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。     

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。     

区域土地利用变化的多情景分析——以内蒙古自治区太仆寺旗为例

区域土地利用变化的情景分析涉及到影响土地利用变化的诸多因素,引起了目前学术界的广泛关注与重视。论文利用系统动力学模型与CLUE-S模型的理论框架,构建了太仆寺旗土地利用变化系统动力学模型及其时空变化模拟模型,通过对太仆寺旗土地利用变化的情景设计,实现了土地利用变化的多情景分析。研究表明,太仆寺旗在人口增长、经济发展与农牧业生产发展等宏观背景下,各种土地利用类型在诸驱动因子的综合作用下处于一个动态变化过程之中。不同的模式下,各用地类型间的竞争导致区域土地利用演替的差异较大,但参考模式、生态模式与经济模式的设计及其模拟出的土地利用变化情景,都显示出太仆寺旗县城东北部和西北部的未利用土地的集中分布区将成为未来近20年时间内土地利用变化的敏感地带。     

城镇-农业-生态空间划定的多情景模拟

城镇-农业-生态空间划定(简称"三区"划定)是国土空间规划的核心内容,对于科学合理地规划、利用有限的国土资源具有重要的意义。已有研究主要根据区域内土地利用与社会经济发展现状构建指标体系进行"三区"划定,较少将未来土地利用变化纳入"三区"划定过程中,使得划定结果在指导实践过程中缺乏前瞻性。针对这一问题,本文提出一种基于土地利用情景模拟,结合指标体系评价与决策树特征挖掘的"三区"划定方法,并以武汉市2015年土地利用现状为基础,在土地利用变化情景模拟的基础上进行"三区"划定。通过对比,验证了本文提出方法的合理性。研究发现:①不同情景下的"三区"空间在规模、空间分布上具有明显差异,将未来土地利用变化纳入"三区"划定过程中确有必要;②不同土地利用情景下"三区"空间的差异主要出现在三类空间的交界区域,这些区域是国土空间规划应该关注的重点区域。     

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。     

下辽河平原景观格局演变与预测分析

以下辽河平原为研究对象,选取1980年、2010年和2018年Landsat TM/ETM+OLI卫星图像进行解译,得到3期土地利用数据,定量分析下辽河平原近40年土地利用时空变化特征.结合地形、交通通达度及限制转化因子采用FLUS(Future Land Use Simulation)模型对流域未来土地利用变化情景及景观格局进行了预测.结果表明:1980-2018年水田、林地、草地、沼泽面积均减少,其中水田面积减少量最大,占比减少了8.59％,旱地、水域和城镇的面积均有所上升,旱地的增长面积最大,占比增加了6.19％;水田、林地、水域转入为旱地面积最大,旱地转出为建设用地面积最大;1980-2018年景观格局发生了较大变化,景观的破碎化程度降低,斑块之间的连通度、聚集程度升高,土地利用的集约化程度增大;2018-2040年,下辽河平原建设用地和水田的变化面积最大,城市化过程更加显著,景观的多样性及空间异质性降低,人类对环境的干扰能力变大.     

基于多目标遗传算法和FLUS模型的西北农牧交错带土地利用优化配置

西北农牧交错带生态环境脆弱,区位特殊性和生态重要性使其在我国社会经济发展和生态环境保护方面具有重要战略意义。通过对该区域进行土地利用优化配置,使有限的土地资源支撑起生态环境保护和经济发展的重任是本文的出发点。多目标遗传算法和FLUS模型的应用可以从多方面（数量结构、空间布局、综合效益）完善土地利用优化配置,为土地利用优化配置提供更多的选择方案。本文选用多目标遗传算法和FLUS模型对该区域进行2025年的土地利用变化模拟,通过设置自然发展、生态保护优先、经济发展优先、生态-经济均衡4种情景,探讨了如何在兼顾生态环境保护与社会经济发展的情况下进行土地利用的优化配置。结果表明,基于生态-经济均衡情景下的优化方案,土地利用类型的数量结构和空间布局更为合理,其综合效益优于另外3种情景。该情景在合理限制经济发展速度的前提下,使生态建设获得稳定发展,其经济效益较生态保护优先情景下增长了8.96%,生态效益较经济发展优先情景下增长了0.77%,在生态保护与经济发展2种目标之间达到平衡,为西北农牧交错带的土地利用规划提供了决策辅助。     

基于CA-Markov模型的长吉示范区土地利用格局多情景预测研究

吉林省长吉产业创新发展示范区位于我国东北地区的地理中心,是实施新一轮东北振兴和吉林省融入国家“一带一路”倡议的重要地区,该区土地利用变化对于生态环境变化及区域经济、社会发展有重要影响。本研究以Landsat TM/OLI和ZY-3遥感影像为数据源,获取长吉示范区1990年、2000年、2010年和2015年土地利用数据,分析示范区土地利用动态趋势,并利用CA-Markov模型预测了自然发展和生态规划两种情景下的2040年土地利用格局。结果表明,1990~2015年期间,约有288.14km^2的林地转化为耕地,同时有200.29km^2的耕地转化为建设用地。自然发展型情景预测结果显示,到2040年,长吉示范区森林面积将继续萎缩,湿地、耕地损失严重,建设用地显著扩张。生态规划型情景预测结果表明,如采取积极的生态保护和恢复措施,到2040年,示范区森林面积将恢复至910.17km^2,湿地将得到有效恢复,优质农耕区得到保护,同时保证了区域城镇化的发展。通过本研究中不同土地利用发展情境的模拟,可为示范区土地规划、生态保护和区域可持续发展提供决策依据。     

元胞自动机(CA)模型在土地利用领域的研究综述

通过模型对区域土地利用/覆盖变化(LUCC)进行分析已经成为了当前全球的研究主要内容之一。元胞自动机(CA)模型是一种通过定义局部的简单的计算规则来模拟和表示整个系统中复杂现象的时空动态模型,其"自下而上"的研究思路,强大的复杂计算功能及高度动态,使得它在模拟空间复杂系统的时空动态演变方面具有很强的能力。CA模型通过与其他模型相结合,在综合考虑各种限制因素和转换规则的前提下,通过反复迭代综合空间分析与非空间分析,模拟土地利用变化情景,在国内外已经形成了较为成熟的研究模型。本文首先提出了CA模型在土地利用变化中应用的背景及其特点;然后,分析了CA模型的构成原理以及在国内外的应用进展与现状;最后,详细阐述了CA模型在土地利用变化中的发展趋势及今后研究工作中应注意的问题。     

耦合FLUS和Markov的快速发展城市土地利用空间格局模拟方法

模拟城市土地利用空间变化格局的研究,对未来区域规划以及实现可持续发展具有十分积极的作用。以往基于FLUS的研究栅格尺度较大,如何模拟快速发展中城市的复杂土地利用变化过程,挖掘土地利用变化驱动机制值得进一步探讨。本文构建了耦合FLUS和Markov的城市土地利用格局拟合框架,创新性地引入房价指标表征社会经济属性,以深圳为研究区,基于30 m空间分辨率小栅格尺度的土地利用分类数据和基础地理、路网河网、感兴趣点等多源空间变量,模拟不同发展情景下的未来城市土地利用空间格局,并通过随机森林进行土地利用变化驱动因素分析。研究结果表明:本文提出的耦合FLUS和Markov方法相较于传统CA模型（RFA-CA和Logistic-CA）精度更高（FoM=0.22）,能更准确地模拟快速发展中城市的土地利用变化过程;多情景土地利用格局制图结果验证了城市发展过程中生态控制线的重要性,进一步说明本文拟合框架在未来城市规划布局中的参考价值;医院、娱乐场所等的基础设施和公交、路网密度等的基础交通比自然因素（高程、坡度）对城市发展的影响更大,到海岸线距离会在一定程度上限制深圳内部土地利用变化过程。本研究所构建模型及精细制图结果,可为城市区域规划和空间格局模拟等相关研究提供参考依据和理论基础。     

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。     

黄土高原生态退耕的时空分异特征

生态退耕是调整陆地生态系统结构与功能以应对土地利用过度干扰的重要途径之一,因此科学掌握退耕格局与耕地格局演变对黄土高原生态环境治理与生态修复具有深远意义。本文以位于黄土高原的延安市为典型区,从生态退耕的整体特征、地形因素及区域差异等角度,探究生态退耕以来其耕地变化及退耕状况的空间分异特征。结果表明：生态退耕致使延安市耕地面积由2000年的11 752.80 km²减少为2013年的9149.93 km²,退耕面积为2756.85 km²,退耕指数为22.15%,且退耕耕地主要转化为林地、草地,占退耕面积的95.29%;耕地与退耕面积主要分布于6~15°、15~25°坡度及第II级（925~1115 m）、第III级（1115~1275 m）,且2005-2013年的生态退耕速率均高于2000-2005年的生态退耕速率;县域退耕面积及退耕程度均呈现由北向南依次递减的分异特征,而退耕重心与耕地重心均在延安市几何中心以北的安塞县与宝塔区边界,且生态退耕的重心由东北向西南方向迁移,耕地重心则由北向南迁移。本文通过对延安市生态退耕的时空分异特征分析可为黄土高原更加科学合理地推进生态保育与生态文明建设提供参考。     

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。     

1990—2020年中国能源开采和加工场地多源数据综合制图与时空变化分析

由于当前缺乏有效的能源开采和加工场地精细化遥感探测方法和高精度的数据产品,全国尺度的能源开采和加工场地时空分布规律的认识仍显不足。本研究基于高分辨率遥感影像、土地利用/覆盖数据、网络爬虫数据、OSM地图数据和环境专题数据等信息,发展了基于多源数据融合和专家知识参与获取的能源开采和加工场地遥感识别和精细化制图的技术方法,研发了1990、2000、2010和2020年共4期的中国能源开采和加工场地分布数据产品及2010—2020年场地植被恢复信息数据产品,作为中国土地利用/覆盖变化数据的组成部分（CLUD-Mining）。CLUD-Mining具有较高的质量和可靠性,数据产品平均精度为91.75%;中国能源开采和加工场地开发建设的面积呈现先增长后减少的发展趋势,1990—2010年,面积增长速度从55.22 km²/a上升到95.51 km²/a,而2010—2020年呈现负增长,平均每年减少27.28 km²;此外,2010—2020年场地植被恢复面积达746.76 km²,主要集中在华北区和西南区;中国能源开采和加工场地分布格局逐渐由东部地区向西部地区转移。本研究对提升中国能源开采和加工场地时空分布特征的认识具有重要意义,可为场地污染治理和生态修复提供重要的数据基础。     

长沙市热岛效应时空特征变化研究

本文基于1991-2015年长沙市9景Landsat TM/ETM影像,采用单窗算法反演了长沙市建成区的地表温度,提取了土地利用/覆盖类型,并结合相关资料对长沙市热岛效应时空变化特征以及城市热环境与城市土地利用/覆盖变化之间的关系进行了分析。结果表明长沙市热岛范围随着建成区范围的扩大不断增大,并且热岛的时空演变与建成区扩大的趋势一致：1991-1996年,长沙市热岛向东发展迅速,截至1996年东部热岛面积增加达53.54 km² ;1996-2003年,受城市建成区扩展影响,热岛向西部延伸,增加面积达39.88 km²;2003-2007年,建成区热岛向西部、南部加速发展,热岛增加总面积达33.55 km²;2007年后,长沙市建成区与热岛范围开始向东、西、南、北4个方向全面扩展。此外,建成区土地利用/覆盖情况发生了很大的变化,大量绿地转变为建设用地和耕地,极大地影响了地表温度的空间分布,各土地类型之间的温度差异显著缩小,水体良好的吸热性能明显地体现出来,建筑用地和裸地则对地表温度的贡献显著增大。     

夜间灯光数据支持下西藏人类活动强度变化对生态系统调节服务的影响

西藏自治区特殊的高寒生态系统对人类活动具有高度敏感性,定量评估系列政策实施下西藏生态系统调节服务对人类活动强度变化的响应有助于西藏生态政策和空间规划的调整完善。本研究基于西藏1980年和2015年土地利用现状数据及1992—2013年DMSP/OLS夜间灯光指数数据,借助GIS空间分析功能分析了居民点用地和夜间灯光强度的变化;并结合生态系统调节服务空间数据,利用相关分析对居民点用地和夜间灯光变化所反映的人类活动强度变化对西藏生态系统水土保持和防风固沙服务的影响进行研究。结果表明：① 1980—2015年,西藏新增居民点用地212.06 km²,减少居民点用地44.99 km²,其中,新增居民点用地中62%为城镇用地,减少的居民点用地中95.88%为农村居民点;居民点用地变化主要发生在藏南河谷区;② 自治区内居民点用地扩张一定程度上直接导致夜间灯光强度增加,“一江两河”流域土地整治工程和农牧民安居工程等促进了当地人类活动强度增加,区内部分乡镇因进城务工和易地扶贫搬迁造成了当地人类活动强度的下降;③ 西藏2015年防风固沙服务较1990年有整体增强趋势,水土保持服务除藏东高山峡谷区外均有大幅度退化趋势;④ 对居民点用地进行的还林、还草整治工程等人类活动有利于促进生态系统防风固沙服务的恢复;人类活动强度的增加极易导致水土保持服务的退化,“一江两河”流域体现最为明显。研究能为西藏国土空间规划和生态政策的制定和调整提供参考。     

基于权重线性加和模型的城市污泥土地利用适用性评估

城市污泥土地利用的环境问题是限制其大规模利用的主要因素。本文建立基于权重线性加和模型的城市污泥土地利用环境风险控制方法,提出北京市城市污泥土地利用环境风险控制方案。不同因素对城市污泥施用的环境影响依次为：土壤重金属含量（0.22）>土地利用类型（0.17）≈土壤类型（0.17）≈自然降雨（0.17）>坡度（0.13）>与自然水体距离（0.09）>与城镇居民区距离（0.05）。北京市城市污泥低风险适宜施用区域主要集中在平谷和顺义交界处、昌平-延庆中部以及房山的东部山间林地,施用面积为2033 km²。中风险施用区分布在西南部、东南部的林地和旱地的混合区域,面积为5079 km²。高风险施用区面积为380 km²,分布在石景山以及门头沟东北部、房山西南部以及平谷北部区域。禁止施用区面积达8916 km²,主要分布在城区及城区周边的郊县、延庆、怀柔、密云等部分区域。     

近20年黄土高原土地利用/覆被变化特征分析

本文根据黄土高原地区20世纪80年代末、2000年、2008年3期土地利用/覆被空间数据集,计算2个时段（20世纪80年代末-2000年,2000-2008年）土地利用/覆被转类方向及其幅度、土地利用/覆被转类指数、土地利用/覆被状况指数及其变化率,分析黄土高原地区自20世纪80年代末以来土地利用/覆被时空变化特征以及宏观生态状况的变化趋势。结果显示：黄土高原地区近20年来平均土地利用/覆被状况指数为24.07,其中土石山区生态系统综合功能最好,其次为河谷平原区,最差的为农灌区。20世纪80年代末-2000年,黄土高原地区主要土地利用/覆被转类是森林和草地转为耕地,生态级别由高级向低级转移,2000-2008年主要土地利用/覆被转类是耕地转为林地和草地,低覆盖草地转为中高覆盖草地,生态级别由低级向高级转移。近20年来黄土高原地区地覆被状况指数变化以及土地利用/覆被转类指数表明,该区域的宏观生态状况总体上经历了转差（20世纪80年代末-2000年土地利用/覆被转类指数为-1.08）,后转好（2000-2008年土地利用/覆被转类指数为2.66）2个过程。这一变化过程前期受区域气候变化以及人口增长共同驱动,后期则叠加了生态工程的影响。     

青藏高原湖泊面积动态监测

高原湖泊的动态变化对区域水循环具有重要影响。受全球气候变化的影响,青藏高原湖泊自20世纪90年代开始呈现剧烈扩张趋势。为揭示近年来青藏高原湖泊面积的时空变化规律,本文提出了一种改进的半自动湖泊提取算法,结合环境减灾卫星（HJ-1A/1B）和Landsat系列卫星影像数据,对青藏高原内流流域中面积大于50 km²的127个湖泊进行了连续6年的动态监测,并分析了该区域2009-2014年湖泊面积时空变化特征。研究结果表明,该区域湖泊整体呈现显著扩张趋势,年均变化速率为231.89 km²yr^-1（0.87 %yr^-1）,6年间湖泊面积扩张速率有所减缓。其中,扩张湖泊有104个,收缩湖泊有23个,变化速率分别为271.08 km²yr^-1（1.02 % yr^-1）和-39.19 km²yr^-1（-0.15 %yr^-1）。不同区域湖泊面积变化具有明显差异,主要表现为东部及北部大部分区域湖泊扩张,南部地区大部分湖泊面积稳定,萎缩湖泊主要分布于研究区四周。最后,本文通过分析冰川融水补给对湖泊面积变化的影响,发现存在冰川融水补给的湖泊面积变化率远大于不存在冰川融水补给的湖泊。由此可见,近年来冰川融水的增加是促进青藏高原内流流域湖泊扩张的主要因素之一。