基于PLUS的佛山市高明區(qū)土地利用模擬及變化特征分析

夏義雄，康停軍，周劍鋒

(佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000)

1 引 言

土地利用/土地覆蓋變化(land use/land cover change，LUCC)是評估區(qū)域環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分[1]，模擬和預測土地利用變化機制和規(guī)律對區(qū)域合理開發(fā)利用土地資源，提高土地開發(fā)效能，促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

目前模擬土地利用變化模型主要有系統(tǒng)動力學模型(SD)、CLUE-S、人工神經網絡、元胞自動機(CA)等模型。CA模型對復雜地理過程具有較好的模擬和預測能力[3～5]，近年來，許多學者通過引入多元影響因素對模型進行優(yōu)化，提出了Logistics-CA[6]，FLUS[7]，PLUS[8]等多種模型，其中PLUS模型以斑塊作為演變單元分析多種土地利用類型變化的潛在驅動因素，能更準確、真實地模擬土地利用變化的情況[8]。

佛山市高明區(qū)作為粵港澳大灣區(qū)向西發(fā)展的樞紐和自然資源保護重點區(qū)域。伴隨珠三角樞紐(廣州新)機場預計近期(2035年)建設，高明區(qū)將迎來巨大的發(fā)展機遇，如何協(xié)調好城鎮(zhèn)的快速發(fā)展與自然資源保護的關系，成為高明區(qū)高質量發(fā)展的重要命題。本研究擬利用PLUS模型對高明區(qū)2030年土地利用情況進行模擬并分析土地利用變化特征，為城市資源利用管理、城市可持續(xù)化建設提供科學理論依據。

2 研究區(qū)概況

選取廣東省佛山市高明區(qū)作為研究區(qū)，高明區(qū)地處佛山市西部，位于東經112°22′34″～112°55′06″，北緯22°38′46″～23°01′05″。高明區(qū)占地面積 937.81 km2，森林覆蓋率高達51.17%，內部有云勇國家森林公園、凌云山森林公園、桫欏自然保護區(qū)等多處城市重要綠地林地。高明區(qū)不僅在佛山市生態(tài)環(huán)境保護中起重要作用，還是未來珠三角核心區(qū)向外輻射的重要樞紐，珠三角新干線機場、廣湛高鐵、珠江肇高鐵、肇順南城際、佛肇高速等一系列重大交通項目的建設也為高明區(qū)建設區(qū)域性綜合樞紐和提升城市能級提供了新的可能。

3 數據和方法

3.1 數據

收集了2010年、2015年和2020年三期高明區(qū)土地利用數據，包含建筑用地、耕地、林地、草地、水體等6種土地利用類型，數據來源為CLCD30M土地利用分類數據(CLCD數據下載地址：https：//zenodo.org/record/5210928)。為有效反映研究區(qū)的土地利用發(fā)展規(guī)律、社會經濟情況和地理條件，收集了地形、人口、GDP、交通、氣候、降水等12類土地利用變化驅動因素數據?？紤]到自然環(huán)境保護和生態(tài)紅線等政策影響，還收集了高明區(qū)“三區(qū)三線”數據，用以控制城市擴張邊界。

3.2 研究框架與方法

結合高明區(qū)歷史土地利用數據、土地利用變化驅動因素和Markov模型預測的土地利用目標，基于PLUS模型對高明區(qū)土地利用情況進行模擬。通過KAPPA系數和OA指標驗證PLUS模型精度，并對2030年土地利用情況進行預測，分析了2020年～2030年高明區(qū)土地利用變化特征。研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程圖

(1)PLUS土地利用模擬模型

PLUS模型是一種基于柵格的斑塊生成土地利用模擬模型[8]。PLUS模型通過獲取土地利用類型變化與驅動因素之間的關系，挖掘土地利用類型轉化規(guī)則，使用帶有隨機種子的CA模型控制新的土地利用斑塊生成。PLUS模型相較于其他土地利用模擬模型使用了全新的土地利用轉化規(guī)則挖掘策略，重點關注土地利用轉化結果忽略其來源，降低了分析土地利用變化規(guī)則的復雜度，對真實土地利用情況具有更好的模擬和仿真能力。

(2)Markov模型

Markov模型已普遍運用于土地利用演變和模擬研究中[5，6]。根據Markov模型隨機過程原理，在土地利用的演變過程中，某時期的土地利用狀態(tài)只與其前一時期的土地利用類別和土地利用類型擴展概率有關。因此，某一時刻的土地利用狀態(tài)可以用如下方法進行預測：

LULCt+1=LULCt×Pij

(1)

其中，LULCt+1表示t+1時刻的土地利用狀態(tài)，Pij表示每類土地利用類型的擴展概率。

(2)

上式中：0≤Pij≤1；i，j為土地利用類型。

4 結果

4.1 土地利用模擬結果

利用高明區(qū)2010年和2015年兩期的數據對不同限制條件和驅動因素的2020年土地利用情況進行了模擬和精度驗證，所得結果KAPPA系數為0.85，OA為0.91，各項精度指標均表明PLUS模型能有效提取和模擬高明區(qū)土地利用變化規(guī)律。

利用PLUS模型對2030年高明區(qū)土地利用情況進行預測，結果如圖2所示。從整體上看，2030年高明區(qū)土地利用占比呈現林地>耕地>建筑用地>水體>草地>裸地，與2020年區(qū)域格局基本保持一致。

圖2 高明區(qū)2020年、2030年土地利用情況

通過預測結果與2020年的各類型土地的數據對比如表1所示，按照現有自然資源條件和社會發(fā)展政策保持不變的情況下，高明區(qū)未來土地利用變化呈現“兩減兩增”的特點。2020年-2030年增長最多的為耕地，比2020年增長了 7.48 km2，減少最多的為林地，比2020年減少了 9.19 km2，建筑用地增長了 4.88 km2，水體減少了 3.09 km2，草地和裸地的面積基本未發(fā)生變化。

表1 高明區(qū)2020年與2030年各類型土地利用面積對比(km2)

4.2 土地利用變化特征分析

通過土地利用類型轉移矩陣如表2所示，可以定量分析各土地利用類型的變化。從表中數據可以看出高明區(qū)土地利用類型轉變具有林地轉耕地，耕地轉建筑用地的特征，發(fā)生用地類型變化的林地中有94.74%轉變?yōu)楦?，發(fā)生用地類型變化的耕地中有83.78%的轉變?yōu)榻ㄖ玫兀鲜鰞煞N類型用地的轉變在所有用地類型轉變中占比超過70%。這種土地利用變化特征說明高明區(qū)仍處于城市發(fā)展高速建設期，需要更多的建筑用地滿足城市發(fā)展所帶來的基礎設施、住房等需求，耕地面積的持續(xù)增加則表明高明區(qū)持續(xù)實施用地整理和耕地保護政策取得了較好成效。

表2 高明區(qū)2020年、2030年各類型土地利用面積對比(km2)

通過土地利用變化空間分布圖(圖3)可知，耕地轉變的區(qū)域主要出現在高明區(qū)東部的高明河與高明大道周邊，也是高明區(qū)城市擴張的主要區(qū)域。林地轉耕地主要出現在高明區(qū)中部的苗村、新村和橫坑村等較為偏遠鄉(xiāng)村，緊鄰云勇國家森林公園、鹿洞山森林公園、皂幕山森林公園。土地利用類型轉變特征與空間分布表明高明區(qū)以耕地補改措施作為橋梁，增加建筑用地指標以解決建設用地指標不足對城市發(fā)展的制約，形成了城市擴張區(qū)周邊以耕地轉變?yōu)榻ㄖ玫?，偏遠鄉(xiāng)村周邊以林地轉變?yōu)楦氐挠玫刈兓卣鳌?/p>

圖3 高明區(qū)土地利用變化空間分布圖

5 結 論

通過收集佛山市高明區(qū)2010年、2015年和2020年三期土地利用數據，基于PLUS模型模擬高明區(qū)2030年土地利用情況，對高明區(qū)的土地利用變化趨勢特征進行了分析。研究發(fā)現2030年高明區(qū)的城鎮(zhèn)發(fā)展仍然維持在較高水平且城鎮(zhèn)發(fā)展與自然保護的矛盾有加劇的風險。其次，受到建設用地指標的限制，高明區(qū)采取包括土地整治、耕地補改等措施，補充建設用地指標，通過對歷史土地利用變化規(guī)律的總結和分析，發(fā)現耕地向建筑用地轉變和林地向耕地轉變是未來高明區(qū)土地利用轉變的主要方向。最后，通過分析土地利用變化的空間分布，發(fā)現城市周邊耕地的保護和偏遠鄉(xiāng)村周邊林地的開發(fā)是未來高明區(qū)土地利用監(jiān)管需要關注的重點，云勇國家森林公園、鹿洞山森林公園、皂幕山森林公園及其周邊林地有較大可能發(fā)生用地類型轉變，應納入重點巡查范圍，減少林地退化速率，合理統(tǒng)籌規(guī)劃建設用地，促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。