不同空间尺度下的土壤侵蚀元胞自动机建模评述

土壤侵蚀系统是一个典型的非线性动力系统,系统内部的侵蚀发育演化过程十分复杂,为了对该过程进行精确的模拟和预测,需要发展有效的技术和方法.元胞自动机( cellular automata,CA)是一种具有时空特征的离散动力学模型,采用“自下而上”的构模方式,对于模拟和分析具有空间特征的土壤侵蚀系统具有先天优势.由于空间尺度变化所引起的土壤侵蚀因子对侵蚀产沙过程的影响不同,CA模型在坡面尺度下主要针对细沟侵蚀和土壤颗粒的变化,在小流域尺度下涉及到更多的元胞状态和更加完整的侵蚀过程,在大区域尺度下重点研究气候和地貌之间的相互作用.不同空间尺度建立的CA模型没有确定的转换规则,模型通用性较低,今后需要在三维可视化、智能化等方面深入研究CA模型在土壤侵蚀领域的应用.     

区域尺度下黄土高原土壤全钾含量的空间模拟

为了揭示高原区域地区尺度上土壤全钾的空间异质性及其影响因素,该文采用状态空间方程和传统线性回归模型对该区土壤全钾含量的空间分布进行了模拟,并分析了其与土壤体积质量、黏粒含量、粉粒含量、土壤酸度、降水、气温和海拔高度等因素之间的关系。结果表明,以上变量在30～50km的采样间距下均表现出较好的空间自相关性,其中土壤体积质量、黏粒含量、粉粒含量、降水和气温与土壤全钾之间存在显著的交互相关关系,可用于土壤全钾的状态空间模拟。不同因素组合下的状态空间方程均比使用相同变量的线性回归方程能更好的模拟土壤全钾含量的空间分布。使用土壤体积质量和黏粒含量的双因素状态空间方程模拟效果最好,决定系数R2为0.978,均方根误差(RMSE)为0.049。状态空间模拟在大尺度区域的应用表现出较好的效果,为研究该区其他土壤属性的空间异质性提供了参考。     

基于GeoCA和GIS的水土流失空间演化模拟研究

传统的水土流失研究主要是以通用方程(USLE)为基础的一种确定性分析。实际上,水土流失是一个影响因素众多,边界条件复杂的连续不间断的不确定过程。研究了用地理元胞自动机来模拟水土流失的原理、方法和工作流程,并在GIS技术支持下采用标准的Von.Neumann邻居定义,着重探讨元胞状态转化所遵循的规则和水土流失从一种强度到另一种强度这一微观动态变化过程,最终形成GeoCA—SoilErosion系统。最后,以重庆市万洲区为例,用元胞空间与研究区域相一致的地理元胞自动机模型,得出了重庆市万洲区水土流失等级图并分析了水土流失与其背景的空间关系。研究结果表明,万洲区水土流失已经得到有效控制。并运用ArcView软件作为开发平台与之集成,将这一过程可视化表达。     

经济快速发展地区县级尺度土地利用空间格局变化模拟

选择位于长江三角洲地区社会经济快速发展的浙江省海盐县为研究区,利用1986年土地利用空间数据和影响研究区土地利用变化的驱动因子,运用CLUE-S模型,分别对其1995和2000年的土地利用空间变化格局进行模拟,经检验,模拟结果与实际情况基本吻合。在此基础上,对研究区未来20a的土地利用空间格局变化进行了3次不同情景的模拟。结果表明,县城周围、各中心镇、重点镇建成区周围以及主要公路干线沿线是耕地非农化的高发区,基本农田保护区的划定对耕地的保护具有重要意义。     

基于ANN-CA模型的重庆市多级流域耕地景观格局演化及预测

为解决耕地演化的尺度效应问题,研究弥补现有不足,创新性地从多级流域尺度出发,基于ANN-CA模型对重庆市2000—2030年耕地景观格局演化进行模拟及预测,不仅为山区耕地的研究尺度提供新视角,且有助于解读重庆市耕地利用现状与趋势,为其耕地保护和规划提供参考。结果表明：(1) ANN-CA模型的模拟结果精度达89.33%,适用于模拟山区耕地演化研究;(2)在城市扩张、退耕还林和耕地撂荒多重影响下,2000—2020年重庆市耕地数量以先慢后快的速度由40 640.87 km²下降至38 590.33 km²,大部分转为城市建设用地,其次是林地、草地;(3)一级流域下,2000—2020年耕地规模均值由0.519缩减至0.491,耕地破碎度均值由0.217上升至0.233,耕地不规则度均值由0.311上升至0.336,耕地聚集度均值由0.657下降至0.620;(4)二级流域下,2000—2020年耕地规模均值由0.492下降至0.470;耕地破碎度均值由0.157上升至0.164;耕地不规则度均值由0.302上升至0.311;耕地聚集度均值由0....     

武夷山风景名胜区景观类型空间关系及其尺度效应初探

对武夷山风景名胜区景观类型空间关系及其尺度效应研究结果表明 ,景观类型空间关系存在尺度效应 ,尺度变化对破碎化程度高的景观类型空间关系影响较大 ,而对破碎化程度低的景观类型空间关系影响较小。研究景观类型空间关系时其取样尺度不宜太大 ,武夷山风景名胜区以 2 0 0m× 2 0 0m取样尺度最佳。武夷山风景名胜区景观类型空间关系特征为低海拔高度区呈现出以居民点为中心的由农田、河流等向周围扩散的干扰景观格局 ,而中高海拔高度区则呈以近成熟、成过熟林占优势的天然马尾松林为主体的人为干扰较小的天然景观格局     

基于灰色模型-元胞自动机模型的佛山市土地利用情景模拟分析

通过模拟土地利用变化情景,了解土地利用变化趋势,可为制定科学的土地利用管理策略提供支持,根据近年来建设用地扩张在佛山市土地利用类型变化中占主导地位的特点,选择灰色模型作为数量模型,元胞自动机模型作为空间模型,设定3种建设用地扩张情景:适度约束、中度约束和强力约束,结合数量模型和空间模型的优点,模拟2015年土地利用空间布局。研究结果表明:在设定的3种建设用地扩张情景下,建设用地增加的面积分别为278.3、216.5和154.6km2,相应来源于耕地的比率分别为42.28%、48.38%和55.96%,说明耕地仍然是建设用地增加的主要来源,也即耕地保护和经济发展的矛盾将会进一步增大,可为政府和土地管理部门制定政策提供一定的参考,从而采取更有针对性的措施。     

三峡库区县域"三生空间"时空演变特征与情景模拟

探究区域"三生空间"时空演化规律和未来发展态势是进行国土空间规划和治理的重要基础，可为区域国土空间有序利用和整治修复指明方向。该研究运用转移矩阵、动态度模型分析1990－2020年三峡库区重庆市石柱县"三生空间"规模、结构及格局的动态演变特征，基于FLUS模型模拟在自然发展、耕地保护和生态保护3种情景下石柱县2035年的国土空间格局。结果表明：1）石柱县以生态空间为主，生产空间次之，生活空间占比最小，总体呈现出西部以生产空间为主，东部以生态空间为主的空间特征。2）研究期内，石柱县生产空间小幅减少，生态空间略有增加，生活空间增幅显著。"三生空间"转移呈现出"整体分散、局部集中"的空间特征。3）3种情景模拟下，石柱县"三生空间"变化显著。自然发展情景下，农业生产空间向其他空间均有转出，但转出转入面积基本平衡，其他空间均呈现出不同程度的扩张，而绿被生态空间呈现大幅度萎缩趋势。耕地保护情景下，农业生产空间的转出得到严格控制，耕地得到有效保护，但绿被生态空间成为最大的转出空间。生态保护情景下，生态空间格局得到有效保护，其面积有所增加，但农业生产空间萎缩明显，其他类型空间面积均有所增加。总体而言，研究结果与研究区社会经济发展趋势和区域发展格局形成较好的对应关系，可为研究区国土空间治理和优化提供理论支撑。     

不同尺度转换方式对土地利用格局模拟的影响效应研究

以张家界市永定区为研究对象,根据2005年土地利用现状图和数字高程模型数据源得到的土地利用、地形、河流以及道路等空间数据,在不同的尺度聚合方法下构建了多种尺度上的土地利用格局模拟模型,以试图探讨不同尺度转换方式对土地利用格局模拟的影响。研究结果显示:① 在空间尺度逐渐增大过程中,中心值原则（RCC）下,模型的拟合优度（ROC值）变化相对较大,表现出很强的随机性,在400 m×400 m和700 m×700 m的尺度时,ROC值出现明显的波动;② 面积最大原则（RMA）和优化组合方法（OIM）下,随着聚合尺度的升高,模型的拟合优度值变化相对较为平缓,且ROC值逐渐增大的趋势比较明显;③ 比较RCC、RMA和OIM三种方法,优化组合方法（OIM）具有更高的拟合优度,在各种聚合尺度上,土地利用类型的ROC值均得到了明显的提高（耕地、林地和建设用地的平均ROC值分别提高到0.767,0.785,0.895）;④ 各种尺度转换方法下,在1 700 m×1 700 m尺度时各种地类格局的拟合均出现ROC的峰值,可以认为1 700 m是永定区土地利用格局的最佳模拟尺度。研究结果对区域进行土地利用的规划、制定相应的土地开发与利用政策等也具有一定的参考意义。     

海岸带土地利用模拟结果对元胞邻域的响应研究

通过元胞自动机（Cellular Automata,CA）动态模拟能够重建和预测复杂系统的全局结构及其演变。海岸带土地利用变化模拟是CA应用研究的重要领域之一。元胞邻域及其组合作为CA的必要组成部分,对海岸带模拟结果有显著影响。以半径为1,2和3的Moore邻域为例,测试并分析了模拟结果对元胞邻域的响应。研究表明:这种影响表现在3个方面:分别是元胞数量、空间形态和不确定性。小范围邻域组合模拟结果形态真实、不确定性较低,但是模拟变化容易过早终止;大范围邻域组合模拟结果形态真实性较差、不确定性较高,但是模拟结果能够保持延续。针对具体的模拟案例,元胞邻域的选择需要结合影响系统演变的全局因素而确定。模拟结果的响应特征不仅适合海岸带土地利用模拟,也适合其他类型的空间系统演变模拟。     

重庆市生态修复示范区土地利用景观格局分析

景观空间格局是生态系统或系统属性空间变异程度的具体表现,它影响着各种干扰的传播、物种的运动、土壤侵蚀等诸多生态现象。对重庆市巫溪县与璧山县生态修复示范区的土地利用景观进行空间格局分析。研究结果表明:(1)巫溪县的主要土地利用景观类型为灌木林地和山区旱地,璧山县则主要为丘陵区水田、旱地及有林地;(2)璧山县植被覆盖度较好,其自然生态系统较人工生态系统面积比例比巫溪县大;(3)巫溪县有占全县面积0.7%的裸岩石砾地及7.8%的坡度大于25°的旱地,表明巫溪县人为活动形成了大面积的坡耕地;(4)巫溪县复杂的山地地势及受干扰的退化系统,形成了其斑块面积变异性大、形状不规则、破碎化程度高的景观特点。     

2003—2018年瑞兴于地区土地利用景观格局时空演变及驱动因素

为了解近15年来瑞兴于地区土地利用景观格局时空变化特征及其驱动因素,基于4期遥感影像,结合RS和GIS技术,运用土地利用动态度、土地利用转移矩阵、景观格局指数等分析了瑞兴于地区土地利用、景观格局时空演变特征,选取11项社会经济因素进行主成分分析并结合相关统计信息及政策法规分析其驱动因素。结果表明:林地是瑞兴于地区最主要的土地利用类型,约占研究区域总面积的70%,2003—2018年建设用地呈持续增加趋势,而耕地则呈持续减少趋势,草地和水域处于波动状态; 类型转换以林地与草地、草地与耕地、耕地与建设用地之间的相互转换为主,耕地是建设用地最主要的转入源; 研究区内景观破碎化程度降低,优势性提高,整体多样性及均衡性略有提高,研究区内景观类型区域均衡化、多样化发展。瑞兴于地区土地利用景观格局变化在一定程度上受到地形地貌因素的影响,主要驱动因素为经济发展、人口增加、产业结构调整以及相关政策法规的实施。     

1990-2015年红碱淖地区土地利用/土地覆盖与景观格局的时空演变

[目的]研究近25 a红碱淖地区的土地利用景观格局演变,为西北矿区生态环境保护、煤炭的绿色开采以及沙漠湖泊的环境管理和决策提供基础数据和科学依据.[方法]选取1990,2000,2005,2010和2015年5期Landsat TM/ETM+/OLI影像,利用遥感、地理信息系统技术和地理数学统计方法定量分析红碱淖地区土地利用/土地覆盖的动态变化和景观格局的演变特征.[结果] 1990-2015年,红碱淖地区的耕地和沙地面积分别增加了3.56％和21.87％,林草地和水体的面积分别减少了23.85％和2.25％,区域内水体和林草地退化严重,林草地主要转化为沙地和耕地;景观指数中,平均斑块面积减少,斑块总数、形状指数和多样性指数增加,景观破碎化程度加大,景观类型增加.[结论]上游修建水库和开采地表水使湖泊面积减少,退耕还林工程使得林草地面积增加等人为因素是影响红碱地区域景观格局变化的主要驱动因素.     

基于CA-Markov的河西走廊土地利用变化研究

基于河西走廊1990年、2000年土地利用矢量数据，通过空间叠加和构建土地利用分布与变化的1 km-Grid数据集以研究20世纪90年代土地利用分布与变化的数量特征和空间格局特征，并运用马尔可夫模型和元胞自动机技术对2010年土地利用分布情景进行预测。研究表明：河西走廊以未利用土地和草地为主；20世纪90年代，耕地、城乡工矿居民用地增加，而林地、草地、水域和未利用土地减少；多种土地利用类型的开垦在区域土地利用变化中处于主导地位，其中“草地→耕地”和“未利用→耕地”2个变化类型的规模最显著。主要交通线与大的河流附近人类活动强烈，因而土地利用类型及变化类型比较多样，空间格局复杂。CA-Markov模型模拟结果表明2000～2010年间6个土地利用类型将保持原有的变化趋势和变化速率，因此，迫切需要加强对林地、草地和水域的保护，控制和阻止盲目开垦耕地的行为，推进退耕还林还草工程，促进区域生态环境质量的保护和改善。     

张家界市景观格局时空演变及未来情景模拟

[目的] 分析湖南省张家界市2000—2020年及2030年土地利用及景观格局演变特征,提出张家界市未来发展的优化策略,为张家界市国土空间规划和生态旅游发展提供参考。[方法] 基于2000—2020年5期土地利用数据,运用ArcGIS空间分析、Fragstats景观格局指数等方法,分析了2000—2020年张家界市土地利用及景观格局时空变化,并利用GeoSOS-FLUS土地利用模拟等软件对张家界市2030年土地利用变化及景观格局进行预测。[结果] 2000—2020年张家界市土地利用变化主要表现为草地面积的大幅减少和建设用地的显著增加;2000—2020年张家界市景观格局发生了较明显的改变,景观的整体异质性和破碎化先增加后降低,斑块形状趋于规则,景观类型分布较均匀,景观聚集程度逐渐趋于稳定状态;预测结果显示,2030年张家界市土地利用主要表现为建设用地的集中扩张和草地的持续减少,其景观破碎化和异质性呈加剧态势,优势景观的最大斑块面积增加,景观形状变得更加不规则,景观有进一步分散趋势。[结论] 运用GeoSOS-FLUS模型模拟未来土地利用状况具有较高的可信度,未来张家界市应以保护、优化景观格局为主,加强优良生态系统管控。构建自然保护地体系,加强生态廊道建设,完善生态系统完整性和景观连通性。保持林地优势景观,优化建设用地布局,降低林地和建设用地的破碎化程度,保护草地生态系统的完整性。     

新疆玛纳斯县域土地利用变化对景观生态系统的影响

21世纪初的玛纳斯县域土地利用面临新的政策和技术背景,采用遥感技术对2000年和2005年玛纳斯县域人类主要活动区各类景观进行对比分析,发现研究区内耕地、城镇景观面积出现大幅增长,林地、草地景观面积显著下降,“农林”、“农草”争水、争地的矛盾逐渐激化,水资源的供需处于“紧平衡”状态,区域景观生态系统的多样性、稳定性降低。分析表明导致玛纳斯县域景观生态变化的驱动因素主要包括当地气候条件的变化、农业相关政策的推行、农业节水灌溉技术的突破和农业生产合作形式的创新。     

丹江土石山区景观格局模拟与社会经济响应关系

以丹江流域陕西省段为研究对象,采用GIS,IDRISI和Fragstats平台与系列经济数据,分析了丹江流域土地的数量变化及转移情况,建立了景观格局和经济指标的模型,模拟出2020年、2030年的景观格局,并通过模型计算相应年份经济数据。结果表明:(1)该流域的优势景观为草地,1980—2010年草地面积减少最大为46.65km2,林地增加最多为50.42km2;与2010年相比,2030年的林地和城镇工矿用地会进一步增加,草地大幅度减少(90.84km2);(2)研究区整体多样性增加,稳定性降低。草地、林地和城镇用地都趋于规则,更加聚集,高连通;(3)景观指数DIVISION,IJI,LPI,SHDI与经济有显著关系,其中DIVISION,SHDI与经济呈负相关,而IJI,LPI与经济呈正相关;(4)2010—2020年是经济增速明显,除人口外增幅80%～188%;2020—2030年增幅降低,保持在30%以上,但人口相比2020年开始降低。     

三峡库区腹地撂荒地动态演变及景观格局——以重庆市奉节县平安乡、竹园镇为例

[目的]分析撂荒地的空间演变特征以及形成机理,为撂荒地的治理提出切实可行的依据。[方法]以三峡库区奉节县平安乡、竹园镇为研究区,基于2002,2012和2016年3期Google Earth高清遥感影像,运用GIS和RS软件结合人机交互解译得到土地利用数据,并通过土地利用动态度、空间自相关和景观格局研究理论与方法对研究区撂荒地进行相关分析。[结果](1)研究区2002—2016年撂荒地的增长速度逐年加快,撂荒地面积持续增长。(2)自2002年以来撂荒地破碎化异质化程度减小,斑块连接性更好,形状趋于简单,有向大而集中方向发展趋势。在不同坡度和高程等级下,斑块破碎化异质化程度有增减,撂荒情况也随之变化。(3)研究区撂荒地具有空间集聚特性,但局部的集聚情况存在差异,表现为同质化程度高且逐年扩散。[结论]研究区耕地撂荒现象的时空变化规律基本一致,其空间分布一方面与坡度、高程等自然原因密切相关,另一方面又与居民点的距离具有明显的相关性,从侧面反映撂荒地空间分布受农村劳动力大量流失、农村剩余劳动力不足等因素的影响。     

基于GIS和RS的煤矿区土地利用景观格局梯度变化研究

为了揭示煤炭开采驱动力与土地利用景观格局变化的耦合关系,应用GIS和RS技术,采用景观软件FRAG-STATS,从景观水平和斑块水平两个层次上对乌东矿区及其周边区域景观指数的变化规律进行了研究。结果表明：煤炭资源开采对区域影响强度的不同是区域景观格局产生梯度变化的主要原因。研究成果有助于探索煤炭开采对土地利用空间格局的影响,也可为同类地区土地利用空间格局的研究,提供科学参考依据。