基于FLUS模型的烏魯木齊市土地利用時(shí)空格局演變模擬研究

關(guān)鍵詞：烏魯木齊市；土地利用變化;FLUS模型；土地利用轉(zhuǎn)移矩陣；模擬研究中圖分類(lèi)號(hào)：F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168(2025)12-0099-07DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.12.019

Simulation Study on the Evolution of Spatio-temporal Pattern of Land Use in Urumqicity Basedon FLUS Model

LIANG Jiafeng AYETIGULI·Sidike (XinjiangAgricultural University，Urumqi 83oooo，China)

Abstract:[Purposes] Explore the change pattrms of various types of land use in Urumqi and predict the land use pattrn in 2O3O，so as to provide support for the rational allcation of land resources and improve land use efficiency.[Methods] Using the land use data of three periods in 2O0o，2O1Oand 2020，selecting nine driving factors，with water as the constraint factor，applying the GeoSOS-FLUS model and combining the land use transfer matrix and the dynamic degree of land use for analysis.[Findings] The comprehensive land use dynamics of Urumqi City changed more drastically in over the two 1O-year periods，with construction land exhibiting the fastest growth.Grassand and unused land are the primary land types transferred out and transferred in，respectively，and the conversion between grassand and unused land is drastic.By 2O3O，there willbe no significant change in watershed and forest land，the expansion intensity of construction land and unused land will decrease，and the shrinkage rate of grassand and cropland will continue to slow down.Conclusions] It can be found through comparison that the land use changes in Urumqi in the next 1O years have partially allviated the severe imbalance of land use caused

2O years ago.The results of the study can provide a scientific basis for the land-use allocation in future urban planning.

Keywords: Urumqi City; land use change; FLUS model; land use transfer matrix; simulation study

0 引言

隨著人口、資源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，土地利用/土地覆蓋變化（Land-UseandLand-CoverChange，LUCC)研究已成為全球變化研究的熱點(diǎn)課題[1]。城市的規(guī)劃藍(lán)圖經(jīng)歷了深刻的重塑。在土地利用模式不斷變化，資源過(guò)度開(kāi)發(fā)和環(huán)境退化等問(wèn)題漸漸浮現(xiàn)，城市的生態(tài)格局也遭受了嚴(yán)重?fù)p害。

當(dāng)前在土地利用時(shí)空變化研究領(lǐng)域，常用的方法有轉(zhuǎn)移矩陣模型、CLUE-S模型、CA-Markov模型、FLUS模型和重力模型等[2]。馬世發(fā)等[3]融合了地理模擬與空間優(yōu)化模型，為城市化區(qū)域的空間管制、土地利用的引導(dǎo)、調(diào)整及優(yōu)化工作，提供了一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)支持平臺(tái)。王芳莉4利用FLUS模型預(yù)測(cè)隴南市2026年土地利用，分析變化規(guī)律和分布特征，探索驅(qū)動(dòng)因素，促進(jìn)資源有效利用。趙林峰等[5借助FLUS模型對(duì)珠三角地區(qū)2025—2045年的土地利用進(jìn)行了預(yù)估，為將來(lái)的城市擴(kuò)展提供了預(yù)先警示。劉嫻等°通過(guò)FLUS模型模塊深人探討耕地的分布變化。郭麗英等采用重力模型分析了環(huán)渤海地區(qū)耕地重心的遷移情況，揭示了城市化進(jìn)程中耕地?cái)?shù)量減少和空間范圍收縮的實(shí)際問(wèn)題。FLUS模型在多個(gè)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，證明其能夠?yàn)橥恋乩酶窬盅葑冄芯刻峁﹫?jiān)實(shí)的依據(jù)。本研究基于3期土地利用數(shù)據(jù)和9個(gè)驅(qū)動(dòng)因子研究王地利用格局的演變，通過(guò)生成的適宜性圖集和模型精度檢驗(yàn)，模擬分析2030年王地利用時(shí)空格局的演變，以期為優(yōu)化烏魯木齊市土地資源管理提供依據(jù)。

1研究區(qū)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市作為新疆維吾爾自治區(qū)的首府[8]，擔(dān)當(dāng)著該地區(qū)的政治核心、經(jīng)濟(jì)引擎、文化中心、科教基地和交通樞紐等重要角色。三面環(huán)山，地處中天山山脈中段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地勢(shì)南高北低[9。該城市地處中溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、新亞歐大陸橋的重要樞紐和天山北坡城市群的中心，同時(shí)也是輻射中亞和西亞地區(qū)的國(guó)際化商貿(mào)中心（如圖1所示）。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

3期土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)(2000年、2010年、2020年)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院；未來(lái)土地利用預(yù)測(cè)模型驅(qū)動(dòng)因素主要包括DEM、坡度坡向等自然因子，距公路（國(guó)道、省道、縣道）鐵路的距離、人口密度等交通和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子，具體見(jiàn)表1。

利用ArcGIS10.8重分類(lèi)工具對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)賦值，并對(duì)所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一WGS_1984_UTM_Zone_45N投影；分別對(duì)9個(gè)驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行處理，將年均氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)創(chuàng)建柵格圖層，使用像元統(tǒng)計(jì)工具進(jìn)行均值分析；路網(wǎng)數(shù)據(jù)做歐氏距離分析處理。借助ArcGIS10.8軟件會(huì)對(duì)所選取的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行柵格化轉(zhuǎn)換，并確保模型所需的土地利用數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)和限制區(qū)域數(shù)據(jù)均具備一致的分辨率標(biāo)準(zhǔn)。FLUS模型要求輸入數(shù)據(jù)行列式一致，故用ArcGIS10.8按掩膜提取，統(tǒng)一數(shù)據(jù)范圍為 2 567×2 906 行列式。并進(jìn)行歸一化處理，范圍在0\\~255，得到研究區(qū)驅(qū)動(dòng)因子?xùn)鸥駡D（如圖2所示）。

2 研究方法

2.1土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.1.1土地利用動(dòng)態(tài)度。土地利用類(lèi)型在特

定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)量變化速率，可通過(guò)單一土地利用動(dòng)態(tài)度進(jìn)行定量分析。該動(dòng)態(tài)度的具體計(jì)算公式為式(1)。

式中： T 表示整個(gè)研究周期； K 表示在 T 時(shí)期內(nèi)某種地類(lèi)的動(dòng)態(tài)度； Ua，Ub 分別為研究初期和末期某種土地利用類(lèi)型的占比面積[0]

為量化研究區(qū)域內(nèi)土地利用變化的特征，采用綜合土地利用動(dòng)態(tài)度的方法，該方法的核心目的是深入分析特定研究時(shí)間段內(nèi)各類(lèi)土地面積體現(xiàn)出的年際綜合變遷速度，計(jì)算公式為式（2）。

式中： LC 為某時(shí)段內(nèi)各地類(lèi)的綜合年際變化率； LU_i 為研究期初第i種地類(lèi)面積； ΔLU_i=j 表示研究時(shí)段內(nèi)第 i 種地類(lèi)轉(zhuǎn)換為j種地類(lèi)面積的絕對(duì)值， n 為各地類(lèi)的數(shù)量； T 為研究時(shí)段。

2.1.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠定量反映不同時(shí)期各地類(lèi)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移變化情況，表達(dá)式為式(3)。

式中： s 為 i 類(lèi)土地轉(zhuǎn)換成 j 類(lèi)土地的面積; n 為土地利用類(lèi)型的數(shù)量； s 矩陣的每一行代表當(dāng)前時(shí)刻的土地利用類(lèi)型，每一列代表下一時(shí)刻的土地利用類(lèi)型[12]

2.2 FLUS模型

FLUS模型是一種基于開(kāi)放源代碼的空間計(jì)量工具3，能有效應(yīng)對(duì)自然與人類(lèi)活動(dòng)引起的土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)換的復(fù)雜不確定性。該模型的核心功能是利用隨機(jī)森林算法來(lái)預(yù)測(cè)土地用途的變化概率，并通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)技術(shù)來(lái)規(guī)劃這些變化在空間上的具體分布。

2.2.1成本矩陣設(shè)置。土地類(lèi)型允許轉(zhuǎn)換設(shè)1，不允許設(shè)0。本研究中，除水域外，各土地類(lèi)型間轉(zhuǎn)換均設(shè)1，即均可互換。

2.2.2鄰域因子權(quán)重設(shè)置。鄰域權(quán)重參數(shù)反映擴(kuò)張能力，0\\~1取值，近0則弱。本研究據(jù)烏魯木齊實(shí)際情況及相關(guān)文獻(xiàn)，經(jīng)試驗(yàn)比對(duì)，最終確定各項(xiàng)權(quán)重參數(shù)見(jiàn)表2。

3結(jié)果與分析

3.1土地利用面積及動(dòng)態(tài)變化分析

烏魯木齊市土地利用動(dòng)態(tài)度見(jiàn)表3。由表3可知，2000—2010年，建設(shè)用地和未利用地的土地利用動(dòng)態(tài)度大于0且均呈顯著上升趨勢(shì)，其中未利用地面積增加幅度較大，增加了 470.16km² 。城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速導(dǎo)致建設(shè)用地大幅擴(kuò)張，增幅達(dá) 8.47% 同時(shí)耕地面積減少，主要轉(zhuǎn)向草地和建設(shè)用地，表明烏魯木齊退耕還草政策成效及城鎮(zhèn)化穩(wěn)步發(fā)展。林地亦在縮減，主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀莸乜偯娣e減少 350.31km² ，成為退化最嚴(yán)重的用地類(lèi)型。

2010一2020年，建設(shè)用地、未利用地的面積分別增加了 208.78km² 和 271.74km² ，相較于前10年增速明顯放緩，說(shuō)明10年間，烏魯木齊市政府在落實(shí)《烏魯木齊市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》中，大力推動(dòng)優(yōu)化建設(shè)用地結(jié)構(gòu)和布局，始終踐行節(jié)約集約用地的發(fā)展原則，取得了明顯的成效。同時(shí)，耕地、林地、草地相較于10年前均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，在此過(guò)程中，草地的總面積減少了315.48km² ，表示土地利用中大量草地轉(zhuǎn)換為其他用地。林地減少幅度明顯緩和，生態(tài)用地得到有效保護(hù)。水體前10年與后10年變化顯著，水體雖為面積最小的地類(lèi)，但其變化速度較快[0]

2000一2020年，人口的激增與經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)為城鎮(zhèn)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，林地、草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地加速了城市擴(kuò)張與土地廢棄。同時(shí)，耕地面積不斷減少，而水域面積變化甚微。2000一2010年土地利用動(dòng)態(tài) 1.34%，2010-2020 年降至 0.41% ，表明研究區(qū)土地利用強(qiáng)度減弱，但仍處發(fā)展期。

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移變化分析

通過(guò)ArcGIS10.8處理遙感數(shù)據(jù)，解譯、分類(lèi)、融合、分析，導(dǎo)出至Excel制作透視表，得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表4。由表4可知，2000—2010年，6種地類(lèi)轉(zhuǎn)出的總面積達(dá) 4 051.15km² ，占土地利用變化總面積的 29.38% 。其中草地減幅最大，達(dá)350.31km² ，轉(zhuǎn)為未利用地。這源于“西部大開(kāi)發(fā)”后城市化加速，人口涌入導(dǎo)致建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，侵占耕地、草地等，生態(tài)環(huán)境惡化，耕地荒廢，草地荒漠化加劇，進(jìn)而未利用地面積增加[14-16]。林地、水域、耕地減少的用地主要流向了草地，共計(jì)增加了約445.21km² 。

2010一2020年，土地類(lèi)型轉(zhuǎn)換總面積減至1247.41km² ，占變化總面積 9.05% ，耕地轉(zhuǎn)換面積大幅下降至 158.47km² 。受“雙保工程\"影響，林地、草地、水域面積減少，轉(zhuǎn)向草地和未利用地，但水域和林地下降幅度放緩。這是由于2015年“生態(tài)立市”發(fā)展原則的實(shí)施后，烏魯木齊市著力推進(jìn)資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)與生態(tài)建設(shè)，使得森林覆蓋率與人均水域面積逐漸成為影響土地多功能利用的重要因子[17]

2000一2020年，建設(shè)用地和未利用地大幅增加，林地大幅減少，部分轉(zhuǎn)為草地和耕地。退耕還草工程20年成效顯著，促進(jìn)生態(tài)、農(nóng)業(yè)及農(nóng)村發(fā)展。耕地、草地面積變化平穩(wěn)，草地主要轉(zhuǎn)向未利用地、建設(shè)用地和耕地。這表明20年間烏魯木齊市草地進(jìn)行了大量開(kāi)發(fā)與利用[18]。雖然土地利用結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜性驅(qū)動(dòng)地類(lèi)之間相互轉(zhuǎn)換，但人類(lèi)追求社會(huì)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)始終未變，通過(guò)不斷研究，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，也會(huì)推動(dòng)烏魯木齊市的發(fā)展。

3.3模型模擬精度檢驗(yàn)

Kappa系數(shù)是用于評(píng)估土地利用數(shù)據(jù)中模擬結(jié)果與實(shí)際分類(lèi)之間一致性的指標(biāo)。其計(jì)算公式為式(4)。

式中： P₀ 為預(yù)測(cè)正確率， P_e 為隨機(jī)正確率； K 為理想正確率。Kappa系數(shù)是評(píng)估模型模擬性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其值域界定在0至1的范圍內(nèi)。將數(shù)據(jù)代入模型計(jì)算后，得出總體精度為 0.90% ，Kappa系數(shù)為0.83，這一數(shù)值超過(guò)了0.75的閾值，顯示出高度一致性。

4土地利用空間演變格局預(yù)測(cè)

使用FLUS模型里的CA模塊，將2010年土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)和2010年已生成的適宜性圖集，結(jié)合2020年實(shí)際土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，對(duì)加速因子、迭代次數(shù)等進(jìn)行設(shè)置進(jìn)行下一步預(yù)測(cè)，生成了2020年烏魯木齊市土地利用現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)模擬結(jié)果如圖3所示。模型精度達(dá)標(biāo)，生成預(yù)測(cè)圖和結(jié)構(gòu)表，如圖3(b）和表5所示。

烏魯木齊市2000—2020年土地利用變化如圖4所示。結(jié)合圖3可知，烏魯木齊市林地、水域變化面積較穩(wěn)定；相較于前20年，耕地未來(lái)10年面積縮減速率進(jìn)一步得到有效控制；水域轉(zhuǎn)出面積最小，是因?yàn)樗Y源作為烏魯木齊緊缺資源，其本身面積小，流轉(zhuǎn)程度低[10]。建設(shè)用地在東南部有小幅度縮減，主要向耕地轉(zhuǎn)出。在未來(lái)10年發(fā)展期間，經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)推動(dòng)人口的不斷增加，同時(shí)在以沙依巴克區(qū)、水磨溝區(qū)等這些經(jīng)濟(jì)發(fā)展、區(qū)位條件較好的地區(qū)，建設(shè)用地繼續(xù)擴(kuò)張，其他用地在不同程度上轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，建設(shè)用地面積增加 107.1km² 。在將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，草地面積持續(xù)減少，但由于其本身基數(shù)較大，仍會(huì)成為變化面積最大的地類(lèi)。

從表5可以看到，草地與未利用地在土地利用中占據(jù)主導(dǎo)地位，其面積總和超過(guò)全市總面積的80% 。森林覆蓋率相對(duì)較低，且其面積變動(dòng)較為平穩(wěn)；水體面積略有減少，而建設(shè)用地占比有所上升，增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，面積變化比例為 0.78% 。耕地面積仍在縮減，但縮減速率明顯降低，可以看到國(guó)家耕地保護(hù)政策實(shí)施效果顯著。

5結(jié)論與討論

5.1結(jié)論

本研究基于2000年、2010年、2010年3期土地利用數(shù)據(jù)和所選取的驅(qū)動(dòng)因子，通過(guò)GeoSOS-

FLUS模型模擬，并通過(guò)精度檢驗(yàn)，針對(duì)烏魯木齊市2030年的土地利用格局進(jìn)行了趨勢(shì)預(yù)測(cè)，結(jié)論如下。 ①2000-2020 年，建設(shè)用地和未利用地面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，建設(shè)用地的增長(zhǎng)最為突出，其動(dòng)態(tài)變化速度最大，為 13.38% ，但建設(shè)用地的快速擴(kuò)張主要在2010年[10]。相反，耕地、林地、草地以及水域的面積則有所減少。 ② 區(qū)域轉(zhuǎn)移矩陣揭示，未利用地、草地轉(zhuǎn)換頻繁，耕地、草地減少，這標(biāo)志著研究區(qū)域在城市化進(jìn)程中生態(tài)環(huán)境遭受了一定程度的損害；未利用地主要向草地轉(zhuǎn)出，表明烏魯木齊政府為加快將未利用地轉(zhuǎn)化，出臺(tái)的《烏魯木齊市城市綠化管理?xiàng)l例》在20年間取得顯著成效，對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境起到恢復(fù)作用。 ③2030 年烏魯木齊市加快城鎮(zhèn)化建設(shè)，建設(shè)用地將呈現(xiàn)繼續(xù)擴(kuò)張的狀態(tài)，但是增長(zhǎng)幅度放緩，更加注重生態(tài)發(fā)展相協(xié)調(diào)。過(guò)去10年，林地和水域面積相對(duì)穩(wěn)定，而耕地和草地有所減少。未來(lái)10年，需加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，減緩用地縮減，確保生態(tài)用地得到有效維護(hù)。

5.2討論

回顧模擬過(guò)程，本研究存在以下問(wèn)題，需要進(jìn)一步探討。

① FLUS模型內(nèi)CA模塊的參數(shù)配置具有一定程度的主觀(guān)判斷性。應(yīng)通過(guò)結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)不斷調(diào)整和實(shí)踐確定，為提高結(jié)果的客觀(guān)性和準(zhǔn)確性，還需要深入探索該模型。

② 驅(qū)動(dòng)因子的選取需要進(jìn)一步考量。驅(qū)動(dòng)因子的選取需考量各研究區(qū)復(fù)雜情況，無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)且一些數(shù)據(jù)獲取困難。需進(jìn)一步研究驅(qū)動(dòng)因子間的關(guān)聯(lián)性，以提升預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和針對(duì)性，確保模擬效果。

③ 需結(jié)合多時(shí)點(diǎn)研究。研究選取3期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和模擬發(fā)現(xiàn)，2000年和2010年土地利用數(shù)據(jù)變化較大，未能充分反映烏魯木齊市土地利用變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，未來(lái)可以考慮選取多時(shí)點(diǎn)，進(jìn)行更完整的分析和模擬。

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