基于Dyna-CLUE模型的錦州市海域利用變化動態(tài)模擬

柯麗娜，翟宇寧，史 靜，韓 旭，王權(quán)明

(1.遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029；2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116024)

1 引言

近年來，中國沿海地區(qū)人口快速增長，社會經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，為緩解土地資源匱乏的問題，人們逐漸開始關(guān)注開發(fā)利用潛力巨大的海岸近海區(qū)域。填海造陸逐漸成為人類向海洋索取生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間、解決“人地矛盾”的重要手段之一[1]。在海岸海域區(qū)域進(jìn)行填海造陸活動可用于港口碼頭建設(shè)、城鎮(zhèn)及工業(yè)用海發(fā)展等，但由于地球表面的氣、水、巖、生物在海岸近海區(qū)域進(jìn)行頻繁的交互作用，過度的填海造陸等大規(guī)模人為活動勢必會破壞生物棲息地，導(dǎo)致生物多樣性的喪失[2]。因此，對海岸海域進(jìn)行合理地開發(fā)與利用，并針對海域利用類型進(jìn)行不同情景的預(yù)測模擬研究就尤為必要。

2 研究區(qū)概況

錦州市附近海域位于東經(jīng)121°00′～121°35′，北緯40°38′～40°58′，地處遼東灣西北部、遼寧省西南部，近岸海域底質(zhì)多為泥質(zhì)粉砂，餌料充足，水質(zhì)肥沃，海洋生物資源豐富，漁業(yè)資源種類繁多。自2009 年以來，錦州市政府借助于“五點(diǎn)一線”和“遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶”的政策紅利，經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市發(fā)展重心不斷向沿海地區(qū)轉(zhuǎn)移，尤其在2017 年，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭迅猛，其地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到1128.2 億元，較2016年增長6.7%，區(qū)域內(nèi)各海域利用類型擴(kuò)張變化較為顯著，是開展海域利用類型預(yù)測模擬的理想實(shí)驗(yàn)區(qū)。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所需數(shù)據(jù)包括海域利用數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、自然環(huán)境數(shù)據(jù)。其中，海域利用數(shù)據(jù)主要是在對高分影像進(jìn)行解譯的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充部分Landsat遙感影像、海域使用確權(quán)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)獲取的?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括研究區(qū)河流、道路、村居民點(diǎn)地理信息數(shù)據(jù)，用于生成驅(qū)動因子及提取研究的政策地理限制區(qū)域數(shù)據(jù)等[3～5]。自然環(huán)境數(shù)據(jù)包括研究區(qū)DEM、海洋底質(zhì)、等深線數(shù)據(jù)等，DEM數(shù)據(jù)來自ASTERG-Dem數(shù)據(jù)集，海洋底質(zhì)數(shù)據(jù)來源于國家海洋局相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)等。

3.2 研究方法

3.2.1 Dyna-CLUE模型介紹

Dyna-CLUE模型適用于較小尺度的區(qū)域變化研究，主要分為非空間需求與空間分析2 個模塊，在本研究中，非空間需求主要為對海域利用變化需求應(yīng)用外部統(tǒng)計分析工具進(jìn)行估算，利用Markov模型計算參數(shù)輸入到Dyna-CLUE模型中?？臻g分析模塊又稱為空間分配過程模塊，以非空間需求模塊計算結(jié)果作為基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)空間分布適宜性、空間限制區(qū)域數(shù)據(jù)、利用類型轉(zhuǎn)移規(guī)則等對不同年份各種海域利用類型的需求實(shí)現(xiàn)空間分配，對未來研究區(qū)的海域利用類型變化狀況進(jìn)行模擬[6-8]。因此，在實(shí)際操作中，Dyna-CLUE模型實(shí)現(xiàn)海域利用類型變化的模擬需要空間分布適宜性、空間分布限制區(qū)域、利用類型轉(zhuǎn)移規(guī)則及利用類型需求4 個方面的參數(shù)[9,10]。具體Dyna-CLUE系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 Dyna-CLUE系統(tǒng)運(yùn)行流程

3.2.1.1 空間政策限制區(qū)

空間限制區(qū)域主要指研究區(qū)內(nèi)某些因國家或地方政策等因素，模擬區(qū)內(nèi)不可發(fā)生變化的區(qū)域[5]。對于海域利用類型變化情況而言，在各類海洋保護(hù)區(qū)內(nèi)任何圍填海等開發(fā)利用活動都是禁止的，因此本文結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，將大筆架山生態(tài)保護(hù)區(qū)及雙臺河口國家級自然保護(hù)區(qū)作為海域空間擴(kuò)展限制區(qū)域。

3.2.1.2 利用類型轉(zhuǎn)移規(guī)則

利用類型轉(zhuǎn)移規(guī)則的設(shè)置直接決定了模擬的時間動態(tài)，其包括海域利用類型轉(zhuǎn)移彈性系數(shù)及轉(zhuǎn)移次序設(shè)置兩部分，通過對海域利用變化進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析得到，該部分主要是在海域利用類型轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上進(jìn)行，本文根據(jù)2007～2014年高分辨率遙感影像進(jìn)行海域利用類型變化信息提取，并進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析，從而得到的2007～2014年海域利用類型轉(zhuǎn)移矩陣。

3.2.1.3 空間分布適宜性設(shè)置

空間分布適宜性的理論基礎(chǔ)是海域利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)變最大的概率，因Logistic回歸結(jié)果中能夠?qū)Ω骱Ｓ蚶妙愋团c相應(yīng)驅(qū)動力因子之間的相關(guān)性進(jìn)行解釋，因此計算利用類型的空間分布與各種驅(qū)動力之間的關(guān)系需借助Logistic回歸方程，其表達(dá)式如下：

(1)

式(1)中，Pi表示每個柵格可能出現(xiàn)某一利用類型i的概率，X1,i～Xn表示各驅(qū)動力因子，β0～βn為驅(qū)動因子的解釋變量。對于回歸效果的檢驗(yàn)，采用ROC曲線，當(dāng)ROC值介于0.5時，回歸方程解釋能力最差，當(dāng)ROC值介于0.5～1.0之間，值越大，則利用類型的概率分布與實(shí)際情況越相近，一般認(rèn)為ROC值大于0.75時，所選擇的驅(qū)動力因子解釋能力較強(qiáng)[11,12]。

3.2.1.4 非空間需求模塊

海域利用類型需求是Dyna-CLUE模型的非空間需求模塊，需提前計算才能輸入至Dyna-CLUE模型，常用到時間序列、Markov模型及回歸分析模型、SD模型等方法，其中Markov模型因等概率轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測出的誤差值較低而廣泛應(yīng)用于景觀格局動態(tài)變化的相關(guān)預(yù)測，因此，本文選取Markov模型對各海域利用類型在自然發(fā)展情景下的需求量進(jìn)行預(yù)測，并將其結(jié)果作為參數(shù)輸入到Dyna-CLUE模型中。具體該模型表示方法如下：

(2)

Dyna-CLUE模型通過綜合以上參數(shù)設(shè)置，根據(jù)總概率TPROP進(jìn)行空間分配迭代以實(shí)現(xiàn)模擬，迭代方程為：

TPROPi,u=Pi,u+ELASu+ITERu

(3)

式(3)中：TPROPi,u為柵格i適合某種海域利用類型u的總概率；Pi,u為Logistic回歸方程求得的空間分布概率；ELASu為利用類型的轉(zhuǎn)換彈性系數(shù)；ITERu為海域利用類型u的迭代變量。

4 結(jié)果與分析

4.1 Dyna-CLUE模型模擬精度檢驗(yàn)

將之前設(shè)定的參數(shù)輸入至Dyna-CLUE模型中并運(yùn)行。以2007年海域利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬2014年海域利用空間格局并生成模擬圖，對比2014年海域利用類型實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，圖2為 2014年海域利用現(xiàn)狀圖，圖3為利用Dyna-CLUE模型對2014年海域利用類型空間分布的模擬結(jié)果。

圖2 2014年海域?qū)嶋H利用類型

圖3 2014年海域利用類型模擬

模擬精度通過Kappa指數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，具體公式如下：

Kappa=(Po-Pc)/(Pp-Pc)

(4)

式(4)中，Po為正確模擬的比例，Pc為隨機(jī)情況下期望的正確模擬比例；Pp為理想分類情況下正確的比例。

本文運(yùn)用ArcGIS中的Spatial Analyst 中的數(shù)學(xué)分析，將2014 年海域利用類型模擬圖與2014年海域利用類型實(shí)際分布圖做相減計算，提取出0值柵格個數(shù)，即為正確的柵格數(shù)，得到模擬柵格數(shù)為99054 個，占總柵格數(shù)118627 的83.6%,所以Po=0.836。因研究區(qū)共有6 種海域利用類型，故每個柵格隨機(jī)模擬狀況下的正確比例為Pc=1/6。理想分類狀況下的正確模擬比例是Pp=1[13]。因此計算出Kappa指數(shù)0.8024(>0.6)，模擬效果較好。因此，Dyna-CLUE模型可以很好地對研究區(qū)海域利用類型變化趨勢進(jìn)行模擬，因此，可以將其應(yīng)用于2025 年不同情景下的研究區(qū)海域利用類型變化模擬研究。

4.2 Logistic回歸分析結(jié)果

將各海域利用類型和7個驅(qū)動因子轉(zhuǎn)換成單一的文件加載到SPSS軟件中，利用SPSS軟件進(jìn)行Logistic分析，得到各海域利用類型與驅(qū)動因子之間的系數(shù)，并列出回歸分析結(jié)果如表1。對于回歸結(jié)果的擬合度，通常采用Pontius提出的ROC曲線進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，一般認(rèn)為ROC值大于0.75時，所選擇的驅(qū)動力因子解釋能力較強(qiáng)[14,15]，對海域利用空間分布模擬的精確程度將較高。各驅(qū)動因子的 ROC值均大于0.9，表明各個驅(qū)動因子對海域利用類型有較好的解釋能力。其中，各驅(qū)動因子對旅游建設(shè)類型的解釋效果最強(qiáng)，ROC值達(dá)0.997，其次是城建、港口、工業(yè)、圍而未用、未利用海域、圍海養(yǎng)殖、低效圍填海。填而未建類型的ROC最低，也達(dá)到了0.904。

表1 2025年不同情景下海域利用類型需求量預(yù)測值 hm2

4.3 情景模擬結(jié)果

基于Dyna-CLUE模型，模擬上述3種不同情景狀態(tài)下， 2025 年海域利用類型需求量預(yù)測值及模擬圖(圖4～圖6)，在自然增長情景下，2025 年錦州市海域利用將繼續(xù)沿當(dāng)前變化趨勢轉(zhuǎn)變，空間格局變化主要集中在中部地區(qū)，其中圍海養(yǎng)殖用海、城建用海等面積變化較為突出，與2014 年相比，養(yǎng)殖用海增長74.7%，主要擴(kuò)張區(qū)域發(fā)生在研究區(qū)中部，即小凌河以南區(qū)域，主要用作圍海養(yǎng)殖及開放性養(yǎng)殖用海；工業(yè)用海變化區(qū)域主要以原有的龍棲灣工業(yè)區(qū)及沿海城鎮(zhèn)用海區(qū)為中心向外圍擴(kuò)張，面積增長約為245 hm2，與2014 年相比，到2025 年研究區(qū)工礦用海增長15%，漲勢較為平穩(wěn)。在此情景下，未利用海域共縮減29579.06 km2。

圖4 自然狀態(tài)海域利用類型空間分布模擬(2025)

圖5 經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)海域利用類型空間分布模擬(2025)

圖6 生態(tài)保護(hù)狀態(tài)海域利用類型空間分布模擬(2025)

情景2經(jīng)濟(jì)發(fā)展對比情景1自然發(fā)展，未利用海域同比降低15.2%，受遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶的影響，漁業(yè)用海、交通運(yùn)輸用海、旅游娛樂用海、城建用海的需求量大幅上漲，其中，交通運(yùn)輸用海受城鎮(zhèn)及居民點(diǎn)等驅(qū)動力的影響較大，同比增長6.9%，增長區(qū)域主要集中在錦州港及其附近區(qū)域；在此情景下，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，旅游娛樂用海面積的增加較為突出，同比增長15.1%，主要集中在研究區(qū)西部的筆架山風(fēng)景區(qū)及中部的錦州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)海上度假休閑區(qū)附近。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下各類用海面積的需求量均高于自然發(fā)展情景。

情景3生態(tài)保護(hù)情境下，未利用海域的開發(fā)得到了有效保護(hù)，較2014年總用海量僅增長15.8%，對比經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的海域利用需求量同比降低3%，除漁業(yè)用海增長較快以外，工業(yè)用海、交通運(yùn)輸用海、旅游娛樂用海、城建用海等均增長緩慢，增長區(qū)域主要集中在研究區(qū)的中部。在此情景下，未利用海域在得到了合理開發(fā)的同時也維護(hù)了海洋生態(tài)平衡。

綜合以上3 種情景的模擬結(jié)果，在不同情景設(shè)置下，各類型用海面積的變化趨勢相同，但變化幅度不同，變化幅度最大的是經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景，其次為自然發(fā)展情景。總體空間格局變化較為穩(wěn)定，各類用海面積擴(kuò)張的區(qū)域多集中在研究區(qū)中部地區(qū)，即小凌河、丹東園以南、青溝灣等區(qū)域；研究區(qū)東部以漁業(yè)用海為主，西部以交通運(yùn)輸用海及旅游娛樂用海為主。未來，隨著研究區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會的不斷發(fā)展，用海需求量也將會增加，未利用海域的面積將不同程度減少。

5 結(jié)論與討論

本文以錦州市海岸海域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于Dyna-CLUE模型及Markov模型，探索了該模型在海域利用方面的適用性、在對模擬結(jié)果進(jìn)行Kappa驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，基于錦州市海域自然增長、經(jīng)濟(jì)增長和生態(tài)保護(hù)等構(gòu)建了3 種不同情景模式，對2025 年錦州市海域利用類型變化進(jìn)行情景模擬及預(yù)測。主要結(jié)論如下：

(1)因本研究各用海類型回歸方程的檢驗(yàn)結(jié)果值較高，說明本文所選取的驅(qū)動力因子和設(shè)置的模型參數(shù)較為合理，符合海域利用的實(shí)際變化。以2007年海域利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將2014年模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際海域利用變化對比驗(yàn)證，Kappa指數(shù)為0.8024，模擬精度較高，說明Dyna-CLUE模型能夠模擬較小尺度海域利用類型的變化。

(2)因自2017年政府頒布了相關(guān)文件，停止填海造陸等相關(guān)活動，故只有將存量資源作為工業(yè)、城鎮(zhèn)、養(yǎng)殖等海域開發(fā)利用活動的空間資源。綜合2025年自然發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)3種情景的模擬預(yù)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)錦州市海域利用在小凌河以南、筆架山和青溝灣區(qū)域會發(fā)生不同程度的擴(kuò)張。“經(jīng)濟(jì)發(fā)展”情景下，未利用海域大幅度減少，對海洋生態(tài)環(huán)境會造成不利影響，“生態(tài)保護(hù)”情景下，使工礦用海、城建用海等有限制地向未利用海域擴(kuò)展，減少海洋污染的排放量，有利于錦州市海域生態(tài)文明的建設(shè)。