CLUE_S模型在南京市土地利用变化研究中的应用

CL UE 2S 模型在南京市土地利用变化研究中的应用

3

盛　晟　刘茂松

33

　徐　驰　郁　文　陈　虹

(南京大学生命科学学院,南京210093)

摘　要　土地利用/覆盖变化模型是研究区域景观动态并解释其驱动机制的重要技术手

段。应用CLUE 2S 模型,在Landsat T M 影像等相关数据支持下,对南京地区1998—2006年土地利用的时空动态变化进行了研究。结果表明:各土地利用类型变化受地形因素影响最大,人均G DP 与城镇用地和农业用地的分布呈显著相关,城乡主干道对土地利用变化的贡献显著大于省级及以上道路;海拔较高区域林地的发生比率较高,而地形低平区域农田、城建用地的发生比率较高。经检验,在300m 空间分辨率水平,对南京地区2003年、2006年土地利用状况模拟的精度分别达到了8517%和8411%;而通过将研究区分成若干子区,分别修正模型参数并重新模拟,准确率提高到8917%和8813%,分区赋值法有效地提高了模拟精度。研究表明,CLUE 2S 模型对城市发展的空间结构也有较强的预测能力,对指导城市规划、分析景观动态的驱动机制有重要参考价值。关键词　城市化;CLUE 2S 模型;驱动因子;参数分区赋值法;发生比率中图分类号　Q149　文献标识码　A 文章编号　1000-4890(2008)02-0235-05Appli ca ti on of CL UE 2S m odel i n si m ul a ti n g l and use changes i n Nan ji n g m etropolit an reg i on.SHE NG Sheng,L I U Mao 2s ong,XU Chi,Y U W en,CHEN Hong (School of L ife Sci 2ence,N an jing U niversity,N an jing 210093,Ch ina ).Chinese Journal of Ecology ,2008,27(2):235-239.

Abstract:Land use and cover change (LUCC )models are the i m portant t ools in researching re 2gi onal landscape dyna m ics and its driving mechanis m s .W ith the app licati on of CLUE 2S (Conver 2si on of Land U se and Its Effects at S mall Regi onal Extent )model and under the support of Land 2sat re motely sensed data,this paper si m ulated the land use changes in Nanjing metr opolitan re 2gi on fr om 1998t o 2006.The results indicated that the land use changes were mostly affected by t opography,and the distributi on of urban land and agricultural land were significantly related with G DP per cap ita .Moreover,the urban 2rural trunk r oads made a much greater contributi on t o land use changes than p r ovincial r oads .Generally,high 2altitude regi on tended t o benefit the odds rati o of woodland,while flat and l ow terrain benefited all the odds rati os of far m land and settle 2ment .The accuracy of the si m ulati on app r oached t o 8517%in 2003and 8411%in 2006at 300m s patial res oluti on,while as the para meters were recalculated according t o the partial conditi ons and given divisi onally,the accuracy of the model i m p r oved re markably t o 8917%in 2003and 8813%in 2006.The results suggested that CLUE 2S had a str ong capability of p redicting the changes of land use types,and even,the s patial structure of landscape,being available in urban p lanning and in researching the driving mechanis m s of land use change .Key words:urbanizati on;CLUE 2S model;driving f orce;para meter divisi onal evaluati on;odds rati o .

3国家自然科学基金资助项目(39670364)。33通讯作者E 2mail:m sliu@nju .edu .cn 收稿日期:2007204218 接受日期:2007211214

土地利用与覆盖变化(land use and cover change,LUCC )是全球变化的重要组成部分,也是全

球变化研究的热点之一(V it ousek,1994)。LUCC 受自然、社会、经济等因素的综合影响,表现出复杂的非线性特征,模型的应用成为研究LUCC 的驱动机

制(张惠远等,1999;李平等,2001;朱会义等,2001)、动态规律(La mbin et al .,2000;张永明和赵

生态学杂志Chinese Journal of Ecol ogy 2008,27(2):235-239

士洞,2004)、生态效应(Skole et a l.,1994;鲁奇等, 2001)及其发展趋势的重要技术手段。

根据La mbin等(2000)的分类,LUCC模型可以概括为5类:1)基于主体的LUCC模型(Agent2Based Models of Land2use/Land2cover Change,AB M/LUCC);

2)经验统计模型(E mp irical StatisticalModels);3)最优化模型(Op ti m izati on Model);4)动力学模拟模型(Dyna m ic Si m ulati on Models);5)混合/综合模型(Hybrid/I ntegrated Models)。CLUE2S(the Conver2 si on of Land U se and its Effects at S mall regi onal ex2 tent)模型作为经验统计模型的代表,运用系统论方法处理不同土地利用类型之间的竞争关系,在模拟区域土地利用的时空动态变化方面具有明显优点,近年来在多个国家和地区得到了有效应用(Verburg &Chen,2000),国内如北京(段增强等,2004)、甘肃(张华等,2004)、四川(摆万奇等,2005)和内蒙古自治区(张永明等,2003a,2003b;邓祥征等,2004a)等,成为土地利用变化过程研究的有效工具之一。南京市是长江三角洲核心城市之一,近年来,随着城市化进程的加速,土地利用方式的变化极为显著。本文在Landsat影像等相关数据的支持下,分析了距离、地形以及人口密度等因子对土地利用变化的影响,并利用CLUE2S模型,对该地区土地利用的时空动态进行了模拟研究,以期探讨南京市的城市发展趋势及其动力学机制。

1　研究地区与研究方法

111　研究区概况

南京市(31°14′N—32°37′N,118°22′E—119°14′E)位于长江三角洲地区,地跨长江两岸,南北最大纵距140k m,东西最大横距80k m,辖区总面积6575km2,其中市区面积986km2,城市建成区面积243km2。现辖11个区2个县,总人口53314万(城市人口27715万);属北亚热带季风气候区,四季分明,地带性植被类型为常绿、落叶阔叶混交林。

南京市地域狭长,本文选取离中心城区相对较近的11个区为目标区域,不包括位于南京市域南部的高淳、溧水2县,研究区总面积约4725k m2。

112　数据来源与方法

11211　数据来源　采用的空间数据包括成像时间为1998年4月28日、2003年10月19日和2006年5月20日的3景Landsat T M影像、30m空间分辨率的数字高程模型以及相应时期的交通图。

对遥感影像进行几何校正(误差<015个像元)、大气校正和地形校正等预处理后,应用监督分类和目视解译相结合的方法,提取各时期的土地利用图。分类参照UNESCO的LCCS系统(颜鹏等, 2006),将土地利用方式分为5个类别:农田、城镇、林地、水域及其它用地。选取的LUCC驱动因子主要包括在较短时间尺度上相对稳定的自然地理因子以及道路交通和人口经济等社会经济因子(李伟峰等,2005)。根据3期土地利用图、地形图及相应时期的交通图、统计资料,计算出CLUE2S模型所需的参数。

11212　土地利用变化的空间模型　CLUE2S模型是荷兰瓦赫宁根大学Verburg等(2002)在CLUE模型(Veldka mp&Fresco,1996;Verburg et al.,1999)基础上发展的高分辨率的LUCC模型。CLUE2S模型的假设条件是:一个地区的土地利用变化是受该地区的土地利用需求驱动的,并且一个地区的土地利用分布格局总是和土地需求以及该地区的自然环境和社会经济状况处在动态平衡之中。

CLUE2S模型的输入包括:1)模拟初期各土地利用类型的空间分布格局及其与相应驱动因素的相关系数;2)历年各土地利用类型的面积;3)各土地利用类型的转换规则。其中每类土地利用的空间分布与驱动因素的关系利用Logistic回归方程求得。回归方程一般形式为:

ln

P i

1-P

i

=β0+β1X1,i+β2X2,i…+βn X n,i(1)

式中:P

i

为每个栅格可能出现某一土地利用类型i

的概率;X

1,i

～X

n,i

分别为与土地利用类型i相关的各备选驱动因子,如距离、人口密度、人均G DP、地形条件等。β系数为Logistic回归方程诊断出的关

系系数,其中β

为常量,β

1

～β

n

分别表示X

1,i

～X

n,i 等各备选驱动因子与土地利用类型i之间的相关度,β值越大,代表其相关度越高。expβ是β系数的以e为底的自然幂指数,其值等于事件的发生率(odds rati o)。发生率是衡量解释变量对因变量影响程度的重要指标,模型中表示为解释变量(驱动因子)每增加一个单位,土地利用类型发生率的变化情况,expβ<1,发生率减少;expβ=1,发生率不变;expβ>1,发生率增加。一般地,当发生率变化不超过2%时(即expβ在0198～1102),认为该土地利用类型发生率变化不大。二元Logistic回归方程的解释能力可利用Pontius等(2001)提出的ROC

632 生态学杂志　第27卷　第2期　

(relative operating characteristics)方法进行检验。随

ROC值的增加,Logistic回归方程对土地利用分布格局的解释能力逐渐上升,当ROC>017时,可认为驱动因子具有良好的解释能力。

转换规则是根据实际情况,计算并设置模拟期间各土地利用方式的转换参数(E LAS)(conversi on elasticity),对研究区域各土地利用类型的稳定性进行设置。ELAS取值0～1,ELAS值越大,土地利用类型的稳定性越高。

CLUE2S模型根据历年各土地利用类型的面积需求,通过对土地利用变化进行空间分配迭代以实现模拟。迭代方程为:

TPRO P i,u=P i,u+ELAS u+ITER u(2)式中:TPRO P

i,u

为栅格单元i适于土地利用类型u

的总概率;P

i,u

是通过Logistic回归方程求得的空间

分布概率;ITER

u

是土地利用类型u的迭代变量。ELAS u是根据上述土地利用转变规则设置的参数。2　结果与分析

211　参数估算及驱动因子

从研究区52642个样本点中随机选取10000个样本点进行Logistic逐步回归分析。各项回归的ROC值均>017(表1),表明选取的驱动因子与土地利用方式之间具有较好的相关性。

分析各地类与驱动因子的相关性(表1)可以发现:农田受地形因素影响最大,平地其发生率为178%,显著高于丘陵与山地;人口经济因素中,人均G DP每增加1000美元,农田发生率减少38%;此表1　各土地利用类型的L og isti c逐步回归结果(expβ值) Tab.1　Results of log isti c regressi on for d i fferen t l and use types(expβva lue)

驱动因子农田城镇林地水域其它

用地

常量01780110010601170110

到省级及以上道路的最近距离11000199110011001101

到城乡主干道的最近距离11120153112311011110

到城镇的最近距离11130163111311000197

到河流的最近距离01980175019511000180

人口密度01981119110011001100

人均G DP01623125019411431107

平地11781141013121331113

丘陵11001100019711001100

山地01540198115201590189

海拔11001109616501340182 ROC检验01770179018401810172外,城镇的分布也是影响农田发生的重要因素,到城镇距离每增加1k m,农田的发生率增加13%;道路交通体系对于农田分布的影响,以城乡主干道较为显著,到城乡道路最近距离每增加1km,农田发生率增加12%;其它因素对农田发生率的影响相对较小。

从城镇分布的地形条件上来看,城镇的平地发生率比丘陵与山地高41%;人口经济状况是影响城镇用地分布的重要因素,单位平方公里每增加1万人,城镇发生率增加19%,人均G DP每增加1000美元,城镇发生率增加225%;距离因子中,到城镇的最近距离每增加1km,城镇的发生率减少37%,到河流最近距离每增加1k m,其发生率减少25%,到城乡主干道的最近距离每增加1km,发生率减少47%,以上数据表明城镇用地在经济发达、人口密集的平地发生率相对较高。

区内林地与水体分布主要受海拔及地形条件影响,海拔每上升1000m,林地发生率增加565%,而在平地的发生率远低于在山地、丘陵区域;距离因素对林地分布有显著影响,到城镇的最近距离每增加1km,林地发生率增加13%,到城乡主干道的最近距离每增加1km,林地发生率增加23%。水体集中分布于坡度较小的平地及海拔较低的区域。

回归系数表明,各驱动因子对不同地类变化的贡献率明显不同。在南京市市域尺度上,道路交通体系对于土地利用类型分布的影响,以城乡主干道最为显著,其影响程度为:城镇用地>林地>农田>其它用地>水域的趋势,而到省级及以上道路最近距离对于土地利用方式变化影响不明显。距离因子中,到城镇、河流的最近距离对于除水域以外的土地利用方式影响都较大,显示城镇斑块、河流的分布对景观中土地利用格局的形成有重要影响。人口经济因子中,人口密度大小与城镇的分布存在显著正相关关系,人均G DP与城镇用地和农业用地的分布显著相关。海拔高度对各土地利用类型影响都较大,其影响程度为:林地>水域>其它用地>城镇用地>农田的趋势,低海拔地区有利于河流的生成以及城镇的分布,高海拔地区有利于林地的发展,平地有利于除林地外各种土地利用方式的发生,而林地在坡度较大的山地发生率较大。

212　土地利用方式变化模型

对1998年(图1a)、2003年(图1b)土地利用现状图进行叠加分析,计算出农田、城镇用地、林地、水

732

盛　晟等:CLUE2S模型在南京市土地利用变化研究中的应用

图1　实际土地利用图与模拟结果

F i g.1　Actua l and si m ul a ted l and use maps

a、b、e分别为1998年、2003年、2006年土地利用现状图;c、f分别为2003年、2006年土地利用模拟图;d、g分别为模型改进后2003年、2006年的土地利用模拟图。

域、其它用地的转换参数,分别为0191、0198、0187、

0185、0156。同时,应用线性内插法得到1998—

2003、2003—2006年间历年的各土地利用类型的面

积,应用CLUE2S模型模拟南京市土地利用分布格

局,并将运算结果与2003年(图1b)和2006年(图

1e)的实际土地利用现状图进行比较。结果表明,模

拟吻合度总体上分别达到了8517%和8411%(图1c、

图1f),但不同地类的模拟吻合度略有不同(表2)。

一般地,在土地利用方式变化的过程中,各地类

在研究区不同部位其变化速率与方向可能因具体区

位条件的差异而有所不同,景观中的某些特殊地段

土地利用方式的变化也可能受到某种限制;以南京

表2　2003年、2006年及改进后各地类模拟吻合度(%)

Tab.2　S i m ul a ti on accuracy for d i fferen t l and use types i n

the year of2003and2006

模拟方法农田城镇林地水域其它用地

2003年土地利用模拟86108114901382117214 2006年土地利用模拟84138014901777197716改进后2003年土地利用模拟90129018891984177513改进后2006年土地利用模拟89188911911079127513市而言,地处长江南京段上游的夹江,是南京市的主要饮用水水源地,土地利用方式受到政策性限制,不适于作为城市建设用地。CLUE2S模型中对所有同类土地利用方式设定相同的转换参数,势将影响模型的模拟吻合度。

本文根据实际土地利用状况及其限制条件,分别计算了区内的长江夹江段、八卦洲等特定土地单元的转换参数,分区赋值并重新运行模型,模拟吻合度分别提高到8917%(2003年)(图1d)和8813% (2006年)(图1g),其中农田与城镇用地的模拟吻合度显著提高(表2)。

对比南京市3个年度的土地利用现状图,发现1998年紫金山东部城建用地的规模与斑块粒级均较小,至2003年、2006年,随着城市的扩展,紫金山东侧的城建用地迅速增加。而位于南侧的江宁区,期间也得到了迅速扩展,总体上形成了南京市东2西、南2北两向扩展的延展格局。CLUE2S模型基本再现了南京市土地利用方式的变化过程,城市扩展的方向、规模、空间格局特征等在CLUE2S模型中也得到了较准确的反映。

832 生态学杂志　第27卷　第2期　

董一波等(2006)指出,景观中各要素间的相互作用往往是非线性的,CLUE2S模型以线性回归法分析各主要影响因子对LUCC的影响,简化了景观中各类土地利用方式与影响因子间的相互作用,可能影响模拟精度。通过研究区域土地利用变化的系统动力学模型(邓祥征等,2004b),综合不同土地利用类型之间的相互关系,运用邻域分析等技术手段(段增强等,2004),补充完善各土地利用方式间的转换规则,有望进一步提高CLUE2S模型的模拟精度。

本研究表明,当时间间隔相对较短,CLUE2S模型能较好地模拟南京市的土地利用变化过程,应用模型参数分区赋值法能有效提高模拟精度,总体上能满足研究与预测需要,对深入研究土地利用变化的动力学机制也有重要参考价值。

3　结　论

土地利用变化是景观中不同尺度上的社会经济和自然地理驱动因子和土地利用类型之间相互竞争的结果。本文基于1998年、2003年、2006年南京市土地利用现状,对南京市土地利用方式变化的主要影响因子进行了分析。结果表明,地形、人均G DP、河流与城镇及城乡主干道的分布是影响南京地区土地利用变化空间格局的重要因子。模型模拟结果不仅再现了南京市土地利用方式的变化过程,分区赋值法也使模拟的准确度得到了有效提高,改进后的模拟吻合度分别达到了8917%(2003年)和8813% (2006年)。对比模拟结果与相应时期的土地利用现状,发现模型对城市扩展方向与城市结构变化的模拟也与真实数据基本吻合,表明CLUE2S模型具有较强的适用性和解释能力,对预测城市动态、分析土地利用变化的动力学机制有重要参考价值。

致　谢　本研究所用模型由荷兰瓦赫宁根大学P1H1Ver2 burg教授提供,特此致谢。

参考文献

摆万奇,张永民,阎建忠,等.2005.大渡河上游地区土地利用动态模拟分析.地理研究,24(2):206-213.

邓祥征,刘纪远,战金艳,等.2004a.太仆寺旗土地利用变化时空格局的动态模拟.地理研究,23(2):147-157.

邓祥征,刘纪远,战金艳,等.2004b.区域土地利用变化的多情景分析———以内蒙古自治区太仆寺旗为例.地理

信息科学,6(1):81-89.

董一波,刘茂松,徐　驰,等.2006.城乡森林分布格局与土地利用对策.应用生态学报,17(8):1357-1556.段增强,Verburg PH,张凤荣,等.2004.土地利用动态模拟模型的构建及其运用.地理学报,56(9):1037-1047.李　平,李秀彬,刘学军.2001.我国现阶段士地利用变化驱动力的宏观分析.地理研究,20(2):129-138.

李伟峰,欧阳志云,王如松,等.2005.城市生态系统景观格局特征及形成机制.生态学杂志,24(4):428-432.鲁　奇,战金艳,邓祥征.2001.北京近百年城市用地变化与相关社会人文因素分析.地理研究,20(6):688-

696.

颜　鹏,刘茂松,徐　驰,等.2006.江阴市聚居地位序-规模分析.南京林业大学学报(自然科学版),31(3):93 -97.

张　华,张　勃,孟　宝,等.2004.张掖市土地利用/覆盖变化模拟.遥感技术与应用,19(5):359-363.

张惠远,赵昕奕,蔡运龙,等.1999.喀斯特山区土地利用变化的人类驱动机制研究———以贵州省为例.地理研究,18(2):136-142.

张永民,赵士洞,Verburg PH.2003a.CLUE2S模型及其在奈曼旗土地利用时空变化模拟中的应用.自然资源学报,18(3):310-318.

张永民,赵士洞,张克斌.2003b.科尔沁沙地及其周围地区土地利用变化的时空动态模拟.北京林业大学学报,25

(3):68-73.

张永民,赵士洞.2004.科尔沁沙地及其周围地区土地利用的时空动态变化研究.应用生态学报,15(3):429-

435.

朱会义,何书金,张　明.2001.环渤海地区土地利用变化的驱动力分析.地理研究,20(6):669-678.

La mbin EF,RounsevelMDA,Geist HJ.2000.A re agricultural land2use models able t o p redict changes in land2use intensi2 ty?A griculture,Ecosyste m s and Environm ent,82:321-

331.

Pontius J r RG,Laura C,https://www.360docs.net/doc/5f13109332.html,nd2cover change model validati on by an ROC method f or the I p s wich water2 shed.A griculture,Ecosyste m s and Environm ent,85:239-

248.

Skole DL,Choment owskiWH,Salas WA,et al.1994.Physi2 cal and hu man di m ensi ons of def orestati on in Amazonia.

B ioscience,44:314-322.

Veldka mp A,Fresco LO.1996.C LUE:A concep tual model t o study the conversi on of land use and its effects.Ecological M odelling,85:253-270.

Verburg PH,Chen Y Q.2000.M ultiscale characterizati on of land2use patterns in China.Ecosyste m s,3:369-385. Verburg PH,SoepboerW,Veldka mp A,et https://www.360docs.net/doc/5f13109332.html,nd use change modelling at the regi onal scale:The C LUE2S Mod2 el.Environm ental M anage m ent,30:391-405.

Verburg PH,Veldka mp A,de Koning GHJ,et al.1999.A s patial exp licit all ocati on p r ocedure f or modelling the pat2 tern of land use change based upon actual land use.

Ecological M odelling,116:45-61.

V it ousek P M.1994.Beyond gl obal war m ing:Ecol ogy and gl ob2 al change.Ecology,75:1861-1876.

作者简介　盛　晟,男,1985年生,硕士研究生。主要从事城市及景观生态学研究。E2mail:sheng7970@https://www.360docs.net/doc/5f13109332.html,

责任编辑　刘丽娟

932

盛　晟等:CLUE2S模型在南京市土地利用变化研究中的应用