基于多智能体的土地利用变化模拟

建立土地利用变化模型,模拟多种情景下的土地利用变化过程,能够为科学的土地利用决策提供辅助支持。以常州市新北区为研究区,从政策特征因子、全局特征因子和空间特征因子3个方面构建土地利用情景特征因子体系;运用多智能体建模方法构建基于主体的土地利用情景模拟模型;设定快、中、慢3种经济社会发展条件下的土地利用情景(I、II、III),模拟研究区2006-2020年土地利用变化。结果表明:3种土地利用类型的空间全局拟合度都相对较高,城镇用地、农村居民点用地和耕地的空间全局拟合度分别为78.45%、99.85%、98.35%;空间变化拟合度较低,分别为55.18%、0.02%、69.11%。在3种土地利用情景下,城镇用地增加面积分别为3788.44、2922.83和2114.64hm2,农村居民点用地减少面积分别为1106.60、858.61和592.35hm2,耕地减少面积分别为5378.72、4817.03和4238.97hm2。说明情景I下城镇化速度较快,城乡用地转换明显,农村居民点整治力度较大;情景II下城镇用地空间扩张和人口增长都减缓速度,耕地资源的流失得到一定程度控制;情景III下城乡用地变化速度显著放缓,耕地资源流失得到有效控制。     

漓江流域土地利用变化分析及预测

以1993年、1999年、2006年和2010年四期Landsat遥感数据为基础,应用混合分类法对研究区主要景观类型进行分类,并通过土地利用转移矩阵及四种常用景观指数分析了漓江流域近20 a来的土地利用变化特征。针对研究区近20 a的土地利用变化情况,应用CLUE-S预测模型对漓江流域2020年的土地利用变化情况进行预测。结果表明:漓江流域土地利用在近20 a间发生了较大变化,具有重要生态功能的林地面积退化明显,建设用地与耕地所占比重不断增加。通过对四期TM数据进行景观分析,发现研究区内景观优势度减小,破碎度增加,由此认为研究区内生态环境正在逐步退化,这主要与漓江流域水源林地遭到不断砍伐以及人类经济活动有关。基于历史土地利用数据用CLUE-S模型对漓江流域2020年土地利用格局进行模拟,发现林地面积继续减少,建设用地面积持续增加。该模拟结果可为漓江流域经济发展、土地规划及生态保护提供参考依据。     

基于Logistic-CA-Markov耦合模型的彬州市LUCC多情景模拟

土地利用变化多情景模拟可为区域的土地规划、生态城市建设和区域生态环境保护提供科学的参考依据。基于彬州市2009年和2019年土地利用数据,运用GIS软件空间分析功能和土地利用动态模型对研究区土地利用变化进行时空分析,从自然因素和社会经济因素中选取7种驱动因子,用Logistic模型进行回归分析,再运用Logistic-CA-Markov耦合模型,以研究区2009年土地利用为基期,模拟2019年土地利用变化并对预测结果精度验证。最后以2019年为基期数据,在自然发展、生态保护和限制城市过度开发3种情景下,预测了2029年研究区土地利用类型的空间格局。结果表明:研究区10年间的土地利用综合动态度为5.57%,土地利用变化显著; 驱动因子的回归分析通过有效性检验,预测2019年土地利用变化的Kappa系数值为0.761 2,预测结果可信。在自然发展情景下,2029年彬州市建设用地面积增长40.54%,耕地和水域面积分别减少27.31%,3.84%,或对研究区的生态平衡造成威胁; 在生态保护和限制城市过度开发两种情景下,建设用地面积得到控制,水域、耕地等生态用地得到保护,有利于彬州市的可持续发展。     

基于Markov-DLS模型的江西省多情景下土地利用时空演变分析

[目的] 研究不同情景下未来土地利用结构数量和空间格局变化特征,为实现区域国土空间格局优化和生态环境保护提供决策参考。[方法] 基于Markov-DLS模型,在土地利用转移参数设置过程引入土地利用生产、生活和生态功能评价结果,分析江西省2030年均衡发展情景、粮食安全情景和生态优先情景下国土空间结构和格局变化特征。[结果] ①利用Markov-DLS模型模拟预测的2015年土地利用结构精度在90%以上,空间布局模拟精度达到了96%,kappa系数高达92%以上;②耕地仅在粮食安全情景下有所增长,增幅为0.48%。建设用地在3类情景下均处于增长态势,均衡发展情景下增长最快,增速为1.15%。林地、草地、水域和未利用地等生态用地在3类情景中整体上呈现下降趋势,生态优先情景下降速最慢,仅为-0.36%;③东、南、西部山区林地、草地空间格局相对稳定,而建设用地均呈现出沿江岸线,沿湖岸线发展的趋势,尤其是赣江沿岸和鄱阳湖北岸以及长江沿岸区域最为显著;④整体而言,生态优先情景下以林地、草地、水域和未利用地为核心的生态空间用地面积占比最大,相对下降速度最小。[结论] ①Markov-DLS模型对省级尺度未来土地利用变化预测模拟方面具有较好的适用性。②江西省2030年国土空间土地利用结构变化在均衡发展情景,粮食安全情景和生态优先情景下呈现出明显的差异性。③江西省2030年3类发展情景下国土空间格局呈现出明显的整体一致性和局部差异性特征。     

东南沿海土地利用转型的生态服务价值研究——以甬江流域为例

[目的]通过分析流域的土地利用变化对流域内各个自然过程生态服务价值的影响,为流域土地资源的合理利用和流域生态安全保护提供科学依据。[方法]基于土地利用转型变化,分析1980—2015年人类活动影响下的甬江流域土地利用变化及其生态服务价值变化。[结果]①甬江流域土地利用变化以耕地的减少与建设用地的增加为主要特点,且土地利用程度不断上升。土地利用类型之间发生复杂的相互转化,转移面积最大的是耕地转向建设用地。②35 a间,甬江流域土地综合利用动态度为0.42%。建设用地土地利用单一动态度最大,耕地面积减小幅度最大。③甬江流域生态服务在时间层面上,总价值先增大后减小,在1995年之前不断增加,但在之后不断减少。④在空间层面上总体呈现出由西南向东北逐渐变低的趋势。[结论]甬江流域土地利用转型剧烈,土地利用的快速变化加剧了生态系统功能退化。     

西藏尼洋河流域土地利用变化对生态敏感性的影响

[目的]以西藏尼洋河流域作为高原生态脆弱区的典型代表,对流域1995—2020年土地利用变化影响下的生态敏感性进行探索分析,为该流域土地利用规划和生态环境保护提供理论依据。[方法]通过计算流域土地利用强度指数和生态系统服务价值,构建土地利用变化下的生态敏感性指数,基于土地利用强度指数和生态系统服务价值在各子流域内的时空变化,利用GIS空间分析技术获得尼洋河流域生态敏感性空间分布状况。[结果] 1995—2020年尼洋河流域林地和建筑用地面积呈增加的趋势,而未利用地和水域面积呈下降趋势;土地利用强度指数由1.725 5上升到1.725 9,土地利用生态系统服务价值减少了约3 000万元。土地利用强度指数上升的区域分布在下游流域;流域生态敏感性指数由0.3增加到9.4,流域中、高敏感区主要分布在中下游流域,且高敏感区面积呈扩增趋势。[结论]流域内区域生态敏感性变化由土地利用类型间的转移流动的方向所决定。总体而言,近25 a来流域生态敏感性对生态系统中土地利用变化的响应较为明显,中下游区域生态敏感性呈恶化的趋势。     

延河流域土地利用空间格局模拟对比研究

为探究延河流域土地利用演变规律及未来空间格局分布,基于延河流域1986年、2000年和2010年3期土地利用数据,利用土地利用空间转移动态图及土地利用转移面积矩阵等方法,分析了延河流域1986—2010年土地利用/覆被变化的时空规律; 运用Logistic-CA-Markov模型和MCE-CA-Markov模型分别预测了2030年延河流域土地利用空间格局,并对模拟结果进行了对比分析。结果表明:延河流域1986—2010年耕地降幅最为明显,减少了557.10 km²,主要转为草地、林地和建设用地; 林地和草地面积持续增加,建设用地扩张迅速,分别增加了378.34,136.97,48.17 km²,水域及未利用地面积总体变化不大,生态恢复政策是影响延河流域土地利用变化的主要因子。Logistic-CA-Markov预测得到的2030年延河流域耕地和草地减少明显,建设用地和林地则增幅较大,流域经济发展需求较高,这种情况下应准确把握地区经济发展与资源利用的关系,根据区域特点因地制宜制定适合当地发展的政策。而MCE-CA-Markov预测得到的2030年延河流域耕地、林地、水域及建设用地均有增加,且耕地增幅最明显,这种利用结构表明流域经济发展相对较缓,实现了对流域环境的保护,但应积极探索土地利用新结构,最大限度发挥资源优势,从而实现流域经济与环境的可持续性发展。     

基于多智能体遗传算法的土地利用优化配置

土地利用优化配置是促进土地资源可持续利用的必要手段,然而现有模型在解决土地利用优化配置问题时存在一定缺陷。该文将多智能体系统的建模框架与遗传算法的计算框架有机结合,设计了土地利用规划多智能体决策框架,将多智能体在空间决策行为与遗传进化算子相结合,构建基于多智能体遗传算法的土地利用优化配置模型,促进土地利用数量结构与空间布局向可持续方向发展。该文选取武汉市蔡甸区开展了实例应用研究,试验结果表明:模型能够合理地对区域土地利用数量结构与空间布局进行配置,协调不同土地利用决策主体的需求,明显提高了区域土地利用经济、社会和生态效益,促进区域土地资源可持续利用。     

基于粒子群算法的城镇土地利用空间优化模型

土地利用结构优化是土地资源优化配置的核心,包括数量结构优化和空间结构优化。针对传统的优化模型如线性规划、多目标、灰色系统和景观生态等不能实现土地数量结构和空间结构的有效统一,在研究现有智能优化模型如元胞自动机、遗传算法的基础上,采用近年来新兴的粒子群优化算法,利用其空间飞行搜索特性和较强的全局优化能力,构建了基于粒子群算法的土地利用空间优化模型。研究表明,该模型能利用粒子的群体空间分布模拟土地利用空间格局,并能在多目标控制下进行全局优化处理,实现土地利用数量结构和空间结构的有效统一。     

快速城镇化地区土地利用演变及驱动机制——以巢湖流域为例

[目的]探究巢湖流域土地利用演变特征规律及驱动机制,为实现区域土地资源的优化配置和社会经济的可持续发展提供理论依据。[方法]收集巢湖流域及区县1996—2014年土地利用变更调查及社会经济统计年鉴,运用土地利用数量、程度及空间差异计量模型,以及主成分分析法,采用数据统计软件,模拟巢湖流域土地利用变化演化规律及其驱动因素。[结果]近20a来巢湖流域各土地利用类型均发生变化,但不同土地利用类型变化的总量、变化幅度和变化速度却存在明显差异,耕地、园地、草地减少较为突出,林地略有增加,其他农用地减少将近1/2;建设用地总量增长幅度更大,特别是城镇工矿用地及交通基础设施用地增长迅猛,农村居民点用地略有减少;巢湖全域土地利用程度自2004年之后呈现逐年上升趋势,合肥市辖区及周边县域土地利用开发程度较高,其他区域相对较低;耕地减少率金安区、瑶海区、肥西县、含山县居前,城镇用地增加率肥西县、长丰县、巢湖市位于前列;投资拉动、经济发展、工业推进、人口增加及城镇化是巢湖流域特别是近10a多土地利用变化的主要驱动因素。[结论]巢湖流域加快建设长三角世界级城市群副中心城市及生态文明先行示范区,需进一步优化土地利用空间格局,盘活建设用地存量,提高建设用地效率,走资源节约型与环境友好型的土地利用模式。     

西藏自治区土地利用/覆被变化时空演变特征及驱动因素

精准把握西藏自治区土地利用/覆被变化特征,探究其驱动因素,对科学预测西藏土地利用变化趋势、节约集约利用土地资源具有重要意义。以2000—2020年5期LUCC数据为基础,从动态度、转化趋势等方面分析西藏自治区LUCC特征。结果表明:(1)研究区LUCC以草地、林地、未利用地为主,时间上2015-2020年变化频率最高,空间上城乡建设用地、耕地及水域用地变化区域较为集中。(2)城乡建设用地持续增长,草地持续缩减,其余地类波动式增长。(3)一江三河流域LUCC种类丰富,成因复杂,其余地区以草地和未利用地变化为主。(4)过去20年间西藏LUCC驱动因素较多,自然因素对耕地、水域的分布等起决定性作用,而社会经济及政策因素对西藏近年来的LUCC起较大影响作用。研究发现,西藏土地利用类型转换复杂,各地类变化特征存在显著差异,其中变化量最大的是草地与未利用土地的相互转换。西藏LUCC的驱动因素较为复杂,气候变化和人类活动对研究区土地利用变化驱动作用显著。     

基于地形梯度的汾河流域土地利用时空变化分析

地形在一定程度上影响着土地利用变化,对土地利用空间格局的形成具有重要作用,因此,分析土地利用类型与地形因子的动态关系可以反映土地利用变化的合理性,对后续的土地利用管理和水土保持有重要的意义。基于汾河流域1986年、1995年、2005年和2010年土地利用矢量图,构建土地利用变化图谱和地形位指数,系统分析了土地利用在地形梯度上的分布特征和变化历程。结果表明:1986-2010年,土地利用类型以耕地、林地和草地为主,其中耕地减少和建设用地增加是主要变化类型。各地类在地形梯度上呈明显的层级分布,耕地、建设用地和水域主要分布在低地形梯度,草地分布在中区段,而林地集中分布在中高区段。土地利用变化以稳定型和反复变化型为主,两者占研究区总面积的98.4%,其中,稳定型以低地形梯度的耕地和中高地形梯度的林地为主,反复变化型以低中地形梯度的草地与耕地间的反复转化为主;其余图谱类型的比例均在1%以下,主要变化类型均为中低地形梯度下耕地向建设用地的转化。在自然因素、人类活动和政策的共同作用下,汾河流域的土地利用结构和空间格局发生了改变,整体趋于合理,但仍存在部分不合理利用现象,需要加强规划管理。     

1990-2018年黄河流域(河南段)土地利用格局时空演变

研究长时间序列的土地利用时空演变规律，对科学推进黄河流域生态保护和社会经济高质量发展具有重要意义。该研究基于1990、2000、2010和2018年土地利用遥感数据，以具有中游和下游双重属性的黄河流域（河南段）为研究对象，利用土地利用变化指数、弦图（Chord Diagram）可视化模型及重心迁移模型，探讨了近30年黄河流域（河南段）土地覆被变化的流量、流向、多样性程度及政策启示。结果表明：1）粮食保障用地（约55%）和生产生活用地（约10%）主要分布在平原地带，生态保育用地（约35%）主要集中在海拔较高的山地。2）1990－2018年间旱地的流出和流入行为均体现出显著的主导性，水田、水域和草地以流出行为为主导，城镇用地、农村居民点和其他建设用地以流入行为为主导。3）中心城市的土地利用变化在整个时期内具有明显的区域带动效应。4）粮食保障用地和生态保育用地的重心均向西迁移且面积呈减少趋势，说明下游平原地带的优质耕地减少且生态系统服务功能在逐步减弱；生产生活用地面积逐年增加，城镇用地重心向东迁移表明下游各城镇的社会经济发展逐渐活跃，农村居民点和其他建设用地重心向西迁移表明中游的人口规模逐渐增大。     

黔西北喀斯特区域土地利用/覆盖变化对土壤侵蚀的影响

利用黔西北地区1974,1992和2008年共3期遥感影像解译的土地利用图,结合修正的通用土壤流失方程,分析和模拟了该区土地利用/覆盖变化前后的土壤侵蚀状况,以及主要地类转化类型的土壤侵蚀效应。结果表明,黔西北地区土地利用结构变化显著,1974—2008年灌木林和旱地面积变化剧烈,且呈现相反的变化趋势。1974—1992年,随旱地面积的显著增加,灌木林的显著减少,黔西北土壤侵蚀模数由29.55t/(hm2.a)上升到37.76t/(hm2.a),随旱地面积的显著减少,灌木林、有林地的显著增多,2008年下降到30.39t/(hm2.a);旱地和其他地类发生土壤侵蚀最为剧烈,大面积的灌木林转为旱地是1992年土壤侵蚀加剧的主要原因,而大面积的旱地转为灌木林和有林地使2008年土壤侵蚀状况显著改善,灌木林转为旱地仍是近期土壤侵蚀加剧的主要原因,应加强对灌木林的使用管理。     

近25年延河流域土地利用/覆盖变化的时空特征

基于1980年和2005年两期土地利用矢量数据,选取土地利用转移矩阵、土地利用动态度和重心转移3种方法对延河流域土地利用/覆盖时空变化特征进行了定量研究。结果表明:(1)在近25a,延河流域森林和农田面积在数量上发生了大幅度的变化,以农田流向森林为主,然而草地和农田始终是流域主要的土地利用类型,二者所占比重之和在两个时期均在87%以上,加上森林三者所占比重达99%以上;(2)25a内,延河流域仅有3.89%的土地资源发生了利用方式的变化,但聚落用地面积增加迅速,年均增加速率为4.10%,主要靠占用农田和草地来实现;(3)区域之间以及区域和整个流域之间的土地利用变化方向和变化速度不一致,其中安塞地区的各土地利用类型变化速度均大于全流域,这与安塞地区的社会经济活动比较活跃,土地利用变化总体较为剧烈息息相关;(4)25a内,各种土地利用类型在空间上分布比较均匀,其中森林在空间上不断向上游、高海拔方向转移,而流域内水体的重心向流域下游迁移。     

20 年巢湖流域土地利用变化及生态服务功能价值分析

从流域尺度使用现势的土地利用变化数据和历史的土地利用数据研究了巢湖流域的土地利用变化,分析了巢湖流域1988、1995、2000、2008年土地利用类型的生态系统服务价值,并对近20年间土地利用类型变化引起的生态系统服务价值的变化进行了估算,初步揭示了土地利用/覆盖变化对生态环境的影响.     

基于SWAT模型的南渡江流域土地利用/覆被变化的径流响应

为了探究热带岛屿性流域土地利用/覆被变化(Land Use/Cover Change,LUCC)的水文效应,以海南岛典型热带岛屿性流域南渡江流域为研究区,构建本地化SWAT模型,模拟流域水文过程及其对LUCC的响应,揭示流域径流的变化规律,对比不同土地利用类型的水文过程及调蓄能力,探讨了典型热带岛屿性流域LUCC的径流效应。结果表明:SWAT模型在南渡江流域的适用性良好,径流模拟对植被蒸散发、产生径流的坡面状况、土壤状况和地下水过程较敏感。不同土地利用类型对流域的产流贡献顺序为耕地>其他林地>橡胶林地; 耕地产流能力最强,其他林地和橡胶林地具有一定的截流蓄水作用。综上所述,与1990年相比,2015年南渡江流域河流径流量减少,流域LUCC导致的地表径流减少是河流径流量减少的直接原因,而蒸散发加剧是地表径流减少的主要原因。     

新疆焉耆盆地地表温度时空分布对LUCC的响应

为了辨析地表温度时空分布及其变化对土地利用/土地覆盖变化(land use/cover change,LUCC)的响应,以新疆焉耆盆地为研究区,将Landsat遥感影像数据、气象要素的观测数据和野外采样数据相结合,利用单窗算法和单通道算法反演研究区2000、2009、2011和2015年的地表温度,分析焉耆盆地地表温度时空分布特征,研究LUCC对地表温度的影响。结果表明:1)研究区温度时空分布图主要划分为低温区、中温区和高温区。从时空分布变化上来看,2000年高温区范围减少幅度最大、2009年次之、2015年最小;2009年低温区范围减少幅度最大、2000年次之、2015年最小;2)研究区地表温度的分布具有明显的空间差异性,高温区主要分布在沙漠区和山区与盆地之间的戈壁滩,具有明显的以博斯腾湖为中心的环状分布特点。低温区主要分布在水域、湿地和绿洲等区域;3)在2011年内不同时期不同LUCC的温度变化幅度不一,地表温度在不同下垫面上平均值大小不同,地表温度高低主要表现为沙漠盐碱地裸地小麦-玉米其他作物森林棉花芦苇湿地水域。由结果可知,焉耆盆地近十几年地表温度的时空变化与LUCC有着密切关系,农作物的结构、土地利用类型及其面积变化都会影响地表温度的时空分布。     

典型农牧交错区土地利用变化驱动力分析

农牧交错带土地利用/覆被变化的驱动力研究是生态环境演化内在规律的重要组成部分,可以科学指导该地区的可持续发展。该文以农牧交错带的典型区域——内蒙古翁牛特旗为例,从土地利用变化过程的空间角度,基于GIS以及相关数理统计软件,使用Logistic模型分析了土地利用/覆被变化的内部和外部驱动力。结果表明模型中耕地变化的主要解释变量是到农村居民点的距离和农业气候区;草地变化的主要解释变量是到农村居民点的距离、土壤表层有机质含量和到乡镇中心的距离;林地变化的主要解释变量是到农村居民点的距离和海拔;空间异质性和土地利用变化过程的时间变量共同影响使用logistic回归模型来进行推断的能力;通过对草地logistic回归模型拟合度的检验,验证了不同土地利用类型变化的主要驱动力可以用空间统计模型来解释。     

典型农牧交错区土地利用变化驱动力分析

农牧交错带土地利用/覆被变化的驱动力研究是生态环境演化内在规律的重要组成部分,可以科学指导该地区的可持续发展。该文以农牧交错带的典型区域——内蒙古翁牛特旗为例,从土地利用变化过程的空间角度,基于GIS以及相关数理统计软件,使用Logistic模型分析了土地利用/覆被变化的内部和外部驱动力。结果表明模型中耕地变化的主要解释变量是到农村居民点的距离和农业气候区;草地变化的主要解释变量是到农村居民点的距离、土壤表层有机质含量和到乡镇中心的距离;林地变化的主要解释变量是到农村居民点的距离和海拔;空间异质性和土地利用变化过程的时间变量共同影响使用logistic回归模型来进行推断的能力;通过对草地logistic回归模型拟合度的检验,验证了不同土地利用类型变化的主要驱动力可以用空间统计模型来解释。