基于FLUS模型的子長市土地利用變化模擬研究

劉旭晶 孫喬

摘要：以延安市子長市為研究區(qū)，采用GlobeLand30的土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合子長市土地利用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，利用未來土地利用變化情景模擬模型（GeoSOS-FLUS）從自然、交通區(qū)位和社會(huì)經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面選取11個(gè)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)子長市2020年的土地利用進(jìn)行模擬預(yù)測，模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果較為吻合，模擬精度為0.88，Kappa系數(shù)為0.855 91，在此基礎(chǔ)上對(duì)子長市2030年土地利用進(jìn)行模擬預(yù)測，為子長市土地利用合理開發(fā)和土地資源保護(hù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：土地利用變化;FLUS模型;模擬預(yù)測

中圖分類號(hào)：F301.2 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2021）27-0105-04

Abstract：Taking Zichang City of Yan'an City as the research area， combined with the land use data of GlobeLand30 and the land use database of Zichang City，this paper uses the future land use change scenario simulation model （GeoSOS-FLUS） to select 11 driving factors from three aspects of nature， traffic location， and social economy to simulate and predict Zichang City's land use in 2020.The results show that the simulation results are in good agreement with the real results. The simulation accuracy is 0.88， and the Kappa coefficient is 0.85591. Based on this， the author simulates and forecasts the Zichang City's land use in 2030，in order to provide a reference for the rational land development and land resource protection of Zichang City.

Keywords： land use change; FLUS model; simulation prediction

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展不斷加快，土地利用格局發(fā)生巨大的變化，高速的城鎮(zhèn)化擴(kuò)張導(dǎo)致的是耕地、林地、草地和水域等用地逐漸轉(zhuǎn)為大量的建設(shè)用地，這對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成重要的影響，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)[1]。土地利用變化模擬常見的模擬方法有多元統(tǒng)計(jì)模型、馬爾科夫（Markov）模型，CLUE-S模型、元胞自動(dòng)機(jī)（CA）模型[2]。黎霞等耦合了地理模擬和空間優(yōu)化模型，建立地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)GeoSOS軟件，為城市化地區(qū)空間管制與土地利用等方面的引導(dǎo)、調(diào)控和優(yōu)化提供技術(shù)支撐平臺(tái)[3]。

本文考慮到自然和社會(huì)等因素對(duì)土地利用變化的影響，在分析子長市2000年、2010年、2020年的土地利用類型和變化趨勢的基礎(chǔ)上，利用Markov模型和FLUS模型，結(jié)合數(shù)字高程模型、坡度、河流、村莊、國內(nèi)生產(chǎn)總值、人口等驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)2030年子長市土地利用變化情況進(jìn)行模擬預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

子長市位于黃土高原的中部，北部依靠于橫山區(qū)，東部與子洲縣和清澗縣接壤，南部連接延川縣，西部與安塞區(qū)和靖邊縣為鄰，位于109°11′58″E—110°01′22″E，36°59′30″N—37°30′00″N，市轄1個(gè)街道、8個(gè)鎮(zhèn)。

2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文所需要的數(shù)據(jù)為三期土地利用數(shù)據(jù)和11個(gè)驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)來源于GlobeLand30（http：//www.globallan-dcover.com/），分別為2000年、2010年、2020年土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載，坡度和坡向使用ArcGIS中的表面分析工具提取，社會(huì)驅(qū)動(dòng)因子中的人口和GDP數(shù)據(jù)分別來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）的中國人口和GDP空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，其他數(shù)據(jù)利用子長市的土地利用數(shù)據(jù)庫獲取。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用面積及動(dòng)態(tài)變化分析

表1是子長市2000年、2010年、2020年個(gè)土地利用類型的面積和所占比例?？梢钥闯龅氖?，2000—2020年面積最多的土地利用類型是草地，占子長市總土地利用面積的67%左右，接下來是耕園地，面積保持在62 000 hm2左右。水域、建設(shè)用地和其他土地的面積都在10%以下。

表2和表3為子長市土地利用面積變化、土地利用動(dòng)態(tài)度。在2000到2010年，建設(shè)用地面積增加527.04 hm2，土地利用動(dòng)態(tài)度為15.01%，增幅比較大;耕園地的面積減少最多，10年間減少517.14 hm2，依次是林地和草地。2010—2020年，建設(shè)用地繼續(xù)保持增長的趨勢，且增幅較大，超過前10年增加的面積，土地利用動(dòng)態(tài)度為11.05%;耕園地、林地、草地和水域的面積呈現(xiàn)下降趨勢。2000—2010年的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為0.09%，2010—2020年的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度增加到0.76%，這表明2010—2020年土地利用強(qiáng)度較2000—2010年明顯增強(qiáng)。

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移變化分析

表4、表5、表6為子長市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，用來描述兩期土地利用類型的轉(zhuǎn)移情況，以表6中的耕園地和建設(shè)用地為例，2000—2020年間，子長市耕園地的面積總體減少，轉(zhuǎn)出面積為9 629.10 hm2，其中，83.56%轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀?0.5%轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地;建設(shè)用地的面積總體增加，增加了1 526.31 hm2，各土地利用類型都在不同程度上轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，其中，由耕園地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積占66.21%，由草地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積占29.35%，從而導(dǎo)致建設(shè)用地的面積在20年間有大幅度的增加。

3.3 驅(qū)動(dòng)因子的選取分析

土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化是由于不同時(shí)間范圍內(nèi)的自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)方面相互影響而引起的[4]，本著數(shù)據(jù)的可獲取性、一致性、全面性的原則[5]，本文從自然方面選取了地形因子中的數(shù)字高程模型（DEM）、坡度和坡向作為該研究區(qū)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子;從交通區(qū)位因素方面選取了到建制鎮(zhèn)、村莊、河流、農(nóng)村道路、公路、鐵路的距離;社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面選取了人口數(shù)量和GDP兩個(gè)因子。

3.4 精度驗(yàn)證及模擬預(yù)測

GeoSOS-FLUS軟件中，以子長市2010年土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)概率計(jì)算模塊，設(shè)置獲取訓(xùn)練樣本的采樣模式和采樣比例，輸入自然、交通區(qū)位、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子，得到2010年的適宜性概率圖集，最后用自適應(yīng)慣性機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)子長市2020年土地利用格局進(jìn)行預(yù)測，通過調(diào)整模擬參數(shù)，利用TA變化的無量綱值為FLUS模型的鄰域權(quán)重參數(shù)設(shè)置提供參考[6]，使預(yù)測得到的2020年土地利用類型圖（圖1）與真實(shí)的2020年土地利用類型圖（圖2）盡可能一致。GeoSOS-FLUS軟件提供精度驗(yàn)證模塊，用該模塊計(jì)算Kappa系數(shù)進(jìn)行進(jìn)度檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果為總體精度達(dá)到0.88，Kappa系數(shù)為0.85 591，表明FLUS模型預(yù)測的土地利用類型達(dá)到較為理想的效果。

根據(jù)2020年的土地利用數(shù)據(jù)和2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表5），利用Markov模型計(jì)算出子長市2030年的土地利用面積，結(jié)合驅(qū)動(dòng)因子在GeoSOS-FLUS軟件中對(duì)子長市2030年的土地利用格局進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖3所示，可以看出在未來10年間，子長市建設(shè)用地面積持續(xù)增長，向其他地類擴(kuò)張，但增長趨勢有所減緩。

4 結(jié)論

本文在分析子長市2000年、2010年和2020年的土地利用格局變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合自然、交通區(qū)位、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素三方面的驅(qū)動(dòng)因子，利用GeoSOS-FLUS軟件對(duì)子長市2030年的土地利用格局進(jìn)行預(yù)測分析，主要結(jié)論如下：

①2000—2020年，20年間子長市建設(shè)用地面積大幅度增加，耕園地、林地、草地面積有所減少，水域和其他土地面積變化幅度較小，基本保持不變。這說明城鎮(zhèn)化使得建設(shè)用地向四周擴(kuò)張，耕園地、林地等都不同程度地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。

②本文選取了自然、交通區(qū)位和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素11個(gè)因子，在GeoSOS-FLUS軟件中，以2010年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制作適宜性概率圖集，以此來預(yù)測2020年的土地利用格局，總體精度達(dá)到0.88，Kappa系數(shù)為0.85 591，符合精度要求，表明可以利用FLUS模型對(duì)子長市土地利用格局進(jìn)行預(yù)測分析。

③基于2010—2020年土地利用數(shù)據(jù)，繼續(xù)利用FLUS模型預(yù)測子長市2030年土地利用情況，預(yù)測結(jié)果表明子長市建設(shè)用地面積繼續(xù)呈增長趨勢，但增幅放緩，耕地、林地、草地不同程度地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，致使這三大地類面積減少。

土地利用格局的變化可以反映出一個(gè)時(shí)期內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況，同時(shí)也反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的諸多問題[1]。經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使得城鎮(zhèn)化速度加快，城市不斷向外圍擴(kuò)張，侵占了周圍的耕地、林地和草地，從而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞。對(duì)未來土地利用格局進(jìn)行預(yù)測可以為土地資源的合理利用提供借鑒和參考[7]。本文選取的11個(gè)驅(qū)動(dòng)因子雖然涵蓋自然、交通區(qū)位和社會(huì)經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面，但依然不夠全面，在后續(xù)的研究中應(yīng)增加其他方面的驅(qū)動(dòng)因子來滿足全面性的原則。其次，F(xiàn)LUS模型中參數(shù)的設(shè)置不同，結(jié)果也會(huì)有所差異，在未來研究的關(guān)鍵是要不斷調(diào)整參數(shù)，尋找合理的模擬尺度，提高模擬精度。

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