基于TerrSet系统的兰考县土地利用变化模拟预测研究

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土地是人类社会存续与发展的物质基础,土地利用/覆被变化(land Use/Cover Change,LUCC)是人地关系的集中体现。构建土地变化模型对未来土地利用格局模拟预测是LUCC研究的重要内容,能够增进人们对土地变化过程的理解,为未来发展规划设计提供借鉴。本研究以兰考县为研究对象,梳理过去土地利用变化特点,构建土地变化模型模拟未来土地利用格局,旨在为该县土地利用可持续发展提供一定的科学参考。首先,确定用于模拟的土地利用类型和栅格时空分辨率,基于2009、2014和2019三期Google Earth高清影像进行目视解译,对兰考县统计年鉴和一系列的相关规划进行空间化处理形成基础数据库。然后,基于Terr Set地理空间监测和建模系统(Terr Set Geospatial Monitoring and Modeling System,Terr Set)中的一系列基础模型从数量和空间两个方面分析该县2009-2019年土地利用变化情况。从自然、社会经济和政策三个方面选择了17个驱动因素,对自然和社会经济的12个驱动因素进行二元Logistic回归分析和受试者工作特征值(Relative Operating Characteristic,ROC)检验。在此基础上,使用多重人工神经网络方法(Multi-Layer Perceptron,MLP)校准土地利用变化模型(Land Change Molder,LCM),使用多个Kappa指数检验模型输出的有效性。最后,基于上述的研究结果。以2009-2019年土地利用空间和数量变化为依据,使用MLP方法训练得出的未来短期平稳变化下的土地利用转变潜力图,使用Markov链计算得出2025年各地类数量变化,设计自然发展情景。以国家及河南省新颁布的相关政策为依据,引入多标准评价方法(Multi-Criteria Evaluations,MCE)得出未来非平稳变化下的土地利用适宜性图,减少耕地和林地转出及城乡建设用地转入数量,设计生态和耕地保护情景。通过LCM模型模拟实现研究区2025年两种情景。同时,模拟得出城镇开发边界,划定国土空间规划分区。最后,根据模拟结果对兰考县未来土地利用可持续发展提出建议。主要研究结论如下:(1)2009-2019年,兰考县土地利用时空格局变化明显。具体表现为:耕地面积占土地总面积59.85%,转入面积8242.60hm~2,转出面积11362.50hm~2,是面积最大和面积变化最大的土地利用类型。耕地、园地、林地、城乡建设用地、设施农用地和内陆滩涂相互间变化面积占全县所有地类间变化面积的85.04%。数量上,各地类变化差异较大。耕地、林地和内陆滩涂属净减少类型,且耕地净减少数量最大(3119.90hm~2),城乡建设用地、园地和设施农用地为净增加类型,且城乡建设用地净增加面积最大(4124.09hm~2)。在结构转换方面,耕地转出方向多且补充来源多,同园地、林地转入转出保持相对平衡,净转出至城乡建设用地面积最大(3050.11hm~2),内陆滩涂主要转入耕地但数量枯竭。未来耕地保护压力大。空间上,耕地转出三阶高值和城乡建设用地转入高值空间分布较为一致,说明二者变化关系密切。耕地空间变化活跃未能形成稳定的耕地利用空间。林地增加源于生态环境建设,受政策因素影响较大。新增城乡建设用地集中分布在县城周边和各乡镇行政中心并向四周延伸,沿公路两侧大量增加,其内部城镇和村庄两头增加。园地和设施农用地与各乡镇农业产业发展相关。(2)兰考县土地利用变化受多种驱动因素影响,所选取12种驱动因素能够有效解释土地利用格局空间分布。二元Logistic回归方程下耕地、园地、林地、城乡建设用地和设施农用地ROC值均大于0.7,且回归方程与上述地类实际空间分布相符。说明所选取的驱动因素有效,能够作为初始变量选择纳入到MLP训练。在LCM校准阶段,通过MLP训练各地类土地利用变化子模型准确率均高于75%。在模型输出验证方面,参考图与比较图之间的Kstandard为0.8335,Kno为0.8741,Klocation为0.8532,Klocation Strata为0.8532。四种Kappa指数均大于0.75。以上各项指标表明LCM模型模拟效果较好,满足研究要求。(3)不同情境下兰考县土地利用变化差异较大。两种情景模拟结果显示:自然发展情境下,耕地和林地面积进一步下降,城乡建设用地面积进一步增加。除少数乡镇外,未来全县多数耕地仍处于不稳定状态。城乡建设用地空间上无序蔓延和沿公路两侧扩张态势进一步加剧。生态和耕地保护情景下,耕地、园地、林地和城乡建设用地均完成了上一轮土地利用总体规划中的指标,但现有土地资源无法满足所有用地需求。未来兰考县应科学制定国土空间结构调整方案,使得各项发展都能落地。保证耕地数量不减少,利用空间稳定。严控城乡建设用地扩张,保障广大农村地区用地需要。
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