基于GIS和CLUE-S模型的山区土地利用情景模拟研究

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随着全球环境变化研究的不断深入研究,二十世纪九十年代以来,土地利用/覆被变化(LUCC)引起了国际社会的广泛关注,成为全球环境变化研究中的重要组成部分和核心内容。在LUCC的研究中,土地利用变化空间模拟模型是分析和研究某区域的土地利用变化趋势及其环境效应的重要技术手段。自然地理环境系统和人文社会经济系统通过相互作用导致土地利用/覆被结构发生变化,利用空间模拟模型分析研究区土地利用变化成因和过程,并预测区域未来土地利用空间格局分布已经成为当今全球变化研究的热点。本文以地处胶东半岛典型山区的山东栖霞市为例,以1992年、2003年和2010年遥感数据为数据源,选择了19个自然和社会经济驱动因子,运用基于Logistic回归分析预测土地利用格局演变的空间模块集成开发的CLUE-S模型,探索了该模型在栖霞市的适用性。首先,以研究区1992年和2003年遥感数据为数据源,提取两期自然社会经济统计数据等驱动因子,并通过驱动因子的多元共线性诊断分析确定驱动因子种类;在SPSS软件平台下,基于不同尺度,分别对1992年和2003年各地类进行Logistic回归分析,根据回归结果对1992年~2010年期间的各地类进行了驱动力分析,并通过ROC曲线检验得到研究区的土地利用变化模拟的最佳尺度。然后,以1992年和2003年土地利用图为基础数据,分别对研究区2010年土地利用空间格局进行模拟,并将模拟结果图和2010年的真实土地利用图进行精度验证。最后,在1992年模拟2010年和2003年模拟2010年的基础上,根据《栖霞市土地利用总体规划(2006-2020年)》和其他发展规划,构建栖霞市未来2020年土地利用变化的粮食安全情景、生态保护情景和快速城镇化情景三种不同模拟情景,并模拟了三种情景下的土地利用空间分布格局。主要研究结论如下:(1)1992年-2010年各地类驱动力分析。①耕地:耕地的空间布局受自然及区位因素影响较大,其面积大小主要受人类活动的影响;②林地受自然因素与社会经济因素协同作用的影响,数量变化主要受社会经济因素影响;③园地的空间布局受自然及区位因素影响之外,社会经济因素的影响具有举足轻重的作用。④草坡地:自然因素直接影响着草坡地的地理位置空间分布,社会经济因素及区位因素则影响着草坡地的分布面积大小,以及景观斑块的破碎化程度。⑤建设用地:区位因素与社会经济因素的共同影响着建设用地的变化,社会经济因素促进了建设用地扩张的需求,区位因素决定了建设用地扩张的方向。⑥水域:水域空间分布上主要受地形因子影响,数量变化主要受气候影响。⑦其他土地变化主要受地形因子因素影响,地貌以山地中上部的裸岩为主。(2)本文主要利用研究区域不同年份的土地利用数据对同一年份的土地利用空间分布格局进行模拟,即用栖霞市1992年和2003年遥感数据分别模拟2010年土地利用空间分布格局,并利用栖霞市2010年实际土地利用类型图验证两期的模拟精度,均取得了良好的效果。通过多元共线性诊断分析选择了高程、坡度、坡向、年均积温(≥10℃)、年均日照时数(h)、土层厚度(mm)、土壤有机质含量(g/kg)、距(水库和湖泊、河流、铁路、高速公路、省道、国道、城市中心、经济开发区、农村居民点和乡镇中心)的距离、人口密度(人/km2)和城镇化水平共19个驱动因子;通过ROC曲线检验确定研究区的土地利用变化模拟的最佳尺度为100m×100m;经Kappa指数检验分析得出,1992年模拟2010年和2003年模拟2010年两期模拟的总体精度分别为97.83%、97.88%,同时两期模拟的Kappa指数系列均大于0.83。研究结果表明,CLUE-S模型在栖霞市具有较好的的土地利用模拟能力。(3)三种模拟情景下的预测结果表明,不同模拟情景下的土地利用景观格局在空间上存在较大差异,耕地和林地不同情景变化不同,园地和建设用地在增加,草坡地、水域和其他土地在减少。在粮食安全情景下,因严格控制耕地转入其他类型土地和土地整理开发等措施,耕地面积有所增加,林地和草坡地有所减少,园地和建设用地有所增加;在生态保护情景下,耕地有所减少,林地有所增加,园地大幅度增加,水域保持不变;在快速城镇化情景下,耕地大幅减少,建设用地和园地大幅度增加,水域面积有所减少。具体表现为:①耕地:稳定性分布区集中在西部、南部和东北部地势平坦区域;退耕主要分布在稳定耕地区的外围、中东部的部分坡耕地和中部高丘及山地的中下部区域;东北部和西南部的部分老果园逐步退园还耕。②林地:稳定性区域集中在中东部区域和西北部,增加区域主要分布在中东地区的牙山和艾山附近,同时部分适宜林地培育的草坡地转为林地。③园地大面积增加。研究区已经形成了稳定的苹果生产基地,主要分布在东北、西南和东部的山前及山间倾斜平地区域,中部区域也有零散分布;园地增加的主要来源是西南部和东北部区域的耕地和林地,以及低山丘陵区、岭坡梯田中下部和河漫滩外缘的林地。④草坡地面积减少。稳定性分布区集中在海拔较高的山地高丘区域,以及西北部和东南部的海拔较高的山地区域;中东部地区海拔较低区域和林牧交错带区域的草坡地主要与林地相互转换。⑤建设用地大面积扩张,主要是侵占周边耕地和草坡地,以及开发其他土地,主要集中以栖霞市城区、经济开发区和各乡镇为中心向外扩张。⑥水域和其他土地面积有所减少。(4)研究结果表明CLUE-S模型对于地处胶东典型山区复杂地形区的栖霞市具有很好的适应性,该研究结论为今后国内同行在中小尺度上的山区复杂地形区开展类似研究提供一定的参考价值和借鉴意义。
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