基于FLUS模型的眉山市土地利用變化分析及預測模擬

雷 雪, 王倩娜, 鄧靖琳, 高黃根, 沈 一*

(1. 四川大學 建筑與環境學院, 四川 成都 610065; 2. 四川省國土空間規劃研究院, 四川 成都 610081)

土地資源是國土空間資源的核心要素,土地利用的結構和組成隨著城市發展發生動態變化,對區域生態環境帶來重要影響.不合理土地利用模式易導致土壤退化、水土流失、生物多樣性下降等生態問題[1-2].在國土空間規劃中,對土地資源可持續利用,是實現山水林田湖草保護與城鎮發展平衡的關鍵[3].

目前,在土地利用時空變化研究領域,常用的方法包括轉移矩陣模型[4]、CLUE-S模型[5]、CA-Markov模型[6]、FLUS模型[7]、重力模型[8]等,其中FLUS模型的模擬精度高于CLUE-S等其他常用模型[9].譚遠模等[10]利用轉移矩陣、土地利用重心等方法分析廣州市土地利用發展的時空變化,發現城市發展有不平衡趨勢;郭麗英等[11]利用重力模型研究環渤海區域耕地重心變化情況,反映了城市化背景下耕地銳減和空間萎縮等實際問題.鹿瑤[12]利用FLUS模型對徐州市2020年土地利用進行模擬,計算該市生態用地變化量,提出生態優化方法,并對比模擬結果證明了優化方法的有效性;趙林峰等[13]通過FLUS模型預測珠三角地區2025—2045年土地利用情況,對未來城市擴張作出了預警.總體而言,FLUS模型相對成熟,能夠更高精度地挖掘出城市化背景下生態用地的變化特征.

眉山市作為四川省“成德眉資一體化”戰略部署城市之一,位于成渝地區雙城經濟圈發展主軸,是成都極核的重要組成部分,具有“千湖之城,百園之市”[14]的美譽.近年來,隨著城市高速擴張,眉山市土地利用呈現出保護開發矛盾明顯,空間格局協調不足的問題.眉山市國土空間開發適宜性評價結果顯示,洪雅縣為生態保護極重要區,青神縣、丹棱縣為農業發展適宜區,而在省級國土空間功能區規劃中,東坡區、彭山區、青神縣、仁壽縣、丹棱縣主體功能定位為城鎮發展區,洪雅縣主體功能定位為農產品主產區,與眉山市各區縣的土地利用情況匹配度不高.與此同時,生態空間、城鎮空間、農業空間存在沖突,城鎮用地和生態紅線、永久基本農田紅線范圍有所重疊,導致生態退化、基本農田保有量減少.因此,需重視對眉山市土地利用的研究,權衡各土地利用類型的關系,以實現生態、農業、城鎮空間的平衡發展.封煒[15]利用轉移矩陣模型分析了1990—2016年眉山市土地利用變化情況及其驅動因子,但是目前眉山市相關研究仍相對缺乏.本研究以眉山市為例,結合“十四五”規劃中于2035年基本實現“建設人與自然和諧共生的現代化”遠景目標,選定2035年為時間節點,利用轉移矩陣模型、FLUS模型、重心模型,分析2005—2018年土地利用變化規律,預測2035年土地利用模式及重心變化趨勢,定量與定性分析相結合,判斷眉山市未來土地利用情況,為眉山市國土空間規劃與城市可持續發展提供理論依據.

1 研究區概況及數據預處理

眉山市位于成都盆地西南部,東經(102.49°～104.30°)、北緯(29.30°～30.16°)[16],全市土地總面積為7 138 km2,下設東坡區、彭山區、仁壽縣、洪雅縣、丹棱縣、青神縣6個行政區縣(圖1).眉山市屬長江流域,岷江、沱江水系,過境水資源充沛.南部以山區為主,地勢陡峭,海拔均在1 000 m以上;北部低山、丘陵、地勢緩平;中部為開闊的岷江河谷平原.

圖1 眉山市行政區劃分及自然環境概況

本研究采用2005、2010、2015、2018年共4期研究區域Landsat衛星遙感影像數據[17]、眉山市DEM高程數據[18]和2018年眉山市基礎地理數據(由眉山市自然資源局提供).基于ArcGIS 10.2軟件對研究區域進行圖像鑲嵌、行政區域裁剪等預處理,生成4期眉山市土地利用基礎柵格數據(30 m×30 m).參考我國《城市用地分類與規劃建設用地標準(GB50137—2011)》[19],將眉山市土地利用數據分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6個大類.

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣土地利用轉移矩陣能夠定量反映不同時期各地類的結構以及轉移變化情況[4],其表達式為

S

(1)

其中,Sij為i類土地轉換成j類土地的面積,n為土地利用類型的數量.基于ArcGIS 10.2軟件,利用Dissolve、Intersect工具,結合Excel軟件,生成并統計了2005—2010、2010—2015、2015—2018共3期土地利用轉移數據,以分析眉山市土地利用數量及方向特征.

2.2 單一土地利用動態度單一土地利用動態度表示一定時間內某種特定土地利用類型的數量變化情況,能夠明確該地類的動態變化速度,其計算公式[20]為

(2)

其中,K為該地類的單一土地利用動態度,U為該地類的起始面積,U為該地類變化后的面積,T為研究時段.本次研究以2005年為起始值,2018年為末值,計算各地類面積的變化情況.

2.3 FLUS時空模擬模型FLUS模型是一種新型土地利用模擬模型[12],能夠預測并反映研究區域未來土地利用情景.模型的優勢在于通過人工神經網絡(ANN)訓練模塊,導入社會、自然等空間自相關因子,在CA模塊中引入自適應慣性競爭機制,有效處理各地類相互轉化的不確定性,主要包括以下2個模塊:

1) 基于神經網絡的適宜性概率計算.神經網絡算法(ANN)主要由輸入層、隱藏層、輸出層組成[12],其表達式為

(3)

其中,p(p,k,t)為第k種土地在柵格p、時間t上的適宜性概率,wj,k是隱含層與輸出層的權值,sigmoid是隱含層到輸出層的激勵函數,netj(p,t)是第j個隱含層柵格p在時間t上所接收的信號.

2) 自適應慣性競爭機制.FLUS模型運用自適應慣性機制模擬各地類的競爭問題,其核心是自適應慣性系數,其表達式[12]為

Interiatk=

TPtp,k=Pp,k×Ωtp,k×

Interiatk×(1-SCc→k),

(5)

土地利用變化是自然和社會因子長期作用的結果,自然環境本質上決定了土地利用的類型、社會因子對土地利用變化產生重要影響[21].研究基于FLUS V2.2軟件,以2015年土地利用數據為基礎,利用眉山市DEM高程數據、眉山市基礎地理數據,生成自然驅動因子(高程、坡度、離水體距離)以及社會驅動因子(離農村居民點距離、離城鎮距離、離公路距離、離鐵路距離),計算土地變化適宜性概率.借鑒已有鄰域權重參數成果[22],結合眉山市土地利用現狀,設置鄰域因子參數(表1),生成2018年眉山市土地利用模擬結果,并使用“Precision Validation”模塊對土地利用模擬結果進行精度檢驗.同理,生成2035年土地利用模擬結果.

表1 土地利用鄰域因子參數

2.4 重心模型土地利用重心模型能夠反映各地類重心的空間轉移情況,體現土地利用的空間聚集性和位移趨勢,其表達式[11]為

x

(6)

y

(7)

(6)和(7)式中,Tij(i=1,2,3,…,n)表示第i評價單元第j年某要素的總量,Pi(xi,yi)為該評價單元的地理中心坐標,Pj(xj,yj)為該要素第j年的重心坐標.

基于2005、2018、2035年土地利用數據,研究眉山市“過去-現在-未來”的土地利用重心轉移情況.利用ArcGIS 10.2中Mean center工具,基于CGCS 2000坐標系統,計算不同時期各地類的重心位置,為重心變化軌跡分析提供數據基礎.

3 結果與分析

3.1 土地利用變化基于眉山市土地利用數據,生成了2005—2018年眉山市土地利用圖(圖2),其中耕地為主要用地類型,林地主要集中在西部瓦屋山、總崗山區域以及中部彭祖山、龍泉山區域,水域面積占比較小,草地主要分布于西南區域,建設用地集中分布于各區縣的核心區域.

圖2 2005、2010、2015、2018年土地利用圖

3.1.1土地利用變化數量特征分析 基于轉移矩陣模型,生成2005—2018年3期土地利用轉移矩陣數據(表2).結果表明:2005—2010年,水域面積逐漸增加,后期基本穩定在130 km2;林地面積呈現波動變化,2005—2010年林地退化29 km2,隨著近年來生態建設的加強,林地面積恢復23.08 km2;2010—2015年草地面積增長28.97 km2,其余時段均在減少,說明草地生態系統不穩定,易遭到侵蝕;耕地面積逐年遞減,其中2010—2015退化情況變緩;建設用地面積逐年遞增,2015—2018年增長率最大,高達27.78%,說明隨著天府新區的設立,眉山市城鎮化速度達到新的高點.

表2 2005—2018年眉山市土地利用轉移矩陣數據

表2(續)

2005—2018年眉山市土地利用總體變化情況表明(表3):草地減少幅度大、動態度高(-0.68%),為生態用地中退化最嚴重的用地類型;林地、水域動態度分別為0.13%、0.76%,呈增長趨勢,說明近年來眉山市生態建設已取得一定成效;建設用地增長幅度大,動態度最高(3.3%),為眉山市主要發展的土地類型.耕地減少幅度大但年動態度低(-0.21%),說明耕地面積萎縮嚴重,但由于總量較大,整體保留較為完整;未利用地變化幅度小但動態度高(-1.44%),可能成為眉山市最早消失的土地類型.

表3 2005—2018年眉山市土地利用總體變化情況

3.1.2土地利用變化方向特征分析 基于土地利用轉移矩陣,計算各地類相互轉化的方向及面積占比,提取出占比大于1%的轉化類型進一步分析.圖3和表4表明,2005—2018年,林地、耕地相互轉化面積占比均在25%左右,說明退耕還林(主要在龍泉山中部、北部區域)和開墾占林(青衣江流域)的情況同時存在.耕地轉化為建設用地的面積占比約為15%,說明城鎮擴張主要以侵蝕耕地為主,東坡區中部、彭山區北部、仁壽縣中北部以及與天府新區接壤的視高區域耕地退化明顯.草地轉化為林地的面積占比從10.2%下降到3.56%,林地轉化為草地面積占比從3.64%上升到9.24%,說明草地、林地邊界不穩定,瓦屋山南部邊緣地區林草置換一直處于動態變化中,且草地受侵蝕程度更高.耕地、水域相互轉化面積占比均在2%以上,說明水域面積增加以向耕地擴張為主,主要集中在瓦屋山水庫區域,農田占用水資源的情況也同時存在,主要分布在青衣江下流流域.林地轉化為建設用地的面積逐年遞增,2015—2018年占比增加到1.09%,說明城市向林地擴張的趨勢日益明顯,需加強對林地資源的保護與管控.

圖3 2005—2018年主要土地利用轉移類型

表4 2005—2018年眉山市主要土地利用轉化類型面積統計情況

3.2 基于FLUS模型的2035年土地利用模擬將基于FLUS模型的2018年眉山市土地利用模擬數據(圖4)與實際數據對比(表5),結果顯示各地類模擬面積相對誤差均小于1%,Kappa系數為0.896 5(大于0.75),精度較高,具有可信度,對比結果表明FLUS模型能夠用于模擬眉山市2035年土地利用結構.

圖4 2018年土地利用模擬結果

表5 2018年土地利用面積模擬誤差檢驗

基于FLUS模型,導入7類土地利用自相關因子(圖5),生成了眉山市2035年土地利用模擬結果(表6和圖6).表6表明,2018—2035年眉山市建設用地、水域面積呈增長趨勢,草地面積將趨于穩定,耕地、林地、未利用地均呈減少趨勢.其中,林地將減少31.4 km2,變化率為-1.9%,為唯一減少的生態用地類型,需增強對林地的保護;建設用地將增加198.43 km2,增長率高達69.09%,其中彭山區、東坡區、青神縣城鎮擴張明顯,其建設用地沿岷江河岸在南北方向上形成連接,若不加以人工干預,2035年岷江沿岸建設用地將呈現出一體化趨勢,或將對岷江生態帶造成一定破壞,需在保護重要生態節點的基礎上,科學引導岷江兩岸城鎮發展方向;耕地將減少178.86 km2,變化率為-3.83%,耕地退化進一步嚴重,需加強對耕地的管控力度.

(a) DEM

表6 2035年眉山市土地利用模擬結果

圖6 眉山市2035年土地利用模擬結果

3.3 土地利用重心轉移分析基于重心模型計算主要用地類型的重心位置如表7和表8所示,均采用CGCS 2000坐標系統,生成了2005—2035年眉山市土地利用重心轉移軌跡圖(圖7).

圖7 眉山市主要土地類型重心變化情況

表7 2005—2035年眉山市主要用地類型重心位置變化情況

表8 2005—2035年眉山市主要用地類型重心位置移動情況

結果表明,2005—2018年,草地重心向東北方向移動6.49 km,水域重心向西移動1.4 km,林地重心向東北移動2.13 km,建設用地、耕地重心無明顯變化.結合2005—2018年眉山市土地變化情況,發現土地重心變化與土地利用面積變化具有一定耦合性,其中瓦屋山南部大量草地退化、瓦屋山西部水庫面積大幅度增加、東北部龍泉山林地面積顯著提升分別與草地向北部丹棱縣蔓延、水域向西部延伸、林地向東北部發展的情況相對應,說明不均衡的土地面積變化是土地重心移動的重要原因之一.

2018—2035年,土地利用重心轉移速度較上一階段有所加快.其中,草地重心將向西南方向移動27.83 km,說明在面積無明顯變化的情況下,草地重心移動受到氣候條件、人類活動、地形地貌的影響,草地更趨向于往高海拔、遠離城鎮、溫度更低的區域發展.林地重心將向西移動4.51 km,說明受到岷江限制、中東部城市建設影響,林地整體傾向于往人為干擾較低的西部山地區域延伸.水域重心將向西南方向移動7.18 km,說明水域趨于向西部生態環境良好的地區漫延,西部水域面積(以青衣江、瓦屋山水庫、槽魚灘水庫為主)有增加趨勢,應注重彈性濕地空間建設.建設用地重心將向東南方向移動1.39 km,說明受相關政策、地形地貌影響,建設用地整體傾向于往有利于經濟發展、水源充足的岷江東部平原地區延伸.耕地重心將向西移動16.81 km,從仁壽縣西部轉移到東坡區中部,說明耕地受岷江流域建設用地擴張影響,整體向西部淺山地區發展.

4 結論及討論

4.1 結論以眉山市為研究對象,采用“土地利用轉移矩陣-FLUS模擬-重心轉移”綜合方法,在分析2005—2018年土地利用變化規律的基礎上,基于FLUS模型,對2035年的土地利用情況進行模擬預測,最后明確2005—2035年各地類的重心轉移特征.研究結果表明:

1) 2005—2018年,眉山市土地利用變化動態度表明:建設用地(3.3%)>水域(0.76%)>林地(0.13%)>耕地(-0.21%)>草地(-0.68%)>未利用地(1.44%),其中建設用地增長最為迅速,主要侵蝕中北部地區耕地以實現城鎮規模擴張;水域增長平穩,主要由耕地轉入,其中瓦屋山水庫為近年來增加面積最大的水源地;草地、林地生態穩定性低,西南部邊界區域草地階段性衰退趨勢明顯,林地總體呈增長趨勢,主要由龍泉山退耕還林以及瓦屋山草地轉化而來;耕地退化最為嚴重,未利用地逐年減少.

2) FLUS模型模擬檢驗結果顯示,Kappa系數為0.896 5,相對誤差小于1%,證明FLUS模型能夠較準確地模擬出未來土地利用情況.基于FLUS模型的2035年土地利用模擬結果顯示,建設用地將增加69.09%,其中岷江沿岸建設用地擴張明顯;林地將減少31.4 km2,成為唯一減少的生態用地類型;耕地將退化178.76 km2,成為減少最多的土地利用類型;97.31%的未利用地轉化為其他用地.

3) 眉山市地處四川盆地邊緣地帶,擁有低山、丘陵、平原、山地等多種地形地貌,土地利用空間移動方向受地形地貌因子影響,在市域空間分布上具備移動的規律性:2005—2035年,林地、水域、草地總體傾向于向眉山市西部、西南部山地區域轉移,耕地呈現出向西北淺丘地區轉移的趨勢,建設用地是唯一向岷江東側平原地區偏移的土地利用類型.不難發現,城鎮用地趨于向水源充足、地勢平坦、開發難度小的河谷平原擴張;生態用地(林地、草地、水域)傾向于向高海拔、自然生境完整、人為干擾小的山區延展;農業用地主要受城鎮擴張影響,西北部向低山、丘陵地區發展.

4.2 討論1) 眉山市土地利用變化總體呈現出建設用地高速擴張、農業用地大量萎縮、生態用地不穩定波動的規律.城鎮過度擴張將導致生態空間退化、生產空間縮減,引發的自然災害、糧食安全等問題將反向制約城市發展,因此需權衡各土地利用類型的關系,合理分配土地資源,促進優勢地區重點發展,加強生態功能區重點保護.

根據眉山市土地利用分析及模擬結果,可將眉山市劃分為生態保護區、農田保護區以及城鎮發展區.其中,生態保護區主要包含洪雅縣南部瓦屋山區域、丹棱縣西部總崗山區域以及仁壽縣西部龍泉山區域;農業保護區主要包括洪雅縣北部、丹棱縣中東部、青神縣、仁壽縣西部的丘陵、低山區域;城鎮發展區主要包括東坡區、彭山區、視高區域、各縣中心城區及周邊的平原地區.具體邊界范圍需結合國土空間規劃中的“雙評估”“雙評價”結果,遵循全域“全覆蓋、不交叉、不重疊”的原則進行進一步劃定.各區應突出土地利用的主導功能,其中生態保護區內需減少不必要的人為活動,強化生態保育和生態建設,限制開發性、生產性建設活動;農業保護區內需加強基本農田保護,因地制宜發展特色農業,防止建設用地對耕地進一步侵蝕;城鎮發展區需科學引導城鎮用地擴張方向,重點優化岷江沿岸城市用地布局,落實最嚴格的節約用地制度,保護區域內部生態用地,最大程度減少對農業用地的侵蝕.土地利用的可持續性是實現生態環境與城市發展平衡的關鍵,眉山市作為“成德眉資一體化”戰略部署城市之一,具有一定典型意義,研究成果可以為其他西部中小型城市的土地利用時空變遷分析及國土空間規劃等提供參考.

2) FLUS模型在傳統CA模型上引入人工神經網絡(ANN)訓練模塊,使模擬精度進一步提高.由于土地利用變化驅動因子錯綜復雜,本次研究只選取了最直接的7個自然社會因子進行適宜性概率計算,對經濟、氣候、文化等因子的考慮不夠充分,對模擬結果準確性造成一定影響.與此同時,本次研究基于2005—2018年土地利用變化規律對鄰域參數進行提取,具有一定主觀性.因此,在之后的研究中將對FLUS模型的因子選取與參數設置領域進行更深入的探索.

致謝四川大學橫向科技項目(19H0949)對本文給予了資助，謹致謝意.