小尺度土地利用空间模拟模型研究进展

土地利用变化是景观生态学重要的研究领域,通过模型模拟土地利用变化趋势是该领域的主要研究内容之一。CLUE-S模型作为此模型中的一种可以较好地模拟小尺度范围内土地利用变化情景,已经在国内外多个地区的土地利用变化研究中得到广泛应用。本文论述国内外学者对CLUE-S模型的应用情况,在此基础上详细分析CLUE-S模型的组成,并对该模型发展方向进行展望。     

基于FLUS模型的土地利用空间布局多情景模拟研究 ——以广州市花都区为例

随着二十一世纪全球城市化的快速发展,我国城市化进程现正处于新阶段,新型城市化要求我们要引导城镇用地合理扩展,提高城镇用地利用效率,促进土地资源优化配置和城市空间的合理布局,实现区域协调可持续发展。本研究为实现城市土地利用在空间上科学合理分布,利用FLUS模型对未来城市用地的空间布局进行多情景模拟预测,为土地利用规划编制和城市规划提供有价值的参考。本研究以广州市花都区为实验区域,基于花都区2010年的土地利用现状数据,利用FLUS模型在30m×30m尺度下模拟2015年的土地利用状况,与花都区2015年的土地利用现状进行可靠性验证,通过马尔科夫法预测2025年花都区的各地类土地利用数量,建立耕地保护、生态保护和城市发展三种情景模拟花都区土地利用空间分布。结果表明,FLUS模型模拟结果的Kappa指数高达0.8869,总体精度为0.9132,FOM指数也符合标准水平,模型模拟精度高,在不同情景模拟下的土地利用空间布局均呈现出相当的合理性和科学性,模拟结果可为城市规划布局和土地利用规划提供有价值的参考。     

顾及区域异质性驱动的土地利用变化模拟模型研究

研究目的：探索一种具有区域异质性转换规则、能模拟包含多个子区域的区域未来土地利用变化模拟模型（MFLUS）,并验证其可靠性。研究方法：通过多水平Logistic模型获取具有区域异质性的土地利用变化驱动机制,并耦合FLUS的自适应惯性机制CA构建MFLUS模型;然后将MFLUS用于徐州铜山区2010—2017年的土地利用变化模拟,并将结果与采用普通Logistic模型获取转换规则的Logistic-FLUS及FLUS模型进行对比。研究结果：（1）研究区土地利用变化受镇级及栅格尺度因素的综合作用,各地类驱动力的多水平Logistic模型比Logistic模型更具解释能力;（2）子区域层次的因素不仅会直接影响土地利用布局,而且会通过强化或弱化栅格层次因素的作用强度而间接影响土地利用布局;（3）无论是目视对比还是精度指标比较,MFLUS模拟效果均优于Logistic-FLUS及FLUS模型,其中MFLUS的FoM分别比Logistic-FLUS及FLUS提高16.74%和5.11%。研究结论：MFLUS模型在揭示和模拟包含多个子区域的区域土地利用变化过程与机理方面更具可靠性,可为包含多个行政区的区域国土空间规划提供决策支持。     

基于CLUE-S和GMOP模型的青龙满族自治县土地利用情景模拟

[目的]对青龙满族自治县未来土地利用格局进行多情景预测模拟,并探索土地经济和生态综合效益双提升目标下的土地利用发展格局,以期为区域土地资源优化配置和国土空间规划的编制提供参考。[方法]基于土地利用现状数据和社会经济统计资料,分别利用CLUE-S单模型、灰色多目标优化(GMOP)+CLUE-S模型对研究区进行了土地利用情景模拟。[结果](1)所选驱动因子对土地利用类型的解释能力较好,ROC值均大于0.7,满足Auto-Logistic回归要求,模拟检验的Kappa系数为91.03%,模拟效果比较理想;(2)到2020年,基于CLUE-S单模型的自然发展情景,研究区建设用地扩张占用耕地和林地现象突出,土地经济效益提升较大,但生态效益却呈现负增长;基于GMOP+CLUE-S模型的多目标优化情景,研究区建设用地扩张趋势得到控制,耕地、林地面积有所增加,未利用地得到较大程度开发,实现了土地经济和生态效益双提升,分别比2015年提升了3.12%和1.96%。[结论]GMOP+CLUE-S模型能够发挥两个模型各自在结构优化和空间分配方面的优点,有利于实现区域土地利用数量结构、空间布局和综合效益的协同优化。     

基于FLUS模型的景泰县土地利用动态变化与趋势预测

土地利用变化研究是分析土地利用中存在问题的重要环节，开展土地利用动态变化与趋势预测，是加强土地资源管理，提高土地资源利用率的重要保障。本文选取甘肃省景泰县2000年、2010年和2020年三期Landsat-TM/ETM、Landsat 8遥感影像作为基础数据，通过未来土地利用模拟（FLUS）模型分析土地利用发展趋势、预测2030年土地利用格局。结果表明，（1）景泰县土地利用整体动态度变化速率较快，耕地、林地、其他草地、水域、建设用地和其他土地六种地类产生转移的面积占其总面积的6.01%，其他草地为主要的转出型地类，建设用地为转入型，增幅较明显。（2）通过模拟2030年土地利用格局，建设用地集中点由北向南部兰州经济圈转移，自然因素影响下北部水域面积小幅减少，耕地与林地无明显变化，其他草地继续为转出型地类。研究表明FLUS模型预测土地利用格局符合景泰县实际情况，方法切实可行，是开展土地利用变化预测较好的方法，研究结果对优化土地利用结构、编制国土空间总体规划、制定土地管理政策具有重大的指导意义。     

南昌市土地利用低碳优化模拟研究

基于南昌市2000年、2005年、2010年、2017年4期土地利用数据,结合灰色多目标线性规划模型和FLUS模型,对2025年土地利用数量结构及空间布局进行预测模拟,探究低碳优化目标下城市土地利用变化趋势。结果表明:(1)研究期间,南昌市土地利用具有明显的“一升五降”特征,建设用地和耕地是主要变化地类;土地利用净碳排放量显著增加,但年均碳排放增加量有所减少,生态环境压力得到一定程度缓解。(2)2025年各地类结构更为均衡,有效杜绝了某种地类出现的持续减少或增加的恶性循环结果;优化后的土地利用结构,碳汇较2017年增加了2.04×10^(4) t,充分兼顾了多方利益,有助于协调经济发展和环境保护二者之间的矛盾。(3)在不同方位上,各地类数量之间的比例得到显著优化;2017—2025年不同地类主趋势方向差异明显,整体呈现西北—东南趋势。     

基于马尔科夫模型的盖州市土地利用动态变化研究

基于2009年、2014年盖州市两期Landset TM 5及ETM 7遥感影像通过解译获取土地利用变化图,求得该地区土地利用类型面积转移概率矩阵,应用马尔科夫模型对盖州市未来土地利用变化趋势进行模拟预测,结果表明:使用该模型预测土地利用变化在短期内的结果是可靠的;该地区正处于产业结构转型阶段,人类活动是该地区土地利用的主要驱动因素;研究区域较小会放大人为因素的影响从而导致了预测较长时间尺度下土地利用的变化的可信度有所下降。     

农作物空间格局动态变化模拟模型(CROPS)构建

农作物空间格局指特定区域内农作物种植结构、空间分布等信息,是农业土地系统的核心内容之一,也是农业结构调整的重要依据。随着空间模拟技术的发展,农业土地系统的时空动态表达成为可能,但传统模型方法更多关注土地利用类型的转化,而忽视耕地内部农作物格局时空特征的表达。该研究基于CLUE-S土地利用变化模拟模型,进行了概念模型设计、框架和模块重建、参数本底化和校正,研究并提出一个适用于我国农作物空间格局动态变化模拟模型（CROPS,Crop Pattern Simulator）的可行架构,使其能够实现区域尺度土地利用变化与农作物空间格局变化的双层动态模拟。CROPS模型采用了两层次嵌套模拟的模型结构,第一个层次实现对耕地空间格局动态变化过程和状态的表达,第二层次基于第一层次的模拟输出的耕地空间格局,实现耕地内部的农作物空间格局动态变化的有效模拟。CROPS模型主要包括非空间和空间两个大模块,空间模块又包括空间模块I和空间模块II。CROPS模型在东北三省进行了区域应用,结果表明,模型总体模拟效果较好,能够科学合理的表达耕地空间格局和农作物空间格局的动态变化过程。     

基于灰色系统模型的城乡建设用地规模预测——以济南市为例

建设用地规模预测是土地利用总体规划编制的核心,也是土地利用管理的依据。为了切实搞好济南市的土地利用总体规划,使之更具有前瞻性、可操作性,必须切合实际地搞好建设用地需求规模和布局的预测。采用灰色系统模型,通过灰色关联度分析,建设用地发展与GDP、总人口、市镇人口、社会固定资产投资、第二产业产值、第三产业产值密切相关。基于这些因子,采用灰色系统模型法、建立GM(1,1)灰色模型,进行了2015年和2020年城乡建设用地规模的预测。     

基于超循环理论的土地利用结构预测模型与实证研究

研究目的：将超循环理论引入土地利用变化模型研究,构建一个新的用于土地利用结构预测的数值模型。研究方法：类比法,超循环模型,马尔科夫模型,数值拟合。研究结果：（1）土地利用系统是典型的达尔文系统,符合超循环模型描述的演化机制;（2）马尔科夫模型是超循环模型的特例,其土地利用类型转移概率矩阵方法可计算部分超循环模型参数;（3）深圳市的实证表明,在大部分土地利用类型预测中超循环模型比马尔科夫模型更加贴近现实,参数?值的可变性使得超循环模型更能表示外生因素的影响。研究结论：超循环模型是一个具有可行性和较强灵活性的土地利用变化模型,在未来具有一定应用前景。     

中国耕地利用变化的研究方法分析：立足驱动与模拟研究

[目的]分析2000—2018年中国耕地利用变化的文献,对学者在研究耕地利用变化驱动和模拟方面所使用的方法进行对比分析,系统梳理各种方法在应用上存在的优势与不足,为未来学者开展相关研究提供方法参考。[方法]文献分析法、分类统计法等。[结果]对于耕地利用变化驱动研究而言,与主成分分析法组合的方法使用频率较高,基本适用于所有尺度,该方法可使复杂系统简单化、提高精度、有利于确定主要驱动因子,但一些重要的驱动因子难以经过统计学检验进入回归模型。对于耕地利用变化模拟研究而言,BP神经网络模型适合于大尺度的模拟研究,该方法预测能力强但精度一般;灰色动态模型GM(1,1)进行模拟所需的数据量较少、精度高,但受随机因素影响较大。CLUE-S模型已经比较成熟,在中小尺度上得到了很好的应用。[结论]耕地利用变化驱动与模拟的研究方法众多,但使用时相对单一且方法适用尺度的局限性较大。耕地利用变化驱动研究中学者们更倾向于使用定性与定量相结合的研究方法,未来耕地利用变化驱动的研究方法将逐渐朝着全定量的方向发展。耕地利用变化模拟研究中学者们更倾向于单一模型的使用,未来综合模型跨尺度融合将成为耕地利用变化模拟研究方法的发展方向。总体来看,未来耕地利用变化驱动与模拟研究方法将朝着双向、动态的复合型研究方法方向发展。     

土地利用/覆盖变化对永定河流域水文过程的可能影响模拟

客观认识土地利用的空间配置对水资源空间变化的影响,揭示区域特殊的水土耦合关系,为流域水土资源合理利用提供重要的科学决策依据。文章利用1978、1987、2000和2005年土地利用类型图、土壤类型图和1970~2006年气候数据,基于SWAT模型,模拟了永定河流域的1981~1991年的月径流变化情况,并对模拟的结果进行了精度评价,在设定保持前一期气候不变情况下,根据不同土地利用/覆盖变化情景,模拟了径流过程,分析了土地利用/覆盖变化对平均流量的可能影响程度,结果表明:模型模拟结果精度已达到了模型应用的要求精度,而对土地利用/覆盖变化对水文影响研究中,1970s~2000s土地利用/覆盖变化对径流的可能影响程度最大,为23.33%,1980s~1990s影响程度最小,为9.69%,气候变化对流域的水文的可能影响程度达到了75%以上。总体看来,土地利用对流域的水文过程影响程度较低,制约水文变化的主要因素是气候。     

基于 CA-Markov 模型的哈尔滨市土地利用变化预测研究

[目的]研究土地利用变化特征并预测未来变化趋势,为土地资源合理利用提供科学的依据。[方法]以哈尔滨市为例,基于1992、2003和2014年3期遥感数据,建立以经济生态为主的转换规则,采用MCE模型、土地利用重心迁移模型和CA-Markov模型分析研究区22年土地利用动态变化特征,并对2025年土地利用变化进行预测。[结果](1)1992~2014年,耕地迅速减少,林地和水域波动变化,草地缓慢减少,建设用地由于耕地的转入不断扩张,未利用地大量转出成为耕地。耕地和建设用地重心具有明显的方向性移动,两者重心呈远离趋势。(2)试验得到的2014年土地利用结果和实际解译数据Kappa系数达0.878 0,表明转换规则的制定可行,模型可信度较高。(3)2014~2025年土地利用变化趋势较1992~2014年存在差异,耕地持续减少,且减少速度加快,林地基本处于动态平衡状态,草地空间位置变化活跃,水域面积增加,建设用地仍然保持增长。耕地重心加快向城市边缘区移动,建设用地重心向西南方向移动速度降低。[结论]运用CA-Markov模型对哈尔滨市土地利用变化进行科学合理的分析和预测,对哈尔滨市的土地资源的合理高效利用具有重要意义。     

土地利用变化动态模型的比较分析与评价

土地利用变化动态模型，已成为区域土地利用研究过程中重要的系统性方法。基于不同研究途径、研究目的和不同分析角度的动态模型具有不同的建模机理和解释功能，动态的、基于过程的模型比经验的、随机的和静态的模型更适合于预测土地利用变化的趋势。建立在不同空间分析基础之上的动态模型在表现形式和分析能力上有其不同的优缺点。本文通过对其优缺点的分析评价，提出了建模的新思路，为土地利用动态变化的研究方法作出新的尝试与探索。     

怒江州土地利用模拟及生态系统服务价值评估——基于PLUS模型的多情景分析

[目的]为测度怒江州土地利用及生态系统服务价值。[方法]文章借助斑块生成土地利用变化模拟模型（Patch-generating Land Use Simulation Model,PLUS）及当量因子法计算3种情景下土地利用变化的生态系统服务价值（Ecosystem Services Values,ESV）,选取2013年和2019年两期遥感数据及2013—2019年NPP和粮食产量、播种面积以及粮食价格数据进行2025年土地利用变化模拟并对其生态系统服务价值进行评估。[结果]（1）采用PLUS模型对2025年怒江州土地利用变化类型模拟的效果较好,其总体精度为82.3%,FOM值为0.26,说明模型具有普适性;（2） 2019年自然情景下的ESV为764.18亿元,2025年自然发展、生态保护及耕地保护情景的ESV分别为759.42亿元、764.16亿元和762.80亿元;（3）生态价值敏感度小于1,表明怒江州ESV对生态系数缺乏弹性,结果可信;（4）在生态价值变化度中,林地和水域变化度大于1,说明林地和水域面积变化对怒江州ESV的影响大。[结论]怒江州土地利用变化度小,生态系统服务价...     

基于信息熵的徐州市土地利用结构分析及其GM预测

根据信息熵理论,从土地利用结构信息熵、均衡度、优势度的角度分析了徐州市2005—2009年土地利用结构的变化,对影响信息熵值大小的土地利用类型做了初步探讨,并运用灰色系统理论的GM(1,1)模型,对2010—2015年徐州市的信息熵、均衡度和优势度进行预测。结果表明:信息熵呈现逐年递增的趋势,土地利用结构逐渐由有序向相对无序状态发展;均衡度逐年递增,优势度逐年递减,说明徐州市土地利用结构正在向平衡状态不断演化。     

基于元胞自动机的LUCC模型探讨

土地利用和土地覆盖变化涉及因素繁多,过程错综复杂,以元胞自动机这一简单模型来理解和预测土地利用和土地覆盖变化的过程具有不可替代的作用。现从利用元胞自动机模拟土地利用/土地覆盖变化的基本思想入手,对构建土地利用/土地覆盖变化模型时所必须的元胞自动机的扩展作了详细的探讨,并着重对基于元胞自动机的土地利用/土地覆盖变化模型及其模拟方法进行了分析,最后指出了利用元胞自动机构建土地利用/土地覆盖变化模型时可能出现的不足,提出相应的展望。     

土地利用变化空间多尺度驱动力耦合模型构建

研究目的:从多尺度空间关联耦合的角度,构建一个能够动态、定量表征不同尺度土地利用变化及其驱动机理的土地利用变化多尺度驱动力系统动力学耦合模型。研究方法:以系统动力学理论与方法为指导,构建耦合模型主控反馈环与耦合关系模块形成耦合模型总体框架,并对该耦合模型进行实现与应用验证。研究结果:该耦合模型模拟结果相对误差的均值为-0.155%,相对误差分布在[-3.91%,4.98%]区间内的样本数占样本总数的90.3%,基本达到了对三级实证研究区土地利用变化及其多尺度驱动机理时域行为的再现与模拟。研究结论:耦合模型构建思路与方法较为可靠,能够为土地利用规划数量结构在不同尺度间的配置与协调提供有效的预测手段。     

农村居民点时空格局演化模拟研究综述

［目的］在我国城镇化快速发展的大背景下,农村居民点分化重组趋势日益明显。利用模型模拟的手段定量揭示农村居民点空间格局演化的驱动因素,准确理解其演化过程和未来时期的布局态势,以期达到农村居民点的合理布局势在必行。为此,需要对目前农村居民点演化模拟的研究现状,以及应用的农村居民点演化模拟模型的适用性有一定的把握和认识。［方法］文章利用文献资料法和对比分析法,以农村居民点演化模拟研究的主要内容为主线,梳理和总结了农村居民点演化发展趋势、农村居民点演化模拟驱动机制,以及农村居民点演化模拟方法和模型,评述了不同演化模型的模拟原理及其优缺点。［结果］由于农村居民点的斑块空间破碎化、参与主体多样性、驱动因素复杂等原因,常规的土地利用变化模型在农村居民点模拟的应用上遇到了很大的挑战; 农村居民点演化模拟模型的选择仍具有较强的驱动力和尺度依赖性。［结论］土地利用变化模型可为农村居民点演化模拟研究提供有效参考,但是更加准确的农村居民点演化模拟需要注重机理模型的研发。通过空间途径和社会途径的耦合,解析农村居民点格局演化过程中的主要决策主体,构建农村居民点演化多主体模型,将是未来农村居民点演化模拟的重要方向。     

基于城镇化水平和GDP情景下中国未来30年土地利用变化模拟

研究目的:预测中国未来30年(2010年、2020年和2030年)土地利用变化趋势,为土地利用总体规划和土地政策制定提供参考。研究方法:借助于GKSIM模型,通过定量化总人口、城镇化率和GDP对土地利用变化的驱动作用,预测未来土地利用变化趋势。研究结果:未来30年中国耕地、牧草地、水域将呈减少趋势,而园地、林地、居民点工矿、交通用地、未利用土地呈增加趋势。研究结论:改变传统土地利用模式和管理方式,实行节约、集约利用土地战略,对保障国家粮食安全和生态安全具有重要意义。