基于PLUS的佛山市高明区土地利用模拟及变化特征分析

夏义雄，康停军，周剑锋

(佛山市测绘地理信息研究院，广东 佛山 528000)

1 引 言

土地利用/土地覆盖变化(land use/land cover change，LUCC)是评估区域环境变化和可持续发展的重要组成部分[1]，模拟和预测土地利用变化机制和规律对区域合理开发利用土地资源，提高土地开发效能，促进区域可持续发展具有重要意义[2]。

目前模拟土地利用变化模型主要有系统动力学模型(SD)、CLUE-S、人工神经网络、元胞自动机(CA)等模型。CA模型对复杂地理过程具有较好的模拟和预测能力[3～5]，近年来，许多学者通过引入多元影响因素对模型进行优化，提出了Logistics-CA[6]，FLUS[7]，PLUS[8]等多种模型，其中PLUS模型以斑块作为演变单元分析多种土地利用类型变化的潜在驱动因素，能更准确、真实地模拟土地利用变化的情况[8]。

佛山市高明区作为粤港澳大湾区向西发展的枢纽和自然资源保护重点区域。伴随珠三角枢纽(广州新)机场预计近期(2035年)建设，高明区将迎来巨大的发展机遇，如何协调好城镇的快速发展与自然资源保护的关系，成为高明区高质量发展的重要命题。本研究拟利用PLUS模型对高明区2030年土地利用情况进行模拟并分析土地利用变化特征，为城市资源利用管理、城市可持续化建设提供科学理论依据。

2 研究区概况

选取广东省佛山市高明区作为研究区，高明区地处佛山市西部，位于东经112°22′34″～112°55′06″，北纬22°38′46″～23°01′05″。高明区占地面积 937.81 km2，森林覆盖率高达51.17%，内部有云勇国家森林公园、凌云山森林公园、桫椤自然保护区等多处城市重要绿地林地。高明区不仅在佛山市生态环境保护中起重要作用，还是未来珠三角核心区向外辐射的重要枢纽，珠三角新干线机场、广湛高铁、珠江肇高铁、肇顺南城际、佛肇高速等一系列重大交通项目的建设也为高明区建设区域性综合枢纽和提升城市能级提供了新的可能。

3 数据和方法

3.1 数据

收集了2010年、2015年和2020年三期高明区土地利用数据，包含建筑用地、耕地、林地、草地、水体等6种土地利用类型，数据来源为CLCD30M土地利用分类数据(CLCD数据下载地址：https：//zenodo.org/record/5210928)。为有效反映研究区的土地利用发展规律、社会经济情况和地理条件，收集了地形、人口、GDP、交通、气候、降水等12类土地利用变化驱动因素数据。考虑到自然环境保护和生态红线等政策影响，还收集了高明区“三区三线”数据，用以控制城市扩张边界。

3.2 研究框架与方法

结合高明区历史土地利用数据、土地利用变化驱动因素和Markov模型预测的土地利用目标，基于PLUS模型对高明区土地利用情况进行模拟。通过KAPPA系数和OA指标验证PLUS模型精度，并对2030年土地利用情况进行预测，分析了2020年～2030年高明区土地利用变化特征。研究流程如图1所示。

图1 研究流程图

(1)PLUS土地利用模拟模型

PLUS模型是一种基于栅格的斑块生成土地利用模拟模型[8]。PLUS模型通过获取土地利用类型变化与驱动因素之间的关系，挖掘土地利用类型转化规则，使用带有随机种子的CA模型控制新的土地利用斑块生成。PLUS模型相较于其他土地利用模拟模型使用了全新的土地利用转化规则挖掘策略，重点关注土地利用转化结果忽略其来源，降低了分析土地利用变化规则的复杂度，对真实土地利用情况具有更好的模拟和仿真能力。

(2)Markov模型

Markov模型已普遍运用于土地利用演变和模拟研究中[5，6]。根据Markov模型随机过程原理，在土地利用的演变过程中，某时期的土地利用状态只与其前一时期的土地利用类别和土地利用类型扩展概率有关。因此，某一时刻的土地利用状态可以用如下方法进行预测：

LULCt+1=LULCt×Pij

(1)

其中，LULCt+1表示t+1时刻的土地利用状态，Pij表示每类土地利用类型的扩展概率。

(2)

上式中：0≤Pij≤1；i，j为土地利用类型。

4 结果

4.1 土地利用模拟结果

利用高明区2010年和2015年两期的数据对不同限制条件和驱动因素的2020年土地利用情况进行了模拟和精度验证，所得结果KAPPA系数为0.85，OA为0.91，各项精度指标均表明PLUS模型能有效提取和模拟高明区土地利用变化规律。

利用PLUS模型对2030年高明区土地利用情况进行预测，结果如图2所示。从整体上看，2030年高明区土地利用占比呈现林地>耕地>建筑用地>水体>草地>裸地，与2020年区域格局基本保持一致。

图2 高明区2020年、2030年土地利用情况

通过预测结果与2020年的各类型土地的数据对比如表1所示，按照现有自然资源条件和社会发展政策保持不变的情况下，高明区未来土地利用变化呈现“两减两增”的特点。2020年-2030年增长最多的为耕地，比2020年增长了 7.48 km2，减少最多的为林地，比2020年减少了 9.19 km2，建筑用地增长了 4.88 km2，水体减少了 3.09 km2，草地和裸地的面积基本未发生变化。

表1 高明区2020年与2030年各类型土地利用面积对比(km2)

4.2 土地利用变化特征分析

通过土地利用类型转移矩阵如表2所示，可以定量分析各土地利用类型的变化。从表中数据可以看出高明区土地利用类型转变具有林地转耕地，耕地转建筑用地的特征，发生用地类型变化的林地中有94.74%转变为耕地，发生用地类型变化的耕地中有83.78%的转变为建筑用地，上述两种类型用地的转变在所有用地类型转变中占比超过70%。这种土地利用变化特征说明高明区仍处于城市发展高速建设期，需要更多的建筑用地满足城市发展所带来的基础设施、住房等需求，耕地面积的持续增加则表明高明区持续实施用地整理和耕地保护政策取得了较好成效。

表2 高明区2020年、2030年各类型土地利用面积对比(km2)

通过土地利用变化空间分布图(图3)可知，耕地转变的区域主要出现在高明区东部的高明河与高明大道周边，也是高明区城市扩张的主要区域。林地转耕地主要出现在高明区中部的苗村、新村和横坑村等较为偏远乡村，紧邻云勇国家森林公园、鹿洞山森林公园、皂幕山森林公园。土地利用类型转变特征与空间分布表明高明区以耕地补改措施作为桥梁，增加建筑用地指标以解决建设用地指标不足对城市发展的制约，形成了城市扩张区周边以耕地转变为建筑用地，偏远乡村周边以林地转变为耕地的用地变化特征。

图3 高明区土地利用变化空间分布图

5 结 论

通过收集佛山市高明区2010年、2015年和2020年三期土地利用数据，基于PLUS模型模拟高明区2030年土地利用情况，对高明区的土地利用变化趋势特征进行了分析。研究发现2030年高明区的城镇发展仍然维持在较高水平且城镇发展与自然保护的矛盾有加剧的风险。其次，受到建设用地指标的限制，高明区采取包括土地整治、耕地补改等措施，补充建设用地指标，通过对历史土地利用变化规律的总结和分析，发现耕地向建筑用地转变和林地向耕地转变是未来高明区土地利用转变的主要方向。最后，通过分析土地利用变化的空间分布，发现城市周边耕地的保护和偏远乡村周边林地的开发是未来高明区土地利用监管需要关注的重点，云勇国家森林公园、鹿洞山森林公园、皂幕山森林公园及其周边林地有较大可能发生用地类型转变，应纳入重点巡查范围，减少林地退化速率，合理统筹规划建设用地，促进区域可持续发展。