专利摘要
本发明提供了一种城市群空间扩展的生态功能区划系统。该系统采用预处理模块预处理城市群在多个年份的数字高程模型DEM图，以得到生态功能区划的基础数据；采用功能区划分模块根据所述基础数据，划分所述城市群的功能区划；采用功能区演变模块根据所述城市群在所述多个年份的功能区划，统计所述城市群在所述多个年份的功能区划演变情况。通过本发明，解决了生态功能区的划分和分析主要采用人工的方式进行，分析效率低的问题；提高了效率，降低了成本。
权利要求
1.一种城市群空间扩展的生态功能区划系统，其特征在于包括：预处理模块、功能区划分模块和功能区演变模块；其中，
所述预处理模块，用于预处理城市群在多个年份的数字高程模型DEM图，以得到生态功能区划的基础数据；
所述功能区划分模块，与所述预处理模块连接，用于根据所述基础数据，划分所述城市群的功能区划，所述功能区划包括：优先扩展区、适宜扩展区、允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区；
所述功能区演变模块，与所述功能区划分模块连接，用于根据所述城市群在所述多个年份的功能区划，统计所述城市群在所述多个年份的功能区划演变情况；
其中，所述功能区演变模块包括：功能区划转变统计单元、功能区划综合扩展适宜性动态度指数计算单元、功能区划变化率指数计算单元和功能区划相对变化率计算单元；其中，
所述功能区划转变统计单元，用于将所述城市群在不同年份的功能区划图两两相互叠加，统计功能区划发生变化的区域，并计算功能区划发生变化的区域的面积；
所述功能区划综合扩展适宜性动态度指数计算单元，用于计算功能区划综合扩展适宜性动态度指数；
所述功能区划变化率指数计算单元，用于计算功能区划变化率指数；
所述功能区划相对变化率计算单元，用于计算功能区划相对变化率；
其中，所述功能区划综合扩展适宜性动态度指数计算单元根据下列公式计算功能区划综合扩展适宜性动态度指数：
式中，
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预处理模块，用于根据所述多个年份的数字高程模型DEM图，进行坡度计算、土地利用数据栅格化、植被覆盖率计算、土地侵蚀度计算、生态质量指数计算、生态功能区计算、功能区面积统计，以得到生态功能区划的基础数据。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功能区划分模块包括：空间分布计算单元、空间规模计算单元和总体质量计算单元；其中，
所述空间分布计算单元，用于根据所述基础数据，将所述城市群划分为优先扩展区、适宜扩展区、允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区五个功能区划；
所述空间规模计算单元，用于计算所述城市群的每个功能区划在全部功能区划中所占的规模比重；
所述总体质量计算单元，用于计算所述城市群空间扩展的总体质量。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功能区划变化率指数计算单元根据下列公式计算功能区划变化率指数：
式中，Lu
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功能区划相对变化率计算单元根据下列公式计算功能区划相对变化率：
式中，Lu
6.一种存储介质，位于设备中，其特征在于，所述存储介质中存储有用于控制所述设备的程序代码，所述程序代码包括如权利要求1至5中任一项所述的预处理模块、功能区划分模块和功能区演变模块。
说明书
技术领域
本发明涉及数据处理领域，具体而言，涉及一种城市群空间扩展的生态功能区划系统。
背景技术
中国城市群空间扩展的生态功能区是指立足于生态环境保护的战略目标，根据城市群生态环境容量所允许的扩展幅度而划分的各类生态扩展区。
中国城市群空间扩展的生态功能区的研究思路可分为两大步骤：一是基于统一的标准，分别划分不同年份武汉城市群生态功能区，并分析其空间特征；二是分析生态功能区演变过程及演变特征，将不同年份的生态功能区叠加，将发生变化的功能区单独划分出来，并研究其变动幅度和空间特征。
目前，生态功能区的划分和分析主要采用人工的方式进行，分析效率低。
发明内容
本发明提供了一种城市群空间扩展的生态功能区划系统和存储介质，以至少解决相关技术中生态功能区的划分和分析主要采用人工的方式进行，分析效率低的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种城市群空间扩展的生态功能区划系统，包括：预处理模块、功能区划分模块和功能区演变模块；其中，
所述预处理模块，用于预处理城市群在多个年份的数字高程模型DEM图，以得到生态功能区划的基础数据；
所述功能区划分模块，与所述预处理模块连接，用于根据所述基础数据，划分所述城市群的功能区划，所述功能区划包括：优先扩展区、适宜扩展区、允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区；
所述功能区演变模块，与所述功能区划分模块连接，用于根据所述城市群在所述多个年份的功能区划，统计所述城市群在所述多个年份的功能区划演变情况。
根据本发明的一个方面，还提供了一种存储介质，位于设备中，所述存储介质中存储有用于控制所述设备的程序代码，所述程序代码包括上述的预处理模块、功能区划分模块和功能区演变模块。
通过本发明，采用预处理模块预处理城市群在多个年份的数字高程模型DEM图，以得到生态功能区划的基础数据；功能区划分模块根据所述基础数据，划分所述城市群的功能区划，所述功能区划包括：优先扩展区、适宜扩展区、允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区；功能区演变模块根据所述城市群在所述多个年份的功能区划，统计所述城市群在所述多个年份的功能区划演变情况，解决了生态功能区的划分和分析主要采用人工的方式进行，分析效率低的问题；提高了效率，降低了成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的城市群空间扩展的生态功能区划系统的结构框图；图2是武汉城市群数字高程模拟图；图3是1980、1995及2000年武汉城市群及各城市不用类型生态功能区面积平均比重；图4是2000年武汉城市群不同生态功能区分布示意图；图5是武汉城市群及各城市不同年份生态功能区总体质量变化示意图；图6是不同年份武汉城市群及各城市综合扩展适宜性动态度变化示意图；图7是1980-2000年武汉城市群及各城市生态功能区变化率示意图；图8是1980-1995年武汉城市群各城市生态功能区相对变化率示意图；图9是1995-2000年武汉城市群各城市生态功能区相对变化率示意图；图10是1980-1995年武汉城市群各生态功能区之间的相互侵占与转换关系示意图；图11是1995-2000年武汉城市群各生态功能区之间的相互侵占与转换关系示意图；图12是武汉城市群1980-1995年各生态功能区内部的侵占关系示意图；图13是武汉城市群1995-2000年各生态功能区内部的侵占关系示意；图14是武汉城市群各城市1980-1995年生态功能区内部的侵占关系示意图；图15是武汉城市群各城市1995-2000年生态功能区内部的侵占关系示意图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例提供了一种城市群空间扩展的生态功能区划系统。图1是根据本发明实施例的城市群空间扩展的生态功能区划系统的结构框图，如图1所示，该系统包括：预处理模块、功能区划分模块和功能区演变模块；其中，
预处理模块，用于预处理城市群在多个年份的数字高程模型DEM图，以得到生态功能区划的基础数据；
功能区划分模块，与预处理模块连接，用于根据基础数据，划分城市群的功能区划，功能区划包括：优先扩展区、适宜扩展区、允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区；
功能区演变模块，与功能区划分模块连接，用于根据城市群在多个年份的功能区划，统计城市群在多个年份的功能区划演变情况。
可选地，预处理模块，用于根据多个年份的数字高程模型DEM图，进行坡度计算、土地利用数据栅格化、植被覆盖率计算、土地侵蚀度计算、生态质量指数计算、生态功能区计算、功能区面积统计，以得到生态功能区划的基础数据。
可选地，功能区划分模块包括：空间分布计算单元、空间规模计算单元和总体质量计算单元；其中，
空间分布计算单元，用于根据基础数据，将城市群划分为优先扩展区、适宜扩展区、允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区五个功能区划；
空间规模计算单元，用于计算城市群的每个功能区划在全部功能区划中所占的规模比重；
总体质量计算单元，用于计算城市群空间扩展的总体质量。
可选地，功能区演变模块包括：功能区划转变统计单元、功能区划综合扩展适宜性动态度指数计算单元、功能区划变化率指数计算单元和功能区划相对变化率计算单元；其中，
功能区划转变统计单元，用于将城市群在不同年份的功能区划图两两相互叠加，统计功能区划发生变化的区域，并计算功能区划发生变化的区域的面积；
功能区划综合扩展适宜性动态度指数计算单元，用于计算功能区划综合扩展适宜性动态度指数；
功能区划变化率指数计算单元，用于计算功能区划变化率指数；
功能区划相对变化率计算单元，用于计算功能区划相对变化率。
可选地，功能区划综合扩展适宜性动态度指数计算单元根据下列公式计算功能区划综合扩展适宜性动态度指数：
式中， Ai为区域内生态功能区i生态价值的分级指数，Lui为区域内生态功能区i的面积，n为生态价值的分级数，T为间隔的时段。
可选地，功能区划变化率指数计算单元根据下列公式计算功能区划变化率指数：
式中，Luit和Lui(t+1)分别表示研究初期和研究末期生态功能区i的面积，T为间隔时段。
可选地，功能区划相对变化率计算单元根据下列公式计算功能区划相对变化率：
式中，Luijt和Luij(t+1)分别为城市群局部区域j生态功能区i研究初期及研究末期的面积， 和 分别代表武汉城市群生态功能区i研究初期及研究末期的面积。
本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。
本实施例还提供了一种存储介质，位于设备中，存储介质中存储有用于控制设备的程序代码，程序代码包括上述的预处理模块、功能区划分模块和功能区演变模块。
可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
下面优选实施例将以武汉城市群为例，对各模块的功能进行描述和说明。
预处理模块
1、数据来源与预处理
武汉城市群空间拓展的生态功能区划分采用中国科学院“八五”重大应用项目“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”的成果，包括1980、1995及2000年三个时期的土地利用/土地覆盖分类图(ARC/INFO的Coverage格式，比例尺为1:10万)。该土地利用分析系统包括6类一级分类系统和25类二级分类系统(见表1)。
表1城市群空间拓展的土地利用类型编号、名称及其含义
由于上述数据只包括土地利用类型数据，在预处理模块中，将对基础数据做如下两个方面的处理：一是载入行政区划的矢量数据，即将武汉城市群划分为9个地域，分别为武汉、黄石、鄂州、黄冈、孝感、天门、仙桃、潜江和咸宁，以备各行政区土地利用/土地覆盖，即城市扩展与生态响应的分区研究之需；二是载入数字高程数据(1000m)，通过生成DEM图，并以此为基础，结合土地利用类型，求取坡向、坡度、滑坡、泥石流、土壤侵蚀度等衍生数据，为生态功能区的划分奠定了数据基础。
功能区划分模块
城市群空间拓展的生态功能区划分方法是，先确定城市群不同土地利用类型的生态价值贡献率，然后将土地利用类型数据与土壤侵蚀度叠加划分出生态功能区，进而将生态功能区作为生态功能的承载体进行总体质量评价。
(1)生态价值贡献率赋值
考虑到数据库中的二级分类系统分辨率相对较高，且体现了明显的生态差异性，一般认为土地利用/土地覆盖即为区域生态环境结构的载体，因此可以此对二级分类体系下的土地利用类型所具有的生态环境质量进行赋值，并与土地利用变化类型和过程结合起来，并将土地利用类型的转移理解为不同生态价值流的转移。各用地类型的生态价值体现在诸多方面，如气体调节、气候调节、水分调节、土壤形成、废物处理、生物多样性维持、食物生产、原材料生产和娱乐文化等约9项生态系统服务功能。据此，根据相关研究成果，结合专家打分法，最终确定城市群不同用地类型的生态价值贡献率(见表2)。
表2城市群不同土地利用类型的生态价值贡献率赋值表
(2)生态功能区划分
考虑到基础数据主要为土地利用类型，在功能区划分模块中，数据的处理过程如下：第一，根据水利侵蚀强度分级标准，将坡度划分为5个等级，他们分别是5-8°、8-15°、15-25°、25-35°和>35°；第二，根据用地类型，通过相关研究成果及专家打分结果，将植被覆盖率划分为10个等级；第三，根据DEM数据，基于GIS求取坡度，然后将坡度与植被覆盖率叠加，权重分别为0.4和0.6，计算土壤侵蚀度；第四，将土地利用类型数据与土壤侵蚀度叠加，权重分别为0.6和0.4。最后将生态功能区划分为五个等级：优先扩展区、适宜扩展区、允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区。其中，分级的方法是Nature Break，即系统自动分级，以减少人为分级的主观性。
需要说明的是：水系在生态功能区划中占有突出的地位。水系方面的基础数据(DEM和河流分布)是具备的，但一方面当前各河道已经完全固化，基于灾害防治的生态安全格局在一定程度上不遵循自然规律。另一方面，从技术上看，水系安全更适合在小地域范围内模拟，在省域以上层面将失去原有的意义。如从武汉城市群的范围进行模拟，水系的模拟结果很可能将武汉、鄂州以及黄冈、天门等城市的建设区模拟成为禁止扩展区。
(3)区域生态功能区总体质量评价
即将生态功能区作为生态功能的承载体进行总体质量的评价，其基本原理同土地利用类型的生态价值评价类似，构建原理源于土地利用/土地覆被研究方法体系中的“土地资源生态背景质量指数”。
式中，Q为某区域(可以是城市群，也可以是城市内各地区)生态功能区总体质量指数，Ai为区域内生态功能区i生态价值的分级指数，Lui为区域内生态功能区i的面积，n为生态价值的分级数。初步确定，优先扩展区的分级指数为5，适宜扩展区、允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区分别为4、3、2和1。
通过功能区划分模块生成的功能区划分结果图，可以进一步分析城市群空间拓展的生态功能区特征：
1、各类生态功能区的空间规模特征
(1)优先扩展区与适宜扩展区范围较大，占城市群总面积的2/3。计算表明，在城市群空间扩展的各类生态功能区中，武汉城市群1980、1995及2000年三个年份不同类型扩展区的比重中，优先扩展区和适宜扩展区的比重分别高达30.16％和38.46％(见表10.3)，两者合计共占城市群总面积的68.62％，相反允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区分别占8.78％、16.72％和5.89％，合计占31.28％，说明武汉城市群中的大部分地区都是适合扩展的区域。其中，地形在影响生态功能区比重中起了关键作用，如武汉城市群主要分布在平原和丘陵地带(见图2)，就城镇建设用地的空间拓展阻力而言，城市群拓展的有效空间相对较大。
表3 1980、1995及2000年武汉城市群及各城市不用类型生态功能区面积平均比重(％)
(2)各城市不同生态功能区面积的构成比例差异较大。如主要集中在平原地区的天门、潜江、仙桃、孝感及武汉，其优先扩展区和适宜扩展区的面积比重高于城市群平均水平，分别高达92.22％、89.9％、87.06％、81.6％和72.84％(见图3)，是武汉城市群空间拓展的首选区域。而分布在山区的咸宁、黄石和黄冈、其允许扩展区、限制扩展区和禁止扩展区的比重较大，分别达到49.42％、41.49％和36.04％，这些区域是武汉城市群空间拓展的限制和禁止区域。
2、各类生态功能区的空间分布特征
由于武汉城市群拥有各种地质地貌和水文类型，奠定了该范围内生态功能区复杂化的基础，所以各生态功能区的空间分布特征差异较大。主要表现在如下几个方面：
(1)优先扩展区呈现出连片式和组团式分布格局。主要分布在江汉平原、大别山西麓山前平原以及鄂东南丘陵山区北部地带。其中长江沿线以南以及潜江、仙桃地区(鄂中荆山余脉平原丘陵密集区)主要呈现出破碎的连片式分布格局，大别山与幕阜山山谷平原地带则主要呈现出具有线性特征的组团式分布格局。与适宜扩展区相比，其均质性较强。
(2)适宜扩展区呈现出连片和线状分布格局。主要分布在长江、汉江优先扩展区的外部缓冲地带以及鄂东丘陵地带，线状发展特征较为明显；其次是丘陵山区，包括大别山、幕阜山优先扩展区的外围地区，即山谷区域，呈现出破碎的线性特征，其中桐柏山余脉(主要位于孝感市安陆县境内)呈现出北北西-南南东走向，大别山山脉(主要位于黄冈市)主要呈现出北北东-南南西走向，幕阜山山脉(主要位于咸宁市和黄石市)主要呈现出西西南-东东北方向。总体上看，适宜扩展区分布的均质性最强，地区分异性特征不明显。
(3)允许扩展区呈现出破碎的连片式分布格局。以山地丘陵地带为集中分布区，其中主要分布在大别山和幕阜山丘陵地带，如黄冈和咸宁允许扩展区的比重分别达到12.8％和15.4％；中部地区则主要分布在水体的周边地区，并以武汉为分布的密集区，如武汉市允许扩展区的比重为3％，相对而言，鄂州水体面积也较大，允许扩展区的比重为3.66％。
(4)限制扩展区呈现出零散式和破碎的连片式分布格局。并以山地密集地带为集中分布区(见图4)。首先，主要分布在幕阜山和大别山海拔高度在1000米以上的区域，如黄冈和咸宁限制扩展区的比重较高，分别达到18.9％和27.6％，黄石的比重也高达22.5％。在上述地区，限制扩展区呈现出破碎的连片式分布格局；其次，分布在河网密集的江汉平原地带，自西至东，在潜江、仙桃、天门、武汉及鄂州等地区呈现出零散的据点式布局。
(5)禁止扩展区呈现出零散式和破碎的组团式分布格局。并以水体密集地带为集中分布区。首先，零散的水体分布在武汉、孝感的汉川、应城以及鄂州、咸宁的嘉鱼县、咸安区等。如分布在平原丘陵地带的武汉和鄂州，禁止扩展区的比重高达11.7％和13.1％，面积分别达到903.7km
表4 1980、1995和2000年武汉城市群及各城市不同生态功能区面积(单位/km
3、各类生态功能区的总体质量特征
武汉城市群及各城市生态功能区总体质量差异大，但由于研究时段只有15年，所以生态功能区生态质量的变幅很小(见表5)。由上述生态功能区分布特征可见，生态质量主要由自然要素，包括地形、植被和水文等条件决定，而城市之间的自然条件差异较大，因此区域生态质量在不同城市差异较大(见图5)。同时，由于自然要素与人文要素之间的作用强度差异以及自然条件的稳定性自身存在一定的差异，其生态质量又存在一定的波动性。
表5武汉城市群及各城市不同年份的生态功能区总体质量计算表
(1)差异性。由表看出，生态功能区总体质量高于城市群平均水平的有四个城市，其中功能区生态质量最高的是咸宁市，高于平均水平近20个百分点，其次是黄石市。黄冈、鄂州及武汉接近平均水平，而低于平均水平的主要有孝感、仙桃、天门和潜江，比平均水平低15个百分点以上。
(2)波动性。根据生态功能区总体质量变化情况，可以划分为三种类型：一是稳定型，包括武汉城市群、黄冈市、咸宁市、孝感市和天门市，黄石市也较为稳定，呈现出降中有升的特点；二是先降后升型，包括鄂州市和仙桃市；三是先升后降型，包括武汉市和潜江市。
总之，地形地貌和水文条件较好的地区是生态质量高而稳定的地区，即生态资源丰富地区，生态质量具有较强的稳定性。生态资源丰富但工业经济发展迅速的地区，生态质量变动幅度较小；相反，生态资源较少，工业经济较为发达的地区，或工业结构中以重工业为主的地区，其生态质量变动幅度相对较大。
功能区演变模块
以城市群空间扩展的生态功能区划结果为基础，分别用1995年的生态功能区叠加到1980年的生态功能区，用2000年的生态功能区叠加到1995年的生态功能区。根据叠加结果，一是分析各生态功能区之间相互作用区域的空间格局，将发生变化的生态功能区单独表示出来，用以分析其相互作用区域的空间分布特征；二是得出武汉城市群和各城市不同生态功能区相互作用区域的面积数据，进一步分析各生态功能区相互作用的强度(或变动幅度)与空间分异特征。通过叠置分析得到，1980-1995年及1995-2000年武汉城市群各类生态功能区转换面积输出数据见表6，1980-1995年武汉城市群各城市生态功能区之间的变动关系输出数据见表7，1995-2000年武汉城市群各城市生态功能区之间的变动关系输出数据见表8。
一、生态功能区演变的研究方法
城市群空间扩展的生态功能区作为一种空间载体，类似于土地利用类型。因此，研究生态功能区的空间格局演变类似于研究土地利用的变更关系。分别采用生态功能区综合扩展适宜性动态度指数、生态功能区变化率指数、生态功能区相对变化率和生态功能区变动方向指数4项指标分析城市群空间扩展的生态功能区演变的空间格局。
表6 1980-1995年及1995-2000年武汉城市群各类生态功能区转换面积(单位/km
表7 1980-1995年武汉城市群各城市生态功能区之间的变动关系(单位/km
表8 1995-2000年武汉城市群各城市生态功能区之间的变动关系(单位/km
1、生态功能区综合扩展适宜性动态度指数
该指数源于现状(或静态)生态功能区研究中的“区域生态功能区总体质量指数”，用以表明在城市群空间拓展过程中区域生态质量趋于良性还是恶性。该指数是“综合土地利用动态度”指数的辅助性参量。从区域开发的角度看，5个生态功能区中优先扩展区开发的适宜性最强，禁止扩展区开发适宜性最弱，因此，与区域生态质量的评价相反，在赋值时，按照优先扩展区至限制扩展区的排序为5至1。
式中，Ai为区域内生态功能区i生态价值的分级指数，Lui为区域内生态功能区i的面积，n为生态价值的分级数，T为间隔的时段。
2、生态功能区变化率指数
该指数源于土地利用/土地覆被研究方法体系中的“单一土地利用类型动态度”，即土地利用类型的变化率指数。即用研究初期和末期某一特定生态功能区的变化量占研究初期的土地利用面积来表示。
式中Luit和Lui(t+1)分别表示研究初期和研究末期生态功能区i的面积，T为间隔时段。
3、生态功能区相对变化率
城市群空间扩展的生态功能区相对变化率建立在生态功能区变化率指数的基础上，将局部地区的类型变化率与全区的类型变化率相比较，用以分析研究区范围内特定生态功能区变化的区域差异与特定类型变化的热点区域。
Luijt和Luij(t+1)分别为城市群局部区域j生态功能区i研究初期及研究末期的面积， 和 分别代表武汉城市群生态功能区i研究初期及研究末期的面积。相对变化率的意义在于揭示生态功能区变化的区域差异，是针对某一种功能区进行分析的。
4、生态功能区变动方向指数
该指数根据土地利用/土地覆被研究方法体系中的“变化用地(双向)占总用地的比重”构建，用生态功能区变动(双向)量占总用地或某一类型生态功能区的比重，度量不同时段生态功能区变动的方向。
(1)综合生态功能区变动方向指数
式中，Lui为研究初期第i类生态功能区的面积，ΔLui-j为研究时段内i类生态功能区转为非i类(j类，j＝1，2，3，4)生态功能区的面积。 即为武汉城市群的总面积。
(2)特定生态功能区范围内功能区变动方向指数
式中，Lui(t+1)和Luit分别为研究末期和初期第i类生态功能区的面积，ΔLui-j为研究时段内i类生态功能区转为非i类(j类，j＝1，2，3，4)功能区的面积。表示某一特定功能区内部的变动方向。
通过功能区演变模块生成的功能区演变结果图，可以进一步分析城市群生态功能区的动态演变特征：
1、生态功能区综合扩展适宜性动态度演变特征
根据生态功能区综合扩展适宜性动态度指数的计算结果，可知武汉城市群各城市生态功能区综合扩展适宜性如下几个特点：
(1)各城市生态功能区综合扩展的适宜性差异较大。位于江汉平原地区的潜江、天门、孝感、仙桃的适宜性最强，其次是武汉；黄冈、鄂州、黄石和咸宁的适宜性最差(见表9)。这一差异与生态质量的区域排序基本耦合，表明以城市群范围内进行研究，自然条件对于空间拓展具有主导作用。
表9不同时段武汉城市群及各城市生态功能区综合扩展适宜性动态度指数
(2)各城市生态功能区综合扩展适宜性的变动速度参差不齐。根据变动情况，可以分为三种类型：一是加速扩展型：即1995-2000年的扩展速度高于1980-1995年的扩展速度，主要包括武汉、天门、咸宁和黄冈，其中武汉市的扩展速度明显加快(见图6)；二是整理扩展型，即1995-2000年的扩展速度低于1980-1995年的扩展速度，主要包括鄂州、黄石和仙桃，三城市1995-2000年的适宜性呈现出负向增长的态势，即在扩展的过程中进行了大规模的土地开发整理，还原生态要素，区域生态维护和土地开发呈现出理性成长的态势；三是平衡扩展型，即1995-2000年的扩展速度与1980-1995年的扩展速度相近，并接近0，也就是说区域本身的扩展对区域生态要素的破坏作用不明显，这主要包括武汉城市群、孝感和潜江。
(3)由区域生态质量、扩展适宜性及其变动情况，可得出如下结论：一是咸宁、鄂州、黄冈和黄石4个城市(鄂东-鄂东南山地丘陵区)本身生态质量较好，在扩展过程中，坚持了生态保护优先的原则，生态质量相对优化；二是孝感、仙桃、天门和潜江(鄂中平原丘陵区)4个城市在扩展过程中，坚持生态保护与经济开发适度的原则，生态质量保持良性发展态势；三是武汉作为区域中心城市，成为整个城市群的热点扩展地区。由此表明：武汉城市群整体上处于理性扩展的态势，符合区域生态可持续发展的基本理念，尽管扩展总强度处于缓慢提高的态势，但各城市之间生态平衡成为城市群区域生态平衡的有效保障。
2、生态功能区变化率的演变特征
根据生态功能区变化率指数的计算结果发现，各城市各生态功能区相对于自身变动规模而言，表现为如下特征：
(1)禁止扩展区总体上表现为前期(1980-1995年)不断扩展，后期(1995-2000年)不断萎缩的特点(见表10)。其中仙桃、潜江、天门、孝感和黄冈前期增长较快，后期均呈现出快速的萎缩速度；其他城市均呈现出前期微弱增长，后期慢速下滑的特征(见图7)。
表10不同时段武汉城市群及各城市生态功能区变化率指数
(2)限制扩展区总体上变动极其微弱，在各城市之间相对平衡。其中变化较为明显的有仙桃、天门和孝感三个城市。其中仙桃呈现出先低速下降，后快速增长的态势，可能是禁止扩展区生态资源退化，进而转变为限制扩展区，或者是开发区整理，促使限制扩展区的增长；天门和孝感则呈现出低速减少的态势，可能与较大规模的盐矿开发有一定联系。
(3)允许扩展区总体上处于持续拓展的态势，城市之间呈现出较大差异。其中鄂州和武汉是后期(1995-2000年，下同)开始持续增长的，天门呈现出持续慢速增长的态势，而仙桃，由前期的快速递减转变为后期的快速增长；其他城市基本保持不变。其中仙桃和鄂州具有相似的特征，即允许扩展区的增加与适宜扩展区以及限制扩展区的增长是同步的，可能与城市扩展过程中，建设用地拓展与适宜扩展的用地比较紧张有密切的联系。
(4)适宜扩展区总体上处于缓慢增长的态势，其增长变化的速度具有相近性。
(5)优先扩展区总体上处于缓慢下降的态势，其增长变动的速度也具有相近性。由此可见，适宜扩展区和优先扩展区之间是一种相对显著的相互消长关系。
3、生态功能区相对变化率的演变特征
根据生态功能区相对变化率指数计算结果可知，各城市不同生态功能区相对于武汉城市群相应的功能区变动规模，表现为如下特征：
(1)优先扩展区和适宜扩展区具有协同发展的特点。除了仙桃和黄冈以外，都是优先扩展区的相对增长率高于适宜扩展区。表明在武汉城市群范围内，个别城市由于优先扩展区的发展，引起适宜扩展区的拓展。即在城市群空间拓展过程中，由于优先扩展区的发展，对生态要素具有一定的破坏作用，致使其在结构上发生了某些变化。
(2)各城市优先扩展区和适宜扩展区相对变化率存在较大的区域差异。即个别城市这两个扩展区的扩展速度与武汉城市群平均扩展水平存在较大差异。首先表现在：1980-1995年各城市生态功能区相对变化率的差异性较大，高于1995-2000年的差异性(见图8，图9)。1980-1995年各城市优先扩展区相对变化率指数最高值为最低值的103倍，适宜扩展区相对变化率指数最高值为最低值的53.5倍，而到1995-2000年，各城市优先扩展区相对变化率指数最高值为最低值的10.2倍，适宜扩展区相对变化率指数最高值为最低值的9.1倍，各城市之间相对变化率指数的差异性大幅度缩小。如1980-1995年鄂州、黄石、仙桃的生态功能区相对变化率都高于5(见表11)，表现为黄石和仙桃优先扩展区拓展面积超过50km
表11不同时段武汉城市群及各城市不同生态功能区相对变化率指数
表12不同时段武汉城市群及各城市不同生态功能区面积的实际变动情况(单位/km
4、生态功能区变动方向的演变特征
根据城市群空间扩展的生态功能区变动方向指数计算结果可知，城市群内各生态功能区之间的消长关系和侵占与被侵占关系存在较大差异。其中，各生态功能区之间的侵占与被侵占关系对于揭示各城市生态质量、扩展适宜性，以及绝对变化率和相对变化率与生态功能区之间的变动关系具有重要作用。根据生态功能区变动方向指数，即变动类型占城市群总面积的比重，可得出以下几个特点：
(1)后期生态功能区变动规模明显高于前期。如1980-1995年变动范围占城市群面积的2.21％，1995-2000年占15.47％，即后期的扩展强度加大，对生态环境要素的扰动幅度明显提高。
(2)生态功能区之间的变动规模差异很大。如1980-1995年变动规模最大的主要集中在适宜-优先(退化)、限制-优先(退化)、限制-禁止(优化)、优先-适宜(优化)、以及优先-限制(优化)、限制-适宜(退化)、优先-禁止(优化)等几个方面，变动规模在60km
(3)生态功能区变动的主体是优先扩展区和适宜扩展区。如1980-1995年以优先和适宜扩展区为核心的变动占总面积的1.83％，约1054km
(4)各城市生态功能区相互侵占关系存在较大差异。一是仙桃市适宜扩展区明显增大，1995-2000年优先扩展区-限制扩展区的比重最高(3.31％)，禁止扩展区-限制扩展区的比重也最大(2.10％)，鄂州也具有相似的规律；二是仙桃的适宜扩展区增长速度快，1995-2000年仙桃优先扩展区-适宜扩展区的转化比重高达10.14％，面积达到253.84km
由以上分析可得出结论：武汉城市群空间扩展引起的生态环境变化是在生态优化和退化的交互作用中同步进行的，这种交互作用的结果决定着武汉城市群空间扩展引起的生态环境的演变方向。随着城市群的不断扩展，城市群优化面积逐渐小于退化面积，导致城市群生态环境质量相对下降。
表13 1980-1995年武汉城市群及各城市生态功能区演变方向指数
表14 1995-2000年武汉城市群及各城市生态功能区演变方向指数
(5)根据特定功能区范围内功能区变动方向指数，即变化面积(剥离，即由功能区A变为功能区B的面积所占功能区A两个年份平均面积的比重)，得出如下几个结论：
第一，生态功能区内部变动幅度明显增大。如1980-1995年，变动幅度多集中在0-0.5％之间，1995-2000年则集中在0-5％之间。这与前述的论证结果完全一致。
第二，特定生态功能区内变动差异较大。如1980-1995年，优先扩展区内更多的是优先-适宜以及优先-限制的转换类型，其次是优先-禁止和优先-允许的转换类型；适宜扩展区内以适宜-优先转换类型为核心，向其他三个生态功能区转化的数量较少；允许扩展区内以允许-适宜和允许-限制两种转换类型为核心，向其他两个生态功能区的转化较少；限制扩展区内以限制-优先、限制-禁止和限制-适宜的转换类型为主，向允许扩展区的转化较少；禁止扩展区内向其他4个生态功能区的转化相对较少。
1995-2000年，各生态功能区之间相互转换关系变化较大。如优先扩展区向适宜扩展区的变动较大，前期的1980-1995年扩大了28.2km
表15 1980-1995年武汉城市群及各城市不同功能区范围内功能区演变方向指数
表16 1995-2000年不同生态功能区范围内功能区演变方向指数
第三，各城市不同生态功能区之间的相互转换与侵占关系差异明显。1980-1995年，各城市的生态功能区之间相互侵占现象较少，而到了1995-2000年，功能区之间的转换与侵占关系就变得日趋复杂化，各生态功能区之间均存在着不同程度的相互侵占关系(图14、图15)。这种相互侵占关系在各城市间各不同。如仙桃、潜江与天门三市的优先扩展区、适宜扩展区和禁止扩展区不断向限制扩展区转化，转化率在武汉城市群内达到最高值，导致这三个城市限制扩展区的增长速度明显高于其他城市。另外，鄂州由1980-1995年的限制-优先扩展区快速转化，到1995-2000年的限制-适宜扩展区快速转化，证明鄂州在城市发展中由于用地紧张，不断由限制扩展区向外围地区拓展，转变为优先扩展区和适宜扩展区。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
城市群空间扩展的生态功能区划系统专利购买费用说明
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