基于CLUE-S模型的不同情景下区域土地利用布局优化

土地利用规划要求把土地资源最终配置在空间上,而现有文献更多是对土地利用结构的优化,很少对全局土地利用布局优化,鉴于此,为减轻土地利用规划的多目标冲突,同时为提高资源配置效率,释放空间效应,对不同情景下的土地利用布局优化进行研究。用非线性优化模型中的理想点法求取了不同情景下最优土地利用结构,用Logistic回归提取了不同用地的优化布局规则,以不同情景下的土地优化结构为数量约束,借助CLUE-S模型的全局配置能力对各情景下的用地布局作优化,并以扬州市为实例进行阐述。结果表明:(1)优先发展经济情景下,2025年扬州土地利用经济产值是10.4×10~7万元,优先保护生态情景下,目标年生态服务价值是9.7×10~5万元,保障公众福利情景下,公众福利大小是351271 hm~2;(2)经济增长目标对土地利用结构的情景变化最为敏感,而公众福利目标的敏感性最小;(3)与基期年比,发展经济与保育生态情景下的土地优化布局变化最大,前者主要是市区城镇工矿用地向东部及西北扩张,后者则是在西南丘陵及南部长江岸边配置了大量园地、林地。提出的不同情景下土地利用布局的优化方法可为土地利用规划及生态规划提供有力技术支持。     

“多目标”需求下扬州市土地利用布局优化

建模和情景分析是土地利用变化研究的核心内容，面对城市化进程中日益严峻的生态环境以及粮食安全问题，开展不同约束条件下的土地利用模拟研究对于科学规划和政策制定具有重要意义。以国家级生态示范市扬州市为例，构建耦合景观生态安全格局的CLUE-S模型，结合地类间转变速率调整，模拟预测规划目标年（2030年）不同情景下的用地结构和布局。研究发现：①研究区低、中、高安全水平下生态用地面积比例分别为20.68%、36.50%和48.81%；②现状发展情景下，城镇及工矿用地量增加明显，用地在原有基础上沿外围呈紧凑连续型扩散，耕地、园林地锐减且分布呈现更加破碎化的状态；③耕地保护情景下耕地和园林地分布趋于连片和集中，城镇及工矿用地和交通运输用地对于耕地和生态用地的侵占速率降低；④生态涵养情景下园林地面积略有增加，城镇及工矿用地在原有基础上扩张速度减缓，粮食安全和生态安全基本实现。     

基于FLUS-InVEST模型的京津冀多情景土地利用变化模拟及其对生态系统服务功能的影响

研究未来不同情景下土地利用变化对区域生态系统服务的影响,可以为城市可持续发展的规划和决策提供有效支持。以京津冀城市群为研究区域,首先利用未来土地利用模拟（FLUS）模型模拟2045年自然发展情景、耕地保护情景和生态保护情景下的土地利用空间分布格局,并结合InVEST模型模拟研究区不同情景下的生境质量、产水量、碳储量、土壤保持量和水质净化服务,在此基础上运用层次分析法构建综合生态系统服务指数（CES）,从空间上反映多种生态系统服务的供给总量,研究不同情景下土地利用变化对生态系统服务功能的影响。研究结果表明：①FLUS模型的模拟精度较高,适用于研究区的土地利用模拟。②在生态保护情景下,除产水量相比2015年下降2.47%外,其他几种生态系统服务均有最大幅度的上升,且这4种生态系统服务在西北山区都出现增加的现象;自然发展情景下,城镇用地和农村居民点的扩张引发了大量的碳储量和生境质量损失;耕地保护情景下,水质净化能力出现最大程度的下降。③自然发展情景下京津冀区域CES的损失最大。CES下降幅度最大的区域主要发生在林地被城镇用地侵占,其次是林地被农村居民点侵占的地区,导致生境质量、碳储量和水质净化能力同时下降;在生态保护情景下,林地的增加促进了多种生态系统服务功能同时提升,京津冀区域的CES大幅提高,表明生态保护情景是最有利于可持续发展的土地利用方案。但同时需注意大量造林可能带来的水资源短缺,要因地制宜保护生态环境。研究结果可以为京津冀城市群可持续发展政策的制定提供参考依据,为研究未来不同政策情景下土地利用变化对生态系统服务的影响提供新思路。     

基于CLUE-S模型的密云县面源污染控制景观安全格局分析

探讨了基于安全格局分析和"源-汇"生态过程理论,利用土地利用变化模型,研究以面源污染控制为目标的土地利用空间模拟情景分析。基于"源-汇"生态过程理论,利用空间数据库计算了密云县水库周围面源污染控制的景观安全格局,分析了低安全格局中的有较大面源污染风险的土地利用变化过程。基于现状社会经济驱动因子和邻域因子,利用CLUE-S模型模拟了2个情景下的土地利用发展:情景1为现状趋势发展,情景2为反规划途径,即限制低安全格局中具有面源污染风险的土地转变过程,其余地区按现状趋势。结果表明:情景1现状趋势发展下,未利用地复垦和农业用地结构调整两种土地利用转变过程有较大面源污染风险。情景2低安全格局中被限制发展的耕地和果园在模型模拟中转移到了中安全格局内,低安全格局中植被恢复能够增强了对上游污染物的截留;虽然面源污染"源"类型土地总量没有发生变化,但是由于土地格局的优化,整体面源污染风险会降低。     

基于Markov-FLUS模型的饶河流域土地利用多情景模拟分析

流域在不同发展目标定位下的土地利用需求有所不同,科学合理调控土地利用变化是实现流域土地资源高效利用、生态-社会-经济协调发展的重要基石。以饶河流域为例,基于Markov-FLUS耦合模型综合考虑自然人为两方面,选取12类驱动因子,以2005年土地利用数据为初始值,利用2010、2015年实际土地利用类型数据进行验证改正模型,结合惯性发展、耕地保护、生态优先等情景设置,对2035年饶河流域土地利用进行模拟分析,以满足流域不同发展目标导向下的国土空间优化配置。研究结果表明：(1)该模型在饶河流域的适用性较强,模型总体精度达到98.01%,Kappa系数为0.9627,大于0.80,为今后该区域的土地利用模拟提供了方法借鉴。(2) 3种情景设置基本满足饶河流域不同发展诉求,针对不同发展目标,流域土地利用结构变化明显,其中耕地、建设用地变化显著。(3)惯性发展情景、耕地保护情景、生态优先情景下,建设用地扩张趋势分别为39%、16%、12%,表明落实耕地保护、生态优先政策需要加强约束建设用地扩张,进一步调整用地结构以提高土地利用效率。综上所述,基于Markov-FLUS模型对饶河流域土地利用进行...     

晋北地区土地利用覆被格局的演变与模拟

区域土地利用覆被变化及未来发展情景对区域土地管理和可持续发展具有重要意义。以地处农牧交错带、土地利用覆被变化剧烈的晋北地区为研究区,获取其2010、2015年的土地利用覆被(Land use/land cover,LULC)数据,选取高程、人口、经济、气温、降水等9种影响因素作为驱动因子,采用CLUE-S模型拟合研究区2015年的土地覆被格局并判断拟合精度,在此基础上,分别设置了3种社会经济发展情景,模拟这些情景下研究区2020年的土地利用覆被格局演变。结果表明:1)晋北地区土地利用覆被以耕地、林地和草地为主,各类型土地主要呈西北斜向的条带状分布;2)Logistic回归模型可以很好地提取LULC与驱动因子之间的关系,反映不同的驱动因素对不同的土地利用类型分布格局的影响效果及程度;3)CLUE-S模型在晋北地区土地利用覆被格局的拟合上有较好的精度,模拟Kappa系数值达0.89,表明该模型能够很好地模拟晋北地区的土地利用覆被;4)情景模拟结果表明,研究区生态保护情景(c)下的土地利用覆被格局明显优于维持现状情景(a)和经济优先情景(b),建议在未来土地开发利用过程中,应当减缓工矿用地增加速度,严格控制建设用地规模,优化土地利用格局。     

京津冀城市群扩张模式对区域生态安全的影响预测

当前,城市群是推动我国区域发展的增长极,但其快速的扩张模式对区域生态系统安全的胁迫影响越来越大,已经成为制约城市可持续发展的重要问题,科学地预测城市群未来扩张对区域生态安全格局的影响对区域协同发展的战略实施具有指导意义。以我国最具影响力的京津冀城市群为例,结合空间模型模拟方法及生态系统服务功能评估方法,预测了基于当前京津冀城市群的扩张模式对区域生物多样性保护、防风固沙功能、土壤保持功能与水源涵养等重要生态服务功能的胁迫影响。结果表明:(1)京津冀城市群发展速度较快,但存在区域发展不均衡,呈两极化的发展特征;(2)京津冀城市群具有重要级以上的生态服务功能占区域总面积的三分之一,其中同时包含两种及以上服务功能的地区将近一半,且其空间分布也很不均衡;(3)应用CLUE-S模型可以较好地模拟京津冀城市群未来的扩张格局,模型的Kappa指数为0.84。至2020年,预测京津冀城市群将增加3630.24km~2建设用地面积,而其中约六分之一的新增人工表面侵占具有重要及以上生态服务功能的区域,防风固沙和水源涵养为主要被侵占功能,这些区域集中分布在北京、天津与唐山等核心发展城市;(4)京津冀城市群不均衡的区域扩展模式不仅会进一步加剧不同地区间城市化水平的差距,对区域重要生态系统服务功能的潜在胁迫影响也将会增加。本研究结果可为京津冀城市群协同发展规划与区域生态安全格局保障方案的制定提供科学支撑。     

基于CA-Markov模型和多目标优化的大连市土地利用格局

运用马尔科夫转移矩阵、多准则评估以及元胞自动机耦合的CA-Markov模型,基于1990、2000、2010年土地利用图、地形因子和地理要素等,模拟大连市未来土地利用景观格局变化趋势.基于大连市土地利用结构、经济社会、自然环境等特点,结合大连市城市总体规划和土地利用规划,建立经济、社会、环境3个目标导向的模糊多目标优化模型,优化配置了大连市未来土地利用格局.结果表明:1990-2010年,大连的快速发展呈现出建设用地持续扩张而耕地、林地面积缩小的特点,以现有城市化速度发展,到2020年大连市景观格局土地覆盖将发生很大变化,景观破碎化程度将加剧.优化调整土地利用数量结构,能满足未来大连可持续发展的要求.     

融入生态安全的兰西城市群土地利用功能布局优化

区域生态安全对协调土地利用和生态环境的关系、促进资源的合理配置以及实现区域协调发展具有重要的意义。以兰西城市群作为典型地区,将形态空间格局分析(MPSA)应用到土地利用功能优化配置研究中,通过构建MSPA-GMOP-PLUS耦合模型,将生态安全纳入城市群土地利用功能和空间结构优化中,为区域布局优化提供了新思路。结果表明：(1)生态源地对区域生态安全具有重要意义,2020年兰西城市群共有20个生态源地,生态核心总面积为43355.5 km²。此外,在土地利用功能分区中,生态保护区面积占比仍为最大(30.7%),生态边缘区面积也占19.2%,为生态保护提供了缓冲地带。(2)基于MSPA的仿真模拟可以限制城市群不平衡的发展趋势,优于传统土地利用规划模式。新模式下的生产、生活、生态用地占比分别由传统模式的30.17%、11.25%、55.58%优化至31.92%、10.70%和57.38%。优化结果不仅保证了优质生产空间的稳定性,而且有效确保了生态空间的可持续性。此外,不同开发情景的下土地利用布局结果,可以作为提高土地资源利用率和制定土地利用空间规划的参考。     

旅游生态安全约束下张家界市土地利用优化

土地利用多以经济、社会和生态效益最大化为目标进行数量结构优化,很少对旅游生态安全约束下的土地利用进行空间结构优化,鉴于此,为提高旅游城市土地利用综合效益和改善生态环境,在旅游生态安全约束下,不仅对土地利用数量结构进行优化,而且实现了土地利用空间结构优化。以典型旅游城市张家界为例,构建旅游生态安全评价指标体系,运用灰色线性规划法中的Lingo模型求取旅游生态安全约束下的最优土地利用结构,并根据分布规则把优化后的数量结构配置在空间上,借助CLUE-S模型进行土地利用空间优化。结果表明:(1)2015年旅游生态安全综合指数为0.7394,旅游环境状况和旅游人文社会响应的安全度均比旅游资源环境压力低。(2)在数量结构优化下,林地、水域、建设用地面积增幅明显,耕地、草地和未利用地的面积有所减少,2025年旅游生态安全综合指数为0.8196,比2015年提高了0.0802,处于安全的状态。(3)在空间结构优化下,林地主要分布在桑植县和慈利县的山地丘陵区、武陵源区以及永定区南部;建设用地主要集中在慈利县、桑植县及永定区城区;草地主要位于桑植县和慈利县的山区以及武陵源区;耕地主要分布在慈利县和永定区的平原和丘陵地区;未利用地零星分布在慈利县、桑植县及永定区。研究结果可为张家界市土地资源永续利用和旅游生态安全建设提供规划指导和技术借鉴。     

Integrated framework of system dynamics and meta-heuristic for multi-objective land use planning problem

Land use optimization as a resource allocation problem can be defined as the process of assigning different land uses to a region. Sustainable development also involves the exploitation of environmental resources, investment orientation, technology development, and industrial changes in a coordinated form. This paper studies the multi-objective sustainable land use planning problem and proposes an integrated framework, including simulation, forecasting, and optimization approaches for this problem. Land use optimization, a multifaceted process, requires complex decisions, including selection of land uses, forecasting land use allocation percentage, and assigning locations to land uses. The land use allocation percentage in the selected horizons is simulated and predicted by designing a System Dynamics (SD) model based on socio-economic variables. Furthermore, land use assignment is accomplished with a multi-objective integer programming model that is solved using augmented ε-constraint and non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) methods. According to the results of the SD model, land use changes depend on population growth rate and labor productivity variables. Among the possible scenarios, a scenario focusing more on sustainable planning is chosen and the forecasting results of this scenario are used for optimal land use allocation. The computational results show that the augmented ε-constraint method cannot solve this problem even for medium sizes. The NSGA-II method not only solves the problem at large sizes over a reasonable time, but also generates good-quality solutions. NSGA-II showed better performance in metrics, including number of non-dominated Pareto solutions (NNPS), mean ideal distance (MID), and dispersion metric (DM). Integrated framework is implemented to allocate four types of land uses consisting of residential, commercial, industrial, and agricultural to a given region with 900 cells.

     

京津冀地区的生态质量定量评价

生态质量的好坏标志着区域经济社会可持续发展的能力以及社会生产和人居环境稳定可协调的程度,如何定量评价区域生态质量状况与变化,协调其与城镇化的关系,日益成为城市生态学研究的热点.本文选择城市化发展迅速、生态环境问题突出的京津冀城市群为研究对象,基于遥感技术反演京津冀城市群植被覆盖度、生物量和人工表面比例、植被面积百分比等生态参数,结合植被破碎化指数,采用主成分分析法,构建了基于遥感参数的生态质量指数综合模型,定量评价了2000—2010年京津冀城市群生态质量及动态变化.结果表明: 本文构建的生态模型可以更客观、综合地定量评估城市与区域的生态质量状况与变化.2000—2010年,京津冀城市群的生态质量指数从2.38上升到2.84,增幅达19.3%.其中,2000—2005年的增幅(12.2%)高于2006—2010年(7.2%).从空间分布来看,生态质量指数的高值区位于京津冀北部,西部、东南部较低.不同城市的生态质量状况及变化趋势不同.承德的生态质量状况最好,并显著高于其他城市;其次为北京、秦皇岛和保定;天津的生态质量最差.承德、北京、秦皇岛和保定的生态质量高于京津冀地区的平均水平;廊坊、天津和沧州的生态质量明显低于平均水平.2000—2010年间,除唐山外,其他城市的生态质量均呈好转趋势.其中,沧州、衡水的生态质量指数提升最显著,增幅分别达520.5%和171.8%.     

京津冀城市群地区生态安全格局构建与保障对策

京津冀城市群健康与可持续发展是保障我国国家安全的重要基础,但因其城市化过程缺乏区域间协同联动,产业布局各自为政,导致生态用地流失、水生态失衡等问题,由此带来生态系统服务下降、生态风险加剧、生态安全受到威胁。因此,如何从区域角度构建科学合理的生态安全格局,成为保障京津冀城市群区域一体化协同发展的关键。在国家重大专项(典型脆弱生态修复与保护研究——京津冀城市群生态安全保障技术研究,项目编号为2016YFC0503000)的支持下,该研究将围绕"区域生态安全保障"这一核心主题,揭示京津冀城市群生态安全格局的维持机制与影响因子,重点研发关键生物栖息地生态修复、受损生态空间生态重建、生态监管与生态风险预测预警技术,进而构建区域协调与空间联动的生态安全保障决策系统和预测预警平台,并开展示范应用研究,为京津冀城市群地区生态安全保障提供技术支撑。     

鄂尔多斯市土地利用生态安全格局构建

合理构建区域土地利用生态安全格局来实施管理对策和改善区域生态安全水平,已经成为区域生态环境保护的新需求。以位于中国北方农牧交错区的鄂尔多斯市为研究区,基于自然地理数据、社会经济统计数据、土地利用/覆被数据等,借助多目标优化模型和GIS空间分析技术,构建了鄂尔多斯市土地利用生态安全格局,结果表明:(1)不适宜性耕地所占比重较大,林地和草地分布比较合理,适宜的未利用地面积所占比重较大,后备土地资源丰富;(2)多目标优化结果显示,耕地、林地、水域和建设用地面积呈现增加的趋势;草地面积基本保持不变;未利用地面积大幅度下降;(3)土地利用生态安全格局显示,耕地面积增加,主要分布在水分条件较好的河流、湖泊和水库等的周边地区以及城镇和乡村居民点周围;林地面积大幅度增加,主要分布在达拉特旗北部和准格尔旗东部;草地略有增加,广泛分布于库布齐沙漠和毛乌素沙地以外的地区;建设用地增加面积主要来自于重点发展城镇的扩展和规划的重点矿产资源开采区;未利用地大幅度减少,主要集中在杭锦旗境内的库布齐沙漠以及乌审旗和鄂托克旗境内的毛乌素沙地。研究结果对鄂尔多斯市土地资源管理和生态安全建设具有重要指导意义。     

基于土地多功能的黄土丘陵沟壑区生态保护与发展情景评估及多主体模拟

黄土高原丘陵沟壑区生态环境脆弱,近几十年生态保护工程的实施带来显著的生态恢复效果,也对农户的生计策略与区域粮食安全产生了影响。刻画生态脆弱区人-地系统复杂响应过程,可以为区域可持续的土地利用管理模式提供依据。研究从土地多功能出发,着眼于黄土丘陵沟壑区河谷川地、梁峁区域、黄土塬地、土石山地以及城郊区域等不同的典型地貌类型与代表区域,采用多层次利益相关者参与式的评估框架,以农户的耕地利用行为及生态工程影响与未来发展为切入点,设置惯性发展情景、发展优先兼顾生态情景、农业优先兼顾生态情景以及生态优先兼顾发展情景,构建多智能体模型对区域土地利用与土地多功能的时空变化开展模拟。主要结果表明：(1)生态优先兼顾发展情景综合影响最高且对各维度影响相对均衡,而农业优先兼顾生态情景对区域土地的经济维度的功能和社会维度具有更为明显的提升效应;(2)根据土地多功能空间变化模拟结果,区域土地利用破碎化明显且耕地的撂荒对全域土地多功能均表现出明显的限制作用,农业优先兼顾生态情景中土地功能发生下降的面积最少;(3)发生土地功能下降的区域主要分布在土地质量较差、坡度处于5—15°范围内、地形起伏度较大以及距离道路较远...     

面源污染最佳管理措施多目标协同优化配置研究进展

随着点源污染逐渐得到有效控制,面源污染逐渐成为我国多数地区影响水环境质量安全的主要因素。推广实施最佳管理措施(Best Management Practices, BMPs)被认为是控制面源污染的有效途径。受到区域种植制度、耕作方式、政策以及经济成本等因素的影响,导致流域尺度配置BMPs存在一定的困难,特别是随着流域空间尺度的变化,会进一步加大BMPs配置难度,使得BMPs的配置工作变为了一项多目标决策优化问题,即如何在有限的成本投入下,实现水环境质量改善的目标。需要在不同空间尺度下对流域BMPs进行多目标协同优化配置。从面源污染关键源区识别、BMPs削减效率评估以及BMPs多目标协同优化模拟3个方面对面源污染BMPs多目标协同优化配置研究进行了综述。结果表明:1)包含地块尺度和流域尺度的多尺度模型耦合系统的构建,将是实现关键源区精准识别的有效途径;2)BMPs削减效率对水质改善响应的滞后性、不确定性、时空异质性、污染物形态转换风险等均是今后BMPs削减效率评估中需要重点解决的关键问题;3)建立流域污染物负荷削减量与水质改善之间的非线性响应关系,并以此为基础将BMPs组合数据库、成本数据库以及基于进化算法的的优化配置方案进行耦合,进而构建多目标决策支持系统,以获取BMPs空间优化配置方案以及多目标成本-效益最优曲线。     

基于成本收益分析的生境网络优化——以苏锡常地区白鹭为例

引入经济学成本收益分析方法对于生境网络优化保护具有重要现实意义。以苏锡常地区白鹭生境网络优化为例,通过分别构建研究区生境网络保护成本与提升收益测算体系、模拟多种情景和优化方案、成本收益分析的方法,实现了满足不同约束条件的优化方案。结果表明:(1)最大收益累积情景下的方案在总收益最高的基础上,实现了保护总成本较低的目的;最佳效益累积情景下的方案在研究区土地资源有限和保护总成本最低的基础上,实现了优化成效最佳的目的;(2)最佳效益累积情景下的方案在实现成本最低的基础上,兼顾到了优化成效的最大化,适宜于土地资源稀缺且城市化快速发展地区;(3)有限效益累积情景作为最佳效益累积情景的基本模式,其优化方案在一定范围内可以兼顾到成本较低和成效较高。将经济学与生态学相结合的网络优化方法,综合考虑了研究区的生态、经济和社会等现实因素,极大的提高了网络优化方案操作的可行性,其思路和方法拓展了网络优化研究视角。但诸多实现因素也决定了成本与收益体系的构建还处于不断完善之中。     

多情景模拟下重庆市土地利用变化对生态系统健康的影响

模拟多情景下区域土地利用变化引起生态系统健康状况改变,对优化用地格局和保障区域生态安全具有重要意义。基于重庆市2000-2020年土地利用和生态系统健康动态演变特征,运用生态系统健康模型和斑块生成土地利用模拟(PLUS)模型模拟自然发展(ND)、生态保护(EP)和城镇发展(UD)三种情景下土地利用变化对生态系统健康的影响程度。结果表明:(1)2000-2020年建设用地扩张迅速,耕地面积减少最多,主要向林地和建设用地转移;生态系统健康状况整体呈现向好趋势,但区域差异显著。(2)2030年土地利用类型仍以耕地、林地为主,ND、EP和UD情景的建设用地规模较2020年分别增加63.59%、44.54%和100.13%,中心城区成为建设用地扩张集聚地。(3)2030年ND和UD情景的生态系统健康值较2020年均减小,建设用地增加和林地减少成为其健康退化的重要原因;而EP情景的健康值呈上升趋势,与反映生态系统健康对土地利用变化响应弹性结果相反,可见EP情景下的土地利用优化是实现区域生态系统健康可持续发展的有效途径。研究结果可为研究区生态系统保护管理与土地利用政策优化提供参考依据。