基于PLUS模型的多情景土地利用格局演变模拟研究

吴觉妹，王莉雯

(辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029)

城市化进程加速发展使得土地的空间结构发生变化，大量的农业用地转为人造地表用地。随着土地资源的不断滥用，城市环境逐渐恶化。通过土地利用/覆盖变化(LUCC)的模拟与预测，对分析城市土地利用时空演变的内部机制、合理优化城市的空间结构具有重要意义。土地利用/覆盖变化提出后，许多学者对此做了诸多研究，动态变化模型在近几年逐渐成为研究土地利用/覆被变化的重要手段之一[1]。元胞自动机(CA)概念是在20世纪40、50年代由Ulam 和 Neumann在进行流体运动研究中提出的，是可以进行模拟时空演变的网格动力学模型[2]。到了20世纪80、90年代，Tobler将元胞自动机与地理学结合起来应用于地理模拟，首次运用CA模型来模拟城市未来发展变化情况[3]。随着研究的不断深入，CA模型被广泛地应用于地理学的诸多领域，如土地利用及土地覆盖演变、城市形态、城市扩展等领域。近年来土地利用模拟研究变得更加成熟，目前主要采用的模拟模型有ANN-CA[3]、FLUS[4-5]、CA-Markov[6]、CLUE-S[7-9]、GeoSOS[10]以及系统动力学模型[11]等，然而传统的模型缺乏剖析土地利用变化的机理能力以及对多类土地利用类型的模拟较差。

本文采用斑块土地利用变化模拟(PLUS)模型模拟未来土地利用空间格局，该模型与传统模型相比，具有模拟多类土地利用类型的变化能力以及能够更好地挖掘土地利用变化内部机理的优势。PLUS模型是一种非线性的动态变化模拟模型，其运行速度快、模拟精度高，可以描述一定时间间隔内的土地利用变化情况。本文旨于研究太原市土地利用时空演变，运用PLUS模型在三种不同的情景下预测太原市未来2030年的土地利用发展趋势，为政策规划管理者、决策者提供参考依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

本研究选取太原市为研究区域，太原市位于(111°30′～113°09′ E, 37°27′～38°25′ N)山西省的中央位置(图1)，总面积约为6 959 km2。全市管辖1个县级市、3个县、6个市辖区。属于温带季风性气候，其气候条件与所在地形特征有着密切的关系，太原市东、北、西三面环山，中、南部与河谷平原接壤，地势呈现北高南低的趋势。太原市自然资源丰富，特别是矿产资源。但随着城市的快速推进，出现自然资源匮乏、生态环境质量下降等问题。土地利用变化模拟的研究对未来土地资源管理具有重要引导作用。

图1 太原市示意图

1.2 数据来源

本研究涉及到的数据主要包括土地利用数据、气候与环境数据、社会经济数据等，其中土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据共享中心(https://www.resdc.cn/)，该数据精度达95%以上。主要分为6大用地类型，即耕地、林地、草地、水体、建设用地、未利用地；土壤数据来源于中国科学院南京土壤研究所高以新、李锦等编制，其对照联合国粮农组织(FAO)土壤分类体系，经转换编辑而成。其他数据来源如表1所示。为了后续数据处理，将所有栅格数据的坐标系统一及空间分辨率为30m×30m,且通过ArcGIS欧式距离计算得出11个土地利用驱动因子数据集。

表1 数据来源信息表

2 研究方法

2.1 标准差椭圆方法

标准差椭圆是分析土地利用空间格局最常用的方法之一，它能够揭示各土地利用类型的空间分布特征。当椭圆的面积越大时，则表明该土地利用类型在空间分布上就越分散，反之则表明越集中，椭圆中心即平均中心，通过分析重心迁移方向来分析研究区土地利用类型在空间分布上的方向变化趋势。一般采用中心性、空间形态、方向性、展布性等特征来表达在空间格局上的土地利用类型分布特征。

2.2 PLUS模型

目前使用非线性模型进行土地利用变化模拟研究较少。PLUS模型是由HPSCIL实验室开发的斑块土地利用变化模拟模型，是一种可以模拟未来土地利用变化的模型。该模型将土地扩张的分析策略(Land Expansion Analysis Strategy, LEAS)和基于多类随机斑块种子(Cellular Automata Model Based on Muiti-type Random Patch Seeds, CARS)的元胞自动机(CA)模型相结合,与传统模型相比，该模型的优势在于可以更好地模拟土地利用类型的具体变化情况以及能够挖掘土地利用变化的驱动力因素。

PLUS模型在CARS模块中使用了基于阈值逐渐下降的机制来执行土地利用的模拟，当单个土地利用类型的领域效应为0时，在该机制下会产生“种子”到各种土地利用类型的发展概率面上，在此约束之下，自动生成土地利用/土地覆盖时空动态模拟斑块结果[12-13]。公式如下：

(1)

该模型还利用阈值逐渐下降的机制来控制土地利用斑块的自发增长，即如果新产生的土地利用类型在一轮竞争中获胜，则使用逐渐下降的阈值τ来确定在轮盘赌中的候选土地利用类型c，公式如下：

(2)

(3)

式中：Step是土地利用模拟所需的步长，δ为0-1范围内的衰减因子，r为0-2范围内的随机值，均值为1，η为衰减的步数，TMk,c表示是否允许土地利用类型k转换为土地利用类型c的转换矩阵。

不同区域，其发展需求不同，满足区域发展需求是编制国土空间规划的关键，进行未来的土地利用空间模拟预测，为城市管理者和规划者提供前瞻性的科学理论参考依据。本研究设置了3种不同情景来模拟2030年太原市的土地利用空间格局。

情景一，自然发展情景：基于太原市2000—2020年的土地利用变化，根据目前土地利用空间演变规律，不设定任何政策的影响下进行土地利用模拟。该情景是其他情景约束条件设定的基础。

情景二，生态保护情景：该情景设置是在自然发展情景下加入生态安全保护约束因素，主要目的在于保护生态环境，通过控制现有自然生态用地的随意转化，将林地、草地向建设用地的转化概率降低50%，耕地向建设用地的转移概率降低30%，耕地、草地向林地转移概率提高30%。在保护生态环境的基础上进行模拟，防止城市化进程中的不良开发对生态环境造成破坏，生态安全保护情景能够促进生态保护与经济建设协调发展，对促进城市国土空间的高质量发展具有重要作用。

情景三，经济建设情景：本研究设置经济建设情景，在自然情景的基础上将耕地、林地、草地向建设用地转移概率增加20%，建设用地向除了耕地以外的用地类型转移概率降低30%。

2.3 模拟精度验证

为了验证模拟准确度，采用Kappa系数进行检验。Kappa系数是进行模拟验证的常用方法之一，能够对所使用的土地利用数据模拟的结果进行检测分析，揭示数据及模拟结果的可行性和可靠性。本研究结合太原市实际情况选取高程、坡度、年降水量、年平均温度、土壤类型、GDP、人口密度、与城市道路距离、与河流水系距离、与政府距离、与最近铁路距离11个驱动因子，利用LEAS模块生成的适宜性图集为土地利用发展潜力，在CARS模块中输入土地利用需求，转移矩阵以及领域权重参数，通过混淆矩阵验证模拟结果(图2)，结果显示Kappa系数为0.94，表明PLUS模型模拟精度较好，可以较为准确地反映该研究区域的土地利用变化情况。

图2 2020年太原市土地利用情况与土地利用模拟结果示意图

3 结果与分析

3.1 土地利用时空特征分析

图3为太原市2000—2020年实际土地利用情况图，利用Excel进行数据可视化处理得到2000—2020年太原市土地利用类型面积占比及单一地类动态度见表2。太原市土地利用类型以耕地、林地、草地为主，占总用地面积百分比80%以上，其中林地的斑块面积占比最大，至2020年占用地总面积的35.02%。2000—2020年间，建设用地面积持续增加，至2020年面积增加338.56km2，说明这20年太原经济发展迅速；相反，耕地、草地面积持续减少，至2020年分别减少了275.61km2、145.83km2；林地则呈先增后减，但总体来看2000—2020年间林地新增98.04km2。利用单一土地利用动态度能够清楚地看出土地利用变化速率，2000—2020年间，建设用地的变化速度最快，平均每年增加8.41%，其次为未利用地，年变化率为4.36%，变化率最小的为水体，平均每年减少1.54%。

图3 太原市土地利用情况图

表2 2000—2020年太原市土地类型面积占比及单一土地利用动态度

为了更加明确太原市主要土地利用类型空间分布及方向变化趋势，采用标准差椭圆的方法得到2000—2020年主要土地利用类型标准差椭圆分布及重心移动如图4所示。从标准差椭圆的面积变化率来看，2000—2020年太原市主要土地利用类型中，建设用地的椭圆面积变大说明太原市建设用地趋于分散分布，主要分布在地势低的区域；耕地、林地以及草地的椭圆面积变小，表明用地类型趋于集中分布。从椭圆重心迁移方向来看，建设用地椭圆重心变化最为明显，呈现东南-西北方向的移动趋势，重心变化的总轨迹长度高达7.48 km；其次是耕地，呈现西南(略偏西)方向的移动趋势，重心变化的总轨迹长度为6.91 km；林地总体呈现北-西方向迁移，重心变化总轨迹长度达3.99 km；草地的重心迁移相对较小，呈现向西北方向移动趋势，重心变化总轨迹长度达1.27 km。

图4 2000—2020年主要土地利用类型标准差椭圆分布及重心移动图

3.2 不同情景下土地利用时空演变模拟

以2020年太原市实际土地利用为初始值，在三种不同情景下进行土地利用的模拟，预测2030年太原市土地利用空间格局，如图5所示。图6为 2030年太原市不同情景下土地利用面积变化对比图。在模拟的过程中模型会自动择选出最优的参数集来进行土地利用的模拟，三种情景下的主要土地利用类型仍以耕地、林地、草地为主。

图5 2030年不同情景下太原市土地利用空间分布图

自然发展情景在持续2000—2020年土地利用的发展规律下，耕地面积总体减少的幅度相较于其他土地利用类型较为明显，到了2030年耕地面积减少量为94 km2；其次为林地，总体面积减少35.45km2；相比之下，建设用地上升幅度较大，总面积由2020年的741.28km2增长至2030年的801.01km2。

生态保护情景注重生态环境的保护。林地、草地是防止流域水土流失，土地沙漠化的重要生态用地，可以看出在约束生态环境用地的随意转换情景下，林地和草地两种生态用地面积占比相比于其他情景，占比最大，建设用地增长的幅度相较于其他两个情景略微下降。

经济建设情景下，2020—2030年建设用地面积增长86.03km2，说明在此情景下太原市城市化进程加速运转。在城市的快速扩张之下会导致其他用地的不断减少，未来在进行城市经济建设发展的同时，要着重注意土地利用之间的良性转化，在保证生态安全的前提之下进行土地良性开发。

图6 2030年太原市不同情景下土地利用面积占比图

4 结论与讨论

4.1 结论

以太原市为研究对象，采用标准差椭圆方法分析2000年、2010年、2020年土地利用时空特征，并采用 PLUS模型以2020年的土地利用为初始值数据，模拟预测3种不同情景下的2030年土地利用空间分布情况。结果表明：

(1)2000-2020年间，太原市的土地利用类别中林地面积占比最大，约占总体面积的35.02%，其次为耕地、草地，约占总体面积的27.36%、25.79%，建设用地约占10.74%。该阶段耕地面积持续减少，至2020年耕地减少至275.61km2，并趋于集中分布，呈现西南(略偏西)方向迁移。相反，建设用地面积持续增加，至2020年建设用地面积增加了338.56km2，并且趋于分散分布，呈现东南-西北方向移动趋势。

(2)太原市未来2030年主要土地利用类型仍旧以耕地、林地、草地为主，三种地类的斑块面积占总体斑块面积高达80%以上。在自然发展和经济建设情景下，城市用地面积都呈现出不同程度的增长幅度，其中自然发展情景城市用地面积增加59.73km2，而经济建设情景城市用地面积增加相比自然发展情景较高，增加了86.03km2。在生态保护情景下，林地、草地生态用地面积增加，城市用地的增长幅度下降。

4.2 讨论

根据《太原市“十四五”融入国家区域发展战略规划》太忻一体化经济区已上升至国家战略，并提出在2035年再现“锦绣太原城”。因此，对太原市土地利用的多情景模拟研究，将为未来城市发展提供科学参考依据。本研究采用PLUS模型预测未来太原市土地利用变化空间演变情况，由于土地利用变化过程的内部机制极其复杂，会受到诸如自然资源、社会经济、政策等多重因素的影响，所以本研究尚有一些不足之处，驱动因子的数量及种类的全面性有所欠缺，且尚未考虑到其他重要政策的影响如生态保护红线、基本农田保护等，预测精度会有所偏差，这些不足需要在未来研究中进一步探索。