基于PLUS模型的郑州市不透水面变化与模拟研究

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伴随着我国城镇化快速发展,原有自然景观如耕地逐渐转变成不透水面(Impervious Surface Area,ISA),这给城市生态环境带来了明显的负面影响。不透水面对于区域的水循环、地表径流、下渗都会产生剧烈影响,是水文模拟中下垫面的重要组成部分。目前,对未来情景的水文过程模拟,主要针对降雨、气温等气象数据进行模拟,对于不透水面等下垫面变化的研究较少且方法陈旧。本文通过引入最新土地利用变化模拟模型,对未来情景的不透水面变化进行研究,主要研究内容和成果如下:(1)郑州市多源不透水面提取及分析。基于30m全球地表覆盖数据Global Land30数据集和归一化的差值不透水面指数(Normalized Difference Impervious Surface Index,NDISI)对郑州市2000年、2010年、2020年不透水面提取及增强;不透水面提取的总体精度不低于83.39%,用户精度不低于92.64%,基于混淆矩阵的一致性检验指标Kappa系数不低于0.68。本文所提出的融合NDISI指数的Global Land30数据增强方法可行且增强后的结果相较于原始土地利用在不透水面精度有明显提升;2000-2020年,郑州市不透水面扩张速度指数为71.74 km~2/a,扩张强度为0.95%,2010-2020年的扩张速度比2000-2010年的扩张速度提升了78.92%。(2)不透水面模拟分析。基于斑块生成土地利用变化模拟模型(Patchgenerating Land Use Simulation,PLUS),对2010年、2020年郑州市土地利用/土地覆被变化(Land Use and Land Cover Change,LUCC)过程进行模拟,基于Morris算法进行邻域权重参数敏感性分析,基于各类用地的真实数量,结合精度检验结果对模型转化成本矩阵和邻域权重进行修正,从而达到最优模拟效果;不透水面邻域权重||值为2.19,为非常敏感参数,耕地、草地||值分别为0.36、0.43,为一般敏感参数,林地||值0.47,为敏感参数,水体||值为0.05,为不敏感参数。基于随机森林的土地利用发展概率计算,结果可得人口密度、DEM、到主干道的距离、GDP对郑州市不透水面扩张分布存在较为显著的影响,人口密度与新增不透水面呈正反馈机制。(3)未来不透水面多情景模拟分析。设定郑州市未来发展的三种情景:自然发展情景、城镇发展情景、生态保护情景,利用PLUS模型分别模拟2040-2100年郑州城市不透水面扩张情况,分析多情景约束下的不透水面扩张过程;自然发展情景、城镇发展情景分别在2080年、2060年时基本农田数量已经不足,生态保护情景可以在2100年使基本农田保有量得到有效保证。
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