濟南市土地利用變化模擬預(yù)測研究
劉玉鋼，王立宇
（濟南市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟南 250100）

摘  要：基于快速城鎮(zhèn)化的濟南市土地利用變化狀況，選擇CLUE-S模型和FLUS模型對其2035年土地利用情況進行模擬預(yù)測，對預(yù)測結(jié)果進行比較。結(jié)果表明：CLUE-S模型和FLUS模型模擬機理有所不同，但在概率運算的方法上FLUS模型比CLUE-S模型更具有優(yōu)勢；兩種模型模擬的2016年濟南市區(qū)土地利用變化預(yù)測結(jié)果與土地利用變更調(diào)查成果的一致性程度均較高，但CLUS-S模型較FLUS模型更具有一定的優(yōu)勢。CLUE-S模型和FLUS模型各有其優(yōu)勢和不足，整合不同模型的優(yōu)點，研發(fā)出具有開放性的綜合模型是未來土地利用變化模擬預(yù)測的發(fā)展趨勢，為國土空間規(guī)劃的編制和管理提供更精確的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：CLUE-S模型；FLUS模型；土地利用變化；模擬預(yù)測 

Research on Simulation and Prediction of Land Use Change in Jinan City
LIU Yugang
(Jinan planning and design institute, Jinan 250100，Shandong，China)
Abstract: Based on the historical situation of land use in Jinan urban area under the background of rapid urbanization, in this paper， the CLUE-S model and FLUS model were used to simulate and predict the land use situation of Jinan city in 2035, with the prediction results compared and analyzed. It was shown that the CLUE-S model and the FLUS model have somewhat different mechanisms in the simulation and prediction, but the FLUS model has more advantages than the CLUE-S model in the method of probability calculation. The two models simulation results were higher, but the CLUS-S model had better advantages to the FLUS model. Each of the CLUE-S model and the FLUS model had its advantages and disadvantages，and to integrate the advantages of the two models and develop an open and comprehensive model would be the tendency of land use change simulating and predicting, for the preparation of land  use spatial planning and natural resource management.
Key words: CLUE-S model; FLUS model; land use change；Simulation and Prediction

1 引言
       國內(nèi)外許多學(xué)者通過不同方法對土地利用空間模擬與預(yù)測進行研究，元胞自動機模型、CLUE-S模型]、FLUS模型已得到廣泛的應(yīng)用。楊俊，解鵬，席建超等以1998年、2004年和2009年的大連市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)數(shù)據(jù)，基于元胞自動機開發(fā)模型模擬1998-2009年土地利用變化取得了較好的效果[1]；韓會然，楊成鳳，宋金平基于CLUE-S模型，結(jié)合1985、2000、2010年三期土地利用數(shù)據(jù)對北京市土地利用空間格局進行模擬，選用不同情景預(yù)測2020年土地利用空間分布格局，研究結(jié)果顯著，模擬效果較好[2]；阮俊杰，蘇敬華，黃宇馳等基于CLUE-S模型，對上海青浦區(qū)2040年土地利用格局進行模擬，表明該模型具有良好的土地利用格局模擬能力[3]；卞子浩，馬小雪，龔來存等以秦淮河流域為例，選擇CLUE-S模型分別使用不同非空間模擬方法在不同情景下對其2020年土地利用情況進行模擬預(yù)測，三種方法均滿足模型精度要求[4]；劉小平、梁迅、黎夏等提出一種未來土地利用變化模擬模型（FLUS），模擬2010年至2050年中國區(qū)域內(nèi)在不同社會經(jīng)濟和自然氣候因素影響下的不同發(fā)展情景，表明該模型能有效模擬未來各種情形下的土地利用變化[5]；馬小寧, 林沛鋒, 陳美招，基于FLUS模型應(yīng)用于小尺度的廣州花都區(qū)土地利用變化模擬研究，模擬效果良好[6]。土地變化模型的廣泛應(yīng)用，使之成為研究土地利用變化模擬預(yù)測的有效工具。但是對于不同模型之間的差異研究較少，有的模型是基于現(xiàn)有模型的細(xì)化和優(yōu)化，使其更具有針對性，比如CLUE-S模型是在CLUE模型的基礎(chǔ)上的優(yōu)化；有的模型是基于現(xiàn)有模型的改進與升級，比如FLUS模型是在元胞自動機模型的基礎(chǔ)上的改造升級，通過對比不同模型模擬結(jié)果，找出更適合研究區(qū)域的模擬模型，對于研究土地利用變化模擬預(yù)測，合理指導(dǎo)國土空間規(guī)劃編制與管理具有重要的科學(xué)和實踐意義。
       本文以濟南市為研究區(qū)，選取2019年和2016年兩期土地利用數(shù)據(jù)分別應(yīng)用CLUE-S模型和FLUS模型對研究區(qū)進行模擬預(yù)測，進而探求快速城鎮(zhèn)化進程中各驅(qū)動因素對城市土地利用變化的影響機理，揭示濟南市土地利用變化與社會、區(qū)位、自然等驅(qū)動因素之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出不同模型模擬的優(yōu)劣勢，為國土空間總體規(guī)劃的編制提供基礎(chǔ)。
2 研究區(qū)概況與研究方法
2.1 研究區(qū)概況
        本文選取濟南市歷下區(qū)、市中區(qū)、天橋區(qū)、槐蔭區(qū)、歷城區(qū)、長清區(qū)六個老城區(qū)作為研究區(qū)，位置示意圖見圖1。研究區(qū)總面積3303平方公里，2016年，研究區(qū)常住人口466.96萬人，其中城鎮(zhèn)人口391.79萬人，鄉(xiāng)村人口75.17萬人，人口密度為1414人/平方公里；生產(chǎn)總值4682.48億元，比上年增長9.83%；地方財政收入400.71億元，同比增長1.44%。
 

2.2 模型介紹
       本文選用CLUE-S模型和FLUS模型兩種模型對濟南市區(qū)土地利用變化進行模擬預(yù)測。
       CLUE-S模型是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)Verburg等科學(xué)家組成的“土地利用變化和影響”研究小組在其較早的CLUE模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建而成[7]。CLUE-S模型包括非空間分析模塊和空間分析模塊兩大部分。模型結(jié)構(gòu)原理見圖2。CLUE-S 模型與其他模型的主要區(qū)別在于可以對全局土地利用類型進行空間配置，更適合中小尺度土地利用變化研究[8]。
        FLUS模型是劉小平等基于元胞自動機模型構(gòu)建的地理模擬與決策支持系統(tǒng)，耦合了空間模擬和空間優(yōu)化的模型[9]，適用于土地利用變化模擬和土地利用分布格局變化等方面。該模型提出并應(yīng)用自適應(yīng)慣性競爭機制，有效解決多種土地利用類型在自然作用與人類活動共同影響下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時的不確定性與復(fù)雜性，使FLUS模型具有較高的模擬精度[6]。
2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及處理
2.3.1 土地利用數(shù)據(jù)
       本研究中的土地利用數(shù)據(jù)為2009年和2016年兩期土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)。本文結(jié)合土地利用現(xiàn)狀分類將土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通用地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地七大類型。土地利用類型劃分表如表1所示。
2.3.2 模型因子數(shù)據(jù)
       本文根據(jù)模型的輸入數(shù)據(jù)需求及研究區(qū)數(shù)據(jù)的可獲取性，在模型模擬中選取高程、坡度、坡向、距省級行政中心距離、距市級行政中心距離、距區(qū)級行政中心距離、距飛機場距離、距火車站距離、距主要鐵路距離、距主要公路距離、人口密度、距金融服務(wù)設(shè)施距離、距基礎(chǔ)教育設(shè)施距離、距公共交通服務(wù)設(shè)施距離共14種驅(qū)動因子。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）下載的DEM數(shù)據(jù)；坡度、坡向數(shù)據(jù)是DEM數(shù)據(jù)通過GIS軟件空間分析生成；行政區(qū)劃、政府駐地、火車站、機場、主要鐵路、主要公路等數(shù)據(jù)則根據(jù)土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)獲取，并通過GIS軟件的距離分析功能生成距離因子；人口密度是在縣級統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過空間差值生成；基礎(chǔ)教育設(shè)施、金融服務(wù)設(shè)施、公共交通服務(wù)設(shè)施點狀數(shù)據(jù)來源于百度地圖，利用網(wǎng)絡(luò)爬取工具獲得，然后通過GIS軟件的空間分析功能生成研究區(qū)域各點到基礎(chǔ)教育設(shè)施、金融服務(wù)設(shè)施、公共交通服務(wù)設(shè)施的距離漸變圖。
       在模型模擬的過程中，CLUE-S模型和FLUS模型均需輸入土地利用限制因子，來設(shè)置土地利用變化的限制因素。本研究土地利用限制因子包括永久基本農(nóng)田和生態(tài)保護紅線。其中，永久基本農(nóng)田數(shù)據(jù)和生態(tài)保護紅線來源于濟南市自然資源和規(guī)劃局。
2.3.3 模擬精度評價
       為檢驗兩種模型對土地利用變化模擬的精度，本研究采用Kappa系數(shù)[10]來進行評價。Kappa系數(shù)是常用的評價空間模擬精度的指數(shù)，可以量化數(shù)量錯誤和位置錯誤，其公式如下：Kappa=（P0-Pc）/（Pp - Pc）。式中，P0是指模擬結(jié)果與實際結(jié)果一致的比例；Pc表示隨機情況下模擬結(jié)果與實際結(jié)果一致的期望，因為本研究區(qū)土地利用類型包括七種，所以取值為1/7； Pp是指在最理想的情況下模擬結(jié)果與實際結(jié)果一致的比例，取值為1；Kappa系數(shù)取值[0,1]，其值越大則表示精度越高。Kappa≤0.4，兩期土地利用類型數(shù)據(jù)一致性較低，變化差異較大；0.4＜Kappa≤0.75，兩期土地利用類型數(shù)據(jù)一致性一般，變化較明顯；Kappa＞0.75，兩期土地利用類型數(shù)據(jù)一致性較高，變化不明顯。
3 模擬預(yù)測結(jié)果
3.1 模擬精度對比
       通過試驗，利用2009年土地利用數(shù)據(jù)模擬預(yù)測2016年土地利用變化，如圖3所示。本研究將土地利用變化驅(qū)動因子和限制因子數(shù)據(jù)以及2009年和2016年土地利用數(shù)據(jù)分別輸入CLUE-S模型和FLUS模型，進行2009-2016年研究區(qū)土地利用變化空間模擬，在獲得2016年CLUE-S模型和FLUS模型模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，進而采用Kappa系數(shù)對模型獲取的2016年研究區(qū)土地利用空間分布與2016年土地利用變更調(diào)查結(jié)果進行一致性檢驗。
       從Kappa系數(shù)計算結(jié)果看，CLUE-S模型的模擬結(jié)果Kappa系數(shù)為0.97，F(xiàn)LUS模型模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)為0.85?？梢?，兩種模型模擬的2016年土地利用空間變化結(jié)果與實際結(jié)果的一致性程度均較高，CLUE-S模型模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)比FLUS模型模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)高，在土地利用變化模擬方面較FLUS模型具有一定的優(yōu)勢。
 3.2  土地利用變化預(yù)測結(jié)果對比
       通過2016年的模擬預(yù)測可見，兩種方法均可預(yù)測模擬未來研究區(qū)土地利用變化。因此，把灰度預(yù)測模型的2035年土地利用數(shù)據(jù)輸入模擬預(yù)測模型，得到模擬預(yù)測結(jié)論，見表2和圖3所示。
       從預(yù)測結(jié)果（表2）看，CLUE-S模型和FLUS模型預(yù)測的2035年濟南市區(qū)主要地類面積如下：耕地面積分別為1067.22公頃和1043.02公頃，園地面積分別為176.32公頃和179.43公頃，林地面積分別為495.88公頃和487.59公頃，城鎮(zhèn)村及工礦用地面積分別為912.90公頃和937.62公頃，交通用地的面積分別為63.37公頃和67.04公頃，水域及水利設(shè)施用地的面積分別為102.09公頃和112.75公頃，其他土地的面積分別為431.37公頃和421.70公頃，可見CLUE-S模型預(yù)測的耕地、林地和其他土地的面積結(jié)果比FLUS模型預(yù)測的結(jié)果高，園地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通用地和水域及水利設(shè)施用地的面積結(jié)果值則低。
       從土地利用的空間格局（圖4）看，CLUE-S模型和FLUS模型模擬的濟南市區(qū)的土地利用空間格局基本一致，濟南市未來的發(fā)展方向仍然是城區(qū)邊緣式擴張和分散式擴張兩種模式，邊緣式擴張主要集中在濟南東部的高新片區(qū)和西部槐蔭的高鐵片區(qū)，仍是未來城市發(fā)展的主要方向；分散式擴張主要發(fā)生在長清區(qū)大學(xué)園區(qū)和天橋區(qū)黃河以北地區(qū)，是未來濟南城市用地分散式擴張的典型區(qū)域。
4 研究結(jié)論
       基于CLUE-S模型和FLUS模型對研究區(qū)土地利用模擬預(yù)測結(jié)果分析，可得出以下結(jié)論：
       （1）從模型模擬原理看，CLUE-S模型和FLUE模型均是首先進行未來土地利用需求預(yù)測，進而通過對影響土地利用變化的驅(qū)動因子綜合分析，計算土地利用變化的適宜性概率，進而實現(xiàn)預(yù)測期土地利用的空間分配。但從土地利用空間變化概率運算上，CLUE-S模型使用的是Logistic統(tǒng)計分析方法，而FLUS模型采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，兩者相比Logistic分析作為經(jīng)驗統(tǒng)計分析只能夠?qū)﹄x散變量進行運算而且無法兼顧驅(qū)動因子之間的關(guān)系[12]，可見FLUS模型在概率運算的方法上比CLUE-S模型更具有優(yōu)勢。
       （2）從模型的模擬結(jié)果看，兩種模型模擬的濟南市區(qū)土地利用變化結(jié)果與土地利用變更調(diào)查成果的一致性程度均較高，其中CLUE-S模型較FLUS模型模擬結(jié)果精度高，具有一定的優(yōu)勢。在土地利用空間模擬結(jié)果上，CLUE-S模型和FLUS模型模擬的濟南市區(qū)的土地利用空間格局基本一致，濟南市未來的發(fā)展方向仍然是城區(qū)邊緣式擴張和分散式擴張兩種模式。
       綜上所述，CLUE-S模型和FLUS模型各有其優(yōu)勢和不足，因而對于土地利用動態(tài)演變過程的模擬預(yù)測，整合不同模型的優(yōu)點，研發(fā)出具有開放性的綜合模型是未來土地利用變化模擬預(yù)測的發(fā)展趨勢。土地利用動態(tài)變化綜合模型將實現(xiàn)土地利用需求預(yù)測和空間分配的有機統(tǒng)一，科學(xué)、準(zhǔn)確地模擬土地利用變化的時空過程，為國土空間規(guī)劃的編制和管理提供參考。

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