基于PLUS模型的重庆市南川区土地利用多情景模拟

谢向东,林孝松,王 莹,涂荣誉,张吉祥

(1.重庆交通大学 智慧城市学院,重庆 400074; 2.重庆交通大学 建筑与城市规划学院,重庆 400074)

1 研究背景

土地利用覆被变化是一个复杂的过程,受自然、社会、经济和技术条件的综合影响,显著改变区域乃至全球生态系统,甚至威胁人类社会可持续发展[1]。其研究主要集中在变化特征、驱动因子、动态演变、模型模拟、可持续利用等方面,而设置不同情景模拟土地利用变化是未来土地利用规划的基本依据,对实现区域社会-经济-生态和谐稳定具有重要意义[2]。

国内外学者针对土地利用模拟模型开展了大量研究,具有高精度和普适性的模型主要集中在CA-MarKov模型[3]、FLUS模型[4]和数值-非数值模型[5]等。其中CA-MarKov模型充分利用CA模型模拟复杂系统空间变化优势与MarKov模型长时间预测特点,既能提高数量预测精度,又能有效模拟空间变化[6];FLUS模型结合人工神经网络和轮盘赌机制,适用于多情景、多尺度和高精度复杂土地利用变化模拟[7];数值-非数值模型能反映各地类变化的复杂过程,如集成MAS与CA的城市扩张模拟和集成CLUE-S与系统动力学模型的绿洲LUCC模拟[8-10]。但利用上述模型模拟斑块尺度下不同土地利用类型的时空动态演变时尚存不足,难以解释各用地类型间的深层次关系。而斑块生成土地利用变化模拟模型(Patch-generating Land Use Simulation, PLUS),通过处理栅格数据生成斑块,集成土地扩张分析策略(LEAS)规则挖掘框架和多类型随机种子CA模型(CARS),有效解决了以上问题,且能获得比其他模型更高的模拟精度和更相似的土地利用格局[11]。自梁迅等[12]提出采用PLUS模型进行土地利用模拟后,国内外学者也相继开展了相关研究。Ferreira等[13]利用PLUS模型预测2050年和2070年葡萄牙西南部地区土地利用状况,以期为该地区未来生态修复提供参考;Zhai等[14]基于PLUS模型模拟2019年武汉市土地利用结构,结果显示,与真实状况较接近;蒋小芳等[15]以黑河流域中游甘临高地区为研究区,对比PLUS、FLUS、CLUE-S模型模拟土地利用效果,得出PLUS模型拟合效果最优。综上,本文选择具有更高精度、更快数据处理速度、良好适应性的PLUS模型作为土地利用模拟模型开展研究。

以重庆市南川区为研究区,借助动态度和转移矩阵定量分析2000—2020年土地利用时空特征,综合考虑地区社会经济条件、自然地理特点和交通路网情况遴选15个土地利用变化驱动因子,设置经济发展、生态保护和耕地保护3种情景,运用PLUS模型模拟2030年土地利用空间分布,对比分析3种情景模拟结果差异,以此为南川区合理配置土地资源、建设新城区提供借鉴。

2 研究区与研究数据

2.1 研究区概况

南川区位于重庆市南部,大娄山脉西北侧,属重庆主城都市区,介于106°54′E—107°27′E,28°46′N—29°30′N之间,总面积为2 602 km2,辖3个街道、29个镇、2个乡。地形以丘陵为主,整体呈东南向西北倾斜态势,海拔340～2 251 m,从湘渝高速公路分界,构成中山、低山两大主要地貌;气候属典型亚热带湿润季风气候,年均温16.6 ℃,年降水1 185 mm;大小河流56条,均属长江流域;2019年底有高速公路110 km,二、三、四级公路分别为454、262、2 969 km;2021年地区生产总值408.51亿元,较上一年度增幅8.7%,户籍人口68.18万人,常住人口57.31万人。

2.2 数据来源及处理

论文研究数据集包括研究区2000年、2010年和2020年土地利用数据以及构建PLUS模型所需的驱动因子。其中土地利用数据取自全球地表覆盖数据集(www.globallandcover.com),空间分辨率30 m;考虑土地利用变化受自然、社会、经济等方面影响[16],驱动因子结合研究区现实状况及数据定量性、可获取性、相关性原则,选取高程、坡度、坡向、年平均气温、年降水量、人口、国内生产总值(GDP)、到各级公路(二级、三级、四级、等外、高速)距离、到铁路距离、到区人民政府驻地距离、到河流距离等15个因子,通过ArcGIS平台预处理,一律重采样为30 m×30 m。社会经济、气象数据来源于中国科学院资源环境数据中心(www.resdc.cn);交通路网数据来源于OpenStreetMap(www.openstreetmap.org);地形高程数据来源于地理空间数据云(www.gscloud.cn)。

3 研究方法

3.1 动态度和转移矩阵

单一动态度用于计算某种地类在研究区一定时间范围内的数量变化情况,常用年变化率K表示;综合动态度(LC)表示研究区所有土地利用类型的年变化率[17]。计算公式为:

(1)

(2)

式中:Ua、Ub分别为研究初期、末期的各地类面积;T为研究时段;LU为研究区所有用地类型数量;ΔLUi-j为T时间内i类用地转为j类用地的数量绝对值。

转移矩阵(P)用于揭示各地类结构特征和类型间转化方向,可定量描述状态转移,并统计各地类转入和转出情况,能准确直观地表达土地利用类型变化[18],其表达式为

(3)

式中:A为地类面积;i和j分别为研究初期、末期地类;n为地类个数。

3.2 PLUS模型

PLUS模型集成土地扩张分析策略(LEAS)和多类型随机种子CA模型(CARS),弥补了现有CA模型在转换规则挖掘策略和土地利用动态变化模拟策略的不足,同时加入了未来规划政策对土地利用变化的影响和驱动作用[19]。该模型主要由基于MarKov模型的土地数量预测模块和基于改进CA模型的空间分布模拟模块组成。其中土地数量预测模块利用现有土地利用数据通过MarKov模型预测未来数量;空间分布模拟模块先利用LEAS基于现有土地利用数据获取各用地发展概率,再采用CARS联合土地利用成本矩阵、邻域权重以及现状、情景设置下土地利用数量进行综合分析,最终实现每类土地数量分配、获得土地利用模拟空间分布图。

3.2.1 土地数量预测

3.2.1.1情景设置

根据已有研究经验[20-23],并考虑南川区历史土地利用转移变化规律及规划政策,共设置经济发展、生态保护和耕地保护3种情景。其中经济发展情景:考虑《南川区城乡总体规划(2015—2035年)》中建设用地发展目标,在2010—2020年转移基础上假设耕地、林地、草地向建设用地转移增幅20%[20-21]。生态保护情景:《重庆市南川区生态环境保护“十四五”规划》提出目前生态环境保护成效并不稳固,应确保生态用地总量,在2010—2020年转移基础上设置林地、草地向建设用地转移降低50%,耕地向建设用地转移降低30%[22]。耕地保护情景:考虑2010—2020年耕地大幅流失态势及《南川区自然资源保护和利用“十四五”规划(2021—2025年)》,在2010—2020年转移基础上设置林地、草地向建设用地转移降低20%,耕地向建设用地转移降低60%[22-23]。

3.2.1.2 MarKov数量预测

根据南川区2010—2020年历史转移概率矩阵,按照经济发展、生态保护和耕地保护情景设置要求建立各自的转移概率矩阵,并预测研究区2030年在经济发展、生态保护和耕地保护3种模拟情景下各地类的数量,计算公式为

St+1=Stpij。

(4)

式中:St+1、St分别为t+1和t时刻的土地利用状态;pij为地类i转成地类j的转移矩阵。

3.2.2 空间分布模拟

3.2.2.1 基础参数设置

在基于改进CA模型的CARS模块模拟3种情景空间分布前,设置土地利用成本转移矩阵和邻域权重[24]。土地利用成本转移矩阵仅包括数字0和1,0代表不可转换,1代表允许转换。一般情况下,城市建设用地不易发生转换,林地在受保护的情况下不易发生转换。邻域权重意味各土地利用类型的扩张强度,辅助决策各土地利用类型产生的邻域效应。各土地利用类型的邻域权重值可以根据专家经验和一系列模型测试来确定,也可以根据各用地类型扩张面积的占比来计算,范围在[0,1]之内,值越大表示邻域影响越大、扩张能力越强。本文基于经济发展、生态保护和耕地保护情景,参考现有研究成果[25-26],结合研究区实际土地利用数量和现状空间分布,设定土地利用成本矩阵(表1)和邻域权重(表2)。

表2 南川区3种模拟情景下各地类邻域权重Table 2 Neighborhood weights of various categories under three simulation scenarios in Nanchuan District

3.2.2.2 土地利用类型空间分布概率

(1)单独增长概率。土地利用类型空间分布概率代表各地类的空间分布适宜性,借助PLUS模型以2010—2020年各用地扩张数据为基础,结合15个驱动因子,运用LEAS模块采用随机森林(RFC)算法获取各用地类型增长概率,其表达式为

(5)

(2)总体概率。基于CARS模块在各用地类型增长概率约束下,计算各用地类型总体概率,结合土地数量预测结果、土地利用成本转移矩阵和邻域权重,得到研究区2030年经济发展、生态保护和耕地保护情景下空间分布结果。其计算式为

(6)

4 结果与分析

4.1 土地利用变化特征及模型精度检验

4.1.1 南川区近20 a土地利用变化特征

根据2.1节所提方法借助ArcGIS平台获取研究区土地利用总体变化(表3)、面积转移矩阵(表4),可知研究区耕地和生态用地(林地、草地)占主体,2020年分别占比40.8、53.1%。总体上,耕地和草地均减少,但前者减少态势更明显,减少高达63.56 km2;水域和建设用地均增加,尤以后者增加显著,高达65.83 km2;建设用地变化最剧烈,动态度达52.86%;耕地转建设用地明显,5.3%的耕地转出为建设用地。空间上,研究区变化最显著土地利用类型为耕地和建设用地;建设用地扩张区主要集中在中、西南部,也是耕地和林地减少的区域,包括中心城区(东、西、南城街道)、水江和南平镇等;耕地与基础设施、居民点转换较快,建设用地整体呈现从区中心向周围乡镇扩张态势。近20 a,南川区社会经济逐渐迈向高速发展,城镇化率从2003年36.70%提升至2020年60.97%,基础设施、生活娱乐用地、各级公路等交通建设用地显著增加,基本符合南川区西进南扩的战略规划方向。

表3 南川区近20 a土地利用面积结构及动态变化Table 3 Land use area structure and dynamic changes in Nanchuan District in the past 20 years

表4 2000—2020年南川区土地利用面积转移矩阵Table 4 Transfer matrix of land use area in Nanchuan District from 2000 to 2020

4.1.2 PLUS模型精度检验

为检验构建的PLUS模型模拟精度,采用2010年土地利用数据,结合2020年实际每类土地利用数量,模拟2020年土地利用空间分布状况(图1),并将模拟结果与实际情况比较(表5)。数量上,各地类模拟与实际面积接近,误差均<5%,可知PLUS模型能较准确反映研究区土地利用需求。为进一步验证模型空间分配精度,将实际土地利用数据进行采样,构建2020年模拟与实际图像的混淆矩阵,计算总体精度和Kappa系数。由图1可见,PLUS模型模拟所得空间分布与实际分布具有较高相似度;由于研究区水域和建设用地基数较小,样本量选取相应较少,故空间分配时模拟精度相对较低,但整体上空间模拟精度较高,且检验计算得到研究区PLUS模型模拟总体精度为0.957,Kappa系数为0.938,研究精度达到模拟要求,PLUS模型适用于南川区土地利用空间分布模拟。

图1 南川区2020年模拟与实际土地利用空间对比Fig.1 Comparison between simulated and actual land use spaces in Nanchuan District in 2020

表5 南川区2020年模拟与实际误差分析Table 5 Error analysis of the simulation in Nanchuan District in 2020

4.2 南川区2030年3种情景土地利用模拟结果

将研究区2020年土地利用数据设为初值,根据3种情景面积预测结果、土地利用成本转移矩阵和邻域权重,运用PLUS模型CARS模块模拟获得研究区2030年土地利用模拟结果(图2)和预测面积(表6)。

图2 3种情景下南川区2030年土地利用模拟空间分布Fig.2 Simulated spatial distribution of land use in Nanchuan District in 2030 under three scenarios

表6 南川区2030年3种情景下土地利用预测面积Table 6 Predicted areas of different land use types in Nanchuan District under three scenarios in 2030

4.2.1 经济发展情景

在经济发展情景下,研究区建设用地面积将增加至137.43 km2,比2020年多64.46 km2,扩张区域沿着南川区中心向东、西、南城街道和乡镇蔓延,变化剧烈区域主要集中在东、西、南城街道,这与研究区地方经济发展状况有关,3个街道吸引人口向中心集聚能力强、交通基础设施完善、地势平坦,使得建设用地不断扩张,耕地大幅度减少,至2030年耕地面积将减少到980.68 km2,比2020年少78.16 km2。此外,至2030年水域面积将达到17.33 km2,比2020年多5.72 km2,其来源主要为生态用地,以林地和草地为主的生态用地将减少至1 340.96 km2。该情景下,耕地、生态用地减少加剧,建设用地大幅增长,严重威胁到研究区的耕地保护和生态建设。

4.2.2 生态保护情景

在生态保护情景下,研究区2030年林地和草地两类生态用地总面积达1 346.45 km2,与2020年相比减少32.88 km2,但与经济发展、耕地保护情景下比较,生态用地面积减少态势得到有效控制,减少速率变缓,建设用地挤占生态用地情况有所改善,生态用地面积分别小幅增加5.49和6.27 km2,增长区域大体分布于金佛山国家级自然保护区周围和研究区东北边缘。此外,与经济发展情景相比,耕地减少速率变缓,建设用地小幅降低。该情景下,虽然能有效减缓研究区基础设施等建设用地占用生态用地、一定程度限制建设用地扩张规模,但是对耕地的保护力度有限,不利于南川区粮食安全生产。

4.2.3 耕地保护情景

在耕地保护情景下,建设用地面积为98.29 km2,与前两种情景相比,扩张幅度最低,增长态势得到有效控制,但较2020年持续扩张,增加25.32 km2。至2030年耕地面积达1 019.11 km2,相比经济发展和生态保护情景,分别增长38.43、23.90 km2,增幅区域主要分布在南川区中心周围以及西北部地带。此外,生态用地面积较经济发展和生态保护情景相差不大,分别减少0.78、6.27 km2。该情景下,既能够有效控制耕地转其余地类的速率,促使耕地得到高效保护、粮食安全得到保障,又不会造成林地、草地两类生态用地大量流失以及建设用地停止扩张,同样有利于生态建设和经济发展。

4.2.4 3种情景对比分析

3种情景分别对应研究区不同发展导向,经济发展情景下,以加快建设同城化发展先行区、提升城市建设特别是基础设施建设为目标,较生态保护、耕地保护情景体现在研究区中心城区(东、西、南城街道)带动大观、水江、庆元等周围乡镇建设用地成集聚式扩张幅度更大;生态保护情景下,以稳固现有生态环境保护成效、加强生态保护修复力度为目标,较经济发展、耕地保护情景体现在金佛山国家级自然保护区及山王坪镇周围生态用地分布更紧密且被建设用地大幅挤占现象有所改善;耕地保护情景下,以落实耕地保护制度、强化粮食安全保障为目标,较经济发展、生态保护情景体现在研究区大观、水江、合溪等边缘乡镇耕地分布更集中、减少幅度更小,且生态用地流失幅度不大、建设用地大幅扩张态势得到有效控制。无论哪种情景,由于研究区城镇化进程推进及社会经济稳步向前,建设用地扩张不可避免。但综合对比各情景,耕地保护情景下南川区土地利用结构更合理,对南川区各地类的储备、资源合理配置具有重要意义。

5 讨论与结论

5.1 讨 论

随着成渝双城经济圈建设和重庆市“一区两群”协调发展战略推进,南川区如何满足在面临新发展机遇、城镇化进程稳步向前的同时保证粮食安全受到保障、生态环境宜居宜业的未来发展需求,亟需解决现状耕地大幅流失、建设用地急剧增长等问题,并考虑未来不同发展导向下各地类如何变化。土地利用变化是受多重因素影响的复杂动态过程,针对南川区利用模型开展土地利用模拟的研究较少,且已有研究[27]仅凭借历史土地利用进行分析并不能充分了解各地类演变机制,亦欠缺对不同发展导向下多重目标的考虑,而基于多情景下的土地利用模拟演化,对现状土地利用分析提供补充,不仅可根据区域经济优先、耕地保护及生态文明建设等发展目标模拟未来不同土地利用结构,还能为区域规划决策者提供多重视角。

本文在历史土地利用分析基础上,明晰研究区现实状况;基于PLUS模型,针对研究区未来城市建设特点,将各级道路对土地利用变化的影响差异考虑在内,并结合各情景控制转化速率,可较客观准确的模拟研究区未来土地利用结构,满足研究区今后不同发展需要。虽然研究结果较好体现了不同情景下区域土地利用空间格局差异,但还存在以下不足:

(1)PLUS模型参数设置问题。土地利用成本转移矩阵、邻域权重结合研究区现状土地利用结构、前人研究经验,通过不断调试确定,有一定主观性,未来应深入研究其定量化方法。

(2)驱动因子的差异性问题。针对3种情景选取的是统一驱动因子,未考虑不同情景下发展侧重,是否差别选取还需要进一步探讨。

5.2 结 论

考虑历史土地利用变化规律,基于PLUS模型对南川区2030年3种情景土地利用格局进行模拟和对比,结论如下:

(1)2000—2020年近20 a,南川区建设用地增加65.83 km2,但耕地和生态用地减少高达63.56、8.35 km2,需在经济快速发展的同时,强化耕地和生态用地的保护。

(2)南川区2020年土地利用模拟结果检验Kappa系数和总体精度为0.938、0.957,PLUS模型模拟精度较高,可用于土地利用多情景模拟。

(3)从多情景模拟结果看,经济发展情景建设用地沿中心城区空间集聚效应最大,但生态用地、耕地较其余2种情景大幅流失;生态保护情景生态用地空间分布最紧密,但较耕地保护情景对耕地的保护力度有限;耕地保护情景在耕地受到保护的前提下,生态用地挤占现象同时得以控制,且与生态保护情景相差仅6.27 km2,表征经济发展的建设用地空间增幅明显小于其余2种情景,但这也对建设用地节约集约利用提出更高要求。综合对比,耕地保护情景是南川区今后社会发展的最优情景,可为南川区决策者规划未来可持续发展格局提供参考。

(4)随着社会经济发展及城镇化进程推进,建设用地扩张趋势势不可挡,但无序扩张会严重威胁到区域生态与粮食安全。《南川区城乡总体规划(2015—2035年)》《重庆市南川区生态环境保护“十四五”规划》《南川区自然资源保护和利用“十四五”规划(2021—2025年)》均提出优化建设用地规模管理,但不同规划导向下侧重有所差异,导致各土地利用类型建设不均衡,同时也反映出发展与保护之间矛盾仍然存在、规划政策之间的衔接还有待加强。在未来发展中,南川区需妥善处理不同规划政策之间的联系与衔接,综合各规划政策影响,寻找发展与保护均衡点,同时参考耕地保护情景模拟结果,合理控制中心城区(东、西、南城街道)及水江、庆元等周围乡镇建设用地增长,提高基础设施用地空间集约利用效率,有针对性地落实城区周边及大观、合溪等边缘乡镇耕地保护政策、强化金佛山国家级自然保护区及山王坪镇周围生态用地保护修复措施,筑牢3个街道及各乡镇生态与粮食安全屏障,以达到南川区土地资源高效利用,经济发展-耕地保护-生态建设并行的协调发展格局。