基于CLUE－S 模型的土地利用格局優(yōu)化研究

胡海德，李小玉，杜宇飛2，

(1. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春130012;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧沈陽(yáng)110016)

遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶自然資源豐富，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，尤其是重工業(yè)的發(fā)展，對(duì)遼寧省乃至渤海經(jīng)濟(jì)圈的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著舉足輕重的作用，已經(jīng)成為引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)進(jìn)步的前沿地帶。該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)意義重大，生物多樣性豐富，重要水源地和森林、濕地等生態(tài)系統(tǒng)有待進(jìn)一步加強(qiáng)保護(hù)。

土地利用格局的優(yōu)化是對(duì)景觀格局、生態(tài)過(guò)程和人類活動(dòng)三者之間的關(guān)系進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，通過(guò)調(diào)整各個(gè)土地利用類型的規(guī)模以及空間格局，提出優(yōu)化預(yù)案，對(duì)景觀資源進(jìn)行再分配，增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是土地資源管理的有效手段。土地利用格局優(yōu)化的目標(biāo)不僅是調(diào)整景觀組分的構(gòu)成，更注重景觀結(jié)構(gòu)的改善，以及景觀整體功能的提升［1］。

目前，在景觀尺度上，現(xiàn)有研究成果難以反映格局和過(guò)程間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，土地利用格局優(yōu)化研究一直是景觀生態(tài)學(xué)的難題。現(xiàn)階段，土地利用格局優(yōu)化方法上主要有概念模型、數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬等方面［2］。各個(gè)研究進(jìn)行土地利用格局優(yōu)化的著眼點(diǎn)或目標(biāo)也有很大差異，如高超等［3］的研究著眼于非點(diǎn)源污染的控制，岳雋等［4］的研究著眼于水資源保護(hù)，樸燕等［5］的研究著眼于城市綠地，孫賢斌等［6］的研究則針對(duì)海濱濕地。

即使是以區(qū)域整體為著眼點(diǎn)的區(qū)域土地利用格局優(yōu)化，各研究使用的技術(shù)方法也有所不同。岳德鵬等［7］的研究從景觀功能著眼，采用累積耗費(fèi)距離模型等方法，確定源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)等格局優(yōu)化要素。張小飛等［8］的研究著眼于景觀格局的連通度，利用耗費(fèi)距離(Cost Distance)模型，分析了景觀功能空間聯(lián)系的最佳路徑，通過(guò)構(gòu)建生態(tài)廊道的方式，對(duì)土地利用格局進(jìn)行優(yōu)化。也有一些研究的格局優(yōu)化僅僅是類似于區(qū)域規(guī)劃的建設(shè)性政策和策略，并沒有使用GIS 和數(shù)學(xué)分析等方法進(jìn)行深入的研究。

盧冠宇［9］的研究以生態(tài)安全評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，將景觀劃分為核心保護(hù)區(qū)、緩沖保護(hù)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和適宜建設(shè)區(qū)，以此達(dá)成對(duì)土地利用格局的優(yōu)化。這種方法類似于生態(tài)安全格局的構(gòu)建。近年來(lái)，城市生態(tài)安全已經(jīng)引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛重視，其研究包括城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)［10］、城市生態(tài)安全格局［11］、“反規(guī)劃”和生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃［12］。其具體構(gòu)建方法就是運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的原理和方法，采用GIS 技術(shù)，從空間上定量地刻畫景觀結(jié)構(gòu)，在城市規(guī)劃領(lǐng)域有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。美國(guó)學(xué)者Forman 對(duì)如何設(shè)計(jì)生態(tài)安全格局做了步驟分析，其中對(duì)區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵地段、空間屬性規(guī)劃做了理論探討［13］，指出在區(qū)域安全格局的構(gòu)建中要抓住具有關(guān)鍵生態(tài)作用或生態(tài)價(jià)值的景觀地段，并通過(guò)景觀格局的空間配置和屬性調(diào)整來(lái)予以實(shí)現(xiàn)。這種思路體現(xiàn)在土地利用格局優(yōu)化方面，就是土地開發(fā)應(yīng)避開敏感地段。敏感地段既包括那些容易遭受自然災(zāi)害的地段，也包括土地開發(fā)后導(dǎo)致生態(tài)退化的地段。

根據(jù)上述的討論和分析，土地利用格局優(yōu)化的主要內(nèi)容包括各土地利用要素的數(shù)量構(gòu)成和空間分配兩部分。實(shí)現(xiàn)土地利用格局優(yōu)化的方法，主要應(yīng)從兩方面入手:一方面是類似于生態(tài)安全格局和“反規(guī)劃”的理念，從限制區(qū)入手，識(shí)別景觀中不宜進(jìn)行開發(fā)的地區(qū);另一方面，在限建區(qū)以外，根據(jù)土地利用的適宜性，對(duì)土地利用變化進(jìn)行模擬。而CLUE-S 模型正是可以實(shí)現(xiàn)這兩方面目標(biāo)的有效手段。

CLUE-S 模型是在CLUE 模型的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的適合小尺度研究的土地利用變化模型［14］，在近年來(lái)的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)土地利用需求、限制區(qū)域、土地利用類型轉(zhuǎn)化強(qiáng)度和規(guī)則等參數(shù)的設(shè)定，模擬不同情境下的土地利用變化，是土地利用格局優(yōu)化的有效方法［15－16］。因此，利用CLUE-S 模型對(duì)遼寧沿海城市帶進(jìn)行土地利用格局優(yōu)化。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶是遼寧省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，位于渤海北部，面積32 000 km2，地勢(shì)兩邊高，中間低，年平均溫度8 ℃～9 ℃，年降雨量550 mm～630 mm。遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶有很強(qiáng)的工業(yè)基礎(chǔ)與豐富的自然資源。作為中國(guó)北方的沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)于遼寧省的經(jīng)濟(jì)策略舉足輕重。所選取的研究區(qū)具體范圍包括葫蘆島的龍港、連山、南票三個(gè)市轄區(qū)以及興城市、綏中縣;錦州的凌河、古塔、太和三個(gè)市轄區(qū)及凌海市;盤錦的雙臺(tái)子區(qū)、興隆臺(tái)區(qū)兩個(gè)市轄區(qū)以及盤山縣、大洼縣;大連的中山區(qū)、西崗區(qū)、沙河口區(qū)、甘井子區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、金州區(qū)、旅順口區(qū)七個(gè)市轄區(qū)和瓦房店市、普蘭店市、莊河市、長(zhǎng)?？h;營(yíng)口的站前區(qū)、西市區(qū)、老邊區(qū)、鲅魚圈區(qū)四個(gè)市轄區(qū)以及蓋州市和大石橋市。

1.2 研究方法

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用研究區(qū)2007 年的TM 遙感影像，經(jīng)過(guò)人工目視解譯，得到土地利用分類數(shù)據(jù)。由于CLUE-S 模型對(duì)各地類型面積的比例有限制，每一土地類型的面積占研究區(qū)整體面積的百分比應(yīng)不小于2%，因此，結(jié)合研究區(qū)土地利用特點(diǎn)，將土地利用類型劃分為5 類:耕地、林地、鹽田、建設(shè)用地和其他。其中，其他類包括水域、草地、濕地和未利用地。

利用ARCGIS9.2 軟件將研究區(qū)2007 年的矢量景觀類型圖轉(zhuǎn)化為柵格格式(GRID 文件格式)，柵格大小為300 m×300 m，然后再轉(zhuǎn)化為ASCII 文件，用于輸入CLUE-S 文件進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.1 預(yù)案設(shè)定。根據(jù)不同的發(fā)展策略，設(shè)定了以下3 種預(yù)案，并以此為依據(jù)確定土地利用需求。

預(yù)案1:發(fā)展優(yōu)先，即優(yōu)先滿足建設(shè)用地面積的需求。

預(yù)案2:中等情景，土地利用變化基于歷史趨勢(shì)變化。

預(yù)案3:生態(tài)優(yōu)先，即重點(diǎn)考慮生態(tài)安全，生物保護(hù)，加大退耕強(qiáng)度。

根據(jù)這3 種預(yù)案，確定各預(yù)案下的面積需求，見表1。將其輸入到CLUE-S 模型中的土地利用需求模塊，作為后續(xù)空間分配和模擬的基礎(chǔ)。

1.2.2 限制區(qū)域模塊。土地利用中的限制建設(shè)區(qū)通過(guò)CLUE-S 中的限制圖層實(shí)現(xiàn)，根據(jù)收集到的研究區(qū)主要自然保護(hù)區(qū)，水源保護(hù)區(qū)和基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)，利用ArcGIS 軟件轉(zhuǎn)化為CLUE-S 可識(shí)別的圖層，輸入CLUE-S 模型，實(shí)現(xiàn)限制區(qū)域的劃定。

表1 優(yōu)化方案比較(hm2)Tab.1 Contrast of different scenarios

1.2.3 空間分配模塊。因子選取:根據(jù)研究區(qū)自然環(huán)境和人類活動(dòng)的特點(diǎn)，選取了影響研究區(qū)土地利用變化的8 個(gè)主要因子，即到河流距離、到居民點(diǎn)距離、到道路距離、到海岸距離、高程、坡度、坡向和坡位指數(shù)，見圖1。將這8 個(gè)因子和研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)輸入到SPSS 軟件進(jìn)行二元邏輯斯蒂回歸分析。

回歸分析。通過(guò)CLUE-S 模型自帶的convert 工具將土地利用圖和8 個(gè)驅(qū)動(dòng)因子圖轉(zhuǎn)化成stats 文件，輸入到SPSS 軟件中進(jìn)行邏輯斯蒂回歸分析。各土地利用類型邏輯斯蒂逐步回歸結(jié)果如表2，Beta 系數(shù)就是邏輯斯蒂回歸分析得到的關(guān)系系數(shù)。

表2 各土地利用類型的Beta 系數(shù)Tab.2 Beta values of logistic regression

圖1 回歸因子圖1. 到河流距離;2. 到居民點(diǎn)距離;3. 到道路距離;4. 到海岸距離;5. 高程;6. 坡度;7. 坡向;8. 坡位指數(shù)Fig.1 Regression factors1.distance to river;2.distance to settlement;3.distance to road;4.distance to coast;5.DEM;6.Slope;7.ASP;8. TPI

邏輯斯蒂回歸結(jié)果要經(jīng)過(guò)精度評(píng)價(jià)，模型的不同其評(píng)價(jià)的方法和也不盡相同。邏輯斯蒂逐步回歸的檢驗(yàn)不像其他方法那樣可以用R2對(duì)回歸效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，而是采用ROC (Receiver Operating Characteristic)［17］方法，計(jì)算ROC 曲線下的面積，其取值在0.5 和1 之間，值越接近1，表示精度愈高。ROC 值在0.5 到0.7 之間時(shí)，模型具有低精度;在0.7 到0.9 之間時(shí)，模型具有可信的精度;當(dāng)ROC 值大于0.9 時(shí)，模型具有高精度［18］。在各個(gè)土地利用類型的邏輯斯蒂回歸結(jié)果中，各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)建設(shè)用地的解譯能力最高，對(duì)耕地的解釋能力也比較高，而對(duì)其他類型以及林地的預(yù)測(cè)精度不高，ROC 值分別為0.73 和0.758，原因是這兩種土地利用類型的面積較大，分布不集中，各個(gè)影響因子對(duì)其空間分布的解釋不顯著。

1.2.4 轉(zhuǎn)化強(qiáng)度設(shè)定。轉(zhuǎn)化強(qiáng)度時(shí)指在一定時(shí)期內(nèi)，研究區(qū)的各個(gè)土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的難易程度，在CLUE－S 模型中通過(guò)ELAS 參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，某土地利用類型的ELAS 參數(shù)取值越大，表明穩(wěn)定性越強(qiáng)［19］。根據(jù)研究區(qū)土地利用變化的歷史情況和現(xiàn)狀特點(diǎn)，結(jié)合各個(gè)預(yù)案的具體需求，對(duì)ELAS 參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，見表3。

表3 ELAS 參數(shù)設(shè)置Tab.3 Arrangement of ELAS parameters

1.2.5 轉(zhuǎn)化規(guī)則設(shè)定。轉(zhuǎn)化規(guī)則用于對(duì)各個(gè)土地利用類型之間是否能夠相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)各個(gè)預(yù)案的要求確定在預(yù)案1 下建設(shè)用地不能轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型，此外的轉(zhuǎn)化均可以發(fā)生;在預(yù)案2 下各個(gè)土地利用類型都可以相互轉(zhuǎn)化;在預(yù)案3 下林地不能轉(zhuǎn)化為其他類型，此外的轉(zhuǎn)化均可以發(fā)生。

2 結(jié)果與分析

在2007 年遼寧沿海城市帶的土地利用圖(ASCII 格式)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用上文的土地利用需求模塊、限制區(qū)域模塊、空間分配模塊、景觀類型轉(zhuǎn)化規(guī)則模塊在3 個(gè)預(yù)案下對(duì)土地利用變化進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖2。

由結(jié)果可知，CLUE－S 模型體現(xiàn)了預(yù)案設(shè)定的基本思想，預(yù)案2 中等情景基于歷史趨勢(shì)的模擬，實(shí)現(xiàn)了預(yù)案設(shè)定的土地利用需求量。并且預(yù)案2 同預(yù)案1 發(fā)展優(yōu)先以及預(yù)案3 生態(tài)優(yōu)先的景觀分配有較明顯的差異，這種差異性實(shí)現(xiàn)了預(yù)案設(shè)定用于比較分析的初衷。從基于發(fā)展優(yōu)先的預(yù)案1 可以看出，新增的建設(shè)用地主要分布于大連普蘭店、營(yíng)口東部、盤錦北部和葫蘆島東部等地區(qū)，說(shuō)明這些地區(qū)是適宜發(fā)展建設(shè)用地。從基于生態(tài)優(yōu)先的預(yù)案3 可以看出，新增林地主要分布于研究區(qū)東部低山丘陵地帶，在盤錦和錦州東北部和葫蘆島東部也有少量分布，說(shuō)明這些地區(qū)較適宜進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)建設(shè)，這對(duì)于研究區(qū)的退耕還林和生態(tài)建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。

根據(jù)前人對(duì)研究區(qū)的生態(tài)足跡分析，該地區(qū)生態(tài)壓力較大，為了研究區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，建議在制定區(qū)域規(guī)劃和進(jìn)一步建設(shè)時(shí)，重點(diǎn)參考預(yù)案3，即生態(tài)優(yōu)先方案。同時(shí)應(yīng)該看到，預(yù)案1 對(duì)于新增建設(shè)用地或開發(fā)區(qū)的建設(shè)也有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

3 討 論

土地利用格局優(yōu)化的主要內(nèi)容應(yīng)包括各土地利用要素的數(shù)量構(gòu)成和空間分配兩部分。實(shí)現(xiàn)土地利用格局優(yōu)化的方法，主要應(yīng)考慮兩方面:一方面從限建區(qū)入手，識(shí)別景觀中不宜進(jìn)行開發(fā)的地區(qū);另一方面，在限建區(qū)以外，根據(jù)土地利用的適宜性，對(duì)景觀變化進(jìn)行模擬。研究證實(shí)CLUE－S 模型正是實(shí)現(xiàn)土地利用格局優(yōu)化的有效工具。CLUE－S 模型通過(guò)限制區(qū)域模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)限制區(qū)的劃定:通過(guò)空間分配模塊，計(jì)算土地利用類型分布圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用類型的空間位置分配。另外，CLUE－S 模型也對(duì)建設(shè)用地的增長(zhǎng)起到指導(dǎo)作用，這種特性使其具備了應(yīng)用于城市增長(zhǎng)模擬研究的潛力。

CLUE－S 模型較好地實(shí)現(xiàn)了開始設(shè)定的土地利用格局優(yōu)化的策略。但同時(shí)應(yīng)該看到這一途徑也有不足之處，主要在于CLUE－S 模型不能對(duì)土地利用的空間格局進(jìn)行深入的控制，例如對(duì)格局指數(shù)中的斑塊數(shù)、破碎度、分維數(shù)不能進(jìn)行有效的設(shè)置，而這應(yīng)該是土地利用格局優(yōu)化研究的發(fā)展方向。

圖2 各預(yù)案優(yōu)化結(jié)果Fig.2 Optimization results of scenarios

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