基于GIS和MCE-CA-Markov模型的高原河谷型城市土地利用变化研究与模拟预测.pdf
《基于GIS和MCE-CA-Markov模型的高原河谷型城市土地利用变化研究与模拟预测.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于GIS和MCE-CA-Markov模型的高原河谷型城市土地利用变化研究与模拟预测.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、184青海科技202304探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY0 引言土地利用变化规律研究,模拟预测土地利用变化趋势,是 LUCC 研究的热点,研究结果可为区域土地资源合理的开发利用、规划、管控提供支持和借鉴1。目前基于过程的动态模拟模型是土地利用格局变化研究的主要模型,主要包括 GeoSOS-FLUS 模型2、CLUE-S 模型3、CA 和 Markov 结合的 CA-Markov 模型4、系统动力学模型5等,模型的使用与优化不仅提高了土地利用变化预测的准确度,而且又能模拟土地利用空间格局过程。随着土地利用格局的深入研究,国内外使用预测模型的成果非常丰
2、富,模拟效果也非常有效,如 EliasRodriguesdaCunha6基于 CAMarkov 土地利用和土地覆盖模型模拟大西洋森林交错带热带湿润盆地未来情景;FeiFu7基于 CA 马尔可夫模型对县域土地利用景观格局时空演化研究;成超男8构建CA-Markov 模型对晋中主城区生态分区进行多情景分析;刘希朝9基于 CA 与 MCR 模拟了徐州市城市开发边界。西宁市是加快推进青藏高原新型城镇化进程和城乡统筹的主体空间形态,保障青海省城镇和经济发展,承载人口集聚增长。随着西部大开发新格局、黄河流域生态保护和高质量发展等一系列战略的实施,西宁市已成为青海省经济发展最具活力和潜力的核心增长极,是推进
3、城乡融合发展的适宜单元,是青海落实“四地两体系”的重要用地空间,城市在空间整合和合理规划的基础上依托带型河谷发育。基于有限的城市发展空间,最大限度提高生态空间利用,成为青藏高原城市基金项目:青海省社会科学规划项目“基于绿地生态网络规划的高原城市生态空间管理实践研究”(21002)。作者简介:蒋贵彦(1980-),女,副教授,研究方向为城乡生态规划与土地管理。E-mail:。基于 GIS 和 MCE-CA-Markov 模型的高原河谷型城市土地利用变化研究与模拟预测蒋贵彦(1.青海民族大学政治与公共管理学院,西宁 810007;2.青海民族大学土地资源勘测与规划实验室,西宁 810007)摘 要
4、:基于高原河谷城市西宁市 2000-2020 年土地利用数据,选取 9 类自然因素与社会经济因素驱动因子,运用MCE-CA-Markov耦合模型,以2000-2010年土地利用为基期,模拟2020年土地利用变化并对预测结果精度验证,最后以 2020 年为基期数据,预测 2030 年研究区土地利用空间格局。结果表明:MCE-CA-Markov 模型模拟 2020年土地利用精度验证结果 Kappa 系数为 0.8691,土地利用变化预测方法可行;2000-2020 年研究区土地利用变化显著,2030 年建设用地增长趋势明显,耕地、草地面积有所减少;在服务于国土空间规划的实践中,西宁市在未来城市发展
5、过程中土地利用冲突问题明显。关键词:MCE-CA-Markov;土地利用变化;国土空间规划;西宁市中图分类号:F299.23 文献标识码:A 文章编号:1005-9393(2023)04-0184-08185青海科技202304探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY提升国土空间生态品质的重要路径,也是西宁市土地开发利用与生态治理中亟待解决的问题。既有研究仅停留在区域层面或省域层面,在市域尺度并能够有效反映土地利用格局的相关研究中概念性研究较多,提出的成果以指导性政策为主,针对性、操作性尚待提升。因此,本研究以西宁市为研究对象,考虑城市未来发展对土地建设的需
6、求,借助 MCE-CA-Markov 模型对西宁市土地利用空间演变过程进行动态模拟,从数量和空间上对土地利用格局实现预测。研究结果为“多规合一”的国土空间规划体系和土地用途管制提供参考依据,为城乡规划管理者分析土地利用空间演变特征及影响提供技术支持。1 研究区概况西宁市地处青藏高原河湟谷地,是青海省重要的人口和城镇聚集地,是青藏高原人居适宜性最好的区域,也是青海省开发历史悠久和开发强度最高的地区。西宁市是典型的枝状半开放的高原河谷型城市,南北两山对峙,湟水河及其支流南川河、北川河由西、南、北三个方向流经市区,呈“四山夹三河”的生态山水城市格局,自然地形地貌和环境资源特征对城市的总体空间格局、交
7、通及基础设施系统方面具有较强的约束性。土地利用结构呈现“九分山地半分城,五分田草五分林的”特征10。图 1 研究区地理位置与地形2 数据来源与研究方法2.1 数据来源研究中的数据包括:(1)土地利用数据(2000年、2010 年、2020 年)来源于中国科学院资源环境数据共享中心,土地利用类型为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地,分辨率为30 m;(2)DEM 数据来源于地理空间数据云(http:/),通过镶嵌、整合、裁剪为栅格数据,坡度数据由 DEM 高程数据提取得到;(3)经济、社会数据包括 GDP 和人口密度,来源于中科院资源环境科学数据中心(http:/ GIS 软件分析获得;
8、(4)道路数据来源于 OSM(OpenStreetMap,https:/www.openstreetmap.org)。2.2 研究方法对土地利用空间动态演变规律的模拟探索,可帮助城市规划管理者分析土地利用的时空变化特征及其影响,为构建新型国土空间规划体系提供科学依据11。MCE-CA-Markov 模型对于土地利用空间演变过程有良好的模拟效果12,其主要构建思路是基于土地利用空间演化的时间规律,从数量和空间上预测今后土地利用格局的改变,为城市土地利用优化提供参考。2.2.1 CA-Markov 模型Markov 过程下的土地利用变化是:X(t+1)=X(t)P(1)式中:X(t+1)表示随机事
9、件在 t+1 时段的状态,也就是马尔科夫模型预测的结果;X(t)是随机事件在 t 时刻的状态;P 是转移概率矩阵,表示这一随机事件不同状态之间的转换概率。Markov 通过转移矩阵的过度概率分析土地利用变化随时间变化的概率,其转移矩阵的表达式为:(2)式中:如果转移概率随时间而变化,则需要矩阵计算为函数 k;n 为第 n 年的土地利用类型。186青海科技202304探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYCA模型最主要的是元胞状态转移规则的确定:S(t,t+1)=f S(t),N(3)式中:S 表示元胞优先、离散的状态集合;f表示转换规则;N 表示元胞的邻域
10、。Markov 模型完成在数量上对土地利用的预测,CA 模型融合了空间模拟,两者结合可以增强土地利用预测模拟的精度13。2.2.2 MCE 适宜性图集MCE-CA-Markov 多评价准则方法可以提高模型模拟精度,对未来时期的 LUCC 预测结果更可靠。MCE(Multi-criteriaevaluation)模块可以综合分析影响目标的各个因素,为土地利用变化的预测提供决策辅助。其中,限制性因子将驱动因素严格控制在某种范围之内,以 0 和 1 表示。驱动因子的影响权重通过MCE模块生成适宜性图像集,MCE-CA-Markov 的适宜性图集可为元胞在下一状态提供决策目标14。本文利用 IDRIS
11、ISelva 软件中 MCE-CA-Markov模型,定量模拟土地利用格局的时空动态变化。步骤如下:首先,分析完成 Markov 转移概率矩阵,统计各类土地类型的转移概率;其次,通过多标准评价模块(MCE)制作土地利用适宜性图集,根据研究区相关规划要求设置空间分布的影响因素,通过层次分析法(AHP)确定 9 个因子的权重,结合 COLLETIONEDIT 模块完成 6 种地类的空间分布概率图集合,生成适宜性概率图集;第三,采用 CA-Markov 模型的空间模拟,对西宁市 2020 年土地利用格局进行模拟,在对 2030 年土地利用格局进行模拟前,先对 2020 模拟结果和 2020 年实际土
12、地利用格局进行Kappa 系数检验,若 Kappa 检验满足要求,即可对2030 年西宁市土地利用格局情况进行模拟和预测。3 结果分析3.1 土地利用类型数量结构变化特征根据 2000 年、2010 年和 2020 年三期土地利用栅格数据,利用栅格转面后得到土地利用矢量图,再用 GIS 统计分析功能得到三期土地利用面积与占比,具体见图 2 和表 1。图 2 2000-2020 年西宁市土地利用现状表 1 西宁市 2000-2020 年各类土地利用面积及占比土地利用类型2000 年2010 年2020 年2000-2020 年面积变化量/km22000-2020 年面积变化率/%面积/km2比例
13、%面积/km2比例%面积/km2比例%耕地1448.9119.081402.7718.471372.0018.07-76.91-5.31林地1653.4521.771653.2421.771652.1221.75-1.33-0.08草地3880.0651.093886.1751.173883.9951.143.930.10水域17.580.2321.240.2821.480.283.9022.18建设用地267.673.52304.264.01340.674.4973.0027.27未利用地326.594.30326.594.30324.004.27-2.59-0.79187青海科技20230
14、4探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY表 2 西宁市 2000-2010 年土地利用变化转移概率矩阵从土地利用结构变化分析结果看,林地和草地是西宁市主要的土地类型,面积占比分别为 51%和 21%左右;其次是耕地,占比为 18%左右;水域面积占比最小,仅为 0.2%左右。在2000-2020 年间,西宁市土地利用面积发生了较大的变化,耕地面积、林地面积和未利用地面积呈现减少的趋势,建设用地面积、草地、水域面积增加。具体而言:20 年间耕地在研究区范围内土地利用结构中平均占比为 18.54%,耕地面积减少76.91 km2,减少率为 5.31%,2000
15、年以后受国家退耕还林还草政策的影响,表现出耕地向其他地类转变的趋势;林地2000-2020年间面积略有下降,总面积减少 1.33km2,减少率为 0.08%;草地分布最为广泛,其中 2010 年达到 3886.17km2,面积增加率为 0.1%;2020 年水域面积呈现上升趋势,增加率为 22.18%。随着西宁海东现代都市圈、兰西城市群等政策的推进,建设用地扩张速度在不断加快,2000-2020 年建设用地面积从 267.67 km2增加到 340.67km2,共增加了 73.00km2,面积增长率达 27.27%;2000-2020 年未利用地平均占比 4.29%,从 2000 年 的 32
16、6.59km2到 2020 年 的324.00km2,20 年间面积下降 2.59km2,减少率为0.79%,未利用地的开发强度增加,向其他地类转化明显。综上所述,研究区在 20 年间变化最为活跃的地类是耕地和建设用地,其次是草地、水域和未利用地。在此期间,西宁市面临着建设项目占用农用地特别是耕地数量较大和补充耕地能力不足的双重压力,西宁市在打造绿色样板城市、融入兰西城市群的用地需求中,耕地保护压力大,面临着规划无法满足产业发展、基础设施、生态功能的新要求,人地矛盾突出。一方面,人口增长、经济发展、都市圈规划、城市群的快速发展对土地的需求量不断增长,大量的城市建设需要土地提供生产空间和生活空间
17、;另一方面,西宁市地处河谷地形区,城市扩张受到自然地理环境的限制,城市发展扩张必将占用其他地类,同时生态保护政策的推行又在一定程度上阻止了草地、林地等生态用地被占用。因此,在服务于国土空间规划的实践中,西宁市在未来城市发展过程中土地利用的冲突15问题愈加明显。3.2 土地利用格局变化模拟3.2.1 土地利用转移概率矩阵土地利用类型转移矩阵反映一定时段内土地利用类型之间的转换方向和数量,表达土地利用的变化规律16。西宁市 2000-2010 年、2010-2010年土地利用类型转移概率矩阵在 Markov 模块中计算得到,结果见表 2 和表 3。2010 年耕地林地草地水域建设用地未利用地200
18、0 年耕地0.822 60.003 80.027 50.012 10.134 00林地0.008 70.848 80.091 50.029 40.021 70草地0.008 80.058 20.849 400.083 60水域0.030 00.030 00.030 00.850 00.030 00.030 0建设用地0.073 80.023 00.055 500.847 80未利用地0.030 00.030 00.030 00.030 00.030 00.850 0188青海科技202304探索与实践青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY表 3 西宁市 2010-2
19、020 年土地利用变化转移概率矩阵通过分析两个时段的土地利用类型变化转移矩阵可以看出,20 年间西宁市土地利用变化最大的特点是新型城镇化的推进。在城镇化进程中,建设用地总体上不断扩张,也导致其他地类的变化,由于土地城镇化占用了其他地类空间,20 年间城市建设用地主要占用的是耕地和水域,2000-2010年间耕地转移建设用地概率为 0.1340,2010-2020年间耕地转移建设用地概率为 0.0890。3.2.2 MCE 适宜性图集制作参考相关研究17,利用多标准评价模块(Multi-criteriaEvaluation,MCE),结合西宁市土地利用特点,从自然因素和社会经济因素、空间约束可达
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 GIS MCE CA Markov 模型 高原 河谷 城市 土地利用 变化 研究 模拟 预测
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。