結(jié)果有利于全面認(rèn)識青藏高原城市擴(kuò)展區(qū)位因素特征,進(jìn)而為該地區(qū)生物多樣性保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供政策建議。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

青藏高原位于25°59′—40°1′N、67°40′—104°40′E之間,北起西昆侖山-祁連山山脈北麓,南抵喜馬拉雅山等山脈南麓,西自興都庫什山脈和帕米爾高原西緣,東抵橫斷山等山脈東緣,跨中國、印度、巴基斯坦和尼泊爾等9個國家?？偯娣e為308.3萬km2,平均海拔約4320 m[19](圖1)。由于地域廣闊且地形復(fù)雜,青藏高原具有熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶等多種氣候類型[20]。高原多年平均溫度為1.37℃,降水量在300—400 mm之間[21]。

圖1 研究區(qū)Fig.1 Study area圖中羅馬數(shù)字為生物群區(qū)編號;Ⅰ: 山地草原和灌叢群區(qū);Ⅱ:溫帶針葉林群區(qū);Ⅲ:溫帶闊葉和混交林群區(qū);Ⅳ:荒漠和干旱灌叢群區(qū);Ⅴ:熱帶和亞熱帶濕潤闊葉林群區(qū);Ⅵ:溫帶草原、稀疏草原和灌叢群區(qū);Ⅶ:熱帶亞熱帶針葉林群區(qū)

青藏高原獨特的地質(zhì)歷史與豐富的自然環(huán)境孕育了眾多特有的動植物物種,形成了具有高海拔特征的生態(tài)系統(tǒng)和物種多樣性中心,被譽(yù)為“珍稀野生動植物天然園和高原物種基因庫”[1]。根據(jù)世界自然基金會(WWF)的劃分,青藏高原一共有40個生態(tài)區(qū),隸屬于7個生物群區(qū)[15]。從生物群區(qū)尺度看,山地草原和灌叢群區(qū)的面積最大,約為232.8萬km2,占青藏高原總面積的75.5%。從生態(tài)區(qū)尺度上看,青藏高原中部高山草原生態(tài)區(qū)的面積最大,約為62.9 km2,占青藏高原總面積的20.4%(圖1)。根據(jù)世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)紅色名錄,青藏高原共有1193種瀕危物種[22]。其中,山地草原和灌叢群區(qū)有1157種,占青藏高原瀕危物種總數(shù)的96.98%。青藏高原中部高山草原生態(tài)區(qū)有330種,占青藏高原脊椎動物總數(shù)的18.72%。

2000—2020年,青藏高原經(jīng)歷了快速的城市化進(jìn)程。青海省城鎮(zhèn)人口從180萬增長到337萬,增長了87.2%。西藏自治區(qū)城鎮(zhèn)人口從50萬增長到110萬,增長了1.2倍。同期,青海省國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)從263.7億元增長到3005.9億元,增長了近10倍。西藏自治區(qū)GDP從117.8億元增長到1902.7億元,增長了近16倍[23—24]。

1.2 數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)主要包括長時間序列城市土地數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和地理信息輔助數(shù)據(jù)。其中,城市土地數(shù)據(jù)來源于清華大學(xué)數(shù)據(jù)平臺發(fā)布的全球人造不透水層數(shù)據(jù)集(GAIA)(http://data.ess.tsinghua.edu.cn/gaia.html)。GAIA數(shù)據(jù)基于Sentinel-1數(shù)據(jù)和夜間燈光數(shù)據(jù),采用改進(jìn)后的“排除/包含”算法提取,總體精度為89%,空間分辨率為30 m[25]。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(https://www.gscloud.cn/),空間分辨率為90 m。地理信息輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)邊界、河流和公路等。其中,研究區(qū)邊界來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/)。河流數(shù)據(jù)來源于全球水文數(shù)據(jù)集(HydorSHEDS)提供的全球河流數(shù)據(jù)(https://www.hydrosheds.org/),主要公路和鐵路等交通數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)。生物群區(qū)和生態(tài)區(qū)邊界來源于WWF發(fā)布的全球陸地生態(tài)區(qū)劃(https://www.worldwildlife.org/publications/wildfinder-database)。該區(qū)劃以生物多樣性保護(hù)為目標(biāo),屬于生物地理區(qū)劃范疇[26]。以生物的地域分異規(guī)律作為核心劃分依據(jù),該區(qū)劃將生物群區(qū)和生態(tài)區(qū)劃分為具有相似屬性的自然生境和生物多樣性聚集的地理單元[15]。為了保證數(shù)據(jù)一致性,將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的阿爾伯斯(Albers)等積圓錐投影,并將柵格數(shù)據(jù)重采樣為30 m分辨率。

2 研究方法

本研究的研究流程見圖2,共分為2個步驟。首先,結(jié)合GAIA數(shù)據(jù)和目視解譯提取青藏高原1990—2020年城市土地信息,在此基礎(chǔ)上多尺度分析青藏高原的城市擴(kuò)展過程。其次,采用隨機(jī)森林的方法分析區(qū)域1990—2020年城市擴(kuò)展過程的區(qū)位因素。

圖2 流程圖Fig.2 Flow chartGAIA: 全球人工不透水層數(shù)據(jù)集Global artifical impervious area

2.1 提取區(qū)域1990—2020年城市土地信息

由于青藏高原城市化率低且城市土地異質(zhì)性較大,GAIA數(shù)據(jù)獲取的城市土地信息與青藏高原實際的城市土地存在一定的誤差。因此,本研究首先基于谷歌地球高分辨率遙感影像對GAIA數(shù)據(jù)進(jìn)行目視解譯,獲取1990—2018年的青藏高原城市土地。然后,在2018年青藏高原城市土地的基礎(chǔ)上,通過目視解譯的方式獲取2020年城市土地數(shù)據(jù),得到1990—2020年青藏高原城市土地。

參考Liu[27]的研究,基于城市土地不會轉(zhuǎn)化為其它土地利用類型的假設(shè),對城市土地數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列訂正,具體公式如下:

(1)

式中,UL(n-1,i)、UL(n,i)和UL(n+1,i)分別表示第n-1年、第n年和第n+1年像元是否為城市土地,1表示城市土地,0表示非城市土地。

2.2 分析區(qū)域1990—2020年城市擴(kuò)展過程

參照Pan等[12]的研究,選擇景觀擴(kuò)展指數(shù)(LEI)、斑塊密度(PD)和景觀形狀指數(shù)(LSI)3個指標(biāo),分別表征城市擴(kuò)展模式、城市景觀的破碎度以及形狀。其中景觀擴(kuò)展指數(shù)的計算公式如下:

(2)

式中,LEI表示景觀擴(kuò)展指數(shù),其取值范圍為0—100[28]。當(dāng)LEI=0時,新增城市土地為蛙躍型。當(dāng)0

斑塊密度的計算公式如下:

PD=N/A

(3)

式中,PD表示斑塊密度。PD值越大,表示斑塊的破碎化程度越高,反之則破碎化程度越小。N表示景觀中城市斑塊的總數(shù),A為景觀的總面積。

景觀形狀指數(shù)的計算公式如下:

(4)

式中,LSI表示景觀形狀指數(shù)。E表示景觀中城市斑塊邊界的總長度,A為景觀總面積。LSI值越大,表示斑塊的形狀越不規(guī)則。

2.3 分析區(qū)域1990—2020年城市擴(kuò)展過程的區(qū)位因素

根據(jù)Pan等[12]的研究和數(shù)據(jù)的可獲取性,本研究從自然和人文兩個方面選擇了7個對青藏高原城市擴(kuò)展過程影響較大的區(qū)位因素,并使用隨機(jī)森林的方法分析了青藏高原城市擴(kuò)展的區(qū)位因素。選取的區(qū)位因子包括高程、坡度、坡向、到河流距離、到公路距離、到鐵路距離和到城市中心距離。值得注意的是,本研究在像元層面對各區(qū)位因素的重要性進(jìn)行計算,文章中所采用的“距離”是指任意像元距離目標(biāo)源(河流、公路和鐵路等)最短的歐式幾何距離。

基于隨機(jī)森林的區(qū)位因素影響分析包括以下4個步驟。第一,在區(qū)位因素數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取66%的數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本,其余34%的數(shù)據(jù)作為袋外數(shù)據(jù)。第二,基于訓(xùn)練樣本構(gòu)建決策樹,通過與袋外數(shù)據(jù)對比評估模型精度,當(dāng)袋外得分大于0.85時認(rèn)為模型精度符合要求。第三,利用袋外數(shù)據(jù)與每個決策樹計算誤差(e1),然后隨機(jī)調(diào)換袋外數(shù)據(jù)中某個因素j的順序得到新的袋外數(shù)據(jù),再次計算誤差(e2)。第四,將每個決策樹e1和e2的差值標(biāo)準(zhǔn)化,得到因子j的重要性。本研究以區(qū)位因素的重要性作為指標(biāo),來確定該因素對城市擴(kuò)展的影響程度。區(qū)位因素的重要性越大,說明該因素對城市擴(kuò)展的影響越大。

最后,在全區(qū)、生物群區(qū)和生態(tài)區(qū)3個尺度上計算了1990—2020年青藏高原城市擴(kuò)展各區(qū)位因素重要性。同時,本研究還計算了1990—2000年和2010—2020年青藏高原城市擴(kuò)展各區(qū)位因素的重要性,并基于此分析了區(qū)位因素重要性的變化。

3 結(jié)果

3.1 1990—2020年城市擴(kuò)展過程

青藏高原1990—2020年期間經(jīng)歷了快速的城市擴(kuò)展過程。全區(qū)城市土地面積由277.4 km2增長到974.9 km2,增長了697.5 km2,增長了2.5倍。各生物群區(qū)中,山地草原灌叢群區(qū)城市擴(kuò)展面積最大。該群區(qū)城市擴(kuò)展面積為467.5 km2,占全區(qū)城市擴(kuò)展總面積的67.0%。在山地草原灌叢群區(qū)中,藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)城市擴(kuò)展面積最大,為244.3 km2,占山地草原灌叢群區(qū)擴(kuò)展總面積的52.3%(表1、表2、圖3)。

表1 1990—2020年青藏高原各群區(qū)城市土地擴(kuò)展過程Table 1 The urban expansion in Qinghai Tibet Plateau from 1990 to 2020

表2 1990—2020年山地草原和灌叢群區(qū)各生態(tài)區(qū)城市擴(kuò)展過程Table 2 The urban expansion of each ecoregions in the montane grassland and shrubland biome from 1990 to 2020

圖3 1990—2020年青藏高原城市擴(kuò)展過程Fig.3 The urban expansion on the Qinghai Tibet Plateau from 1990 to 2020

青藏高原城市擴(kuò)展過程以邊緣型為主。全區(qū)邊緣型擴(kuò)展面積為382.2 km2,占城市擴(kuò)展總面積的54.8%。蛙躍型和內(nèi)填型擴(kuò)展面積分別為222.8 km2和92.5 km2,分別占總擴(kuò)展面積的32.0%和13.2%。在各生物群區(qū)中,有5個群區(qū)以邊緣型城市擴(kuò)展為主。其中,山地草原和灌叢群區(qū)邊緣型擴(kuò)展面積最大,為284.2 km2,占該生物群區(qū)擴(kuò)展總面積的60.8%。在山地草原和灌叢群區(qū)中,75%的生態(tài)區(qū)以邊緣型城市擴(kuò)展為主。其中,藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)邊緣型擴(kuò)展面積最大,為154.4 km2,占該生物群區(qū)擴(kuò)展總面積的63.2%(表1、表2)。地形的限制是青藏高原城市擴(kuò)展過程呈現(xiàn)以邊緣型為主的可能原因。青藏高原的城市土地主要集中在河湟谷地、“一江兩河”地區(qū)和克什米爾谷地等河谷地區(qū)。這些地區(qū)地勢較低,光照充足,水資源豐富且土壤肥沃,為城市擴(kuò)展提供了良好的自然區(qū)位條件[29]。然而,受周邊地形的限制,這些河谷地區(qū)的城市擴(kuò)展主要沿著河流主干道向外線性延伸,導(dǎo)致以邊緣型擴(kuò)展為主[10—11]。

青藏高原城市景觀呈破碎化趨勢。1990—2020年,青藏高原城市的斑塊密度和景觀形狀指數(shù)不斷增加。其中,斑塊密度從0.009增長至0.021,增長了1.33倍。景觀形狀指數(shù)從1.46增加至4.20,增加了1.88倍。各生物群區(qū)中,斑塊密度和景觀形狀指數(shù)也呈增加趨勢。其中,山地草原和灌叢群區(qū)的斑塊密度和景觀形狀指數(shù)增加最多。斑塊密度從0.006增加到0.016,增加了1.67倍。景觀形狀指數(shù)從0.88增加到 2.92,增加了2.32倍。在山地草原和灌叢群區(qū),雅魯藏布江干旱草原生態(tài)區(qū)的斑塊密度增加最多,增加了2.55倍。藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)的景觀形狀指數(shù)增加最多,增加了1.98倍(表1、表2)。青藏高原城市景觀呈現(xiàn)破碎化是多種因素綜合作用的結(jié)果。一方面,在河谷城市發(fā)展的過程中會規(guī)避山體與水體的阻隔,從而新增不連續(xù)的城市土地斑塊[30]。另一方面,受交通因素輻射帶動作用的影響,青藏高原城市土地易沿著交通干線增長,加大了城市斑塊的破碎化[31]。

3.2 城市擴(kuò)展過程區(qū)位因素重要性

高程是影響青藏高原城市擴(kuò)展最主要的區(qū)位因素。在全區(qū)尺度上,高程對青藏高原城市擴(kuò)展的重要性為32.81%。到城市中心距離、公路和坡向等區(qū)位因素的重要性次之,分別為19.39%、14.98%和10.77%。鐵路、坡度和河流因素對城市擴(kuò)展的重要性均小于10%。各生物群區(qū)中,高程均是影響青藏高原城市擴(kuò)展最主要的區(qū)位因素。其中,山地草原和灌叢群區(qū)高程的重要性最大。該群區(qū)高程的重要性為31.93%。到城市中心距離、公路和坡度的重要性分別為21.63%、13.22%和11.14%。鐵路、坡度和河流等因素的重要性小于10%(圖4)。在山地草原和灌叢群區(qū)的各生態(tài)區(qū)中,高程也均是影響青藏高原城市擴(kuò)展最主要的區(qū)位因素。其中,青藏高原中部高寒草原生態(tài)區(qū)的高程重要性最大,重要性為30.59%。到城市中心距離、公路、坡向和鐵路的重要性次之,分別為22.29%、13.36%、12.25%和11.92%。坡度和河流等因素的重要性小于10%(圖5)。

圖4 1990—2020年不同生物群區(qū)城市擴(kuò)展過程區(qū)位因素的重要性Fig.4 The importance of location factors of urban expansion in different biomes from 1990 to 2020圖中縮寫代表7個不同的生物群區(qū);分別為MGS:山地草原和灌叢群區(qū) montane grasslands and shrublands;TBMF:溫帶闊葉和混交林群區(qū) Temperate broadleaf and mixed forests;TCF:溫帶針葉林 Temperate conifer forests;DXS:荒漠和干旱灌叢群區(qū) Deserts and xeric shrublands; TSMBF:熱帶亞熱帶濕潤闊葉林群區(qū) Tropical and subtropical moist broadleaf forests;TGSS:溫帶草原和灌叢群區(qū) Temperate grasslands, savannas and shrublands;TSCF:熱帶亞熱帶針葉林群區(qū) Tropical and subtropical coniferous forests

圖5 1990—2020年山地草原和灌叢群區(qū)內(nèi)不同生態(tài)區(qū)城市擴(kuò)展過程區(qū)位因素的重要性Fig.5 The importance of location factors of urban expansion in different ecoregions of montane grasslands and shrublands from 1990 to 2020圖中縮寫代表6個不同的生態(tài)區(qū);分別為CTPAS:青藏高原中部高寒草原生態(tài)區(qū) Central Tibetan Plateau alpine steppe;YTAS:雅魯藏布江干旱草原生態(tài)區(qū) Yarlung Tsangpo arid steppe;STSM:藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū) Southeast Tibet shrublands and meadows; TPASM:青藏高原高寒灌叢草甸生態(tài)區(qū) Tibetan Plateau alpine shrublands and meadows;KWTPAS:喀喇昆侖-青藏高原西部高寒草原生態(tài)區(qū) Karakoram-west Tibetan Plateau alpine steppe; WHASM:喜馬拉雅西部高山灌叢草甸生態(tài)區(qū) Western Himalayan alpine shrub and Meadows

在不同擴(kuò)展模式下,高程也都是對城市擴(kuò)展影響最大的區(qū)位因素。全區(qū)尺度上,在城市擴(kuò)展面積最大的邊緣型擴(kuò)展模式中,高程的重要性為30.62%。第二重要的區(qū)位因素是到城市中心距離,為19.67%。在蛙躍型和內(nèi)填型擴(kuò)展模式中,高程的重要性分別為32.03%和25.21%(圖6)。在城市擴(kuò)展面積最大的山地草原灌叢群區(qū)中,高程對蛙躍型、邊緣型和內(nèi)填型三種城市擴(kuò)展模式的重要性分別為32.04%、29.25%和25.78%,也都是不同擴(kuò)展模式下重要性最大的區(qū)位因素(圖7)。在山地草原灌叢群區(qū)城市擴(kuò)展面積最大的藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)中,高程對蛙躍型、邊緣型和內(nèi)填型三種城市擴(kuò)展模式的重要性分別為27.07%、31.33%和27.43%,同樣均為不同擴(kuò)展模式下重要性最大的區(qū)位因素(圖8)。

圖7 山地草原和灌叢群區(qū)不同城市擴(kuò)展模式下區(qū)位因素的重要性Fig.7 The importance of location factors in different urban expansion modes on montane grasslands and shrublands

圖8 藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)不同城市擴(kuò)展模式下區(qū)位因素的重要性Fig.8 The importance of location factors in different urban expansion modes on southeast Tibet shrublands and meadows

3.3 城市擴(kuò)展過程區(qū)位因素重要性的變化

高程對城市擴(kuò)展的重要性在1990—2020年期間減小。全區(qū)尺度上,高程重要性由1990—2000年的35.10%減小到2010—2020年的31.06%。在生物群區(qū)尺度上,高程重要性也呈現(xiàn)減小的趨勢。其中,山地草原和灌叢群區(qū)的高程重要性減小最多,由35.77%減小到31.46%(表3)。在山地草原和灌叢生物群區(qū)中,各生態(tài)區(qū)高程重要性減小了1.72%—5.49%。其中,該生物群區(qū)城市擴(kuò)展面積最大的藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)的高程重要性減小4.04%(圖9)。已有研究發(fā)現(xiàn)青藏高原的城市土地正在不斷地往高海拔地區(qū)擴(kuò)展[12],這也意味著高程對青藏高原城市擴(kuò)展的限制作用正在減小。由于國家與地方對高質(zhì)量生境和耕地的保護(hù),青藏高原用于建設(shè)的土地資源受限。然而,城市土地的需求仍不斷增長,這一定程度上導(dǎo)致城市不斷往高海拔地區(qū)發(fā)展[32]。

表3 高程和到鐵路的距離對青藏高原城市擴(kuò)展的重要性Table 3 Importance of elevation and distance to railways for urban expansion in Qinghai Tibet Plateau

圖9 青藏高原1990—2020城市擴(kuò)展區(qū)位因素重要性變化Fig.9 Changes in the importance of location factors for urban expansion on the Qinghai Tibet Plateau from 1990 to 2020

1990—2020年,到鐵路的距離是重要性增加最多的區(qū)位因素。全區(qū)尺度上,到鐵路的距離對城市擴(kuò)展的重要性從2.15%增長到10.56%,增加了3.9倍。到城市中心的距離和坡向的重要性分別增加了1.08%和0.05%。在生物群區(qū)尺度上,山地草原與灌叢群區(qū)到鐵路的距離的重要性增加最多,增加了6.62%。山地草原和灌叢生物群區(qū)中有超過70%生態(tài)區(qū),到鐵路的距離是區(qū)域內(nèi)重要性上升最多的區(qū)位因素,重要性增加了1.36%—9.17%。其中,在城市擴(kuò)展面積最大的藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)中,到鐵路的距離重要性增加了2.21%(圖9)。

4 討論

4.1 目視解譯的城市土地數(shù)據(jù)和隨機(jī)森林模型可以準(zhǔn)確反映青藏高原城市擴(kuò)展過程的區(qū)位因素特征

青藏高原城市土地空間異質(zhì)性較強(qiáng),城市斑塊易出現(xiàn)“同物異譜”的現(xiàn)象,這導(dǎo)致該地區(qū)城市土地的識別精度低于全球平均水平[25]。因此,本研究結(jié)合GAIA數(shù)據(jù)和目視解譯方法訂正青藏高原城市土地數(shù)據(jù),從而提高城市土地信息的準(zhǔn)確性。參考Liu[27]的研究,本文基于社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像評估了青藏高原1990—2020年的城市土地提取精度。首先,基于統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)分別分析了GDP年均增長量、城鎮(zhèn)人口年均增長量與城市土地年均增長量之間的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),本文獲取的青藏高原城市土地信息與GDP和城鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)均顯著相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.90(P<0.001)和0.87(P<0.001),高于其它城市土地數(shù)據(jù)(圖10、圖11)。其次,采用等量分層隨機(jī)抽樣的方法選取了1000個樣本點,結(jié)合谷歌地球高分辨率影像(4 m)評估了本文獲取的城市土地信息與已有其它城市土地信息[25,33—34]的精度?？紤]其他城市土地數(shù)據(jù)的時間范圍,本文對比了1990—2010年各城市土地數(shù)據(jù)的精度。研究發(fā)現(xiàn),本文獲取的青藏高原城市土地信息更加可靠,青藏高原1990—2010年城市土地動態(tài)信息的Kappa系數(shù)和總體精度分別為0.76和85.47%,高于其它城市土地信息。在西寧、拉薩和山南等不同城市化水平的城市中,本文獲取的城市土地斑塊的錯分誤差和漏分誤差更小(圖12)。

圖10 2000—2020年青藏高原城市土地年均增長量與國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)年均增長量的相關(guān)性Fig.10 Correlation between the average annual growth of urban land and the average annual growth of GDP in the Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2020

圖11 2000—2020年青藏高原城市土地年均增長量與城鎮(zhèn)人口年均增長量的相關(guān)性Fig.11 Correlation between the average annual growth of urban land and the average annual growth of urban population in the Qinghai-Tibet Plateau from 2000 to 2020

現(xiàn)有研究主要采用Logistic回歸模型分析城市擴(kuò)展區(qū)位因素重要性[35—37]。因此,參考宋世雄等[18]的研究,本文基于曲線下面積(AUC)指數(shù)對比了兩個模型對城市土地的模擬精度,進(jìn)而驗證兩個模型分析青藏高原城市擴(kuò)展區(qū)位因素的可靠性。AUC指數(shù)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中判斷分類和檢測結(jié)果好壞的常用指標(biāo),AUC值越大表示該模型的精度越高[38]。研究發(fā)現(xiàn),隨機(jī)森林方法比Logistic回歸擁有更高的模擬精度,二者的AUC值分別為0.98和0.84(圖13)。一方面,隨機(jī)森林模型具有較強(qiáng)的泛化能力。模型在進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練的過程中,采用無偏估計計算泛化誤差,減小了模型的過擬合,從而提高模型的泛化能力。另一方面,隨機(jī)森林模型還具有較強(qiáng)的模擬能力。該模型在構(gòu)建決策樹的過程中采用有放回的隨機(jī)抽樣,這種隨機(jī)性提高了模型的抗噪聲能力,從而提高了模型的模擬能力。因此,隨機(jī)森林方法可以準(zhǔn)確揭示青藏高原區(qū)位因素的基本特征。

圖13 隨機(jī)森林和Logistic回歸的ROC曲線 Fig.13 The ROC curves of random forest and logistic regressionROC:接受者操作特性曲線Receiver operating characteristic curve;AUC:曲線下面積 Area under curve

4.2 鐵路的建設(shè)推動了青藏高原的城市擴(kuò)展過程

研究發(fā)現(xiàn),雖然高程在1990—2020年是青藏高原城市擴(kuò)展最重要的區(qū)位因素,但其重要性正在下降。在此期間,到鐵路的距離這一要素的重要性迅速上升,這與青藏高原鐵路工程的建設(shè)有關(guān)。2000年,青藏高原鐵路僅有西寧至格爾木段建成通車,鐵路里程共1134公里。2000—2020年,青藏高原鐵路不斷發(fā)展,不但實現(xiàn)了西寧至拉薩的全線通車,還建設(shè)了敦格鐵路、拉日鐵路和拉林鐵路等,鐵路總里程達(dá)到4416 km,是2000年鐵路總里程的近4倍。這改善了青藏地區(qū)的交通運輸條件,提升了區(qū)域發(fā)展能力,加快了青藏高原地區(qū)城市化進(jìn)程[13]。

一方面,鐵路促進(jìn)了青藏地區(qū)工業(yè)的發(fā)展,從而提升區(qū)域的城市化率。受能源供應(yīng)不足和交通不便的制約,工業(yè)一直是青藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)的短板[39]。青藏鐵路建成后,能源運輸?shù)闹萍s因素減弱,工業(yè)在經(jīng)濟(jì)中的地位隨著制約的減少而逐步上升,區(qū)域的城市化率也隨之提升[40]。此外,青藏高原鐵路的建設(shè),進(jìn)一步加強(qiáng)了高原與內(nèi)地之間的經(jīng)濟(jì)社會聯(lián)系,推動了高原礦產(chǎn)業(yè)和特色農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)的發(fā)展[41—42]。另一方面,鐵路促進(jìn)旅游業(yè)的發(fā)展,從而提升區(qū)域的城市化率。青藏高原獨特自然和人文景觀對國內(nèi)外的旅游者具有很強(qiáng)的吸引力。青藏高原鐵路網(wǎng)絡(luò)未完善之前,由于交通不便,使得游客難以到達(dá)。鐵路交通完善后,青海省和西藏自治區(qū)的客運量由2006年的389萬增長至2019年的1527萬,旅游業(yè)收入同比增長了近18倍,青藏高原旅游業(yè)得到了快速的發(fā)展[23,24]。本結(jié)果與已有研究一致。這些研究發(fā)現(xiàn)青藏鐵路促進(jìn)了青藏高原城市與內(nèi)地之間的聯(lián)系,增強(qiáng)了城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對高原城市的擴(kuò)展過程具有明顯的推動作用[13,43—44]。

4.3 青藏高原鐵路的建設(shè)對區(qū)域瀕危物種產(chǎn)生影響

在城市擴(kuò)展的區(qū)位因素研究中,本研究發(fā)現(xiàn)鐵路因素的重要性迅速增加,這意味著鐵路因素對青藏高原的城市擴(kuò)展具有重要的推動作用。然而,鐵路的建設(shè)會帶來生境破碎化[45],進(jìn)而影響區(qū)域的生物多樣性[46]。參考連新明等[47]的研究,本研究將鐵路周圍500 m的緩沖區(qū)作為鐵路對瀕危物種的影響范圍,并與瀕危物種最適宜生境進(jìn)行疊加分析,從而量化青藏高原新增鐵路對瀕危物種的影響,以期為高原的城市擴(kuò)展提供政策建議。

新增鐵路對青藏高原內(nèi)380種瀕危物種造成了威脅,占IUCN紅色名錄公布的青藏高原瀕危物種總數(shù)的31.85%(380種/1193種)[22]。其中,鳥類353種、哺乳動物25種和爬行動物2種。在所有的生態(tài)區(qū)中,藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)的鐵路建設(shè)對瀕危物種的影響最大,該生態(tài)區(qū)共有335種瀕危物種受到鐵路的影響,占藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)瀕危物種總數(shù)的52.5%,占青藏高原瀕危物種總數(shù)的21.29%。其中,鳥類313種、哺乳動物20種和爬行動物2種(表4)。已有學(xué)者也發(fā)現(xiàn)青藏高原鐵路的建設(shè)對瀕危物種產(chǎn)生了影響。例如,夏霖等[48]研究發(fā)現(xiàn),青藏鐵路高聳的路基對可可西里藏羚羊的季節(jié)性遷徙造成影響。殷寶法等[49]研究發(fā)現(xiàn),青藏鐵路對藏羚羊、藏原羚、藏野驢等蹄類動物的日?；顒泳胁煌潭鹊挠绊憽Ｍ踉频萚50]發(fā)現(xiàn),青藏鐵路對藏羚羊的遷移具有明顯的阻隔作用。

表4 受鐵路影響的瀕危物種數(shù)量Table 4 The number of endangered species affected by railway

在“一帶一路”的背景下,未來青藏高原還將進(jìn)一步推進(jìn)鐵路的建設(shè),發(fā)揮鐵路對城市擴(kuò)展的輻射帶動作用。這將進(jìn)一步增加城市擴(kuò)展與區(qū)域生物多樣性保護(hù)之間的矛盾。為了實現(xiàn)青藏高原的可持續(xù)發(fā)展,建議在加強(qiáng)鐵路建設(shè)帶動區(qū)域城市發(fā)展的同時,也要采用有效措施減小鐵路建設(shè)對瀕危物種的影響。首先,在野生動物經(jīng)常出沒的地方構(gòu)建廊道,確保自然生境間的連通性,減小鐵路建設(shè)帶來的生境破碎化對野生動物的影響。其次,嚴(yán)格規(guī)劃鐵路的建設(shè)路線,避免鐵路建設(shè)占用高質(zhì)量的自然生境。同時,借助鐵路對城市擴(kuò)展的輻射作用,引導(dǎo)未來城市有方向性的擴(kuò)展,避免對區(qū)域草甸和濕地等重要生境的占用。最后,調(diào)整鐵路的運行時間,在鐵路兩側(cè)動物活動的高峰時段控制火車的過往頻次,減小鐵路對動物活動的影響。同時,加快青藏高原鐵路的電氣化改造工程,減小鐵路污染物排放而對野生動物帶來的間接影響。

4.4 未來展望

本研究的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在兩個方面。首先,本研究分析了青藏高原全域城市擴(kuò)展的區(qū)位因素特征,為理解青藏高原地區(qū)城市擴(kuò)展過程提供了整體視角。其次,本研究基于生態(tài)學(xué)尺度,分析了區(qū)位因素對區(qū)域內(nèi)瀕危物種的影響,為青藏高原的生物多樣性保護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。

然而,本研究仍存在一定的不足。首先,在基于隨機(jī)森林模型量化區(qū)位因素重要性過程中,忽略了目標(biāo)像元鄰域區(qū)位因素的影響。目標(biāo)像元轉(zhuǎn)化為城市像元是受該像元所處位置以及該位置一定鄰域范圍內(nèi)區(qū)位因素綜合影響的結(jié)果[8]。其次,本研究僅分析了各區(qū)位因素對青藏高原城市擴(kuò)展的重要性及其變化,沒有分析各區(qū)位因素之間的聯(lián)系。最后,在分析鐵路對瀕危物種影響時,只簡單的將鐵路周圍500 m緩沖區(qū)作為鐵路對瀕危物種的影響區(qū)域,忽略了鐵路對500 m范圍外瀕危物種的影響。然而,500 m范圍已經(jīng)覆蓋了大部分鐵路對周邊物種影響的區(qū)域[51—52]。雖然本研究可能低估了鐵路對青藏高原瀕危物種的影響,但是研究結(jié)果仍然可以為區(qū)域生物多樣性保護(hù)提供依據(jù)。

在未來研究中,可以結(jié)合全卷積網(wǎng)絡(luò)方法,通過添加卷積核來量化目標(biāo)像元一定鄰域范圍內(nèi)區(qū)位因素對城市擴(kuò)展的綜合影響。其次,采用多變量分析的方法進(jìn)一步分析各區(qū)位因素之間的相關(guān)性,結(jié)合區(qū)位因素之間的相關(guān)性提出更加全面性的政策建議。最后,結(jié)合物種分布模型和實測的野外站點數(shù)據(jù)綜合分析鐵路對瀕危物種的影響,從而提高評估結(jié)果的精度。

5 結(jié)論

1990—2020年,青藏高原經(jīng)歷了快速的城市擴(kuò)展過程。全區(qū)城市土地面積由277.4 km2增加到974.9 km2,增長了697.5 km2,增長了2.5倍。其中,青藏高原城市擴(kuò)展過程以邊緣型為主。邊緣型模式擴(kuò)展382.2 km2,占擴(kuò)展總面積的54.8%。快速的城市擴(kuò)展過程使得城市景觀變得破碎化。其中,斑塊密度從0.009增長至0.021,增長了1.33倍。景觀形狀指數(shù)從1.46增加至4.20,增加了1.88倍。

高程是影響青藏高原城市擴(kuò)展最主要的區(qū)位因素。然而,其對新增城市土地的重要性正在減小。全區(qū)尺度上,高程重要性由1990—2000年的35.10%減小到2010—2020年的31.06%,減小了4.04%。在城市擴(kuò)展面積最大的山地草原和灌叢群區(qū)中,其重要性減小了4.31%。在山地草原和灌叢群區(qū)城市擴(kuò)展面積最大的藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)中,其重要性減小了4.04%。

1990—2020年,到鐵路的距離對青藏高原城市擴(kuò)展的重要性增大。在全區(qū)尺度上,到鐵路的距離的重要性由2.15%增加到10.56%,重要性增加了8.41%。在城市擴(kuò)展面積最大的山地草原與灌叢群區(qū)中,到鐵路的距離的重要性增加了6.62%。在該生物群區(qū)城市擴(kuò)展面積最大的藏東南灌叢草甸生態(tài)區(qū)中,鐵路重要性增加了2.21%。

青藏高原鐵路的建設(shè)對區(qū)域瀕危物種造成威脅。青藏高原鐵路對區(qū)域內(nèi)近三成(380種/1193種)的瀕危物種造成了威脅。其中,鳥類353種、哺乳動物25種和爬行動物2種。因此,在發(fā)揮鐵路對區(qū)域城市擴(kuò)展輻射作用的同時,還要通過建立野生動物廊道和限制鐵路運行時間段等方式減小鐵路對瀕危物種的影響,實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。