延河流域景观格局的演变、预测及优化——以陕西省延长县为例

[目的] 分析了黄土丘陵沟壑区延河流域景观格局的演变，并对其进行预测及优化，为该区生态环境建设和管理提供理论支撑。[方法] 以延河下游流域的陕西省延长县为例，在分析历年景观格局指数的基础上，使用CA-Markov方法对延长县景观格局演变进行模拟，借鉴人为干扰度分析了景观变化强度及方向，提出分级管控措施，并建立了景观安全格局。[结果] ①2008-2017年延长县景观格局的分离度指数提高了2.1%，最大斑块指数降低了32.4%。②未来10 a林地景观比基年减少18.5%，草地面积提高了13.1%。③研究区极度、中高度、轻度生态恶化区分别占总面积0.3%，23.3%和48.4%。生态安全格局包括9个核心生态节点和21个一般节点。人为干扰度能够表征景观阻力。[结论] 通过实行分级管控和构建景观安全格局，可以有效协调延长县三生空间布局和改善生态环境质量。     

基于CA-Markov景观格局预测模型的建构研究

为预测景观格局变化,将CA模型与Markov模型相结合,构建具有空间和数量双重优势的CA—Markov预测模型,并以黑龙江省宝清县1996—2004年土地利用类型图为基础,建立转移概率矩阵和土地利用适宜性图像集,预测2012年该县的景观分布状态。将预测结果与真实值比较,Kappa系数迭0．89,符合精度要求。最终预测该县2020年景观格局的变化情况。通过预测结果及对比表明该区域湿地面积明显减少,景观破碎度正不断加深,望有关部门加以重视并采取相应补救措施。     

基于多源遥感数据的景观格局及预测研究

以TM、中巴资源卫星和环境与灾害监测预报小卫星等遥感影像为数据源,利用ENVI 4.7、ARCGIS 9.2、IDRISI 15等软件,研究了西安市辖区的景观特征与空间格局,预测了未来的景观变化,提出了景观格局预测的数据转化和多距离空间分析的精简步骤.结果表明:研究区的景观本底是一个由林地和耕地构成的复合景观基质,建设用地在研究时段内呈现持续增加趋势,且2004-2011年间的增加量高于2000-2004年间的增加量;林地面积略有降低,林地和草地总面积略呈增长趋势,水域和未利用地面积变化较小.研究时段内的景观破碎化程度在降低,林地景观的连通性增强了,耕地的降低了.各景观类型在所设定的最大预期研究尺度下均呈现显著的聚集空间格局;各年和各景观类型之间的聚集、随机和离散的临界阈值差别相对比较大;水域和未利用地的空间聚集强度明显高于耕地、林地、草地和城乡建设用地;耕地和草地空间分布存在一个异质性最大的特征尺度,且均出现了聚集分布、随机分布和离散分布3种分布格局,以2011年最为明显.利用景观指数法和多距离空间聚类分析方法研究景观格局特征的效果要比单一的景观指数法较理想.CA-Markov模型模拟的结果基本能够反映未来的景观格局状况.     

基于景观格局指数的天津市蓟州区耕地细碎化评价与预测

[目的] 评价与预测耕地细碎化程度,为缓解蓟州区耕地细碎化问题提供借鉴。[方法] 采用评价指标体系构建、因子分析赋权等方式对2000—2020年耕地细碎化时空演变特征进行分析,基于CA-Markov模型得到的2025年土地利用数据,评价、预测未来耕地细碎化发展,并对多年耕地评价结果进行空间自相关分析,由此判断耕地细碎化水平空间分布特征。[结果] ①2000—2005年,耕地细碎化呈现出由南部平原向北部山地递增的态势;②2005—2020年,南部细碎化加深程度较北部更为明显;③2025年蓟州区18个乡镇耕地细碎化均有不同程度的缓解,但总体来看,北部耕地细碎化程度仍比南部严重;④2000—2025年蓟州南部乡镇耕地细碎化持续保持低—低集聚特征,偶有高—低型出现,蓟州北部于桥水库周边乡镇除2020年出现了低—高集聚特征外,其余年份呈现出高—高集聚的空间分布特征。[结论] 天津市蓟州区耕地细碎化时空演变特征明显,其量化结果存在集聚性规律,应进行南北分治与重点引导。     

麦田土壤水分时空变异特性及CA-Markov模型模拟预报

为揭示农田土壤水分时空变异特征,精准预测土壤墒情,该研究以河北省太行山山前平原井灌区典型麦田为例,在监测土壤水分的基础上,采用时间稳定性指数法、空间自相关性评价法研究土壤水分时空分布规律,构建了适用于模拟预报田间水分时空变化的CA-Markov 模型,并将该模型的模拟预报效果与HYDRUS 模型进行比较。结果表明：随着土层深度的增加,土壤水分等值线由密变疏,变异系数逐渐减小。随着小麦生育期的推移,前期监测的土壤水分稳定性高于后期;在土壤较湿润的情况下,土壤水分空间相关性较强,土壤水分全局Moran''s I 指数随小麦生育期的推移呈现先增大后变小的规律。CA-Markov 模型模拟预报的各土壤相对湿度等级面积误差的平均值为1.61%,比HYDRUS 模型模拟预报的面积误差平均值（10.86%）小9.25个百分点; CA-Markov 模型对研究区4月下旬、5月上旬的土壤水分干旱等级预测的空间分布Kappa 系数分别为 89.31%、91.46%。该模型可综合考虑麦田墒情的时空变化及随机特性,模拟预测土壤墒情的精度较高、效果良好,可以作为麦田水分管理的重要工具。     

基于CA-Markov模型的中亚典型城市土地利用变化预测分析

在RS和GIS技术的支持下,采用LANDSAT卫星1989年、2001年TM影像,2011年ETM影像,对中亚典型城市塔吉克斯坦首都杜尚别进行监督分类,以1989年和2001年分类结果来模拟2011年杜尚别土地利用状态,确定CA-Markov可行性,系统分析了1989—2011年间的土地利用时空变化特征,反映出城市规模增加趋势十分显著,植被和未利用地变化明显,人工河流和水体面积变化极为微小。分别利用1989—2001年和2001—2011年概率转移矩阵对2020年土地利用进行模拟和预测,得到两个不同时段预测出的2020年土地利用状态数据2020A和2020B,两者之间在空间和数量上有着明显的一致性,但另一方面也存在着整体和局部上的差异性,2020A和2020B的杜尚别主城区城镇及建设用地面向西方向增长明显,2020B增长更为显著,在东北方向上主城区增长并不明显,主城区周围建设用地面积增长2020A较之2020B更为缓慢,植被面积预测结果较为一致,但是城镇及建设用地和未利用地具有显著的差异,人工水体、河流面积也存在较小的差异。原因在于在这两个不同的时间段下,其各个土地利用类型的转移方向和方式有所不同,转移程度也都有差别,加上分类精度、模型不确定性及其他因素都会对预测结果产生影响。     

基于改进CA-Markov模型的山地城市边缘区土地利用变化模拟

山地都市边缘区土地利用处于深刻转型中，其变化模拟一直以来都是难点问题。现有的模拟方法如传统的CA-Markov模型等存在明显缺陷。该研究基于层次分析的多标准评价模型MCE引入传统的CA-Markov模型，改进传统模拟方法。在限制因素和限制因子适宜性评价基础上，结合实证区域2006，2011和2016年土地利用现状数据，引入改进的CA-Markov模型，模拟山地城市边缘区土地利用时空变化。首先是利用改进的模型与传统的模拟分别模拟2016年研究区域的土地利用变化；其次将2种方法获取的图像分别与实证区域的土地利用现状图进行精度分析，改进方法模拟精度明显高于传统方法精度；最后利用改进的方法和2016年现状数据，进一步模拟2030年实证区域的土地利用时空格局。结果表明：维持研究区现有的城镇化发展速度，到2030年研究区的耕地、林地、园地、水域、未利用地和农村居民点等将大幅减少，这对于研究区粮食安全、生态保护等造成较大威胁。改进的MCE-adjusted CA-Markov模型，相对于传统的CA-Markov模型，能较好地模拟山地城市边缘区土地利用时空格局变化。此外，讨论了研究结果对该区域国土空间规划编制的启示以及模型未来改进的方向等。     

基于SWAT模型的开都河上游未来土地利用变化对径流的影响

【目的】揭示土地利用变化下的流域径流变化。【方法】以开都河上游区域为研究对象,利用分布式水文模型SWAT,采用元胞自动机-马尔科夫模型(CA-Markov)预测法、当地土地利用规划要求和极端土地利用情景法共设置了4种2025年土地利用情景,包括自然发展情景、规划发展情景、极端草地情景、极端林地情景。【结果】①构建的SWAT模型在率定期(R2=0.74,NSE=0.73)与验证期(R2=0.58,NSE=0.57)的模拟结果可以接受。②采用CA-Markov模型模拟的2010年土地利用类型图Kappa系数为0.83,可用于预测2025年土地利用类型。1980—2010年土地利用类型变化主要表现为草地转换为水体和未利用地,其转换面积分别为106.09 km2和0.5 km2。③相较于基准年2010年,各土地利用情景下的年均径流量均减少,自然发展情景减少最快,极端草地情景减少最慢;从丰水期与枯水期来看,2种时期下各情景月均径流变化完全相反;从其季节分配来看,各土地利用类型在夏季对径流变化影响最大,冬季影响较小。【结论】该地区草地是影响径流最主要的调控因子,原有草地的减少会引起夏季径流较大幅度减少,对于未利用地,可考虑开发为草地。     

渭河流域蓝绿水对土地利用变化的响应模拟

为深入探讨渭河流域土地利用演变过程对蓝绿水时空变化的影响,该研究基于渭河流域1995、2015年土地利用数据,利用CA-Markov(Cellular Automata-Markov)模型预测渭河流域2035年的土地利用格局;结合SWAT(Soil and Water AssessmentTool)水文模型,设置多种土地利用变化情景,定量分析流域内土地利用变化与蓝绿水量的时空响应关系。结果表明:1)CA-Markov模型模拟2015年土地利用格局效果较好,Kappa系数为0.89,可用于模拟预测;1995-2035年间,耕地主要向建筑用地和草地转移,草地主要向林地和耕地转出,流域内耕地呈减少趋势,单一动态度为-0.27%,建筑用地增速最大,单一动态度达到3.75%。2)1995-2015年间,蓝水量增加了2.38 mm/a,绿水量减少了18.74 mm/a,绿水量减少幅度较大,2015-2035年蓝水量增加了14.82 mm/a,绿水量减少了15.23 mm/a,蓝水量的增加幅度较大;在极端土地利用情景下,退耕还草、还林对蓝水量和绿水量均起减少作用,蓝水量分别减少了9.27、11.37 mm/a,绿水量分别减少了32.94、21.13 mm/a。因此需要合理规划渭河流域耕地、林地和草地,防治水土流失问题,促进流域生态环境的改善。研究结果将对渭河流域土地利用规划和水资源管理提供科学参考。     

基于AHP-SPCA熵权模型的松花江流域生态脆弱性时空演变及预测

[目的]科学评估松花江流域生态脆弱性动态变化和发展规律,为该区内的生态保护和修复提供科学依据。[方法]从自然和人文角度构建指标体系,运用AHP-SPCA熵权模型、最小相对信息熵以及地学信息图谱等方法,对2005—2020年松花江流域生态脆弱性进行动态评价及时空演变分析,并结合CA-Markov模型对2025年研究区的状况进行预测模拟。[结果](1)2005—2015年研究区生态脆弱性自东向西呈现逐渐降低的趋势,而在2020年,西部生态脆弱程度有所升高;2005—2020年研究区生态脆弱性综合指数的均值为3.006 8,整体处于中等脆弱状态;(2)研究期间,微度—潜在、微度—轻度、轻度—中度、中度—轻度图谱类型最为显著;(3)2020年预测值的kappa系数为0.81,表明CA-Markov模型适用于该模拟预测研究,2025年综合指数为3.265 9,整体脆弱程度呈上升趋势。[结论]松花江流域生态脆弱性呈上升趋势,面临着生态恶化的风险,需加强对生态环境的保护治理。