夏義雄，康停軍，周劍鋒

(佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000)

1 引 言

土地利用/土地覆蓋變化(land use/land cover change，LUCC)是評估區(qū)域環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分[1]，模擬和預(yù)測土地利用變化機(jī)制和規(guī)律對區(qū)域合理開發(fā)利用土地資源，提高土地開發(fā)效能，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

目前模擬土地利用變化模型主要有系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(SD)、CLUE-S、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、元胞自動(dòng)機(jī)(CA)等模型。CA模型對復(fù)雜地理過程具有較好的模擬和預(yù)測能力[3～5]，近年來，許多學(xué)者通過引入多元影響因素對模型進(jìn)行優(yōu)化，提出了Logistics-CA[6]，F(xiàn)LUS[7]，PLUS[8]等多種模型，其中PLUS模型以斑塊作為演變單元分析多種土地利用類型變化的潛在驅(qū)動(dòng)因素，能更準(zhǔn)確、真實(shí)地模擬土地利用變化的情況[8]。

佛山市高明區(qū)作為粵港澳大灣區(qū)向西發(fā)展的樞紐和自然資源保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域。伴隨珠三角樞紐(廣州新)機(jī)場預(yù)計(jì)近期(2035年)建設(shè)，高明區(qū)將迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇，如何協(xié)調(diào)好城鎮(zhèn)的快速發(fā)展與自然資源保護(hù)的關(guān)系，成為高明區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的重要命題。本研究擬利用PLUS模型對高明區(qū)2030年土地利用情況進(jìn)行模擬并分析土地利用變化特征，為城市資源利用管理、城市可持續(xù)化建設(shè)提供科學(xué)理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

選取廣東省佛山市高明區(qū)作為研究區(qū)，高明區(qū)地處佛山市西部，位于東經(jīng)112°22′34″～112°55′06″，北緯22°38′46″～23°01′05″。高明區(qū)占地面積 937.81 km2，森林覆蓋率高達(dá)51.17%，內(nèi)部有云勇國家森林公園、凌云山森林公園、桫欏自然保護(hù)區(qū)等多處城市重要綠地林地。高明區(qū)不僅在佛山市生態(tài)環(huán)境保護(hù)中起重要作用，還是未來珠三角核心區(qū)向外輻射的重要樞紐，珠三角新干線機(jī)場、廣湛高鐵、珠江肇高鐵、肇順南城際、佛肇高速等一系列重大交通項(xiàng)目的建設(shè)也為高明區(qū)建設(shè)區(qū)域性綜合樞紐和提升城市能級提供了新的可能。

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù)據(jù)

收集了2010年、2015年和2020年三期高明區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，包含建筑用地、耕地、林地、草地、水體等6種土地利用類型，數(shù)據(jù)來源為CLCD30M土地利用分類數(shù)據(jù)(CLCD數(shù)據(jù)下載地址：https：//zenodo.org/record/5210928)。為有效反映研究區(qū)的土地利用發(fā)展規(guī)律、社會經(jīng)濟(jì)情況和地理?xiàng)l件，收集了地形、人口、GDP、交通、氣候、降水等12類土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素?cái)?shù)據(jù)?？紤]到自然環(huán)境保護(hù)和生態(tài)紅線等政策影響，還收集了高明區(qū)“三區(qū)三線”數(shù)據(jù)，用以控制城市擴(kuò)張邊界。

3.2 研究框架與方法

結(jié)合高明區(qū)歷史土地利用數(shù)據(jù)、土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素和Markov模型預(yù)測的土地利用目標(biāo)，基于PLUS模型對高明區(qū)土地利用情況進(jìn)行模擬。通過KAPPA系數(shù)和OA指標(biāo)驗(yàn)證PLUS模型精度，并對2030年土地利用情況進(jìn)行預(yù)測，分析了2020年～2030年高明區(qū)土地利用變化特征。研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程圖

(1)PLUS土地利用模擬模型

PLUS模型是一種基于柵格的斑塊生成土地利用模擬模型[8]。PLUS模型通過獲取土地利用類型變化與驅(qū)動(dòng)因素之間的關(guān)系，挖掘土地利用類型轉(zhuǎn)化規(guī)則，使用帶有隨機(jī)種子的CA模型控制新的土地利用斑塊生成。PLUS模型相較于其他土地利用模擬模型使用了全新的土地利用轉(zhuǎn)化規(guī)則挖掘策略，重點(diǎn)關(guān)注土地利用轉(zhuǎn)化結(jié)果忽略其來源，降低了分析土地利用變化規(guī)則的復(fù)雜度，對真實(shí)土地利用情況具有更好的模擬和仿真能力。

(2)Markov模型

Markov模型已普遍運(yùn)用于土地利用演變和模擬研究中[5，6]。根據(jù)Markov模型隨機(jī)過程原理，在土地利用的演變過程中，某時(shí)期的土地利用狀態(tài)只與其前一時(shí)期的土地利用類別和土地利用類型擴(kuò)展概率有關(guān)。因此，某一時(shí)刻的土地利用狀態(tài)可以用如下方法進(jìn)行預(yù)測：

LULCt+1=LULCt×Pij

(1)

其中，LULCt+1表示t+1時(shí)刻的土地利用狀態(tài)，Pij表示每類土地利用類型的擴(kuò)展概率。

(2)

上式中：0≤Pij≤1；i，j為土地利用類型。

4 結(jié)果

4.1 土地利用模擬結(jié)果

利用高明區(qū)2010年和2015年兩期的數(shù)據(jù)對不同限制條件和驅(qū)動(dòng)因素的2020年土地利用情況進(jìn)行了模擬和精度驗(yàn)證，所得結(jié)果KAPPA系數(shù)為0.85，OA為0.91，各項(xiàng)精度指標(biāo)均表明PLUS模型能有效提取和模擬高明區(qū)土地利用變化規(guī)律。

利用PLUS模型對2030年高明區(qū)土地利用情況進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如圖2所示。從整體上看，2030年高明區(qū)土地利用占比呈現(xiàn)林地>耕地>建筑用地>水體>草地>裸地，與2020年區(qū)域格局基本保持一致。

圖2 高明區(qū)2020年、2030年土地利用情況

通過預(yù)測結(jié)果與2020年的各類型土地的數(shù)據(jù)對比如表1所示，按照現(xiàn)有自然資源條件和社會發(fā)展政策保持不變的情況下，高明區(qū)未來土地利用變化呈現(xiàn)“兩減兩增”的特點(diǎn)。2020年-2030年增長最多的為耕地，比2020年增長了 7.48 km2，減少最多的為林地，比2020年減少了 9.19 km2，建筑用地增長了 4.88 km2，水體減少了 3.09 km2，草地和裸地的面積基本未發(fā)生變化。

表1 高明區(qū)2020年與2030年各類型土地利用面積對比(km2)

4.2 土地利用變化特征分析

通過土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣如表2所示，可以定量分析各土地利用類型的變化。從表中數(shù)據(jù)可以看出高明區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變具有林地轉(zhuǎn)耕地，耕地轉(zhuǎn)建筑用地的特征，發(fā)生用地類型變化的林地中有94.74%轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，發(fā)生用地類型變化的耕地中有83.78%的轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫?，上述兩種類型用地的轉(zhuǎn)變在所有用地類型轉(zhuǎn)變中占比超過70%。這種土地利用變化特征說明高明區(qū)仍處于城市發(fā)展高速建設(shè)期，需要更多的建筑用地滿足城市發(fā)展所帶來的基礎(chǔ)設(shè)施、住房等需求，耕地面積的持續(xù)增加則表明高明區(qū)持續(xù)實(shí)施用地整理和耕地保護(hù)政策取得了較好成效。

表2 高明區(qū)2020年、2030年各類型土地利用面積對比(km2)

通過土地利用變化空間分布圖(圖3)可知，耕地轉(zhuǎn)變的區(qū)域主要出現(xiàn)在高明區(qū)東部的高明河與高明大道周邊，也是高明區(qū)城市擴(kuò)張的主要區(qū)域。林地轉(zhuǎn)耕地主要出現(xiàn)在高明區(qū)中部的苗村、新村和橫坑村等較為偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村，緊鄰云勇國家森林公園、鹿洞山森林公園、皂幕山森林公園。土地利用類型轉(zhuǎn)變特征與空間分布表明高明區(qū)以耕地補(bǔ)改措施作為橋梁，增加建筑用地指標(biāo)以解決建設(shè)用地指標(biāo)不足對城市發(fā)展的制約，形成了城市擴(kuò)張區(qū)周邊以耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫兀h(yuǎn)鄉(xiāng)村周邊以林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐挠玫刈兓卣鳌?/p>

圖3 高明區(qū)土地利用變化空間分布圖

5 結(jié) 論

通過收集佛山市高明區(qū)2010年、2015年和2020年三期土地利用數(shù)據(jù)，基于PLUS模型模擬高明區(qū)2030年土地利用情況，對高明區(qū)的土地利用變化趨勢特征進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)2030年高明區(qū)的城鎮(zhèn)發(fā)展仍然維持在較高水平且城鎮(zhèn)發(fā)展與自然保護(hù)的矛盾有加劇的風(fēng)險(xiǎn)。其次，受到建設(shè)用地指標(biāo)的限制，高明區(qū)采取包括土地整治、耕地補(bǔ)改等措施，補(bǔ)充建設(shè)用地指標(biāo)，通過對歷史土地利用變化規(guī)律的總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)耕地向建筑用地轉(zhuǎn)變和林地向耕地轉(zhuǎn)變是未來高明區(qū)土地利用轉(zhuǎn)變的主要方向。最后，通過分析土地利用變化的空間分布，發(fā)現(xiàn)城市周邊耕地的保護(hù)和偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村周邊林地的開發(fā)是未來高明區(qū)土地利用監(jiān)管需要關(guān)注的重點(diǎn)，云勇國家森林公園、鹿洞山森林公園、皂幕山森林公園及其周邊林地有較大可能發(fā)生用地類型轉(zhuǎn)變，應(yīng)納入重點(diǎn)巡查范圍，減少林地退化速率，合理統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)用地，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。