基于FLUS模型的舟曲縣土地利用變化模擬研究

郝天樂(lè) 王昱之

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的步伐加快，城市和鄉(xiāng)村的用地結(jié)構(gòu)也隨之改變。然而城市化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致大量的土地、林地、草地、水域等自然生態(tài)資源正逐步被城市建設(shè)用地取代。這一變化給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大的沖擊。因此，土地利用∕覆蓋變化（land use∕cover change，LUCC）逐漸成為土地資源利用研究的熱點(diǎn)課題［1］。

當(dāng)前在土地利用時(shí)空變化研究領(lǐng)域，常用的方法有轉(zhuǎn)移矩陣模型、CLUE-S 模型、CA-Markov 模型、FLUS 模型和重力模型等［2］。FLUS 模型相較于其他模型，在模擬精度方面表現(xiàn)出色［3］。黎夏等［4］將地理模擬和空間優(yōu)化模型進(jìn)行耦合，建立了地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)GeoSOS 軟件，為城市化地區(qū)的空間管制、土地利用等方面的引導(dǎo)、調(diào)控和優(yōu)化提供了技術(shù)支撐平臺(tái)。譚遠(yuǎn)等［5］研究分析了廣州市土地利用的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)城市發(fā)展呈現(xiàn)不平衡趨勢(shì)。郭麗英等［6］利用重力模型研究環(huán)渤海區(qū)域耕地重心的變化，反映了城市化背景下耕地減少和空間收縮等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。王芳莉［7］通過(guò)FLUS 模型對(duì)隴南市2026年土地利用進(jìn)行模擬，研究了土地利用變化規(guī)律和空間分布特征，以探索驅(qū)動(dòng)這些變化的因素，并促進(jìn)土地資源的有效利用。趙林峰等［8］利用FLUS模型預(yù)測(cè)了珠三角地區(qū)2025—2045年的土地利用情況，為未來(lái)城市擴(kuò)張?zhí)峁┝祟A(yù)警?？偟膩?lái)說(shuō)，F(xiàn)LUS模型成熟可靠，能夠準(zhǔn)確揭示城市化背景下生態(tài)用地的變化特征。基于此，本研究以甘肅省舟曲縣為研究區(qū)域，對(duì)舟曲縣2020年的土地現(xiàn)狀進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，并以此為基礎(chǔ)模擬其2035年土地變化趨勢(shì)，可為舟曲縣及其他地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

舟曲縣位于甘肅省甘南藏族自治州，地處甘川兩省交界地區(qū)，總面積約為3 015 km2。白龍江、拱壩河和博峪河等重要河流貫穿舟曲縣，形成了獨(dú)特的高山峽谷地貌［9］。目前舟曲縣轄區(qū)內(nèi)共計(jì)15 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)208 個(gè)行政村，2022 年年末總?cè)丝冢ǔＷ∪丝冢?2.536 7萬(wàn)人。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于舟曲縣年鑒，土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)（https:∕∕www.shengshixian.com∕），驅(qū)動(dòng)因子根據(jù)研究?jī)?nèi)容結(jié)合實(shí)際選取，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(resdc.cn)。

3 研究方法

3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠定量反映不同時(shí)期各地類的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移變化情況［10］，其表達(dá)式為式（1）。

式中，Sij表示為i類土地轉(zhuǎn)換成j類土地的面積；n為土地利用類型的數(shù)量；S矩陣的每一行代表當(dāng)前時(shí)刻的土地利用類型，每一列代表下一時(shí)刻的土地利用類型。

3.2 FLUS時(shí)空模擬模型

FLUS 模型（Fuzzy Logic for Urban Studies，F(xiàn)LUS）是一種基于模糊邏輯的城市發(fā)展模型，主要用于預(yù)測(cè)城市的土地利用變化和人口分布變化[11]。通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模塊，可以將空間相關(guān)因子（如社會(huì)和自然）融合到CA模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種空間因素之間的動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而更好地解決復(fù)雜的空間變換問(wèn)題。

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用變化

舟曲縣土地利用面積及占比見(jiàn)表1，土地利用情況如圖1 所示。由表1 和圖1 可知，2000—2020年舟曲縣三期土地利用類型的面積和比例呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)：林地占總土地利用面積的絕大部分，占比為62%左右，草地占總土地利用面積的22.5%左右，建設(shè)用地占總土地利用面積的0.3%左右。

圖1 舟曲縣2000、2010、2020年土地利用情況

表1 舟曲縣土地利用面積及占比

4.1.1 土地利用面積及動(dòng)態(tài)變化分析。舟曲縣土地利用變化情況見(jiàn)表2、土地利用動(dòng)態(tài)度見(jiàn)表3。2000—2010年，耕地、林地及未利用地總面積均呈顯著上升趨勢(shì)，其中，未利用地的面積更高，增加了15.89 km2，而草地的總面積減少了25.17 km2，成為生態(tài)系統(tǒng)中退化程度最高的用地，緊隨之后的是建設(shè)用地，減少了1.79 km2。

表2 舟曲縣土地利用變化情況單位：km2

表3 舟曲縣土地利用動(dòng)態(tài)度單位:%

2010—2020 年，耕地、草地面積分別增加10.38 km2和10.84 km2，增幅超過(guò)前10 年的總和，說(shuō)明近年來(lái)舟曲縣大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)并取得了明顯的成效，城市產(chǎn)業(yè)的總體發(fā)展趨勢(shì)由畜牧業(yè)主導(dǎo)逐步過(guò)渡到種植加工類主導(dǎo)。2000—2010 年和2010—2020 年的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度分別為0.12%和0.16%，減少了0.04%，這表明后10 年土地利用強(qiáng)度較前10年明顯減弱。

4.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移變化分析。通過(guò)對(duì)舟曲縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見(jiàn)表4、表5）的分析，可以發(fā)現(xiàn)2000—2020 年，草地、水域和建設(shè)用地的面積均有所減少，其中草地減少了25.17 km2，水域減少了0.03 km2，建設(shè)用地減少了1.79 km2，總計(jì)減少了約26.99 km2。這三類減少的用地分別流向了耕地、林地和未利用地，共計(jì)增加了約27.02 km2。其中草地轉(zhuǎn)移為耕地面積最多，占轉(zhuǎn)移總面積的1.59%。2010—2020 年，林地、水域、建設(shè)用地及未利用地的總面積減少了21.21 km2，而這些減少的土地被轉(zhuǎn)移到了耕地和草地，其中前者的面積減少了10.38 km2，后者的面積則增加了21.22 km2。舟曲縣受制于獨(dú)特的地理環(huán)境及發(fā)生過(guò)的特大地質(zhì)災(zāi)害的影響，城市建設(shè)用地增長(zhǎng)較緩，2010—2020 年只減少了5.27 km2。同時(shí)期耕地和草地面積大幅增加，進(jìn)一步推動(dòng)了舟曲縣城近年來(lái)的生態(tài)文明建設(shè)。

表4 舟曲縣2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣單位：km2

表5 舟曲縣2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣單位：km2

4.2 基于FLUS模型的2035年土地利用模擬

4.2.1 驅(qū)動(dòng)因子的選取分析。土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化是由于自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多重因素在不同時(shí)空范圍內(nèi)的相互作用所導(dǎo)致的。這種相互的作用會(huì)對(duì)土地利用類型產(chǎn)生不同程度的影響，導(dǎo)致土地從一種利用類型向另一種利用類型轉(zhuǎn)化。本研究以數(shù)據(jù)可獲取性、準(zhǔn)確性和完整性為原則，選擇DEM、坡度和坡向等地形要素為主要影響因素。同時(shí)，從交通區(qū)位角度出發(fā)，以與河流、公路、鐵路等交通要素的距離為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)層面，主要是以人口規(guī)模和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值為指標(biāo)。最終選取了12種舟曲縣土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子。

4.2.2 精度驗(yàn)證及模擬預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)舟曲縣2000年土地利用數(shù)據(jù)的分析和處理，成功獲取了訓(xùn)練樣本，并通過(guò)輸入自然、交通區(qū)位、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等驅(qū)動(dòng)因子生成了2010 年和2020 年土地利用變化的適宜性概率圖集，如圖2 所示。結(jié)果表明，在模擬預(yù)測(cè)方面，F(xiàn)LUS 模型在舟曲縣的土地利用變化預(yù)測(cè)中取得了較為理想的效果。通過(guò)設(shè)計(jì)適宜性矩陣和對(duì)2020 年的實(shí)時(shí)土地狀況的深入研究，成功繪制出2020 年的土地利用預(yù)測(cè)圖，如圖2（a）所示。其中的數(shù)據(jù)與預(yù)期的結(jié)果非常接近，大大提升了預(yù)期的準(zhǔn)確性。通過(guò)GeoSOS-FLUS 軟件的精度驗(yàn)證，Kappa 系數(shù)的表現(xiàn)出色，其總體精度達(dá)到了97.872%，Kappa系數(shù)0.985，這一突出的結(jié)果彰顯出FLUS模型在土地利用預(yù)測(cè)方面的準(zhǔn)確性和可靠靠性。

圖2 2020—2035年土地利用預(yù)測(cè)模擬和土地利用類型

通過(guò)分析2020 年的土地利用數(shù)據(jù)及2010—2020 年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見(jiàn)表5），使用Markov模型［12］估算了舟曲縣2035 年的土地使用面積。結(jié)合GeoSOS-FLUS 軟件來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的土地使用情況，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2（c）所示，未來(lái)15 年內(nèi)，舟曲縣的建設(shè)用地面積將會(huì)繼續(xù)增加，但增速會(huì)略微放慢。

5 結(jié)論與討論

經(jīng)過(guò)GeoSOS-FLUS 的模擬，發(fā)現(xiàn)舟曲縣在2000年、2010年和2020年的用地格局有明顯變化，并且根據(jù)所選取的驅(qū)動(dòng)力因子，可以更好地預(yù)測(cè)到舟曲縣2035 年的土地利用格局發(fā)展趨勢(shì)，具體結(jié)論如下。

①2000—2020年，舟曲縣耕地、林地、草地有不同程度的下降，但水體和未利用地，總體維持不變。同時(shí)，舟曲縣受制于特殊的地理環(huán)境，城鎮(zhèn)化發(fā)展較緩慢，耕地、林地和未利用地都不同程度地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，建設(shè)用地面積小幅度增加。

②通過(guò)GeoSOS-FLUS 軟件，選取了12 種主要的驅(qū)動(dòng)因子，包括自然資源、交通區(qū)位和社會(huì)文化三種因素，并將2010 年的土地利用狀況作為比較基礎(chǔ)，制作出適宜性概率圖集，以此來(lái)對(duì)2020 年的土地利用模式進(jìn)行了預(yù)測(cè)，最終得出這個(gè)模型的模擬準(zhǔn)確率為97.872%, Kappa 系數(shù)為0.985，達(dá)到了預(yù)期的精度要求，為舟曲縣未來(lái)15 年的土地使用變化提供了可靠的預(yù)測(cè)分析依據(jù)。

③基于2010—2020 年土地利用數(shù)據(jù)，利用FLUS 模型預(yù)測(cè)舟曲縣2035 年土地利用情況，從預(yù)測(cè)結(jié)果的情況來(lái)看，舟曲縣的建設(shè)用地仍在持續(xù)增加，但是增加幅度很小，耕地、草地和未使用地都在一定程度上轉(zhuǎn)變成了建設(shè)用地，造成了這三種土地類型面積的下降。

本研究通過(guò)綜合分析舟曲縣土地利用變化趨勢(shì)，揭示了該地區(qū)在過(guò)去20 年及未來(lái)15 年的土地利用演變情況?？梢钥闯鲋矍h土地利用變化總體呈現(xiàn)出建設(shè)用地小范圍擴(kuò)張、生態(tài)用地和農(nóng)用地波動(dòng)變化的規(guī)律，這符合舟曲縣退耕還林，建設(shè)生態(tài)文明的方針。同時(shí)，2000—2010 年，舟曲縣的城鎮(zhèn)化使當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境受到影響，生產(chǎn)空間的縮小，因此，在未來(lái)的城市規(guī)劃中，必須充分考慮不同土地利用類型之間的關(guān)聯(lián)性，合理配置土地資源，以促進(jìn)優(yōu)勢(shì)地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。