基于PLUS模型的重庆市南川区土地利用多情景模拟.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()重庆市基础研究与前沿探索项目()重庆市气象部门业务技术攻关项目()作者简介:谢向东()男重庆南川人硕士研究生研究方向为资源与环境:.通信作者:林孝松()男湖南绥宁人教授博士主要从事资源环境与地理信息系统方面的研究:.:./.():基于 模型的重庆市南川区土地利用多情景模拟谢向东林孝松王 莹涂荣誉张吉祥(.重庆交通大学 智慧城市学院重庆 .重庆交通大学 建筑与城市规划学院重庆)摘 要:多情景模拟土地利用变化是未来土地利用规划的基本依据对实现区域社会经济生态和谐稳定具有重要意义 基于南川区 年、年和 年土地利用数据借助动态度、转移矩阵分析研究区 年近 土地利用时空特征从社会经济、地理环境和交通路网 个方面选取 个驱动因子设置经济发展、生态保护和耕地保护 种情景利用 模型模拟研究区 年土地利用分布对比分析各情景模拟差异 结果表明:近 研究区耕地减少明显达.建设用地增幅显著占比从.增至.主要集中在研究区中部和西南部 年模拟结果的 系数和总体精度分别为.、.均高于标准值 模型适用于研究区土地利用模拟 综合比较不同情景模拟结果发现耕地保护情景下耕地总量得以保障同时生态用地得到保护、建设用地大幅蔓延受到一定限制该模拟结果更符合研究区今后可持续发展可为南川区合理规划土地资源以及打造高品质新城区提供参考关键词:土地利用多情景模拟 模型土地利用转移矩阵南川区中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.:).).)第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景土地利用覆被变化是一个复杂的过程受自然、社会、经济和技术条件的综合影响显著改变区域乃至全球生态系统甚至威胁人类社会可持续发展其研究主要集中在变化特征、驱动因子、动态演变、模型模拟、可持续利用等方面而设置不同情景模拟土地利用变化是未来土地利用规划的基本依据对实现区域社会经济生态和谐稳定具有重要意义国内外学者针对土地利用模拟模型开展了大量研究具有高精度和普适性的模型主要集中在 模型、模型和数值非数值模型等 其中 模型充分利用 模型模拟复杂系统空间变化优势与 模型长时间预测特点既能提高数量预测精度又能有效模拟空间变化 模型结合人工神经网络和轮盘赌机制适用于多情景、多尺度和高精度复杂土地利用变化模拟数值非数值模型能反映各地类变化的复杂过程如集成 与 的城市扩张模拟和集成 与系统动力学模型的绿洲 模拟 但利用上述模型模拟斑块尺度下不同土地利用类型的时空动态演变时尚存不足难以解释各用地类型间的深层次关系 而斑块生成土地利用变化模拟模型()通过处理栅格数据生成斑块集成土地扩张分析策略()规则挖掘框架和多类型随机种子 模型()有效解决了以上问题且能获得比其他模型更高的模拟精度和更相似的土地利用格局 自梁迅等提出采用 模型进行土地利用模拟后国内外学者也相继开展了相关研究 等利用 模型预测 年和 年葡萄牙西南部地区土地利用状况以期为该地区未来生态修复提供参考 等基于 模型模拟 年武汉市土地利用结构结果显示与真实状况较接近蒋小芳等以黑河流域中游甘临高地区为研究区对比、模型模拟土地利用效果得出 模型拟合效果最优 综上本文选择具有更高精度、更快数据处理速度、良好适应性的 模型作为土地利用模拟模型开展研究以重庆市南川区为研究区借助动态度和转移矩阵定量分析 年土地利用时空特征综合考虑地区社会经济条件、自然地理特点和交通路网情况遴选 个土地利用变化驱动因子设置经济发展、生态保护和耕地保护 种情景运用 模型模拟 年土地利用空间分布对比分析 种情景模拟结果差异以此为南川区合理配置土地资源、建设新城区提供借鉴 研究区与研究数据.研究区概况南川区位于重庆市南部大娄山脉西北侧属重庆主城都市区介于 之间总面积为 辖 个街道、个镇、个乡 地形以丘陵为主整体呈东南向西北倾斜态势海拔 从湘渝高速公路分界构成中山、低山两大主要地貌气候属典型亚热带湿润季风气候年均温.年降水 大小河流 条均属长江流域 年底有高速公路 二、三、四级公路分别为、年地区生产总值.亿元较上一年度增幅.户籍人口.万人常住人口.万人.数据来源及处理论文研究数据集包括研究区 年、年和 年土地利用数据以及构建 模型所需的驱动因子 其中土地利用数据取自全球地表覆盖数据集(.)空间分辨率 考虑土地利用变化受自然、社会、经济等方面影响驱动因子结合研究区现实状况及数据定量性、可获取性、相关性原则选取高程、坡度、坡向、年平均气温、年降水量、人口、国内生产总值()、到各级公路(二级、三级、四级、等外、高速)距离、到铁路距离、到区人民政府驻地距离、到河流距离等 个因子通过 平台预处理一律重采样为 社会经济、气象数据来源于中国科学院资源环境数据中心(.)交通路网数据来源于(.)地形高程数据来源于地理空间数据云(.)第 期谢向东 等 基于 模型的重庆市南川区土地利用多情景模拟 研究方法.动态度和转移矩阵单一动态度用于计算某种地类在研究区一定时间范围内的数量变化情况常用年变化率 表示综合动态度()表示研究区所有土地利用类型的年变化率 计算公式为:()()式中:、分别为研究初期、末期的各地类面积 为研究时段 为研究区所有用地类型数量为 时间内 类用地转为 类用地的数量绝对值转移矩阵()用于揭示各地类结构特征和类型间转化方向可定量描述状态转移并统计各地类转入和转出情况能准确直观地表达土地利用类型变化其表达式为 ()式中:为地类面积 和 分别为研究初期、末期地类 为地类个数.模型 模型集成土地扩张分析策略()和多类型随机种子 模型()弥补了现有 模型在转换规则挖掘策略和土地利用动态变化模拟策略的不足同时加入了未来规划政策对土地利用变化的影响和驱动作用 该模型主要由基于 模型的土地数量预测模块和基于改进 模型的空间分布模拟模块组成 其中土地数量预测模块利用现有土地利用数据通过 模型预测未来数量空间分布模拟模块先利用 基于现有土地利用数据获取各用地发展概率再采用 联合土地利用成本矩阵、邻域权重以及现状、情景设置下土地利用数量进行综合分析最终实现每类土地数量分配、获得土地利用模拟空间分布图.土地数量预测.情景设置根据已有研究经验并考虑南川区历史土地利用转移变化规律及规划政策共设置经济发展、生态保护和耕地保护 种情景 其中经济发展情景:考虑南川区城乡总体规划(年)中建设用地发展目标在 年转移基础上假设耕地、林地、草地向建设用地转移增幅 生态保护情景:重庆市南川区生态环境保护“十四五”规划提出目前生态环境保护成效并不稳固应确保生态用地总量在 年转移基础上设置林地、草地向建设用地转移降低 耕地向建设用地转移降低 耕地保护情景:考虑 年耕地大幅流失态势及南川区自然资源保护和利用“十四五”规划(年)在 年转移基础上设置林地、草地向建设用地转移降低 耕地向建设用地转移降低.数量预测根据南川区 年历史转移概率矩阵按照经济发展、生态保护和耕地保护情景设置要求建立各自的转移概率矩阵并预测研究区 年在经济发展、生态保护和耕地保护 种模拟情景下各地类的数量计算公式为 ()式中:、分别为 和 时刻的土地利用状态 为地类 转成地类 的转移矩阵.空间分布模拟.基础参数设置在基于改进 模型的 模块模拟 种情景空间分布前设置土地利用成本转移矩阵和邻域权重 土地利用成本转移矩阵仅包括数字 和 代表不可转换 代表允许转换 一般情况下城市建设用地不易发生转换林地在受保护的情况下不易发生转换 邻域权重意味各土地利用类型的扩张强度辅助决策各土地利用类型产生的邻域效应 各土地利用类型的邻域权重值可以根据专家经验和一系列模型测试来确定也可以根据各用地类型扩张面积的占比来计算范围在之内值越大表示邻域影响越大、扩张能力越强 本文基于经济发展、生态保护和耕地保护情景参考现有研究成果结合研究区实际土地利用数量和现状空间分布设定土地利用成本矩阵(表)和邻域权重(表).土地利用类型空间分布概率()单独增长概率 土地利用类型空间分布概率代表各地类的空间分布适宜性借助 模型以 年各用地扩张数据为基础结合 个驱动因子运用 模块采用随机森林()算法获取各用地类型增长概率其表达式为 长江科学院院报 年 表 南川区 种模拟情景土地利用成本矩阵 用地类型经济发展生态保护耕地保护 注:、分别表示南川区耕地、林地、草地、灌木地、水域和建设用地表 南川区 种模拟情景下各地类邻域权重 情景类别耕地林地草地灌木地水域建设用地经济发展.生态保护.耕地保护.()()()()式中:()为单元格 的用地类型增长概率当 为 时非 类的用地均转变成 类 变成 时则为其他类型间的转换 为多个驱动因素集成向量()为决策树组合的指示函数()为向量 的第 个决策树预测类型 为决策树总数目()总体概率 基于 模块在各用地类型增长概率约束下计算各用地类型总体概率结合土地数量预测结果、土地利用成本转移矩阵和邻域权重得到研究区 年经济发展、生态保护和耕地保护情景下空间分布结果 其计算式为 ()式中:为总体概率 为 单元格 地类的增长概率 为 单元格的邻域效应即 地类在下一个邻域内的覆盖比例 为对 地类目标需求的影响意味自适应驱动系数取之于迭代 时 地类当前与目标需求之间的差距 结果与分析.土地利用变化特征及模型精度检验.南川区近 土地利用变化特征根据.节所提方法借助 平台获取研究区土地利用总体变化(表)、面积转移矩阵(表)可知研究区耕地和生态用地(林地、草地)占主体 年分别占比.、.总体上耕地和草地均减少但前者减少态势更明显减少高达.水域和建设用地均增加尤以后者增加显著高达.建设用地变化最剧烈动态度达.耕地转建设用地明显.的耕地转出为建设用地 空间上研究区变化最显著土地利用类型为耕地和建设用地建设用地扩张区主要集中在中、西南部也是耕地和林地减少的区域包括中心城区(东、西、南城街道)、水江和南平镇等耕地与基础设施、居民点转换较快建设用地整体呈现从区中心向周围乡镇扩张态势 近 南川区社会经济 逐 渐 迈 向 高 速 发 展 城 镇 化 率 从 年.提升至 年.基础设施、生活娱乐用地、各级公路等交通建设用地显著增加基本符合南川区西进南扩的战略规划方向表 南川区近 土地利用面积结构及动态变化 土地利用类型 年 年面积/比例/面积/比例/年单一动态度/耕地.林地.草地.灌木地.水域.建设用地.综合动态度/.表 年南川区土地利用面积转移矩阵 土地利用类型 年土地利用面积/耕地林地草地灌木地水域建设用地 年总计耕地 .林地.草地.灌木地.水域.建设用地.年总计.模型精度检验为检验构建的 模型模拟精度采用 年 第 期谢向东 等 基于 模型的重庆市南川区土地利用多情景模拟土地利用数据结合 年实际每类土地利用数量模拟 年土地利用空间分布状况(图)并将模拟结果与实际情况比较(表)数量上各地类模拟与实际面积接近误差均可知 模型能较准确反映研究区土地利用需求 为进一步验证模型空间分配精度将实际土地利用数据进行采样构建 年模拟与实际图像的混淆矩阵计算总体精度和 系数 由图 可见 模型模拟所得空间分布与实际分布具有较高相似度由于研究区水域和建设用地基数较小样本量选取相应较少故空间分配时模拟精度相对较低但整体上空间模拟精度较高且检验计算得到研究区 模型模拟总体精度为.系数为.研究精度达到模拟要求 模型适用于南川区土地利用空间分布模拟图 南川区 年模拟与实际土地利用空间对比.表 南川区 年模拟与实际误差分析 土地利用类型实际面积/模拟面积/模拟误差/耕地.林地.草地.灌木地.水域.建设用地.南川区 年 种情景土地利用模拟结果将研究区 年土地利用数据设为初值根据 种情景面积预测结果、土地利用成本转移矩阵和邻域权重运用 模型 模块模拟获得研究区 年土地利用模拟结果(图)和预测面积(表).经济发展情景在经济发展情景下研究区建设用地面积将增图 种情景下南川区 年土地利用模拟空间分布.表 南川区 年 种情景下土地利用预测面积 情景类别预测面积/耕地林地草地灌木地水域建设用地经济发展.生态保护.耕地保护 .加至.比 年多.扩张区域沿着南川区中心向东、西、南城街道和乡镇蔓延变化剧烈区域主要集中在东、西、南城街道这与研究区地方经济发展状况有关 个街道吸引人口向中心集聚能力强、交通基础设施完善、地势平坦使得建设用地不断扩张耕地大幅度减少至 年耕地面积将减少到.比 年少.此外至 年水域面积将达到.比 年多.其来源主要为生态用地以林地和草地为主的生态用地将减少至.该情景下耕地、生态用地减少加剧建设用地大幅增长严重威胁到研究区的耕地保护和生态建设 长江科学院院报 年.生态保护情景在生态保护情景下研究区 年林地和草地两类生态用地总面积达.与 年相比减少.但与经济发展、耕地保护情景下比较生态用地面积减少态势得到有效控制减少速率变缓建设用地挤占生态用地情况有所改善生态用地面积分别小幅增加.和.增长区域大体分布于金佛山国家级自然保护区周围和研究区东北边缘 此外与经济发展情景相比耕地减少速率变缓建设用地小幅降低 该情景下虽然能有效减缓研究区基础设施等建设用地占用生态用地、一定程度限制建设用地扩张规模但是对耕地的保护力度有限不利于南川区粮食安全生产.耕地保护情景在 耕 地 保 护 情 景 下 建 设 用 地 面 积 为.与前两种情景相比扩张幅度最低增长态势得到有效控制但较 年持续扩张增加.至 年耕地面积达.相比经济发展和生态保护情景 分别增长.、.增幅区域主要分布在南川区中心周围以及西北部地带 此外生态用地面积较经济发展和生态保护情景相差不大分别减少.、.该情景下既能够有效控制耕地转其余地类的速率促使耕地得到高效保护、粮食安全得到保障又不会造成林地、草地两类生态用地大量流失以及建设用地停止扩张同样有利于生态建设和经济发展.种情景对比分析 种情景分别对应研究区不同发展导向经济发展情景下以加快建设同城化发展先行区、提升城市建设特别是基础设施建设为目标较生态保护、耕地保护情景体现在研究区中心城区(东、西、南城街道)带动大观、水江、庆元等周围乡镇建设用地成集聚式扩张幅度更大生态保护情景下以稳固现有生态环境保护成效、加强生态保护修复力度为目标较经济发展、耕地保护情景体现在金佛山国家级自然保护区及山王坪镇周围生态用地分布更紧密且被建设用地大幅挤占现象有所改善耕地保护情景下以落实耕地保护制度、强化粮食安全保障为目标较经济发展、生态保护情景体现在研究区大观、水江、合溪等边缘乡镇耕地分布更集中、减少幅度更小且生态用地流失幅度不大、建设用地大幅扩张态势得到有效控制 无论哪种情景由于研究区城镇化进程推进及社会经济稳步向前建设用地扩张不可避免 但综合对比各情景耕地保护情景下南川区土地利用结构更合理对南川区各地类的储备、资源合理配置具有重要意义 讨论与结论.讨 论随着成渝双城经济圈建设和重庆市“一区两群”协调发展战略推进南川区如何满足在面临新发展机遇、城镇化进程稳步向前的同时保证粮食安全受到保障、生态环境宜居宜业的未来发展需求亟需解决现状耕地大幅流失、建设用地急剧增长等问题并考虑未来不同发展导向下各地类如何变化 土地利用变化是受多重因素影响的复杂动态过程针对南川区利用模型开展土地利用模拟的研究较少且已有研究仅凭借历史土地利用进行分析并不能充分了解各地类演变机制亦欠缺对不同发展导向下多重目标的考虑而基于多情景下的土地利用模拟演化对现状土地利用分析提供补充不仅可根据区域经济优先、耕地保护及生态文明建设等发展目标模拟未来不同土地利用结构还能为区域规划决策者提供多重视角本文在历史土地利用分析基础上明晰研究区现实状况基于 模型针对研究区未来城市建设特点将各级道路对土地利用变化的影响差异考虑在内并结合各情景控制转化速率可较客观准确的模拟研究区未来土地利用结构满足研究区今后不同发展需要 虽然研究结果较好体现了不同情景下区域土地利用空间格局差异但还存在以下不足:()模型参数设置问题 土地利用成本转移矩阵、邻域权重结合研究区现状土地利用结构、前人研究经验通过不断调试确定有一定主观性未来应深入研究其定量化方法()驱动因子的差异性问题 针对 种情景选取的是统一驱动因子未考虑不同情景下发展侧重是否差别选取还需要进一步探讨.结 论考虑历史土地利用变化规律基于 模型对南川区 年 种情景土地利用格局进行模拟和对比结论如下:()年近 南川区建设用地增加.但耕地和生态用地减少高达.、.需在经济快速发展的同时强化耕地和生态用地的保护()南川区 年土地利用模拟结果检验 第 期谢向东 等 基于 模型的重庆市南川区土地利用多情景模拟 系数和总体精度为.、.模型模拟精度较高可用于土地利用多情景模拟()从多情景模拟结果看经济发展情景建设用地沿中心城区空间集聚效应最大但生态用地、耕地较其余 种情景大幅流失生态保护情景生态用地空间分布最紧密但较耕地保护情景对耕地的保护力度有限耕地保护情景在耕地受到保护的前提下生态用地挤占现象同时得以控制且与生态保护情景相差仅.表征经济发展的建设用地空间增幅明显小于其余 种情景但这也对建设用地节约集约利用提出更高要求 综合对比耕地保护情景是南川区今后社会发展的最优情景可为南川区决策者规划未来可持续发展格局提供参考()随着社会经济发展及城镇化进程推进建设用地扩张趋势势不可挡但无序扩张会严重威胁到区域生态与粮食安全 南川区城乡总体规划(年)重庆市南川区生态环境保护“十四五”规划南川区自然资源保护和利用“十四五”规划(年)均提出优化建设用地规模管理但不同规划导向下侧重有所差异导致各土地利用类型建设不均衡同时也反映出发展与保护之间矛盾仍然存在、规划政策之间的衔接还有待加强 在未来发展中南川区需妥善处理不同规划政策之间的联系与衔接综合各规划政策影响寻找发展与保护均衡点同时参考耕地保护情景模拟结果合理控制中心城区(东、西、南城街道)及水江、庆元等周围乡镇建设用地增长提高基础设施用地空间集约利用效率有针对性地落实城区周边及大观、合溪等边缘乡镇耕地保护政策、强化金佛山国家级自然保护区及山王坪镇周围生态用地保护修复措施筑牢 个街道及各乡镇生态与粮食安全屏障以达到南川区土地资源高效利用经济发展耕地保护生态建设并行的协调发展格局参考文献:彭海月 任 燕 李 琼 等.青藏高原土地利用/覆被时空变化特征.长江科学院院报 ():.王雪然 潘佩佩 王晓旭 等.基于 模型的河北省土地利用景观格局模拟.江苏农业学报 ():.席梅竹 赵中秋 吴攀升 等.基于改进 模型的滹沱河流域山区段土地利用变化模拟及预测.西北林学院学报 ():.汤 佳 胡希军 韦宝婧 等.基于 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