朱小林 郭青霞

摘要：以山西省忻州市忻府區(qū)為研究區(qū)域，選取海拔、坡度、距公路的距離、距鐵路的距離等10個(gè)驅(qū)動(dòng)因子，基于忻府區(qū)2000年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，運(yùn)用CLUE-S模型對(duì)2016年的土地利用變化格局進(jìn)行模擬，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模擬效果較好。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)置自然增長(zhǎng)、耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)3個(gè)情景對(duì)2025年忻府區(qū)土地利用分布格局進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，自然增長(zhǎng)情景下，建設(shè)用地面積擴(kuò)張，擴(kuò)張面積主要圍繞著中心城區(qū)。耕地保護(hù)情景下，耕地穩(wěn)定性較高，集中連片分布，耕地?cái)?shù)量也較自然增長(zhǎng)情況下得到了相應(yīng)的上升;由于西北方向地勢(shì)高，不利于澆灌，所以耕地分布較少。生態(tài)保護(hù)情景下，林地和草地得到較好的保護(hù)，草地在空間上呈現(xiàn)集中連片特征;林地分布比較分散，但大部分也集中在西部區(qū)域;地勢(shì)較高的區(qū)域耕地逐漸退為林地和草地;生態(tài)保護(hù)情景下選取的景觀指數(shù)聚合度和蔓延度都是最高的。研究結(jié)果可以為管理部門對(duì)未來土地可持續(xù)利用和土地管理提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：土地利用變化;CLUE-S模型;Logistic回歸模型;情景模擬;忻州市忻府區(qū)

中圖分類號(hào)： F301.24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）04-0254-06

收稿日期：2019-06-11

基金項(xiàng)目：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)骨干項(xiàng)目（編號(hào)：xg201216）。

作者簡(jiǎn)介：朱小林（1994—），女，山西忻州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥恋乩门c規(guī)劃。E-mail：1837884296@qq.com。

通信作者：郭青霞，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥恋乩门c規(guī)劃、土地信息技術(shù)。E-mail：gqx696@163.com。

土地利用/覆被變化（LUCC）已變成全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一[1-2]，其中土地利用變化的研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。土地利用變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，是受自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等因素在不同的時(shí)間、空間尺度上相互作用形成的[3]。土地利用變化模型是深入了解土地利用變化過程、機(jī)制和環(huán)境影響的重要手段。利用模型可以很好地分析土地利用變化和驅(qū)動(dòng)因素的定量關(guān)系，可以模擬預(yù)測(cè)不同情景下土地利用變化[4-6]，為未來土地利用規(guī)劃和城市管理提供科學(xué)依據(jù)。

目前國(guó)際上比較成熟的土地利用變化模型有元胞自動(dòng)機(jī)（CA）模型[7]、馬爾科夫（Markov）[8]系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）模型[9]、CLUE-S模型、Agent-based模型[10]。CLUE-S模型是一種用于小尺度研究土地利用變化的動(dòng)態(tài)模型，不僅可以考慮地形、氣候、經(jīng)濟(jì)等對(duì)土地利用格局的影響，還可以設(shè)置多種情景對(duì)未來土地利用分布格局進(jìn)行模擬[11]。CLUE-S模型作為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型的代表，具有較好的可信度和解釋能力，已被廣泛應(yīng)用于土地利用變化研究[12-15]。在國(guó)內(nèi)，CLUE-S模型最早被張永民等應(yīng)用于內(nèi)蒙古荒漠區(qū)域的土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化模擬研究[16]，取得了良好的模擬精度。自此，CLUE-S模型在我國(guó)各個(gè)地區(qū)被廣為應(yīng)用，并且都取得了較好的模擬效果[17-20]。

本研究以山西省忻州市忻府區(qū)為研究區(qū)域，綜合考慮區(qū)域特征和相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略，設(shè)置自然增長(zhǎng)、耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)3個(gè)情景，借助CLUE-S模型對(duì)2025年忻府區(qū)土地利用格局進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為該區(qū)域土地資源可持續(xù)利用提供技術(shù)依據(jù)，為相關(guān)管理部門土地利用規(guī)劃和管理提供參考依據(jù)。

1?研究區(qū)概況

忻府區(qū)屬于山西省忻州市，位于山西省北中部，是忻州市委、市政府所在地。地理位置位于38°13′～38°41′N，112°17′～112°58′E，東連定襄縣，西鄰靜樂縣，南靠陽曲縣，北臨原平市，區(qū)域總面積1 987 km2，距離省會(huì)城市太原75 km。忻府區(qū)所處位置為忻定盆地的主體部分，地形西高東低，逐步傾斜，北、西、南三面環(huán)山，東部開闊平坦。忻府區(qū)屬于季風(fēng)型大陸性氣候，夏季多東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)。忻府區(qū)處在太原都市圈的拓展圈層范圍內(nèi)。太原都市圈這一區(qū)域是山西“省域經(jīng)濟(jì)與社會(huì)事業(yè)最為發(fā)達(dá)的核心區(qū)域”和“最為重要的城鎮(zhèn)密集地區(qū)”[21]。近年來，忻府區(qū)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勢(shì)崛起，發(fā)展迅速，各個(gè)方面都取得了不錯(cuò)的成就，現(xiàn)已成為山西省綜合發(fā)展的新興市轄區(qū)[22]。

2?數(shù)據(jù)來源與方法

2.1?數(shù)據(jù)來源與處理

本研究分析的土地利用數(shù)據(jù)來源于2000年和2016年2期土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2000—2016年《忻府區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》。根據(jù)忻府區(qū)土地利用特點(diǎn)，參照GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》以及CLUE-S模型對(duì)于每種地類面積必須大于研究區(qū)總面積1%的要求，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、未利用地。

本研究選取了高程、坡度、距城市的距離，距村莊的距離、距建制鎮(zhèn)的距離、距鐵路的距離、距公路的距離、距水域的距離、人口密度、人均糧食產(chǎn)量等10個(gè)驅(qū)動(dòng)因子作為忻府區(qū)土地利用格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。其中高程、坡度因子來源于DEM數(shù)據(jù)，距離因子是通過對(duì)公路、鐵路、城市、建制鎮(zhèn)、村莊、水域的距離數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.0平臺(tái)下進(jìn)行歐式距離轉(zhuǎn)換得到的。人口密度和人均糧食產(chǎn)量這2個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是將經(jīng)濟(jì)因子賦值于研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，再將其轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)得到。在ArcGIS 10.0平臺(tái)下，將忻府區(qū)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)因子圖層都轉(zhuǎn)化成300 m×300 m的柵格圖層。

2.2?研究方法

2.2.1?CLUE-S模型原理

CLUE-S模型是荷蘭瓦赫根寧大學(xué)Verbueg等專門開發(fā)用于小尺度范圍內(nèi)土地利用變化的模型，CLUE-S模型將生物物理驅(qū)動(dòng)因子與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子相結(jié)合，并且具有反映區(qū)域土地利用時(shí)空變化的能力[23]。CLUE-S模型認(rèn)為，一個(gè)區(qū)域的土地利用變化受其土地利用需求數(shù)量的影響，并且以其土地利用分布格局與其土地利用需求數(shù)量、自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況保持平衡為前提。CLUE-S模型需要輸入的數(shù)據(jù)包括：政策限制區(qū)域、土地利用轉(zhuǎn)移規(guī)則、土地利用類型面積需求量、土地利用類型空間分析。

2.2.1.1?政策限制區(qū)域

本研究未對(duì)區(qū)域做政策限制的設(shè)置，因此假設(shè)區(qū)域所有面積都可以發(fā)生變化。

2.2.1.2?土地利用轉(zhuǎn)移規(guī)則

土地利用轉(zhuǎn)移規(guī)則包括土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)移彈性系數(shù)（ELAS）。土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣表示研究區(qū)各土地利用類型之間是否會(huì)相互轉(zhuǎn)變，1表示可以發(fā)生改變，0則表示不能發(fā)生變化。本研究結(jié)合忻府區(qū)土地利用現(xiàn)狀以及未來土地利用類型的發(fā)展變化，對(duì)其設(shè)置（表1）。

土地利用轉(zhuǎn)移彈性系數(shù)表示土地利用類型的穩(wěn)定程度，取值介于0～1之間，值越大，表示用地類型越不易轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡?。目前?duì)ELAS的設(shè)置沒有精確的算法，需要研究者根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況以及參考前人研究來確定[24-25]。本研究結(jié)合忻府區(qū)各種土地利用類型轉(zhuǎn)移情況以及相關(guān)研究進(jìn)行設(shè)置（表2）。

2.2.1.3?土地利用類型需求

土地利用類型需求量須借助獨(dú)立于CLUE-S模型之外的其他方法求得，通常有趨勢(shì)外推法、線性內(nèi)插法、Markov模型等一系列算法。在本研究中，將2000—2016年現(xiàn)有土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，假設(shè)忻府區(qū)土地利用現(xiàn)狀變化幅度為線性變化，并通過趨勢(shì)外推法得到2025年各土地利用類型的面積。

2.2.1.4?土地利用類型空間分析

二元Logistics方法常常被運(yùn)用到土地變化研究中，在CLUE-S模型中，運(yùn)用Logistic逐步回歸分析方法來分析各土地利用類型的空間分布與驅(qū)動(dòng)因素之間的關(guān)系。

logPi1-Pi=β0+β1X1，i+β2X2，i+…+βnXn，i。（1）

式中：Pi表示每一個(gè)柵格可能出現(xiàn)某種土地利用類型i的概率;X1，i～Xn，i表示某種土地利用類型i相關(guān)的驅(qū)動(dòng)因素;β0～βn為驅(qū)動(dòng)因素的回歸系數(shù)。

2.2?CLUE-S模型空間模擬

CLUE-S模型的空間模擬是基于各土地利用相互轉(zhuǎn)化規(guī)則、土地利用空間分布概率、土地利用現(xiàn)狀圖以及各土地利用類型的面積需求，根據(jù)總概率對(duì)土地利用需求進(jìn)行空間分配迭代的過程，迭代方程為

TPROPi，u=Pi，u+ELASu+ITERu。（2）

式中：TPROPi，u為柵格i中土地利用類型u的總概率;Pi，u為L(zhǎng)ogistic回歸方程土地利用類型u的空間分布概率;ELASu為土地利用類型u的轉(zhuǎn)換彈性系數(shù);ITERu為土地利用類型u的迭代變量。

2.3?CLUE-S模型檢驗(yàn)

CLUE-S模型的檢驗(yàn)是由2個(gè)部分組成：（1）采用受試者工作特征（ROC）曲線來驗(yàn)證用回歸方程計(jì)算出的類概率分布格局與實(shí)際地類分布之間的一致性。ROC值介于0.5～1.0之間，一般來說，ROC值越接近1，表示一致性越好。根據(jù)Logistic模型的一般要求，ROC系數(shù)>0.7才符合概率分布要求。（2）Kappa系數(shù)檢驗(yàn)，當(dāng)Kappa>0.75時(shí)，CLUE-S模型的預(yù)測(cè)精確度較高;當(dāng)0.4≤Kappa≤0.75時(shí)，認(rèn)為模擬的效果一般;當(dāng)Kappa<0.4時(shí)，認(rèn)為模擬的效果較差。

3?結(jié)果與分析

3.1?土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

運(yùn)用ArcGIS 10.0將2000年和2016年2期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得到忻府區(qū)2000—2016年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。

表3為2000—2016年期間忻府區(qū)5種土地利用類型的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況。其中變化較明顯的地類為耕地、草地、林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地。2000—2016年間耕地面積總體上不斷減少，主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地。草地面積總體呈增加趨勢(shì)，轉(zhuǎn)入面積主要來源于耕地和林地，2000—2016年間196.35 hm2 耕地轉(zhuǎn)為草地。林地面積總體呈增加趨勢(shì)，轉(zhuǎn)入面積主要來源于草地和耕地。但是明顯看到，林地轉(zhuǎn)為草地的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于草地轉(zhuǎn)為林地的面積，因此有關(guān)部門應(yīng)該考慮是否存在不合理的土地利用方式，并進(jìn)行合理的規(guī)劃。城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積總體呈增加趨勢(shì)，轉(zhuǎn)入面積主要來源于耕地，有關(guān)部門應(yīng)該合理開發(fā)其他后備資源，防止優(yōu)質(zhì)耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

3.2?土地利用需求數(shù)量預(yù)測(cè)

不同情景下，對(duì)各種土地利用類型的需求數(shù)量也是不同的，本研究中設(shè)置了自然發(fā)展、耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)3個(gè)情景，根據(jù)現(xiàn)有土地利用類型的需求數(shù)量，對(duì)不同情景下忻府區(qū)2025年土地利用類型的需求數(shù)量預(yù)測(cè)如表4所示。

3.3?Logistic回歸模型分析結(jié)果

忻府區(qū)各地類空間分布概率模擬效果較好，草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、耕地、林地、未利用地的ROC值均大于0.7，說明所選取的驅(qū)動(dòng)力因子與各地類間的相關(guān)性較好，滿足回歸模型的擬合效果，可用于模擬研究區(qū)土地利用空間分布（表5）。

3.4?模擬結(jié)果檢驗(yàn)

運(yùn)用CLUE-S對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，將忻府區(qū)2016年土地利用實(shí)際情況與模擬情況比對(duì)，檢驗(yàn)?zāi)M精度。Kappa系數(shù)的計(jì)算如下：

Kappa=P0-PcPp-Pc。（3）

式中：Pp為理想情況下的準(zhǔn)確比值，值為1;Pc為在隨機(jī)情況下的期望比值;P0為正確模擬的比例。

用2000年的數(shù)據(jù)模擬2016年的土地利用情況，總柵格數(shù)為22 077，其中正確的柵格數(shù)為18 492，正確模擬比例為83.76%，研究區(qū)域分為5種土地利用類型，在隨機(jī)情況下期待比值Pc為1/5，可得出Kappa值（0.797）>0.75，說明模型模擬效果較好，CLUE-S模型能較好地對(duì)未來土地利用變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.5?忻府區(qū)未來土地利用情景模擬

基于CLUE-S模型取得了較好的模擬效果，本研究對(duì)2025年忻府區(qū)設(shè)置了自然增長(zhǎng)、耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)3個(gè)情景，從多個(gè)可能出現(xiàn)的方面對(duì)未來忻府區(qū)土地利用分布格局進(jìn)行模擬（圖1）。

（1）自然增長(zhǎng)情景下，各種土地利用類型的變化與2000—2016年保持一致，可以看出中心城區(qū)的建設(shè)用地面積在擴(kuò)張，其擴(kuò)張面積主要來自占用的耕地，長(zhǎng)此以往下去，可能會(huì)帶來糧食安全的問題。

（2）耕地保護(hù)情景下，由于限制了耕地被其他地類占用，從而增加了耕地的穩(wěn)定性，耕地?cái)?shù)量也較自然增長(zhǎng)情況下得到了相應(yīng)上升，可以看出耕地是集中連片的分布，這樣可以保證優(yōu)質(zhì)耕地不被破壞。由于西北方向地勢(shì)高，不利于澆灌，所以耕地分布較少。在耕地保護(hù)情景下可以使耕地的保有量得到很好的保證。

（3）生態(tài)保護(hù)情景下，提高了林地、草地的穩(wěn)定性。草地作為忻府區(qū)主要地類之一，主要分布在西部區(qū)域，在空間上呈現(xiàn)集中連片特征;林地分布比較分散，但大部分也集中在西部區(qū)域;耕地繼續(xù)保持穩(wěn)定，地勢(shì)高的區(qū)域退耕為林地和草地。

3.6?模擬結(jié)果景觀評(píng)價(jià)分析

為了對(duì)比分析3種情景下的土地利用空間格局在景觀水平上的差異狀況，本研究選取了聚合度和蔓延度2個(gè)景觀格局指數(shù)。聚合度反映了景觀中不同土地利用類型的聚合程度，聚合度高表明斑塊分布集中，反之說明其呈分散狀態(tài)。蔓延度反映的是景觀里不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)，蔓延度越高表示土地利用類型在空間上的連通性越好，反之景觀越破碎。由忻府區(qū)3種情景模擬圖的景觀指數(shù)可以看出，生態(tài)保護(hù)情景下土地利用空間格局的聚合度和蔓延度最大，表明該情景下土地利用類型集中且連通性最好;自然增長(zhǎng)情景與耕地保護(hù)情景下的土地利用格局的空間異質(zhì)性較強(qiáng)，各地類土地空間分布較零散（圖2）。

4?結(jié)論與討論

4.1?結(jié)論

本研究以忻府區(qū)為研究區(qū)域，應(yīng)用小尺度區(qū)域土地利用變化模擬的CLUE-S模型，綜合考慮自然地理因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，運(yùn)用Logistic回歸模型計(jì)算出忻府區(qū)各地類與驅(qū)動(dòng)因子的回歸方程，且所選的驅(qū)動(dòng)因子ROC值均大于0.7，說明所選取的驅(qū)動(dòng)因子可以較好地解釋各類土地利用類型的空間分布，通過對(duì)2016年實(shí)際的土地利用現(xiàn)狀的驗(yàn)證，其Kappa指數(shù)大于0.75，說明CLUE-S模型可以用于對(duì)忻府區(qū)未來土地利用空間分布格局進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

通過設(shè)置自然增長(zhǎng)、耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)3個(gè)情景對(duì)忻府區(qū)未來土地利用分布格局模擬預(yù)測(cè)，這些方案具有客觀性，可以為忻府區(qū)未來土地利用規(guī)劃修編和城市規(guī)劃提供參考。通過對(duì)比分析，未來中心城區(qū)附近是土地利用變化發(fā)生的“熱點(diǎn)區(qū)域”，中心城區(qū)附近除了有建設(shè)用地，也存在大量的耕地，在抓發(fā)展的同時(shí)要保證糧食安全，這就需要管理者嚴(yán)格執(zhí)行“十分珍惜、合理利用土地，切實(shí)保護(hù)耕地”的基本國(guó)策，對(duì)建設(shè)用地的增長(zhǎng)速度合理控制，提高建設(shè)用地的集約力度。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也應(yīng)該保護(hù)生態(tài)環(huán)境，生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣決定人們幸福指數(shù)的高低，所以嚴(yán)格遵守“生態(tài)紅線”，維護(hù)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境不受破壞，使“美麗忻府”圓夢(mèng)成功。

4.2?討論

由于收集資料的限制，本研究從已有的資料中結(jié)合了自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，雖然所選取的因素具有較好的解釋能力，但是不夠全面，可能影響預(yù)測(cè)的精度，在今后的研究中，應(yīng)該盡可能多地選擇驅(qū)動(dòng)因子，從而更高地提高模型的精度。

對(duì)于CLUE-S模型的參數(shù)設(shè)置部分，特別是土地利用轉(zhuǎn)移彈性（ELAS）對(duì)模擬結(jié)果影響較大。本研究針對(duì)土地轉(zhuǎn)移彈性設(shè)置主要是結(jié)合已有相關(guān)文獻(xiàn)和研究區(qū)土地利用變化情況，進(jìn)行一步一步調(diào)試，最終確定下來。在未來的研究中如果能找到參數(shù)與模擬結(jié)果的相關(guān)性，并將其定量化，定能提高模型的精度。

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