三亚市土地利用变化多情景模拟研究

热带区域的城市土地利用变化具有独特特征, 通过多情景模拟可以了解其变化特征及未来的发展趋势, 从而有效引导土地规划, 为区域的可持续发展提供依据。利用FLUS模型, 基于2014和2018年的Landsat遥感影像解译土地利用数据, 结合自然、交通、社会发展及POI等14个变量作为驱动因子对进行土地利用变化模拟。同时, 分别以自然发展、耕地保护及生态控制三种情景模拟预测2030年的三亚市土地利用变化情况。结果表明: FLUS模型模拟精度高, Kappa系数为0.82,总体分类精度为87.17%; 基于三种情景的模拟及比较分析发现, 生态控制情景下林地与水域等生态空间得到保护, 耕地总量条件得以满足, 同时有效遏制了建设用地扩张, 因此基于FLUS模型的生态控制情景较适用于三亚市的未来土地利用发展策略。     

上海城市空间扩展过程模拟预测的多模型对比

模型模拟预测是开展城市扩展时空过程研究的有效方法之一。本文以上海市为研究地区,选用CLUE-S、LTM和SLEUTH模型并借助GIS技术手段对上海市城市空间扩展进行了模拟预测及结果的对比分析。结果表明:CLUE-S、LTM、SLEUTH3种模型模拟机理有所不同,CLUE-S模型和LTM模型均是首先进行城市扩展需求预测,进而通过对影响因子的综合分析,计算城市空间扩展的可能性(概率),从而实现城市扩展的空间分配;而SLEUTH模型则无需进行城市扩展需求预测,模型直接根据城市扩展的历史轨迹进行模拟预测;CLUE-S、LTM、SLEUTH3种模型模拟的2005年上海城市空间扩展结果与遥感监测结果的一致性程度均较高,其中SLEUTH模型模拟结果精度最高,Kappa系数为0.85,较CLUE-S模型与LTM模型具有一定的优势。2005—2020年上海城市空间扩展的面积为207.7～320.87km2,2020年上海市城市面积将达到1121.96～1235.13km2,未来15年上海城市扩展速率将达到13.85～21.39km2.a-1。CLUE-S、LTM、SLEUTH3种模型各有其优势与不足之处,整合3种模型的优点,研发出具有开放性的综合模型将是未来城市扩展模拟预测的发展趋势。     

基于多智能体与元胞自动机的上海城市扩展动态模拟

利用元胞自动机模型和多智能体模型相结合的方法,在GIS技术手段的支持下构建了一个能够兼顾两种模型优点的城市扩展动态模型,并以上海市为实证对象,模拟了上海市2005年的城市扩展动态,分别预测了2010年和2020年上海城市扩展的动态演化结果。在元胞自动机模型中定义城市系统中的各种自然、社会和交通等要素,在智能体模型中定义政府和居民智能体的行为。模型将二者结合起来,模拟上海中心城区、城郊区及外围区的城市用地扩展模式。对模型模拟的上海2005年土地利用状态和实际土地利用状态进行验证,Kappa系数的平均值达到0.75以上,说明模型具有较高的可信度。对预测出2010年和2020年上海市土地利用状态分析表明,城镇用地以向东部和南部扩张最为明显。     

基于土地利用模拟预测模型分析的城市绿色空间发展多情景模拟及建设时序研究——以湛江市中心城区为例

城市绿色空间是未来中国城镇战略发展的重要生态空间载体。城市中心城区的绿色空间生态系统服务价值可作为未来城市生态空间规划的重要依据。生态服务系统之间的权衡或协同关系可通过不同土地利用方式和利用强度表征显现。通过对湛江市中心城区绿色空间应用土地利用模拟预测(PLUS)模型进行自然发展情景与国土空间规划情景双情景下2035年土地利用变化模拟,采用当量因子法及热点分析对生态系统服务价值及其高低值在空间上的聚集程度进行分析,与人类活动强度空间分布进行叠置,得出国土空间规划政策下湛江市中心城区城市绿色空间发展优先级分区,优先化解建设用地与绿色空间发展矛盾,为规划政策提供空间政策的量化数据基础,为其可行性实施、时序安排及预期结果提供数据支撑与建议。结果表明：(1)规划政策情景与自然发展情景未来土地利用模拟结果相比,耕地、林地增多,整体水域得到有效保护,建设用地蔓延受到抑制。(2)生态系统服务价值在2035年规划政策情景>2020年实际情景>2035年自然发展情景,分别约为12.22亿元、11.89亿元、10.53亿元,规划政策情境下生态系统服务价值总量较自然发展情景下提升约1.69亿元,...     

集成灰色分析和元胞自动机用于景观动态模拟

针对景观生态系统"复杂性"的特点,采用灰色局势确定邻域转换规则,构建元胞自动机,用于模拟和分析景观生态动态变化.在信息不完全的情况下,提高了元胞自动机景观生态动态模型的可靠性和可行性.以中国云南省怒江流域中段作为实例,确定影响元胞转换规则的三因素主要有元胞邻域的聚集程度,土地适宜程度和人类活动影响程度,根据景观这一类复杂系统的动态变化特征其权重随地理空间位置和时间而变化,同时用Monte Carlo法考虑了模拟时转换的随机性.通过计算显示模拟未来发展的情景总的趋势是符合实际的,不但模拟了微观的景观单元的自组织机制,而且在一定程度上反映了宏观的社会经济因素影响,因而更具有针对性、典型性及准确性.     

基于智能体模型的土地利用动态模拟研究进展

土地利用动态变化是全球变化和可持续发展研究的基础,对区域水循环、大气循环、环境质量、气候变化及陆地生态系统生产力等具有重要影响,也是造成生物多样性衰减的最主要原因.目前,建立于复杂性科学基础上的的智能体模型(ABM)成为土地利用动态模拟的重要方法.智能体模型能模拟个体或群体的行为及决策模式,从而能将政府、城市规划、房地产开发商、住户等社会群体及个人对土地利用产生的影响进行模拟,同时能对不同社会经济政策对土地动态影响进行模拟.智能体模型在元胞自动机基础上,加入了人为因素的智能体概念,从而能更好地模拟土地动态.在分析总结了智能体模型的相关概念和组织结构,并分析了其在土地利用动态、城市动态模拟及生态过程模拟等方面的应用与元胞自动机的关系,比较了常用的智能体模型的主要软件,最后概括了智能体模型优点、发展趋势及存在的主要问题.     

基于历史情景的FLUS模型邻域权重设置——以闽三角城市群2030年土地利用模拟为例

以闽三角城市群2030年土地利用模拟为例,针对FULS模型邻域权重参数提出一种基于历史情景的设置方法。首先以2015年土地利用数据为基础,结合人工神经网络算法综合12个自然、社会、经济驱动因子计算各土地类型的出现概率和空间分布,然后依据对历史情景的分析,分别用马尔可夫链和分析景观格局指数的方法设定相关参数,最后用自适应惯性竞争元胞自动机模拟闽三角城市群2030年的土地利用情景。分析发现,同时间尺度各土地类型TA （Total Area）的变化量可以较好的反映其扩张强度,由强到弱依次为建设用地、水域及滩涂、其他土地、草地、林地及农田;TA变化量的无量纲值在数据意义和数据结构方面均较好地契合FLUS模型邻域权重的参数要求;结合各土地类型TA变化量和扩张强度间的相互关系来看,到2030年农田受建设用地扩张的影响最为严重,大量土地由农田、林地、草地及其他土地转变为建设用地或水域及滩涂;建设用地持续扩张,闽三角城市群空间一体化格局基本形成,其余各土地类型被进一步分离,同类型斑块更趋于独立发展。综合参数设置过程和模拟结果来看,TA变化量的无量纲值可为FLUS模型的邻域权重参数设置提供一种客观可行的方法。     

营口市城市及村镇聚落增长与土地利用变化的模拟预测

基于辽宁省营口市1988、1992、1997、2000和2004年5期Landsat TM卫星遥感影像数据,利用城市增长和土地利用变化模拟模型SLEUTH模拟预测了6种预案（当前趋势预案、无保护预案、适当保护预案、管理增长预案、生态可持续预案和区域及城市规划预案）下2005—2030年营口市城市及农村聚落的增长和土地利用变化情况.结果表明：1988—2004年,营口市城市及村镇聚落的增长面积为14.93 km²;1997—2004年,研究区水域、园地、矿山、耕地等土地类型面积的变化较大.2005—2030年,生态可持续预案下,营口市城市及村镇聚落的面积将缓慢增长,较好地保护耕地、林地等资源,但在一定程度上将限制城市及村镇聚落的增长;无保护预案下研究区城市及农村聚落的增长速度最快,耕地流失面积较大;当前趋势预案下,耕地流失面积与无保护预案相近,但耕地流失的格局不同;适当保护预案和管理增长预案下,耕地的流失面积较小;区域与城市规划预案下,城市及村镇聚落增长主要分布在城市开发区和城市周边地区.利用不同预案下的SLEUTH模型可以模拟不同土地管理政策对城市及村镇聚落增长和土地利用变化的影响,对我国实施统筹城乡发展、建设社会主义新农村具有指导意义.     

软计算在生态模型中的应用

由于生态系统的高度复杂性和非线性以及空间数据采集技术的快速发展,近年来越来越多的软计算方法开始应用到生态模拟中来。软计算是个非常广泛的领域,在模式上主要包括元胞自动机、基于个体和盒式模式等;在方法上代表性的有人工神经网络、模糊数学、遗传算法、混沌理论等。重点介绍元胞自动机和规律方法在生态模型中的应用,具体实例包括种群动态模拟、水华预警和生境栖息地模拟。     

基于元胞自动机的森林水源涵养量模型新方法—— 概念与理论框架

模型方法是定量评价森林水源涵养的重要途径。根据元胞自动机的基本理论,结合森林水源涵养效应的多尺度特征,提出了一个新的基于元胞自动机的森林水源涵养量计算模型。该模型将森林"水文响应单元"网格化作为元胞空间的基本单元,邻域定义为摩尔(Moore)型,元胞"水库"水量状态变化范围定义在一个连续的实数空间上。将元胞单元对不同降雨事件的响应分为不产生径流和产生径流两种情况,通过对蒸散发、邻域元胞间水量传输、深层渗漏等制定转换规则,模拟森林在不同尺度上的水源涵养动态特征。这种新模型方法将为森林水源涵养由小尺度(水文响应单元)向流域、景观尺度上推提供有效的定量研究途径,从而进一步推动森林水源涵养功能研究的深入。     

基于SLEUTH模型的上海城市增长预测

基于SLEUTH模型,利用1989-2005年高分辨率土地利用数据,模拟4种土地资源保护情景下,2006-2035年上海的城市增长,以及城市化对城市景观格局的影响.结果表明:在各种情景下,城市土地利用类型的面积均呈增长趋势,增量随着保护等级的提高而逐渐减少;城市增长方式主要是边缘增长,扩散增长和道路影响增长出现在郊区,增长主要发生在西北方向,西南和东南方向次之;城市化显著影响城市景观格局,并存在阶段性;早期阶段城市化导致景观破碎化,斑块密度增加,景观多样性和异质性提高;后期阶段,城市化将导致景观多样性和异质性降低,城市景观趋于均质化,加大农田和绿地景观的保护等级将减缓城市化降低景观多样性和增加均质化的趋势.     

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。     

低碳发展背景下北京市土地利用与生态系统服务多情景模拟研究

在全球气候变化的背景下,合理协调低碳减排与经济效益之间的关系,进而指导土地利用优化配置,对于推动经济社会低碳转型与生态系统服务价值的提升具有重要意义。通过耦合多目标规划(MOP)与斑块生成土地利用模拟模型(PLUS),针对北京市构建了自然演变、经济优先与低碳发展这3种未来发展情景,并对不同情景下2030年土地利用与生态系统服务价值进行模拟评估。在此基础上,进一步对北京市未来生态系统服务提升区域进行识别,将传统的多情景土地利用模拟研究进行了延伸与扩展。结果表明：(1)3种情景下的土地利用结构与空间布局存在差异,低碳发展情景下东南部平原区建设用地的扩张与耕地面积的减少趋势得到了有效控制,西北部山区的林地面积有较大幅度的增长。(2)低碳发展情景下的生态系统服务价值总量约为590亿元,高于另外两种情景,且从空间分布上来看,该情景下服务价值提升区域的面积也显著高于其他情景。(3)低碳发展情景下,北京市生态系统服务提升潜力较大的区域面积占比约7.98%、潜力中等区域的面积占比约26.57%,潜力较低区域的面积占比约65.45%。     

城市土地利用变化对生态系统服务价值影响的多情景模拟——以深圳市为例

深圳市作为粤港澳大湾区城市化水平最高、经济最为发达区域,其快速变化的土地利用方式对生态系统服务价值产生了深刻影响。基于1995—2015年深圳市土地利用和生态系统服务价值(ESV)变化规律,运用FLUS模型与ESV算法,设定自然发展、城市发展、耕地保护和生态保护4种情景,模拟不同情景下土地利用变化对ESV的影响。结果表明：(1) 1995—2015年转出量最高的地类是草地,草地与林地间存在密切相互转化关系,除建设用地外,其余地类均呈“入不敷出”态势;(2) 1995—2015年ESV总价值的下降趋势由迅猛变化为和缓,调节服务是深圳市最主要的生态系统服务功能,其次则是支持服务功能;(3)秉持粤港澳大湾区建设基本原则,以2035年为目标年,设定了自然发展、城市发展、耕地保护和生态保护四种情景,发现自然发展和城市发展的ESV总价值损失量较高,建筑面积的增加和草地面积的大规模减少成为两情景下生态系统服务价值减少的关键。生态保护情景下,虽然ESV总价值减少趋势并未有效遏制,但减少量明显少于其余三种情景,成为未来深圳市土地利用优化的最优情景。     

中原城市群“三生”空间模拟及生态效应评估——基于未来土地利用模拟模型和共享社会经济路径情景

黄河流域高质量发展背景下,加强该流域典型城市群"三生"空间(PLES)时空演变和生态效应具有重要现实意义。以中原城市群为例,基于2010年、2015年和2020年的土地利用数据,耦合未来土地利用变化情景模拟模型(FLUS)、共享社会经济路径(SSPs)和生态环境效应模型,分析了2025-2100年五种SSPs情景下中原城市群"三生"空间的时空演变特征,以及2035年不同情景下的生态环境效应。结果表明:(1)从2025年到2100年,除SSP4情景外,其余4种情景均表现为生产空间面积持续缩减、生活空间面积明显扩张、生态空间面积略有起伏总体缩减。(2) 5种SSPs情景下,"三生"空间的空间分布格局相对一致。城镇生活用地较为聚集呈片状分布,农村生活用地呈点状零散分布。农业生产用地较大,分布均匀。林地和牧草生态用地主要分布在西部和南部,水域生态用地呈东西向带状分布在中原城市群中北部。(3)2035年,研究区生态环境质量空间分布不均衡,呈现"西南高-中部低"特征。中间发展情景(SSP2),生态环境质量略高于其他情景。研究结果对中原城市群的国土空间规划和生态文明建设具有一定的理论和实践价值。     

2030年闽三角城市群土地利用变化对生态系统水源涵养服务的影响

生态系统水源涵养服务作为水资源得以持续的基础和保障,正持续遭受着人类活动的干扰和影响,土地利用变化作为主要的方式之一,对水源涵养的影响广泛而且深远。运用InVEST模型模拟了闽三角城市群2015年和2030年的水源涵养情景,发现到2030年闽三角城市群区域内水源涵养量总体会下降0.24×10⁸ m³;对比发现：土地利用变化对水源涵养的影响主要主要表现在变化面积、变化方向、作用强度以及面积补偿作用四个方面。首先面积变化方面,水源涵养量同用地类型的面积大小正相关,但二者的变化量并不正相关;其次变化方向方面,相比变化为城市生态系统和水域生态系统而言,变化为自然生态系统和农业生态系统的土地利用变化更有利于生态系统水源涵养;再次,土地利用变化对水源涵养产生作用的强度由强及弱以此为林地、其他土地、草地、农田、建设用地、水域及滩涂;最后,面积变化后的补偿作用方面,由于不同用地类型水源涵养能力和面积变化量的差异,由农田、林地、草地及其他土地面积下降导致的水源涵养量损失并不能通过建设用地、水域及滩涂用地类型面积的增加得以完全补偿。     

湖泊型流域洪涝灾害经济损失多情景模拟——以南四湖流域为例

洪涝灾害情景模拟与损失预估对湖泊型流域防洪减灾和可持续发展具有重要意义。以我国典型的湖泊型流域南四湖流域为例,利用CA-Markov模型预测2030年三种用地情景,采用P-III型概率曲线构建10、20、50、100 a四个重现期强降雨情景,得到12种组合情景;通过InVEST模型和等体积淹没法量化不同情景的径流和淹没深度;在各产业GDP空间预测的基础上计算12种情景的洪涝直接经济损失。结果表明:(1) CA-Markov模型在南四湖流域的土地利用模拟精度较高,三种用地情景的各地类变化显著;(2)用地变化对流域洪涝灾害的影响显著,其中城镇发展情景下洪涝灾害风险最大,而生态保护情景风险最低;(3)暴雨强度会明显增加各用地情景的经济损失,但增幅在50 a重现期后有所减缓;生态保护情景的经济损失最少,介于97.39-128.81亿元之间,与其他情景相比,该情景可在一定程度上减少洪灾损失。为此,在气候变化背景下湖泊型流域可持续发展应充分考虑土地利用变化对洪涝灾害风险的影响,合理扩张城镇建设用地,优化布局生态用地,充分发挥国土空间规划在防洪减灾方面的作用。     

黑河流域生态系统服务价值预测及权衡分析--以张掖市为例

土地利用变化将改变区域生态系统服务的稳定供给能力,进而对区域生态稳定和可持续发展构成威胁。中国西部地区快速城镇化背景下,扩张的经济发展需求对土地利用变化产生了重大影响。以丝绸之路经济带规划的重要节点城市张掖市为例,基于土地利用变化均衡分析(CGELUC)模型及土地利用动态模拟(DLS)模型,模拟了多情景下张掖市2010-2030年的土地利用变化时空分异特征,并通过生态系统服务价值(ESV)估算、空间自相关分析等方法分析并预测了ESV及其时空演变特征,集中分析了多情景下2030年张掖市ESV各项服务间的权衡与协同关系。结果表明:(1)2010-2030年张掖市土地利用格局变化显著,建设开发情景下城镇建设用地扩张最为剧烈,建设用地增长7.41%,耕地面积减少11.05%;生态保护情景下城镇扩张最为和缓,同时未利用地减少明显,面积降低1088km²,主要向林地、草地、水域等生态用地发生转化。(2)2010-2030年张掖市ESV在基准情景和生态保护情景下分别增长6.43、13.16亿元,建设开发情景则整体仅增加1.53亿元。(3)供给、调节、支持与文化4种单项ESV,基准和生态保护情景下均呈现显著上升趋势;建设开发情景下有3项呈现缓慢的增长趋势,且该情景下供给服务则始终呈现下降趋势。(4)各单项生态系统服务协同关系明显,东南-西北轴线南北两侧区域表现为协同关系,仅有少数区域表现为权衡关系,且供给-文化服务的权衡关系较为明显。本研究可为西部城镇化快速发展地区统筹经济发展与生态保护提供科学方案。