基于改进Markov-CA模型的黄土高原土地利用多情景模拟

土地利用/覆被的时空变化研究能为区域生态环境恢复和生态系统集成管理提供科学支持。集成Logistic回归模型、改进的Markov与FLUS模型模拟黄土高原2020—2050年3种典型情景土地利用变化。发现各情景土地利用面积变化及空间置换转移主要集中在农用地、草地和城镇用地;历史趋势延续情景下农用地减少15 205 km²,草地、城镇用地分别增加2742 km²和16 007 km²;生态保育管护情景中草地增加7076 km²,林草用地增长存在权衡关系（r_{主要林地-草地}=-0.66）,在典型区域的生态恢复管理中应加以重视;城镇发展建设情景中农用地减少20 256 km²,城镇用地增加22 032 km²,变化均达到极值,其中,南部城镇扩张与农用地减少存在强权衡关系（r_{农用地-城镇用地}=-1）。改进的Markov-FLUS模型适用于黄土高原地区的土地利用模拟,情景分析可有效揭示区域生态保护与城镇扩张的阈值变化,为区域土地利用政策权衡管理和水土保育提供科学依据。     

基于FLUS模型和SD模型耦合的中巴经济走廊土地利用变化多情景模拟

中巴经济走廊的规划和建设离不开对走廊沿线土地资源、生态环境空间格局及变化过程的科学认识。未来土地利用变化模拟研究,可为区域土地资源管理、生态环境可持续性和潜在风险评估等研究提供可靠的预测数据。本文通过耦合系统动力学模型（SD）和未来用地模拟模型（FLUS）,并结合中巴经济走廊建设和区域的生态环境政策等设置多种情景对中巴经济走廊进行土地利用模拟,充分发挥2个模型在宏观土地需求模拟以及微观土地分配上的优势。首先根据2009—2015年的历史数据构建并验证了区域土地利用SD-FLUS模型,然后模拟了2016—2030年中巴经济走廊区域惯性发展、投资优先以及和谐发展3种不同情景下的土地利用变化。结果表明：① 历年的总量模拟相对误差均小于9.00%,2015年喀什和巴基斯坦模拟的总体精度均达到90.00%以上、Kappa系数达到0.90以上,说明SD和FLUS耦合模型能有效模拟中巴经济走廊土地利用变化格局,适用于其土地利用变化的情景模拟;② 到2030年,不同情景之间的土地利用存在明显的差异。在3种情景下建设用地均扩张,和谐发展情景扩张速度居中,该情景下喀什建设用地增加了235.17 km²,巴基斯坦增加了4942.80 km²,而扩张最快的投资优先情景下,喀什建设用地增加了265.23 km²（惯性发展情景仅增加163.71 km²）,巴基斯坦建设用地增加了5918.91 km²（惯性发展情景仅增加2861.84 km²）;巴基斯坦和谐情景下的耕地增量（4768.60 km²）不到增长最多的惯性发展情景的一半,喀什耕地在和谐发展情景增加了604.44 km²,不到投资优先情景的3/4;3种情景中只有和谐发展情景下的林地得到了有效的恢复。总体而言,和谐发展情景兼顾了社会经济发展和生态环境保护,是3种情景中最理想的情景。模型模拟结果可为中巴经济走廊的可持续性研究和生态环境评估等提供一定的数据和方法支撑。     

纳入动态数据的改进FLUS模型在城市增长边界划定中的应用

城市增长边界是管控城市建设用地无序扩张的有效手段,科学合理划定城市增长边界是当前研究关注的重要课题。本研究试图引入百度动态交通时间和POI数据改进FLUS模型,以长沙市中心城区为例,采用2000、2010和2018年3期土地利用数据对比验证改进FLUS模型模拟精度,并利用改进FLUS模型设置2种情景,模拟2030年长沙市中心城区土地利用变化,结合用地适宜性评价划定城市增长边界。结果显示：① 纳入动态数据的改进FLUS模型模拟2010年和2018年土地利用相比原模型KAPPA系数提高了2.90%和2.74%,总体精度提高了1.79%和1.83%,表明改进模型具有更高模拟精度;② 利用改进FLUS模型模拟的2030年长沙市中心城区土地利用变化,基准情景和生态保护情景建设用地规模分别为930.06 km²和881.36 km²,均以耕地转为建设用地比例最大;③ 长沙市中心城区刚性增长边界范围为1479.59 km²,占中心城区总面积的37.38%,边界内包含了芙蓉区、天心区、雨花区、岳麓区和开福区的大部分区域;④ 基准情景和生态保护情景下,长沙市中心城区弹性增长边界面积分别为799.35 km²和742.92 km²,建设用地扩张空间主要为长沙县和望城区,结果与2010版长沙市城市总体规划拓展方向一致。纳入动态数据的改进FLUS模型多情景模拟划定城市增长边界,能更高精度的为规划决策提供科学依据。     

纳入空间自相关的FLUS模型在土地利用变化多情景模拟中的应用

FLUS模型是一种新型的土地利用变化模拟模型,应用前景广阔。本文通过在FLUS模型的人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)训练模块中引入空间自相关因子来改进模型,以珠江三角洲地区为例,基于2009年、2015年土地利用数据和一系列驱动因子对改进的模型进行了验证,并利用该改进的FLUS模型模拟了2035年研究区在3种情景下土地利用变化格局。结果表明:①引入空间自相关因子后各地类发生概率分布的预测精度更高,耕地、林地、建设用地、水体和未利用土地的拟合优度ROC值分别从0.819、0.928、0.885、0.855和0.861提高到0.857、0.934、0.890、0.863和0.978;②改进的FLUS模型的模拟精度有一定的提高,Kappa系数从0.732提高到0.744,FOM系数从0.077升到0.106;③情景模拟表明,3种情景下珠江三角洲建设用地和林地均将增加、而耕地均呈减少趋势。但不同情景下模拟的土地利用格局也存在显著差异:基准情景下,建设用地明显扩张且大幅侵占耕地。耕地保护情景下,耕地面积保持在合理水平,建设用地蔓延扩张趋势得到遏制,土地利用布局总体趋向合理。生态保护情景下,耕地、林地和水体得到较好保护,建设用地布局更为合理,土地利用可持续性明显提高。     

基于FLUS模型的大都市区土地利用优化模拟——以深圳市为例

采用深圳市2010年、2015年和2016年的土地利用现状数据,运用FLUS模型对自然发展情景、生态安全情景和生态优化情景3种情景下2030年深圳市土地利用结构和空间布局的变化进行模拟。研究结果表明:以2010年为基期模拟2015年土地利用布局的kappa指数为0.862,模拟结果较为理想。3种情景下深圳市2030年土地利用布局既有共性也存在差异。生态优化情景在禁止建设区把部分生产性用地转变为具有重要生态功能的林地,在限制建设区严格控制新增建设用地,在集中连片的控制区内限制生产活动,比自然发展情景和生态安全情景更能达到城市建设和生态保护的双重目标。     

顾及土地生态安全的环鄱阳湖城市群土地利用情景模拟

在国家大力推进新型城镇化和落实城市群空间规划的背景下,评价城市群土地生态安全水平,并以此为限制条件预测城市群未来土地利用格局,对城市群可持续发展具有重要意义。本文以环鄱阳湖城市群为研究对象,对城市群土地生态安全格局和变化进行分析,根据土地生态安全评价结果设置自然发展情景和生态保护情景,结合多分类Logistic回归和多标准评价方法(MCE),构建CA-Markov模型,预测2种情景下2030年土地利用格局并进行对比分析。研究结果表明:①2005、2010和2015年,环鄱阳湖城市群网格平均生态安全值分别为0.574、0.573和0.571,空间布局上呈现"中部低、东西高"的特征;②预测2030年,自然发展情景下新增城镇用地主要位于九江市、上饶市和南昌市,生态保护情景下限制城镇用地和其他建设用地向土地生态安全高值区扩展,使得城镇用地和其他建设用地扩展更加集中;③预测生态保护情景下,高生态安全区面积比自然发展情景下多39.39%且分布更加均匀,包括鄱阳湖周边区域、九江市中部以及新余市和吉安市,城市群生态安全得到有效保护。该研究可为环鄱阳湖城市群土地利用规划及生态保护提供参考。     

基于FLUS模型与动能定理的城镇用地增长边界划定

城镇用地增长边界能够有效控制城市的无序蔓延,对城市健康持续发展具有重要意义。当前针对城镇用地增长边界划定的研究多采用较为成熟的元胞自动机(CA)模型对城市未来格局进行模拟,且研究多集中于单一的城镇用地增长边界划定,尚无对城镇用地增长的惯性边界进行定量划定,而划定惯性边界不仅能够为城市发展预留一定的用地空间,也能提高城市规划的实施效率。对此,本文以2000、2009和2015年福州中心城区土地利用数据为基础,采用FLUS模型进行土地利用模拟,并对模型精度进行了验证(2015年土地利用模拟总体精度达到0.9389,Kappa系数达0.9165),据此预测了2027年的土地利用格局,从中提取城镇用地采取形态学的膨胀与腐蚀法(MED)进行增长边界的划定。在此基础上,本文提出了一种借鉴力学动能定理划定城镇用地增长惯性边界的方法,以坡度和地类作为摩擦力参数,对福州中心城区城镇用地增长惯性边界进行了研究。结果表明,FLUS模型和MED能够有效地对土地利用进行模拟且能较好的对城镇用地增长边界进行拟合;借鉴动能定理的方法能够根据城市不同方向的扩展阻力和各个方向的扩展强度较好地划定其惯性边界,具有现实可操作性和实际参考价值。     

顾及轨道交通影响的浙中城市群土地利用多情景模拟与分析

土地利用变化受到地形地貌、自然环境、城市规划和经济发展等的影响,预测其未来情景对政策调整具有重要的参考意义。元胞自动机模型是模拟和预测不同规划政策下土地利用变化的常用方法。本文基于GlobeLand30数据集,利用浙中城市群2000-2010年土地利用变化校准FLUS模型,并模拟2010年土地利用格局,其总体精度、Kappa系数和图形优化(FOM)分别为89.74%、82.69%和29.86%。采用马尔可夫链预测2030年各类型土地总量,利用FLUS预测一般条件下(常规情景)和城市轨道交通规划站点影响下(轨交情景)浙中城市群未来土地格局。结果表明,在5 km范围内城市轨道交通站点对建设用地增长影响较大,在该区域轨交情景比常规情景面积增加45.25 km^2、且主要发生在城市边缘区。建设用地扩张主要通过侵占优质农田实现,轨交情景5 km范围内农田转化为建设用地比常规情景增加33.34 km^2,建设用地扩张强度高于常规情景,其中最低扩张强度以上占比高于常规情景3.70%。景观指数表明,2种情景中林地、草地和水域格局具有较高相似性。本研究表明,综合使用FLUS、遥感、GIS等技术方法,能够准确模拟和预测不同规划条件下未来土地利用格局,并为规划和政策调整提供高可信空间数据。     

基于FLUS-UGB的县域土地利用模拟及城镇开发边界划定研究

当前城镇开发边界的制定与已有基本农田和生态保护红线存在较大的龃龉,在新的国土空间规划体系下,需要科学划定县域合理的城镇开发边界以实现国土空间的可持续开发利用。对此,本文提出了基于三线协调和FLUS-UGB的城镇增长边界划定方法,以江苏省丰县为研究案例,在对其2011—2017年土地利用进行模拟和验证的基础上预测了至2035年的多情景土地利用变化,结合耕地保护与生态控制背景,最终确定城镇增长边界。结果表明：① 2017年丰县土地利用模拟的总体精度达到94.7%,Kappa系数为0.895,模拟精度较高。② 基准情景下,城镇用地呈现“摊大饼”的空间扩张趋势。在耕地保护与生态控制背景下,城镇呈“放射式”向外有序扩张。③ 预测2035年丰县城镇用地开发边界面积为80.29 km²,2017—2035年共17年增长幅度达到69.07%。明确划分城镇开发边界能够有效避免城镇用地对永久基本农田和重要生态用地的侵占,从而实现城镇扩张、永久基本农田和重要生态用地保护三者之间的良好空间协调。     

全域用地精打细算,增量用地精雕细凿,存量用地精益求精——重庆锤炼用地“精”字诀

正重庆市地处丘陵山区,受城乡差异与地形地貌限制,坡耕地、林地比重高,面临有效城镇建设用地不足与低效农村建设用地过剩问题,呈现出工业用地相对低效、农村建设用地比较粗放的特点。近年来,该市创新土地资源调控机制,积极探索节约集约用地模式,有效提高了土地节约集约利用水平,切实缓解了土地供需矛盾。据该市国土资源与房屋管理局有关负责人介绍,通过实施"三精"节地模式,到2020年全市单位建设用地固定资产投资水平将达到2亿元/平方     

闽南金三角地区城市扩展及其驱动分析——以漳州市主城区为例

城市空间扩展是衡量城市化进程的重要指标。本文以闽南金三角地区的福建省漳州市主城区作为研究区,选取2000、2006和2013年的Landsat遥感影像,利用IBI建筑指数分别提取了3个年份的建筑用地信息,然后对其变化进行GIS分析。结果表明,13 a间漳州市主城区面积净增13.69 km²,净增面积为2000年的66.9%。主城区主要沿交通主干道往西北方向呈带状和面状扩展。缓冲区分析表明,道路对主城区扩展起到很大的引导和促进作用。综合社会经济数据可知,主城区的城市扩展历程与第二产业的发展密切相关,属工业导向型的城市扩展模式。另外,城市人口的增加也起到了一定的促进作用,不同区位人口增长速率的差异,对城市扩展的方向也产生了一定的引导作用。     

基于生态空间胁迫的大都市区增长情景模拟

大都市区增长是当前中国城镇化发展的一种主要模式,如何确定其最佳空间增长形态是新型城镇化关注的重要内容之一。本研究立足于未来“生态城市”建设理念,从自然资源生态敏感性和城市发展适宜性角度构建双重约束条件,利用元胞自动机模型构建了生态空间胁迫下的城市增长过程模拟框架,探讨了边缘性增长、生态性增长与协调性增长3种发展模式,并从建设适宜性、生态安全性与斑块紧凑性等角度构建评价指标对模拟方案进行定量化对比。最后,以长江中游城市群的南昌大都市区进行实例应用,结果表明,协调性空间增长模式能最大程度降低城市建设对生态安全空间的侵蚀,大都市区在制定城市增长边界等空间政策时宜参考此种发展模式,基于生态空间胁迫分析的城市增长过程建模是一种有用的规划决策情景分析工具。     

基于地理分区与FLUS模型的城市扩张模拟与预警

城市的快速扩张不断改变着土地资源的转化,带来了诸多生态环境问题。分析和模拟城市扩张的机制,并对城市未来土地利用变化的风险进行预警,利于合理调控城市的发展。本文提出了一种基于地理分区和未来用地模拟(Future Land Use Simulation,FLUS)模型的城市扩张模拟模型,用于模拟和预测复杂的土地利用变化。该模型利用多指标数据进行空间聚类,耦合地理分区结果进行城市扩张模拟。珠江三角洲2005-2015年的城市扩张模拟结果显示,分区下的模拟精度(FoM=0.2329,提高了9%)明显高于未分区,说明不同分区在土地利用转化上存在空间差异,该模型能更有效地模拟城市土地利用变化。另外,本文构建了一种城市扩张预警指标评价体系,用于评估城市扩张的警情。根据在2005-2015基础上预测的2025-2045年土地利用变化结果,对珠江三角洲城市扩张进行多尺度预警分析。综合预警结果显示该区域大部分城市至2045年城市扩张警情将达到中警和重警,其中东莞警情一直维持在重警。由此,未来需要加强对珠三角城市扩张的宏观调控,以此来缓解未来城市扩张的警情。     

Simulation of land-use scenarios for Beijing using CLUE-S and Markov composite models

This study investigated and simulated land use patterns in Beijing for the year 2000 and the year 2005 from the actual land use data for the year 1995 and the year 2000,respectively,by combining spatial land allocation simulation using the CLUE-S model,and numerical land demand prediction using the Markov model.The simulations for 2000 and 2005 were confirmed to be generally accurate using Kappa indices.Then the land-use scenarios for Beijing in 2015 were simulated assuming two modes of development:1) urban development following existing trends;and 2) under a strict farmland control.The simulations suggested that under either mode,urbanized areas would expand at the expense of land for other uses.This expansion was predicted to dominate the land-use conversions between 2005 and 2015,and was expected to be accompanied by an extensive loss of farmland.The key susceptible to land-use changes were found to be located at the central urban Beijing and the surrounding regions including Yanqing County,Changping District and Fangshan District.Also,the simulations predicted a considerable expansion of urban/suburban areas in the mountainous regions of Beijing,suggesting a need for priority monitoring and protection.