基于CLUE-S模型的武漢市武昌區(qū)土地利用情景模擬研究

黃國(guó)平 索飛

摘? 要：土地利用/覆蓋變化是當(dāng)今全球變化研究的熱點(diǎn)。文章以武漢市武昌區(qū)為研究對(duì)象，以2011年和2014的TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用GIS技術(shù)以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)技術(shù)，分析武昌區(qū)2011-2014年的土地利用/覆蓋變化特征，研究其變化機(jī)制，探討CLUE-S模型在該地區(qū)的適用情況，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用CLUE-S模擬對(duì)武昌區(qū)2017年的土地利用/覆蓋情況進(jìn)行情景模擬，為長(zhǎng)江中游城市未來的城市發(fā)展提供一定技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：土地利用變化模擬;CLUE-S模型;武昌區(qū)

中圖分類號(hào)：F301? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0071-02

Abstract： Land use/cover change is the focus of global change research. Taking Wuchang District of Wuhan City as the research object， taking the TM remote sensing images of 2011 and 2014 as the data source， using GIS technology and mathematical statistics technology， this paper analyzes the characteristics of land use/cover change in Wuchang District from 2011 to 2014， and studies its change mechanism. This paper discusses the application of CLUE-S model in this area， and uses CLUE-S simulation to simulate the land use/cover situation in Wuchang District in 2017， so as to provide some technical reference for the future urban development of cities in the middle reaches of the Yangtze River.

Keywords： land use change simulation; CLUE-S model; Wuchang District

1 概述

在全球氣候變化的背景下，土地利用/覆蓋變化（LUCC）研究已成為全球變化研究的熱點(diǎn)研究方向。目前隨著3S（GIS、RS和GNSS）技術(shù)的快速發(fā)展，RS和GIS已經(jīng)成為研究土地利用變化研究的重要技術(shù)工具，給LUCC變化研究提供了很多新的思路[1]。

CLUE-S模型是由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)Verburg等科學(xué)家提出的[2]。CLUE-S 模型推出以來，在國(guó)際上已有較多的應(yīng)用案例，取得了較好的研究和應(yīng)用效果[3-4]，不過該模型在長(zhǎng)江中游城市中的應(yīng)用研究不多。本研究選取武漢市武昌區(qū)作為研究區(qū)域，結(jié)合土地覆蓋現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，分析區(qū)域的土地利用變化機(jī)制，并利用CLUE-S模型進(jìn)行模擬，最終對(duì)區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為城市管理提供一定決策支持。

2 研究數(shù)據(jù)與處理方法

本文所使用數(shù)據(jù)主要包括2011年和2014年兩期武昌區(qū)遙感影像、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)以及相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

研究數(shù)據(jù)主要通過下面方法進(jìn)行處理：

（1）利用GIS技術(shù)對(duì)武昌區(qū)2011、2014年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類、地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換獲得CLUE-S模型所要求的土地利用數(shù)據(jù)。

（2）運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)武昌區(qū)土地利用/覆蓋變化情況進(jìn)行分析。

（3）利用2011、2014年研究區(qū)域影像目視解譯獲得各年份公路、鐵路、水系數(shù)據(jù)。

（4）在DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用ArcGIS中的空間分析功能獲取地形數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 CLUE-S模型模擬與精度對(duì)比驗(yàn)證

在進(jìn)行土地利用情景模擬之前需要對(duì)模型的模擬精度進(jìn)行檢驗(yàn)。研究利用2011年土地利用類型數(shù)據(jù)模擬2014年土地利用類型圖，結(jié)合2014土地利用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1.1 土地利用類型變化規(guī)模預(yù)測(cè)

本文根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，運(yùn)用灰色模型GM（1，1）對(duì)各類型土地需求變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)2014年建設(shè)用地、未利用地、耕地、林地、草地、水域面積分別為487650hm2、22588hm2、18674hm2、26367hm2、26623hm2、335386hm2。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)因子的選取和設(shè)定

研究選取了兩類驅(qū)動(dòng)因子，包括距離因素（距離鐵路、公路、河流、商業(yè)中心等距離）和地形因素（DEM、坡度、坡向）。

利用SPSS軟件對(duì)武昌區(qū)不同土地利用類型和驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行二元Logistic回歸分析，耕地、草地、林地、建設(shè)用地、水域和未用地ROC值分別為0.887、0.729、0.856、0.917、0.926和0.727。所有的值都超過了0.7，總體來說選取的驅(qū)動(dòng)因素能夠應(yīng)用于土地利用空間格局模擬。

3.1.3 土地利用轉(zhuǎn)化規(guī)則設(shè)定

本文采用轉(zhuǎn)移矩陣合成方法進(jìn)行土地利用轉(zhuǎn)換彈性參數(shù)的設(shè)置，通過土地利用類型的轉(zhuǎn)出率獲取初步的ELAS參數(shù)值，之后結(jié)合2014年的實(shí)際土地利用情況對(duì)ELAS參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，選擇模擬結(jié)果較好的參數(shù)。最終各土地利用類型的系數(shù)是耕地（0.7）、林地（0.8）、草地（0.6）、建設(shè)用地（1）、水域（0.8）、未利用地（0.5）。

3.1.4 CLUE-S模型模擬與驗(yàn)證

以2011年武昌區(qū)土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別利用2011年的實(shí)際土地利用需求量模擬2014年武昌區(qū)土地利用空間分布變化，具體情況如圖1所示。

通過土地利用現(xiàn)狀圖與模擬的實(shí)際情況，利用Kappa指數(shù)對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。Kappa 指數(shù)達(dá)到0.8672，說明現(xiàn)在的CLUE-S模型參數(shù)設(shè)置可以用來模擬研究區(qū)的土地利用類型變化情況。

3.2 武漢市武昌區(qū)土地利用情景模擬

3.2.1 情景方案設(shè)定

研究基于武漢市2006年-2020年的土地利用總體規(guī)劃的基本情況，結(jié)合2014年實(shí)際各地類面積情況，利用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)武昌區(qū)2017年的各土地類型面積進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到2017年各類型土地需求量分別為林地（24847hm2）、草地（23366hm2）、水域（334849hm2）、建筑用地（500138hm2）、未利用地（17089hm2）、耕地（18503hm2）。

3.2.2 情景模擬分析

以武昌區(qū)2014年的土地利用現(xiàn)狀情況作為基礎(chǔ)，利用該年年武昌區(qū)公路、鐵路、商業(yè)中心、河流及地形因素作為驅(qū)動(dòng)因素，在規(guī)劃情景模式下運(yùn)用CLUE-S模型模擬2017年武昌區(qū)土地利用分布格局。

規(guī)劃模式是以武漢市2020年總體規(guī)劃為基礎(chǔ)，在該模式下，從圖2可以看出，相對(duì)于2014年來說，2017年研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。這其中建設(shè)用地面積在模擬期內(nèi)不斷增加，而其他土地利用類型（草地、林地、水域和未利用地面積）占地面積不斷減少。這和武漢市現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顟B(tài)也是相符合的，由于武漢市近些年城市不斷發(fā)展，作為武漢市的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，武昌區(qū)城市化水平越來越高，對(duì)于建設(shè)用地的需求也越來越大，這也造成其他土地利用類型土地越來越少。不過由于研究區(qū)有部分區(qū)域?qū)儆陂L(zhǎng)江、東湖水域，隨著生態(tài)環(huán)境的保護(hù)不斷加強(qiáng)，這些土地難于開發(fā)，使得武昌區(qū)土地后備資源開發(fā)難度加大，因此節(jié)約集約利用土地是未來研究區(qū)發(fā)展的方向。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用CLUE-S模型，以武漢市武昌區(qū)為研究區(qū)域，模擬了研究區(qū)未來年份的土地利用空間格局分布。本文的主要結(jié)論：

（1）研究將武昌區(qū)2011土地利用現(xiàn)狀分為耕地、草地、林地、建設(shè)用地、未利用地和水域六種土地利用類型，并提取了道路、鐵路、商業(yè)中心、水系等驅(qū)動(dòng)因子，通過Logistic回歸模型的分析展現(xiàn)出選取的驅(qū)動(dòng)因子與土地利用類型之間有著較好的相關(guān)性。

（2）以2011年遙感解譯的武昌區(qū)土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用CLUE-S模型對(duì)研究區(qū)的2014年LUCC的情況進(jìn)行了模擬，并利用遙感影像解譯的2014年的土地利用現(xiàn)狀情況進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明CLUE-S模型能夠模擬武昌區(qū)土地利用變化情況。

（3）利用本地化后的CLUE-S模型預(yù)測(cè)了2017年武昌區(qū)LUCC情況，與武昌區(qū)的發(fā)展基本情況進(jìn)行對(duì)比分析表明，預(yù)測(cè)的結(jié)果符合研究區(qū)的未來發(fā)展態(tài)勢(shì)，并與城鄉(xiāng)布局的總體方向有著很好的一致性。

參考文獻(xiàn)：

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