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        基于FLUS模型的舟曲縣土地利用變化模擬研究

        2023-12-29 08:41:34郝天樂王昱之
        河南科技 2023年22期
        關(guān)鍵詞:模型建設(shè)

        郝天樂 王昱之

        (蘭州交通大學(xué),甘肅 蘭州 730070)

        0 引言

        隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的步伐加快,城市和鄉(xiāng)村的用地結(jié)構(gòu)也隨之改變。然而城市化進(jìn)程的加快,導(dǎo)致大量的土地、林地、草地、水域等自然生態(tài)資源正逐步被城市建設(shè)用地取代。這一變化給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的沖擊。因此,土地利用∕覆蓋變化(land use∕cover change,LUCC)逐漸成為土地資源利用研究的熱點(diǎn)課題[1]。

        當(dāng)前在土地利用時(shí)空變化研究領(lǐng)域,常用的方法有轉(zhuǎn)移矩陣模型、CLUE-S 模型、CA-Markov 模型、FLUS 模型和重力模型等[2]。FLUS 模型相較于其他模型,在模擬精度方面表現(xiàn)出色[3]。黎夏等[4]將地理模擬和空間優(yōu)化模型進(jìn)行耦合,建立了地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)GeoSOS 軟件,為城市化地區(qū)的空間管制、土地利用等方面的引導(dǎo)、調(diào)控和優(yōu)化提供了技術(shù)支撐平臺。譚遠(yuǎn)等[5]研究分析了廣州市土地利用的時(shí)空變化,發(fā)現(xiàn)城市發(fā)展呈現(xiàn)不平衡趨勢。郭麗英等[6]利用重力模型研究環(huán)渤海區(qū)域耕地重心的變化,反映了城市化背景下耕地減少和空間收縮等現(xiàn)實(shí)問題。王芳莉[7]通過FLUS 模型對隴南市2026年土地利用進(jìn)行模擬,研究了土地利用變化規(guī)律和空間分布特征,以探索驅(qū)動這些變化的因素,并促進(jìn)土地資源的有效利用。趙林峰等[8]利用FLUS模型預(yù)測了珠三角地區(qū)2025—2045年的土地利用情況,為未來城市擴(kuò)張?zhí)峁┝祟A(yù)警??偟膩碚f,F(xiàn)LUS模型成熟可靠,能夠準(zhǔn)確揭示城市化背景下生態(tài)用地的變化特征?;诖?,本研究以甘肅省舟曲縣為研究區(qū)域,對舟曲縣2020年的土地現(xiàn)狀進(jìn)行模擬預(yù)測,并以此為基礎(chǔ)模擬其2035年土地變化趨勢,可為舟曲縣及其他地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

        1 研究區(qū)概況

        舟曲縣位于甘肅省甘南藏族自治州,地處甘川兩省交界地區(qū),總面積約為3 015 km2。白龍江、拱壩河和博峪河等重要河流貫穿舟曲縣,形成了獨(dú)特的高山峽谷地貌[9]。目前舟曲縣轄區(qū)內(nèi)共計(jì)15 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)208 個(gè)行政村,2022 年年末總?cè)丝冢ǔW∪丝冢?2.536 7萬人。

        2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

        本研究所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于舟曲縣年鑒,土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(https:∕∕www.shengshixian.com∕),驅(qū)動因子根據(jù)研究內(nèi)容結(jié)合實(shí)際選取,來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(resdc.cn)。

        3 研究方法

        3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

        土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠定量反映不同時(shí)期各地類的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移變化情況[10],其表達(dá)式為式(1)。

        式中,Sij表示為i類土地轉(zhuǎn)換成j類土地的面積;n為土地利用類型的數(shù)量;S矩陣的每一行代表當(dāng)前時(shí)刻的土地利用類型,每一列代表下一時(shí)刻的土地利用類型。

        3.2 FLUS時(shí)空模擬模型

        FLUS 模型(Fuzzy Logic for Urban Studies,F(xiàn)LUS)是一種基于模糊邏輯的城市發(fā)展模型,主要用于預(yù)測城市的土地利用變化和人口分布變化[11]。通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模塊,可以將空間相關(guān)因子(如社會和自然)融合到CA模塊,實(shí)現(xiàn)對多種空間因素之間的動態(tài)調(diào)整,從而更好地解決復(fù)雜的空間變換問題。

        4 結(jié)果與分析

        4.1 土地利用變化

        舟曲縣土地利用面積及占比見表1,土地利用情況如圖1 所示。由表1 和圖1 可知,2000—2020年舟曲縣三期土地利用類型的面積和比例呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢:林地占總土地利用面積的絕大部分,占比為62%左右,草地占總土地利用面積的22.5%左右,建設(shè)用地占總土地利用面積的0.3%左右。

        圖1 舟曲縣2000、2010、2020年土地利用情況

        表1 舟曲縣土地利用面積及占比

        4.1.1 土地利用面積及動態(tài)變化分析。舟曲縣土地利用變化情況見表2、土地利用動態(tài)度見表3。2000—2010年,耕地、林地及未利用地總面積均呈顯著上升趨勢,其中,未利用地的面積更高,增加了15.89 km2,而草地的總面積減少了25.17 km2,成為生態(tài)系統(tǒng)中退化程度最高的用地,緊隨之后的是建設(shè)用地,減少了1.79 km2。

        表2 舟曲縣土地利用變化情況單位:km2

        表3 舟曲縣土地利用動態(tài)度單位:%

        2010—2020 年,耕地、草地面積分別增加10.38 km2和10.84 km2,增幅超過前10 年的總和,說明近年來舟曲縣大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)并取得了明顯的成效,城市產(chǎn)業(yè)的總體發(fā)展趨勢由畜牧業(yè)主導(dǎo)逐步過渡到種植加工類主導(dǎo)。2000—2010 年和2010—2020 年的綜合土地利用動態(tài)度分別為0.12%和0.16%,減少了0.04%,這表明后10 年土地利用強(qiáng)度較前10年明顯減弱。

        4.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移變化分析。通過對舟曲縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(見表4、表5)的分析,可以發(fā)現(xiàn)2000—2020 年,草地、水域和建設(shè)用地的面積均有所減少,其中草地減少了25.17 km2,水域減少了0.03 km2,建設(shè)用地減少了1.79 km2,總計(jì)減少了約26.99 km2。這三類減少的用地分別流向了耕地、林地和未利用地,共計(jì)增加了約27.02 km2。其中草地轉(zhuǎn)移為耕地面積最多,占轉(zhuǎn)移總面積的1.59%。2010—2020 年,林地、水域、建設(shè)用地及未利用地的總面積減少了21.21 km2,而這些減少的土地被轉(zhuǎn)移到了耕地和草地,其中前者的面積減少了10.38 km2,后者的面積則增加了21.22 km2。舟曲縣受制于獨(dú)特的地理環(huán)境及發(fā)生過的特大地質(zhì)災(zāi)害的影響,城市建設(shè)用地增長較緩,2010—2020 年只減少了5.27 km2。同時(shí)期耕地和草地面積大幅增加,進(jìn)一步推動了舟曲縣城近年來的生態(tài)文明建設(shè)。

        表4 舟曲縣2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣單位:km2

        表5 舟曲縣2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣單位:km2

        4.2 基于FLUS模型的2035年土地利用模擬

        4.2.1 驅(qū)動因子的選取分析。土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化是由于自然、社會和經(jīng)濟(jì)等多重因素在不同時(shí)空范圍內(nèi)的相互作用所導(dǎo)致的。這種相互的作用會對土地利用類型產(chǎn)生不同程度的影響,導(dǎo)致土地從一種利用類型向另一種利用類型轉(zhuǎn)化。本研究以數(shù)據(jù)可獲取性、準(zhǔn)確性和完整性為原則,選擇DEM、坡度和坡向等地形要素為主要影響因素。同時(shí),從交通區(qū)位角度出發(fā),以與河流、公路、鐵路等交通要素的距離為評價(jià)指標(biāo)。在社會經(jīng)濟(jì)層面,主要是以人口規(guī)模和國內(nèi)生產(chǎn)總值為指標(biāo)。最終選取了12種舟曲縣土地利用變化的驅(qū)動因子。

        4.2.2 精度驗(yàn)證及模擬預(yù)測。通過對舟曲縣2000年土地利用數(shù)據(jù)的分析和處理,成功獲取了訓(xùn)練樣本,并通過輸入自然、交通區(qū)位、社會經(jīng)濟(jì)等驅(qū)動因子生成了2010 年和2020 年土地利用變化的適宜性概率圖集,如圖2 所示。結(jié)果表明,在模擬預(yù)測方面,F(xiàn)LUS 模型在舟曲縣的土地利用變化預(yù)測中取得了較為理想的效果。通過設(shè)計(jì)適宜性矩陣和對2020 年的實(shí)時(shí)土地狀況的深入研究,成功繪制出2020 年的土地利用預(yù)測圖,如圖2(a)所示。其中的數(shù)據(jù)與預(yù)期的結(jié)果非常接近,大大提升了預(yù)期的準(zhǔn)確性。通過GeoSOS-FLUS 軟件的精度驗(yàn)證,Kappa 系數(shù)的表現(xiàn)出色,其總體精度達(dá)到了97.872%,Kappa系數(shù)0.985,這一突出的結(jié)果彰顯出FLUS模型在土地利用預(yù)測方面的準(zhǔn)確性和可靠靠性。

        圖2 2020—2035年土地利用預(yù)測模擬和土地利用類型

        通過分析2020 年的土地利用數(shù)據(jù)及2010—2020 年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(見表5),使用Markov模型[12]估算了舟曲縣2035 年的土地使用面積。結(jié)合GeoSOS-FLUS 軟件來預(yù)測未來的土地使用情況,預(yù)測結(jié)果如圖2(c)所示,未來15 年內(nèi),舟曲縣的建設(shè)用地面積將會繼續(xù)增加,但增速會略微放慢。

        5 結(jié)論與討論

        經(jīng)過GeoSOS-FLUS 的模擬,發(fā)現(xiàn)舟曲縣在2000年、2010年和2020年的用地格局有明顯變化,并且根據(jù)所選取的驅(qū)動力因子,可以更好地預(yù)測到舟曲縣2035 年的土地利用格局發(fā)展趨勢,具體結(jié)論如下。

        ①2000—2020年,舟曲縣耕地、林地、草地有不同程度的下降,但水體和未利用地,總體維持不變。同時(shí),舟曲縣受制于特殊的地理環(huán)境,城鎮(zhèn)化發(fā)展較緩慢,耕地、林地和未利用地都不同程度地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,建設(shè)用地面積小幅度增加。

        ②通過GeoSOS-FLUS 軟件,選取了12 種主要的驅(qū)動因子,包括自然資源、交通區(qū)位和社會文化三種因素,并將2010 年的土地利用狀況作為比較基礎(chǔ),制作出適宜性概率圖集,以此來對2020 年的土地利用模式進(jìn)行了預(yù)測,最終得出這個(gè)模型的模擬準(zhǔn)確率為97.872%, Kappa 系數(shù)為0.985,達(dá)到了預(yù)期的精度要求,為舟曲縣未來15 年的土地使用變化提供了可靠的預(yù)測分析依據(jù)。

        ③基于2010—2020 年土地利用數(shù)據(jù),利用FLUS 模型預(yù)測舟曲縣2035 年土地利用情況,從預(yù)測結(jié)果的情況來看,舟曲縣的建設(shè)用地仍在持續(xù)增加,但是增加幅度很小,耕地、草地和未使用地都在一定程度上轉(zhuǎn)變成了建設(shè)用地,造成了這三種土地類型面積的下降。

        本研究通過綜合分析舟曲縣土地利用變化趨勢,揭示了該地區(qū)在過去20 年及未來15 年的土地利用演變情況??梢钥闯鲋矍h土地利用變化總體呈現(xiàn)出建設(shè)用地小范圍擴(kuò)張、生態(tài)用地和農(nóng)用地波動變化的規(guī)律,這符合舟曲縣退耕還林,建設(shè)生態(tài)文明的方針。同時(shí),2000—2010 年,舟曲縣的城鎮(zhèn)化使當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境受到影響,生產(chǎn)空間的縮小,因此,在未來的城市規(guī)劃中,必須充分考慮不同土地利用類型之間的關(guān)聯(lián)性,合理配置土地資源,以促進(jìn)優(yōu)勢地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

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