基于CLUE-S模型的区域土地利用变化情景模拟——以蓟州区为例

发布时间:2022-02-26 19:36:20 论文编辑:vicky

本文是一篇景观毕业论文,本文以天津市蓟州区为研究区域,以蓟州区 2010 年、2017 年土地利用现状图、DEM、NDVI、人口数量等为数据源,利用数理统计等方法分别对数量、空间分布、变化速度蓟州区 2010 年-2017 年土地利用变化情况进行分析;结合蓟州区实际情况和参考相关文献,选择高程、坡度等 9 个驱动因子,利用 logistics 回归分析对各地类与驱动因子进行分析,借助 CLUE-S 模型对蓟州区 2017 年土地利用变化情况进行模拟,并对模拟结果进行 Kappa 系数检验。


第一章  绪论


1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

土地是人类维持自身生存和发展的最基本的自然资源和物质基础[1]。随着人类的不断发展,在不断满足自身发展的情况下,也打破了原有的生态环境平衡,对自然资源结构和生态环境产生巨大影响。尤其是近年以来,人类社会的不断进步,人口的快速增长,城市化和工业化水平的不断提高,人类对土地的开发程度越来越高,对全球的土地利用/覆被格局发生了巨大变化。同时,由于社会的不断发展,人类将面临各种与土地利用相关的可持续发展问题,例如人口的增加、环境的恶化、资源的短缺等等,而这些问题已经引起了国际社会的重视。面向解决上述问题,保障可持续性发展而开展的土地利用/覆被变化(LUCC)及其效应研究,就显得尤为重要,将成为如今和未来一段时期学术研究非常重要的理论前沿[2]。

从二十世纪八十年代起,针对全球性的环境变化和可持续发展领域的若干问题,国际社会开始逐渐重视对 LUCC 的研究,主要目的是探讨 LUCC 对区域生态系统乃至全球的影响[3]。九十年代以来,我国对于生态环境问题、粮食安全问题、典型区域的土地利用变化与其经济发展之间的关系[4][5]等的研究,取得了一定成果。进入 21 世纪以来,我国社会经济飞速发展,产业结构调整、工业化、城市化进程加快,以及一些重大国家战略比如“西部大开发”、“中部崛起”、“东北振兴”等的实施,使得我国国土空间开发格局产生重大结构性变化[6]。如果不能准确及时把握我国土地利用变化情况,可能会给未来土地资源利用带来一系列问题。

社会总在不断向前发展,发展带来土地资源利用的问题,如何高效集约节约利用土地资源成为关键。天津是京津冀协同发展战略的重要一环,同时也是“一带一路“的交汇点,人口增长、经济增长、快速城镇化以及美丽天津建设都对土地的集约节约利用提出了新的要求,而蓟州区属于天津市远郊县之一,同时也是天津市重要的生态保育区,如何优化蓟州区的土地利用布局已经成为亟待解决的问题。


1.2 国内外研究现状

1.2.1 土地利用/覆被变化研究现状

土地利用变化是人类活动对自然环境影响的表现形式之一,它的发生有两个前提条件:土地利用类型与其利用方式之间转换的可能性;人类活动的影响,包括人口分布、交通状况、以及经济产业结构等等[7]。

对于土地利用变化的研究,国外学者开展的较早。早在 1826 年,杜能就提出了农业区位论,用以解决农业用地和其他土地利用类型的空间配置问题[8]。杜能是最早提出利用抽象的理论假设研究土地利用/覆被变化机制的学者,开创了土地利用/覆被变化研究的先河。

二十世纪上半叶,由于当时特定的历史因素,对于土地利用变化的研究主要是其相关理论和模型。这些理论与模型使土地利用变化研究更加系统、科学。从二十世纪七十年代以后,对于土地利用变化的相关研究开始进入繁荣期,得益于科技的进步和各个学科的发展,各种研究方法逐渐出现分支。进入二十世纪九十年代之后,各专家学者开始大规模集中于研究土地利用/覆被变化,其中,两大国际权威组织“国际地圈与生物圈计划”( InternationaI  Geosphere  Biosphere Programme,  简称 IGBP)和“全球环境变化的人文领域计划”(InternationaI Geosphere Biosphere Programme on Global Envioronmental Change,简称 IHDP)更是提出“土地利用/覆被变化”的研究计划,将其相关的研究迅速上升为全球性的研究热点[9]。随后,这两个国际组织又提出关于研究土地利用/覆被变化的方案策略[10]。将研究主题设定为土地利用的过程、相关研究模型和人类对土地利用变化的响应等等。两个国际研究组织又结合全球性的生态变化,提出了关于全球性的土地研究计划[11]。随着各专家学者研究的不断深入,关于土地利用变化的研究更加全面且细致,更加注重于生态层面的研究。


第二章  研究区域概况及数据预处理


2.1 研究区概况

2.1.1 区位条件

蓟州区隶属于天津市,位于天津市最北部,地处于北京、天津、唐山、承德之腹心,北与承德市相邻,西与北京、廊坊相接,南紧邻宝坻区,东与唐山市接壤,居北纬 39°45′-40°15′,东经 117°05′-117°47′,距天津市区 115 公里,与北京市区相隔 88 公里,距北京首都机场不到 70 公里。

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2.2 数据来源及预处理

(1)数据来源:

本文所需数据主要包括了蓟州区土地利用现状数据、DEM 数据、社会经济数据以及 NDVI 数据。

(2)数据的预处理:

土地利用数据:本文的土地利用数据来源于土地利用现状矢量图,该数据是基于第二次全国土地调查,分类标准为 GB/T 21010-2007。考虑到为了研究方便,同时基于模型对于所研究的土地利用类型数量的限制,将现状地类较少的土地利用类型进行合并。

通过将两期土地利用现状数据进行对比分析发现,草地的数量较少,且变化不大,将该地单独研究,意义不大,所以,将此地类合并到林地进行研究。本文结合土地利用现状分类标准和研究区内的土地利用现状,将土地利用分类标准适当整合,得出以下土地利用类型表。

将蓟州区 2010 年、2017 年土地利用现状图进行按照上表进行归纳合并,然后在 2010 年、2017 年土地利用现状图属性表中添加“类型编码”字段,并利用属性选择筛选对应的土地利用类型进行赋值。接着运用 Arcgis10.2 中的转换工具(Conversion Tools)将矢量数据转换成 150m*150m 的栅格数据。在得到栅格数据后,利用空间分析工具(Spatial Analyst)中的重分类(Reclass)对各土地利用类型进行二值化处理,即:将某种地类赋值为 1,其他地类赋值为 0,得到各地类的二值图。


第三章  蓟州区土地利用变化分析 ................................ 17

3.1 土地利用数量变化分析 .................................... 17

3.2 土地利用空间变化分析 .................................... 18

3.3 土地利用变化速度分析 .............................. 21

第四章  基于 CLUE-S 模型的蓟州区土地利用变化模拟与验证 ............................ 23

4.1 CLUE-S 模型概述 ................................ 23

4.1.1 CLUE-S 模型原理 ..................................... 23

4.1.2 CLUE-S 模型结构 ........................................ 23

第五章  基于 CLUE-S 模型的蓟州区土地利用变化情景预测 ................................ 39

5.1 情景一:现状发展趋势情景 ............................. 39

5.2 情景二:生态保护优先情景 ..................................... 42


第五章  基于 CLUE-S 模型的蓟州区土地利用变化情景预测


5.1 情景一:现状发展趋势情景

假设研究区 2017-2030 年的土地利用变化趋势与 2010-2017 年保持一致。

(1)限制区域(region_park1.fil)

将于桥水库和杨庄水库作为限制区域,与 2010-2017 年模拟保持一致。

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(2)土地利用需求(allow.txt)

2017-2030 年的土地利用需求采用 Markov 模型进行预测。Markov 模型是一种基于概率论的预测方法,它的关键在于转移概率矩阵。Markov 模型通过分析当前随机过程的状态对未来进行预测。具有无后效性的特点,即每一次的状态都只与前一刻的状态有关,与过去无关[82]。由于一定时间以内,土地利用类型之间的相互转换难以用函数进行准确表示,而 Markov 模型具有无后效性的特点,比较适用于土地利用变化的动态模拟,因此,Markov 模型较多的应用在模拟土地利用/覆被变化上[83]。


第六章  建议与结论


6.1 未来土地利用建议

(1)严格保护耕地,尤其基本农田,保证耕地质量

蓟州区是天津市的农业大区,境内有着大量的基本农田保护区,主要集中在南部平原。蓟州区作为主要的农业主产区,保证一定的耕地规模,就显得尤为重要,因此,蓟州区未来土地利用需要严格执行耕地保护相关制度,新增的建设用地应该避让基本农田保护区。积极改善耕地质量,加大对中低产田的改造力度,加快农田水利设施的建设,提高耕地产量,保证耕地质量[76]。

(2)实行生态优先战略,保护和改善生态环境

蓟州区是天津市重要的生态保育区,保护该区域的生态环境不被破坏,维护生态平衡,对于蓟州区未来发展乃至“美丽天津“战略的落实都有重要意义。蓟州区北部的山地生态功能区,例如盘山风景名胜区、九龙山国家森林公园、八仙山国家级自然保护区等是保护蓟州区生态环境的重点区域,因此,对于需要加强对北部林地的保护,机制破坏地表植被,禁止开山采石,对于破坏严重的山体需采取相关措施尽快恢复植被,防止水土流失。同时,坚持生态优先原则,保护自然生态,维护生物多样性,实现生态系统最优。

(3)土地利用做到集约节约,优化土地利用布局与结构

蓟州区地处天津市远郊,城镇化率不如天津市周边区县,虽然现阶段建设用地没有出现盲目扩张的现象,但应引起警惕。建设用地的增长是蓟州区未来土地利用的趋势,因此需要严格把控建设用地规模,提高土地利用效率,充分挖掘存量建设用地的潜力。同时交通运输用地规模在近几年增长加快,需要合理安排蓟州区土地利用的整体结构,针对蓟州区的实际情况,进行更科学的土地空间布局,更加集约集约的利用土地。

参考文献(略)

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