基于CA-Markov的土地利用时空变化与生境质量预测——以宁夏中部干旱区为例

探究干旱半干旱区土地利用结构动态变化特征，评估并预测生境质量，可为区域生态规划和恢复提供决策性依据。本研究以搭载OLI和ETM+传感器遥感影像和气象数据、社会经济数据等为基础，采用土地利用转移流概念、InVEST模型和CA-Markov模型研究2000-2030年宁夏中部干旱区土地利用和生境质量时空变化特征及规律，对未来情境进行模拟和预测。研究结果表明：宁夏中部干旱区土地系统结构变化与生态建设规划高度一致，具有黄河流域两侧集中分布的特征，土地系统综合动态度逐期减小，活跃度具有稳中有变、部分较活跃的特征。土地系统信息熵特征值呈逐年降低趋势。随着时间变化土地系统受人类活动干扰强度低，自我调整程度高，修复能力强，系统向稳定状态转化。2000-2015年研究区生态环境质量呈“U”型特征，以优秀等级为主。2015-2030年土地系统结构将发生显著变化，生境质量优秀、差和良好等级面积逐渐扩大，生态系统呈现稳定向好的趋势。本研究的多模型集成应用可为区域土地规划和生态恢复建设提供理论依据和支撑。     

基于InVEST模型的蒲河流域景观格局及生境质量时空演变分析

[目的]通过对景观生态格局和生境质量的时空动态分析,深入研究沈阳市蒲河流域实施水土保持措施前后的生境质量响应情况,旨在为小型流域的水土保持策略提供科学依据,以促进生态经济的协同增长和区域生态的持续健康发展。[方法]基于蒲河流域2000年、2010年、2020年的土地利用数据和数字高程模型(DEM)等数据,结合FRAGSTATS和InVEST模型,运用土地利用转移矩阵、景观格局指数、生境质量及生境退化度对土地利用变化进行分析,探究响应机理。[结果](1)在2000—2010年期间,蒲河流域的耕地开发活动频繁,导致森林、草地等土地类型的比例显著下降;在2010—2020年期间,蒲河生态廊道的建设推动土地利用的变化,耕地面积流向人造地表、森林和草地。(2)在2000—2020年期间,蒲河流域的整体景观格局经历先趋于完整后破碎化的演变过程,蒲河两岸景观形成多种要素集合的密集格局,城市中心北部边缘地区生境持续破碎化。(3)从流域整体分析,2000年、2010年、2020年的生境平均质量分别为0.349,0.329,0.354,呈现出先降后升的趋势。生境退化平均值分别为0.098,0.112,0....     

2000—2020年基于土地利用变化的生境质量时空动态演变——以武汉城市圈为例

土地利用变化直接扰动生境质量,导致国土空间生态结构-过程不稳定及其累积效应下的服务功能退化。为分析武汉城市圈生境质量的时空演变特征,探究其土地利用变化对生境质量的影响情况,运用InVEST模型的生境质量模块,以2000年、2010年、2020年3期土地利用数据为基础,探究了武汉城市圈土地利用变化所引起的生境质量时空演变特征。结果表明:(1)武汉城市圈土地利用变化主要表现为耕地减少和建设用地扩张,其中耕地净转出面积为1 470.92 km²,建设用地净转入面积为1 340.61 km²。(2)2000—2020年,武汉城市圈的生境质量变化幅度较小,87%的区域生境质量等级不变,主要处于“一般”和“优”2个级别,6%的区域生境质量等级升高,7%的区域生境质量等级下降,整体生境质量良好;(3)低等生境(差、一般)主要分布在城市的经济发展核心区域及周边地区,高等生境(良好、优)一般分布在武汉城市圈的东北部和东南部海拔较高的地区。(4)2000—2020年,耕地、未利用地转化为水域,建设用地转为耕地以及草地转为林地的转化率具有最大的积极影响,CI值分别为2.271 9,0.509 1,0.421 4,0.226 2。耕地转为水域以及林地转化为耕地和建设用地对生境质量的消极影响最大,CI值分别为-3.350 6,-1.490 9,-1.409 9。综上,建设用地快速扩张和人口增长使得生境质量加速退化。未来应通过土地利用布局优化促进生境局地环境系统保护与修复措施,提升系统应对变化环境的弹性适应能力。     

基于CA-Markov和InVEST模型的土地利用变化对生境影响评价——以福建省福州新区为例

[目的]研究福建省福州新区近15 a来的土地利用变化并对未来15 a的变化进行预测,并对30 a的生境质量变化进行分析;将预测结果与规划形成对比,为土地利用规划提供参考。[方法]以福建省福州新区为例,基于2000年Landsat_ETM~+和2015年Landsat_OLT遥感影像解译的土地利用数据,对国家级新区——福州新区的土地利用动态变化进行空间分析,运用CA-Markov模型对其2030年的土地利用格局进行预测。在此基础上,进一步采用InVEST模型对新区内过去,现在和未来的生境质量进行评价。[结果]①15 a间福州新区耕地、林地、水域和建设用地变化速度较快,草地和海域变化相对较小,未利用地变化较小但变化较为剧烈;②CA-Markov模型预测显示研究区2015—2030年土地利用变化趋势与2000—2015年大体相同,表现为除未利用地呈现增加的趋势外,建设用地和生态用地分别呈现急剧扩张和持续减少的趋势;③2000—2030年研究区内大量耕地、林地、草地和水域向建设用地转化,导致威胁源的增加,进一步降低了生境质量。[结论]福州新区由于建设用地快速扩张导致区内生境质量严重下降,应加强生态保育,合理控制建设用地的增长,避免生境质量进一步恶化。建议将2030年用地规划中的建设用地边界作为限制建设区边界,将预测结果作为允许建设区边界,提高建设用地的集约利用程度。     

基于土地利用变化的祁连山地区生境质量时空演变分析

[目的]对祁连山地区的生境质量和生境退化状况开展研究,揭示人类活动对该地区生态环境的影响程度,为该地区的生态环境保护和发展提供科学参考。[方法]基于1970s末以来全国1∶10万土地利用数据,分析1970s末至2015年近35 a来祁连山地区的土地利用和景观格局变化特征,并采用InVEST模型评估该地区生境质量变化。[结果]①草地和未利用土地是该区最主要的土地利用类型,其次是林地、耕地、水域、城乡工矿居民用地;其中草地和城乡工矿居民用地的变化较剧烈,前者先减后增,后者持续增加。②在时间变化上,随着土地利用类型的变化,该区的生境质量由恶化的态势逐渐趋于改善,2015年生境质量最好。③在空间分布上,该区的生境质量和生境退化度均表现为东高西低。[结论]优越的自然条件使其生境质量较高;人类活动强度较高则是生境退化度较高的原因。     

基于CA-Markov与InVEST模型的吉林省生态系统服务价值模拟及预测

[目的] 分析与预测吉林省土地利用演变过程,衡量其对生态系统服务价值的影响程度,为吉林省生态环境保护与改善方针策略的制定提供理论依据。[方法] 基于吉林省2000,2010和2017年3期土地利用数据,采用CA-Markov模型对2024年的土地利用格局进行模拟预测,利用InVEST模型分析吉林省2000-2024年生态系统服务价值变化及生境质量时空演变特征。[结果] ①2000-2024年吉林省耕地、草地、建设用地面积持续增长,林地、水域和未利用土地面积有所减少。②2000-2024年生态系统服务总价值呈下降趋势,其中森林的生态系统服务价值量最大,水文和气候调节是主要的生态服务功能。③吉林省生境质量在空间分布上呈中西部低,东部高的特征,质量在不断退化,城市周边和各大水系流域沿岸退化严重。[结论] 吉林省中部及西部地区生境质量下降较为严重,应注重城市周边及水系的保护与合理利用。     

郑州市土地利用/覆被变化与生境质量的时空演变及情景预测

[目的] 探究郑州市土地利用格局和生境质量时空演变特征并预测未来发展趋势,为区域生态保护实践和可持续发展提供理论参考。 [方法] 基于PLUS模型和InVEST模型,同时结合ArcGIS空间分析及地理信息图谱法,分析2000—2020年郑州市土地利用变化情况,并模拟2030年基准情景和生态保护情景下的空间分布格局,探究郑州市生境质量时空演变规律和像元尺度下的迁移状态。 [结果] ①2000—2020年,耕地和建设用地为郑州市主要景观类型,20年间,建设用地面积激增,涨幅15.76%,主要来源于耕地; ②PLUS模型对郑州市土地利用模拟具有适用性,相较于基准情景,2030年生态保护情景下建设用地扩张受限,生态用地总量上升,该情景可为研究区推进生态建设提供参考; ③2000—2020年生境质量不断退化,空间分布差异显著,高生境质量区始终位于巩义市和登封市,低和较低等级的图谱单元相互转移最频繁; ④2030年延续“西高东低”格局,生态保护情景下生境质量呈“低值减少,高值增多”的特征,向较高和高等级转移率升至14.44%,与基准情景相比表现出稳中向好的发展趋势。 [结论] 郑州市生境质量时空分布与土地利用变化密切相关,未来应注重国土空间结构的合理布局,增强土地利用效率,提升生态系统质量和稳定性。     

基于InVEST和CA-Markov模型的黄河流域碳储量时空变化研究

区域土地利用/覆被变化是导致生态系统碳储量变化的主要原因,预测未来土地利用/覆盖变化及其对碳储量的影响对区域陆地生态系统的认识具有重要意义。本研究基于黄河流域2005—2018年土地利用/覆被变化规律,运用CA-Markov模型分别预测了生态保护情景(EVC)和自然变化情景(NVC)下的土地利用/覆被空间格局,采用修正后的碳密度,运用InVEST模型评估黄河流域2005—2030年6期碳储量。结果表明:2005—2018年黄河流域林地、水域和建设用地面积持续增加,耕地、草地和未利用土地面积减少, 13 a间全流域碳储量减少28.734×10~6 t。与自然变化情景相比,在生态保护情景下2030年草地和耕地相比2018年减少幅度较小,建设用地规模扩大得到了限制,产生了生态效应。2030年,自然变化情景和生态保护情景下的碳储量较2018年分别减少258.863×10~6 t和30.813×10~6 t,生态保护情景下土地利用覆被格局固碳能力高于自然变化情景,该研究可为黄河流域土地利用结构调整和土地利用管理决策提供科学依据。     

基于InVEST模型的甘肃白龙江流域生境质量时空分异

基于1977年、1990年、2002年、2014年的Landsat TM/ETM+遥感数据,运用GIS和InVEST模型,分析了甘肃白龙江流域生境质量时空分异特征,旨在为流域自然生态系统管理和可持续发展提供参考。结果表明:（1） 1977-2014年,林地和草地是该流域的主要土地覆被类型,林地、耕地和建设用地的面积增率为0.4%,0.36%和3.7%,草地、未利用地和水域的减少率约为0.5%。（2） 1977-2014年,生境质量总体表现出先降低后缓慢增加的趋势。（3） 生境质量较高的区域主要分布在流域西北部与文县南部,集聚于自然保护区和林业管护区;生境质量较低的区域主要分布在河谷近岸、农耕区、城乡聚落区、裸地和低覆盖草地等,集聚于舟曲-武都段白龙江近岸区及文县和武都交界区、宕昌西北部等。研究结果可为流域生境保育及生态建设提供参考依据。     

基于InVEST和MGWR模型的安徽省生境质量评估及驱动

[目的]评估安徽省生境质量并研究其驱动机制,以期为安徽省生态环境管理和社会经济可持续高质量发展提供理论参考和科学依据。[方法]以安徽省为研究区,基于InVEST模型对2000年、2010年、2020年生境质量进行评估,并运用热点分析和MGWR模型对影响生境质量空间分布格局的自然—社会经济因子进行分析。[结果](1) 2000—2020年安徽省生境质量整体呈现下降趋势,下降率为3.01%,且生境质量较差区分布面积最广。(2)生境质量的空间分布格局呈现“以山地丘陵地区为主的南部和西部高,以耕地和建筑用地为主的北部和中部低”态势,且具有明显的空间集聚性。(3)坡度、NDVI、建筑用地比例和土地垦殖率是影响安徽省生境质量空间分布的关键因子,平均回归系数分别为0.138,0.084,-0.213,-0.557。坡度对生境质量具有正向效应,NDVI对生境质量的影响以正向效应为主,三期正向效应影响面积比例均达到80%以上,建筑用地比例和土地垦殖率对生境质量的负向效应随时间变化分别增强和减弱。[结论]建筑用地比例和土地垦殖率会使生境质量降低,未来应加强土地利用的管理和注重城镇扩张规模。     

基于CA-Markov模型的土地利用景观格局预测研究

土地利用景观格局分析及预测,对平衡经济发展和生态保护、实现土地可持续生态利用和保护管理具有重要意义。本文以江西省抚州市东乡县为例,利用2005年和2015年两期遥感影像,获取东乡县土地利用类型转化数据,结合景观生态学研究了东乡县近10年的土地利用景观格局变化特征;运用CA-Markov模型对土地利用变化过程进行模拟,预测和分析了东乡县未来10年土地利用景观格局特征。结果表明:东乡县在过去10年建设用地、耕地分别增加了71.82、10.76 km~2,水域、林地和未利用地相应减少,减少幅度顺序为未利用地水域林地;各景观斑块分布均匀,景观多样性增加;景观形状趋于简单,相互之间连通性降低、关系变弱。人类经济活动及土地利用政策对东乡县景观格局有显著影响。到2025年东乡县建设用地将增加68.72 km~2,水域、林地和未利用地仍将不断减少,但耕地有所增加;景观斑块数增加,形状略趋复杂;景观异质程度提高,有向多样化、均匀化发展的变化趋势。总体来说,东乡县景观格局正逐步朝着稳定、均匀和多样的方向发展,但仍需加大力度保护和增加耕地资源,控制和合理规划建设用地,维持生态环境平衡。     

自然—社会经济因素驱动下江西省生境质量的时空演变与主控因子

[目的]基于江西省2000—2020年5期土地利用数据,分析生境质量时空演变特征和研究区域生境质量变化的主要因素,以期为江西省土地利用规划及区域生态系统服务优化提供参考。[方法]使用InVEST栖息地质量评估模型对江西省生境质量水平进行空间测度,利用全局Moran’s I指数分析生境质量时空关联性,并运用地理探测器模型捕捉影响生境质量的主导因子。[结果](1)2000—2020年,江西省生境质量整体处于较高水平,但呈现缓慢下降趋势。(2)江西省生境质量具有较高空间正相关性,空间分布差异性逐渐增强。(3)自然—社会经济驱动体系中,土地利用类型因子中林地所占比例是影响生境质量的主控因子,各驱动因子间交互作用均为非线性增强,其中距建设用地距离和耕地比例两者交互作用最大。[结论]江西省生境质量整体水平较高,空间分布差异明显,生境质量水平主要受土地利用类型的影响。     

耦合InVEST-PLUS模型的榆林市生境质量时空演变及预测分析

生境质量是衡量一个地区生态环境优劣的重要参考指标,土地利用变化研究可为区域生境质量时空动态演变特征评估提供科学依据。基于1980年、2000年、2018年土地利用数据,通过InVEST模型、PLUS模型、地理信息图谱法分析并预测榆林市土地利用变化情况,以此探究陕西省榆林市生境质量时空演变特征。结果表明：(1)榆林市景观基质主要由草地和耕地构成,林地和未利用地次之,水域和建设用地占比相对较少,退耕还林政策的实施、治沙工程的开展,以及建设用地的开发是土地利用变化的主要驱动因素。(2)从区域整体分析,1980年、2000年、2018年、2030年生境质量平均值分别为0.502 8,0.520 9,0.518 3,0.525 9,生境值总体变化不大,呈现先增后降再增的波动变化趋势。从空间格局分析,榆林市生境质量分布具有一定的规律性,整体呈现东高西低的格局。生境退化平均值分别为0.029 8,0.028 9,0.029 2,0.028 3,具有生境退化的威胁。研究结果对榆林市自然环境的保护和生境质量的提高具有理论支持和政策意义。     

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Logistic-CA-Markov与InVEST模型对南京市土地利用与生物多样性功能模拟评价

针对目前国际上应用比较广泛的Logistic模型,在此基础上加入空间自相关变量,应用1985年、1995年、2005年、2015年4期土地利用数据,再结合CA-Markov模型模拟预测了南京市2025年3种不同情景(自然增长情景、生态保护情景和土地优化情景)下的土地利用发展方向;进一步结合InVEST模型,研究以上4年土地利用变化下的生物多样性服务功能分布和变化,以及2025年不同模拟情景下的生物多样性服务功能分布情况。结果表明:Logistic-CA-Markov模型精度Kappa值均在0.80以上,预测效果较好。在不同的情景设置下,土地利用存在明显的空间差异:自然增长情景按原有速率变化,则建设用地快速发展并占用大量耕地,生物多样性受到严重威胁,生态保护情景和土地优化情景对未来土地调控效果较好,生物多样性功能得到很好改善,可以为当地土地利用总体规划提供科学决策参考。