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文献综述建设用地布局研究
公共管理学院
博士生资格认定材料
文献综述
土地利用优化布局和城镇建设用地扩展研究
姓名
导师
专业土地资源管理
提交日期:
2010年10月12日
新一轮土地利用总体规划修编实行的是指标的层层分解,下位土地利用总体规划的建设用地指标必须与上位规划相一致,因而在数量上调整余地较小,使得规划修编的核心任务体现在了布局优化上;另外,与前两轮规划相比,本轮规划首次提出了在中心城区实行建设用地“三界四区”控制制度,通过划定城镇建设用地规模边界、扩展边界和禁止建设边界,形成允许建设区、有条件建设区、限制建设区和禁止建设区四类空间管制区,这是城镇建设用地布局在土地利用总体规划中的集中体现。
而且城镇建设用地区是区域经济发展的核心与载体,其布局优化直接关系到区域社会经济的可持续发展和生态环境的保护(Alberti,2005),对于引导和控制未来的土地利用有着重要意义。
城镇建设用地布局是土地资源优化配置和布局的重要方面,同时,了解城镇建设用地扩展的时空特征、驱动机制,以及对未来城镇建设用地扩展的模拟是城镇建设用地布局的基础,本研究即围绕这几个方面展开系统的综述。
1土地资源优化配置和布局
1.1土地利用结构优化与布局
土地资源优化配置是为了达到一定的生态经济社会目标的最优化,依据土地的特性,利用科学技术和管理手段,对区域一定数量土地的利用结构、方向,在时空尺度上,分层次进行安排、设计、组合和布局,以提高土地利用效率和土地产出率,使土地生态系统维持相对平衡,实现土地的可持续利用(Tomlin&Johnston,1988;倪绍祥、刘彦随,1999;严金明,1996)。
早期土地资源的优化配置主要着眼于土地利用结构的优化,取得了丰硕的成果。
主要研究领域包括:
城市化、农业发展与土地优化配置机理研究,湿地、废弃地及居住地等特殊地段土地配置研究,农作物、林业、水产养殖、交通运输等产业用地优化配置研究,土地使用政策及其对土地利用配置作用研究等(刘荣霞等,2005)。
其主要方法包括线性规划方法、系统动力学方法、多目标规划法、遗传算法、神经网络等。
Rabbinge(1992)、Makowski(2000)等采用线性规划方法优化了地块尺度和区域尺度上的土地资源,刘彦随(1999)依据三峡库区土地资源适宜性特点,综合考虑其社会经济发展与生态环境建设的目标要求,运用线性规划模型方法,进行土地利用优化配置;赵小敏等(1996)运用系统动力学方法分析土地—社会—经济系统的结构、功能、行为及其相互间的关系,通过描述人口变化、经济发展变化、土地利用变化及各业用地需求量之间的内在联系,动态模拟各业用地的发展趋势,得出适应各种社会经济条件的土地利用决策方案,赵庚星等(1998)通过系统动力学原理、方法和模型对黄河三角洲垦利县土地利用系统进行模拟,由此确定了适宜的土地利用结构方案;Dickey和Sharpe(1974)首次提出土地利用规划是多目标的概念,Ventura等(1988)利用一个县的土地信息系统,结合土地多用途多目标规划用于配置农村土地资源,龚健和刘耀林(2005)采用了基于系统动力学和多目标规划整合模型的土地利用结构优化方法;席一凡等(2001)利用遗传算法的全局优化搜索能力,构建了土地利用的优化模型,董品杰(2003)、刘艳芳(2005)等提出了基于多目标遗传算法的土地利用结构优化的配置方法,以此解决土地利用规划的宏观结构调整和土地利用分区等核心问题;宋嗣迪和陈燕红(1997)提出了基于神经网络的土地利用优化方案新方法。
尽管土地利用结构优化是土地利用合理配置的基础,但如果在地域空间上分布不当,就会限制土地利用效率的提高,影响土地资源配置的科学性和精确性,因此如何将各土地利用类型数量在地域空间上进行合理的落位,开展土地利用空间优化配置问题研究显得尤为重要,其主要目的是将一定的土地利用方式与土地利用的生态适宜性、社会经济适宜性进行适当组合,从而形成良好的用地数量结构和空间布局,实现土地可持续利用的过程(罗鼎等,2009)。
早期的土地利用空间优化配置研究主要着眼于城市的空间均衡布局研究,包括宏观布局和微观布局两方面,城市宏观空间结构理论主要包括:
区位理论、增长极理论、田园城市理论等;城市微观空间结构理论主要包括:
“点-轴”理论、同心圆理论、扇形理论、“核心-边缘理论”以及多核心理论(郑新奇,2004)。
土地利用分区也是也是土地利用空间优化配置的重要方面,常用的分区方法主要有综合分析法、主导因素法、叠置法和聚类法(模糊聚类法和灰色聚类法)。
综合分析法又称经验法,是一种定性分区方法,主要适用于土地利用方式区域差异显著,分区界限明显易定的地区,要求具体操作人员非常熟悉当地的实际状况;主导因素法是在基层乡镇土地利用方式划分的基础上,适当加以归并,逐步扩大土地利用类型区,再将地域相连的类型区合并成为土地利用用地区域,以主导土地用途作为用地区的名称;叠置法又称为套图法,适用于规划图和区划图件齐全的情况,具体操作时将有关相同比例尺图件上的规划界线重叠在一起,以确定共同的区界,对于不重叠的部分要具体分析其将来的主导土地用途加以取舍;聚类法是一种定量的分区方法,是根据“物以类聚”的道理,对土地利用指标进行分类的一种多元统计分析方法。
由于模糊数学和灰色系统理论的引进,常常应用模糊聚类法和灰色多元聚类法。
这些方法均从影响土地质量的多因素分析入手,体现了区域土地利用规划布局的综合性,但还不具有解决空间复杂性问题的特征,而且布局过于宏观,并没有细化到地块,控制性不强(杨小雄等,2009)。
20世纪70年代中期,随着线性规划等控制理论的逐渐渗透,为土地利用空间布局研究增加了强有力的分析工具,Dokmeci(1974)、Charnes(1975)、Cheung(1976)等将线性规划应用于土地利用的空间配置进行了研究;Barber(1976)提出运用多目标规划法来解决居住可达性最大和能源消耗最小两个目标的土地利用规划布局问题;Diamond和Wright(1989)提出了基于不规则单元的土地获得的开发费用最小和配置区域内土地适宜性指数最大的空间配置模型。
GIS技术的发展为土地利用空间布局提供了强有力的技术支持,Chuvieco(1993)就土地利用中线性规划模型与GIS结合的理论和方法进行了探讨,在土地适宜性分析的基础上,实现土地资源的空间优化配置,Hanink和Cromley(1998)通过地GIS对每一宗土地的位置、面积、用途、利用现状等都有详细的记录和了解,并据此利用适当的打分体系对每一宗土地打分,因地制宜地配置每一宗土地,Wang等(2004)运用多目标规划法与GIS相结合建立了GIS/IFMOP(不确定性模糊多目标规划)综合模型,研究流域尺度上土地资源的空间优化布局问题。
Ren(1997)构建了GIWIN-LRA模型,在适宜性评价的基础上合理优化农田和居民点的空间布局,通过将GIS的空间分析功能与决策过程结合起来,使空间数据可以通过GIS的技术功能直接服务于土地资源的管理者。
Eastman等(1995)针对数学规划法难以处理庞大数据量的土地利用空间配置问题,借助GIS,提出了基于栅格的土地利用空间配置算法。
宋如华等(1997)以GIS为工具,以地块为评价的基础单位,应用综合指数法以及划分各评价等级界限值的计算方法进行了土地资源适宜性评价,并在此基础上,以纯收入最大、投入量最小、生物量最大、水土流失量最小为目标,采用专家辅助决策法进行了农林牧业用地的空间优化,将规划的结果落实到地块上。
王繁等(2008)在土地适应性评价的基础上,借助GIS,将各个地类优先分配到最适宜的地块上,直至全部指标在空间上分配完毕。
随着CA模拟的深入研究,有学者将CA模型引入到土地利用结构的布局优化当中,王汉花和刘艳芳(2008)运用生态位模型对土地资源数量结构进行优化进而将数量优化结果作为CA模拟的约束条件对空间布局进行优化,实现了土地资源数量结构优化与空间布局优化的统一。
何春阳等(2005)以元胞自动机模型为基础,结合GIS技术,从满足局部土地单元继承性、适宜性和周围土地单元约束影响的角度完成不同土地需求情景下的土地空间供给分配。
杨小雄等(2007)则考虑了政策及相关规划约束、邻域耦合、适宜性约束、继承性约束及土地利用规划指标约束下的土地利用规划布局的元胞自动机模型。
Verburg等(2002)对CLUE模型进行了改进,提出了适用于区域尺度土地利用/覆被变化研究的CLUE-S模型,该模型兼顾了土地利用系统中的社会经济和生物物理驱动因子,并在空间上反映土地利用变化的过程和结果,具有很高空间模拟的可信度。
CA模型在土地利用布局优化中的应用,是一个新的研究趋势,但土地利用是一个巨系统,不同土地利用类型的优化目标不尽相同,使得CA转换规则的确定难以体现专一性,因而,利用CA模型致力于实现各个土地利用类型的优化布局,存在一定难度。
1.2建设用地空间布局
1.2.1城镇建设用地布局
城镇建设用地布局是城镇建设的各项目标和措施在地域空间上的综合布置,包括社会、经济和环境等方面因素,是一个复杂、综合的系统工程(孙玉,1996)。
在农用地适宜性评价以及建设用地适宜性评价的基础上,结合定性分析和定量分析方法,来探索城镇建设用地布局是一个主要思路。
吴克宁等(2007)将农用地分等成果运用到城镇扩展用地布局优化中,使城镇发展用地有意避开高质量耕地区,将等别低、质量差的一般耕地优先划为城镇发展用地区,将等别高、质量优的耕地调出城镇发展用地区,同时结合MAPGIS软件的空间叠置分析功能,实现了城镇建设用地的布局优化,使驻马店市在规划期内少占用耕地141.58公顷。
赵雷和华楠(1996)、蔡仕谦和王剑波(2004)针对城市土地利用总体规划中主要采用定性分析方法选择城市空间发展方向,不能系统全面地考虑各项因素,带有较强的主观性等缺陷,通过考虑城市不同发展方向的用地条件、工程条件、交通条件、生态环境和城市形态,采用层次分析法和加权求和评价法来分析确定城市空间合理发展的方向。
程建权(1999)、黎夏(1999b)、赵涛(2004)等在建设适宜性评价的基础上,综合应用系统工程和GIS技术,提出了面向城镇发展布局优化决策的研究方法。
钮心毅和宋小冬(2007)提出了一种以政策为评价因素的用地适宜性评价方法,并且对不同用途的城市用地(生活区、工业区等)分别进行评价,将“禁止建设用地管制”和“城市形态管制”等政策因素落实到用地布局方案中,产生不同政策约束下的城市用地布局方案。
城镇建设用地布局是大量规划单元、多目标和多空间约束问题,采用精确算法很难在短时间内取得理想解(Baskent&Jordan,2002),启发式算法能较好的解决这一问题。
姜友华和王新生(2002)采用遗传算法建立了城市不同功能地块的优化布局方案,最大化城市各功能地块在空间上的协调性,结果表明遗传算法可以找到逼近模型最优解的方案,并且可以产生多规划方案供决策者选择。
Balling等(1999)运用遗传算法寻找城市未来最优的土地利用布局和交通网络,目标函数为交通拥挤最小化、开发成本最小和现状用地改变最少,约束条件为未来居民都能有住房保障,为规划和决策者提供一系列帕累托最优的选择方案。
Feng和Lin(1999)在遗传算法中提出的目标函数为最大化各地类组合的价值和最大化投入产出比,约束条件为布局的建设用地面积等于规划指标、一个地块只能容纳一种土地利用类型和两个地块之间至少有一条连通的路径。
遗传算法是一种实现城镇建设用地优化布局的有效方法,通过建立不同的目标函数可以实现多方案优化,并且可以根据一个城市的自身发展条件建立相应的约束条件,但是遗传算法在涉及空间约束和空间目标等复杂发面的模拟上不够理想,而且在交叉操作中要维持预先定义的各种土地比例是比较困难的。
模拟退火算法也是一种用于资源空间配置的有效方法(Aerts&Heuvelink,2002)。
王新生和姜友华(2004)采用模拟退火算法,以最小化土地开发费用、最大化不同功能地块间的空间协调性为目标函数,并将距离约束、方向约束、相同土地利用单元的邻近约束和地块形状的紧凑约束等约束条件结合到目标函数中,产生了城市土地空间布局方案,表明模拟退火算法可以通过其强大的并行搜索能力来处理非线性规划问题,并且优化过程不受函数约束条件的限制。
目前,有学者将一些新的理念,如密度控制、生态环境保护和新的布局模式等,引入到城镇建设用地布局优化中。
发达国家城市普遍把密度控制的原则和策略纳入区划条例,以优化城市建设用地布局,刘丽荣等(2008)尝试将密度分区理论创新地用于城市经济发展空间布局中,并将生态原则、美学原则、文化原则和宜居原则融入到城市密度分区中,来确定更为细化的城市用地功能布局,对城市密度进行合理控制和引导,避免城市的高密度不合理开发。
Faris等(2000)以环境保护模型为核心和GIS工具结合构建了土地利用规划的决策支持系统;陈燕莉(2008)进行了基于生态优先的市域空间发展战略研究,强调在进行城市空间布局时,优先选择自然演进的关键区域和敏感地带加以保护;俞孔坚等(2005)通过建立一个生态基础设施,并以此作为城市规划设计的基础,引导和框限城市的空间形态和布局,达到城市空间的布局优化。
张忠国和赵建军(2003)提出了建立“多级多核分散式多中心”的城市用地布局模式,实现均衡发展,另外还有有机集中模型(朱喜刚,2002)、“间隙式山水化”空间布局模型(段进,1999)和“公交导向”的大都市空间结构模型等(管驰明、崔功豪,2003)。
近来,也有些学者尝试用CA来为城市规划空间布局提供服务,在CA的转换规则中,嵌入规划目标,根据不同的规划情景,可以模拟出相应的城市发展格局,然后确定较为合理的城市发展模式,另外,在CA中嵌入社会经济因素、自然因素和政府控制因素能改变、约束和控制城市的扩张,为城市的可持续发展提供科学依据(Li&Yeh,2000;Ward,etal.,2000;Yeh&Li,2001)。
采用元胞自动机模拟城市扩展主要从城市总体格局的角度为城市布局提供决策支持,过于宏观,从地块布局的角度实现城镇建设用地的优化布局还有待进一步发展,另外,如何合理量化制度、政策等因素,系统考虑政府决策对城市扩展的影响,也值得进一步研究。
1.2.2农村居民点布局
对农村居民点布局与周围环境和社会经济等因素之间关系的探讨一直是农居点布局研究的重要内容(李君、李小建,2008),并在此基础上给予农居点布局优化以指导。
Lugeon于1902年分析了村落位置与地形、阳光等环境的关系(陈宗兴、陈晓键,1994),Hill(2003)指出海拔高度、土地的优良是影响居民点分布的重要因素,也有学者探讨村落形成与社会机能以及经济变化交通发展等关联因素,Knapp(1992)通过对福建、陕西、广东、浙江等地相关村庄的实证研究揭示了风水在不同的环境条件下农村居民点布局中的应用,英国学者Roberts(1987,1996)从水源、地形、排水系统、村庄内可达度、灾害抵抗度等内在因素以及可耕种用地、林地、燃料、交通可达性、与外界的沟通度等外在因素两方面系统考虑了与村庄区位选择的关系。
国内也有学者从地理环境与气候、生产方式、文化背景、邻里关系、宗族实力等方面展开了研究(董春等,2005;唐燕,2006;肖文韬、宋小敏,1999;张军等,2003)。
长期以来,我国农村居民点建设基本处于无规划指导的自发建设状态,从有效节约土地角度来讲,完善居民点布局是农村空间规划的重要内容(金其铭等,1991)。
目前,农居点整理是农村空间规划的一个重要内容,是指从宏观上对农村居民点数、布局的调整和从微观上对农村居民点规模和内部结构、布局调整的综合措施(王成新等,2005)。
宏观上农居点布局优化主要涉及迁村并点、异地迁移、中心村规划改造、农村城镇化等不同的农居点整理模式(叶艳妹、吴次芳,1998;宋均梅、陈利根,2006),以及借助GIS,在居民点空间分布特征分析的基础上以确定布局优化方案(王婷等,2008;刘仙桃,2009);微观上,有学者对农村居民点布局优化的方法进行了深入的研究和探讨。
Sante等(2008)研究了基于GIS的农村土地利用探索系统RULES(RuralLand-useExplorationSystem),并模拟比较了西班牙西北部TerraCha地区农村土地在经济、社会和环境3种目标条件下的空间布局状况。
英国学者Chisholm引入了5种与村庄选址密切相关的自然资源:
水资源、耕地、牧草地、建筑材料和燃料,通过测算居民点与资源地之间的距离,乘以相关权重得到居民点区位得分,并以此来优化居民点的布局(李君、李小建,2008)。
王恒山等(2000)运用系纯工程的思想,以决策支持系统的理论为核心,把整个决策过程分成若干步骤,为每个步骤提供若干基本模型,采用定性和定量相结合的决策方法,用0-1目标规划和知识推理两种方法制定科学合理的村庄布局方案。
孙华生(2007)、刘英(2008)等应用GIS空间分析功能,对县域居民点的地形、交通、地质灾害、基本农田保护、人口密度等空间分布特征进行了定量分析,针对居民点的空间分布特征和存在的问题,在确定城镇发展方向的基础上,解决农村居民点的迁移、中心村的选取等布局问题。
姜广辉(2006)、王婷(2008)等应用GIS空间分析与景观指数分析等方法,在分析社会经济、自然地理和生产环境三方面的主要因素对农村居民点用地布局的影响后,为引导农村居民点合理布局提供科学依据。
Kim和Chung(2005)在土地适宜性评价的基础上运用元胞自动机理论(CA)构建了新增农村居民点的空间分布模型,并比较了基于农田保护区变化、新修道路影响和调整中心村布局三种情景下农村居民点空间分布差异。
1.3基本农田布局
基本农田是指按照一定时期人口和社会经济发展对农产品的需求,依据土地利用总体规划确定的不得占用的耕地。
基本农田布局就是将土地利用总体规划确定的耕地按一定的面积指标有选择地划为基本农田,科学合理地划定基本农田对于保护耕地、稳定农业生产,促进区域社会经济的可持续发展起到十分重要的作用。
耕地入选基本农田的决策过程分耕地排序与耕地入选两个相关联的部分,通常是选取一系列指标来建立耕地入选基本农田的指标体系,然后依据研究区实际情况,通过不同的排序模型来综合打分,最后根据分值来进行综合排序,解决耕地入选基本农田的决策问题。
选取的指标主要有耕地质量状况、区位条件、坡度、城镇辐射影响、耕地的政策属性、连片性等。
各指标所赋予的权重的方法,常用的有特尔菲法、主成分分析法、回归分析法、层次分析法、线性分配法、因素成对比较法、属性层次模型等,这些方法主观因素较大,为了改善这种缺陷,郑新奇采用逼近理想点法,此外,为了克服单一排序方法可能带来的误差,有学者采用组合决策法来进行排序。
(曹庆安等,2009;程锋等,2003;耿志阔等,2007;李赓等,2006;李轶平等,2008;石英等,2006;杨树佳等,2007;郑新奇等,2007)。
另外,随着元胞自动机技术的发展,黎夏等(1999a,2006)首次尝试利用CA建立了农田保护区的自动生成模型,将约束性条件引进模型中,农田保护区围绕那些被选进的初始单元不断生长,逐步形成合理的空间分布格局。
2城镇建设用地扩展研究
2.1城镇建设用地扩展的时空特征
我国处于快速城市化时期,城镇是区域经济发展的核心与载体,城镇建设用地的空间拓展将日益成为现在及未来几十年中国土地利用变化的主要特征(刘纪远等,2002),城镇建设用地扩展最显著的特征为建设用地的快速扩张,并且占用耕地比例大,且主要为生产力较高的优质耕地(叶嘉安、黎夏,1999;谈明洪等,2004)。
历史形态学派归纳出城市土地利用的空间扩展可能呈轴向增长、同心圆式增长、扇形扩展及多核增长等多种形态,并普遍认为“圆形城市”是城市形态和增长模式的理想类型,并采用扩张、入侵、更替等生态演替规律来刻画城市土地利用的扩展和再开发过程(刘盛和,2002)。
Xu等(2007)在研究南京城市增长时,将增长类型概括为填充式、边缘增长式和自发增长式,增长格局体现了“扩展-集聚”的交替模式。
丁成日(2005)将城市扩展的时空特征概括为新城或卫星城建设、城市空间连续性扩张(摊大饼)、已开发城市土地的再发展(再开发)。
Marquez和Smith(1999)指出了城市用地增长的三种类型:
紧凑、边缘或多节点和廊道。
边缘增长是城市扩展的最主要方式,包括以同心圆式扩展、局部扇面式扩展(刘盛和、吴传钧,2000;宗跃光等,2002)、沿主要对外交通轴线带状扩展(Camagni,etal.,2002)、低密度连续蔓延等模式(杨荣南、张雪莲,1997)。
以美国为代表的西方发达国家的城市形态不同程度地出现了“城市蔓延”的现象,城市化地区不断向外延伸和发展,形成蔓延之势,侵吞了大量的农田、森林的同时也带来了对城市环境、交通等方面的影响(蒋芳等,2007),美国理性增长协会认为城市蔓延的特征为城市扩展的低密度开发,居住、商业和办公严重隔离,城市中心衰败,有限的交通选择(Ewing,etal.,2002),Burchell等将“城市蔓延”的特征概括为8个方面:
低密度的土地开发;空间分离、单一功能的土地利用;“蛙跳式”或零散的扩展形态;带状商业开发;依赖小汽车交通的土地开发;牺牲城市中心的发展进行城市边缘地区的开发;就业岗位的分散;农业用地和开敞空间的消失(马强、徐循初,2004)。
在国内,部分学者也对城市蔓延的现象表现出了一定的重视,郑时龄(2004)、仇保兴(2006)认为郊区蔓延、不平等(分区与隔离)、边缘区混乱、城市特色风貌丧失、交通拥挤等现象在多数城市都有着不同程度的体现,未来必将成为中国城市化过程中城市扩展的主要特征。
目前,越来越多的国家和城市政府采用增长控制或开发管理(Yeh&Wu,1996),城市增长正在向“填充式开发、紧凑化发展的方向转变”,注重城市边缘区农田和其他开敞空间的保护。
精明增长提出了“城市是有边界的增长原则”,即城市对于土地需求的增长应受到区域整体生态系统的制约,既要支持增长,又要避免增长的种种负面效应(沈清基,2001)。
遥感和GIS技术的发展,为更好地描述城镇建设用地扩展的时空特征,提供了强有力的技术支持,出现了一系列城镇建设用地扩展的量化指标,常用指标包括:
①反映空间特征的指标:
建设用地密度、年均扩展强度指数;②反映规模变化的指标:
扩展面积及百分比;③反映时间变化的指标:
年均扩展速度、城市用地规模增长弹性系数;④景观格局指标:
形状指数、分维数、景观分离度指数、多样性指数等(蒋芳等,2007)。
刘纪远等(2003)利用计算几何中的凸壳原理识别填充型和延伸型的城镇建设用地的扩展类型,陈彦光和刘继生(2001)用信息熵、均衡度和分维数刻画城市形态,黎夏等(2007)用元胞自动机来描述城市扩展的时空特征。
2.2城镇建设用地扩展的驱动机制
城市形态的变化是城市在不同驱动机制综合作用下的结果,在快速城市化阶段,经济发展始终是城镇建设用地扩展的主导驱动因子(马荣华等,2004)。
刘盛和(2002)将城市土地利用扩展的动力机制系统的概括为动力因素、自然机制、市场机制、社会价值机制、政治权力机制。
姚士谋等(2002)分析香港城市扩展的驱动机制包括:
具有世界资本、技术高度集聚的空间,市场经济规律导致城市空间的扩展,政府政策诱导资本扩散,促进城市的发展,现代都市生活环境引导城市区域的分散化。
何流和崔功豪(2000)在分析南京城市空间扩展时,提出了经济因素(GDP和产业结构)、政策因素(土地和房改制度)和规划引导(城市规划和交通导向)等驱动因素。
杨荣南和张雪莲(1997)认为交通建设对扩展具有指向性作用,而居民的生活需求对扩展具有特殊影响。
Zhang(2001)、Camagni(2002)、谈明洪(2004)等认为城市居民收入与城市扩张有着重要联系。
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