基于CLUE_S模型的南京市土地利用变化模拟
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计算土地利 用需求 的方 法很多, 具体选 取哪 一种 方法 依赖于研 究区 的 具体 情况。 因为 已知 研 究区 1986 及 1996 年的各用地类型 面积, 我 们采 用线性 内插 的方 法计算 研究 时段内研究区逐年的 土地利用需求。 21 214 转换规则及弹性
将南京市 1986年及 1996年 各用地 类型面积 进行对 比, 发现农用地减少了 121 9% , 林地减 少 21 67% , 建设 用地增 加 2711% , 水体 增加 313% , 草 地减 少 2109% , 其 他 地不 发生变化。由 此可知 农用 地、林地、草 地比 较容 易向 其他
用地发生转 换, 建设 用地、水 体面 积增加 , 说明 这两 类地 基本不转换为其 他用 地类型, 而且建 设用 地及 水体若 要转 换为其他用 地, 成本 较高, 故 可知这 两类 地不容 易发 生转
表 2 不同土地利用 类型间的转换规则
1986
1996
农用地 林 地 建设用地 水 体 草 地 其他地
变。据此研究中的 ELAS参数设置如 表 1所示。
表 1 不同土地利用类 型的 ELA S参数 土地利用类型 农用地 林地 建设用地 水体 草地 其他地
ELA S
01 7 01 8
1
1 01 8
1
0表示土地类型容易发生变化, 1表 示土地类型 不发生 变化, 0~ 1之间系数 越接近 0表示 越容易发 生变化 , 越接 近 1表示不容易发生变化。
鉴于 CLU E-S模 型以 上 特点, 本次 研究 以 其为 模拟 平 台。首先提取南京市 1986年各 用地类型的 二值图, 然后结 合影响各 用地 类 型的 驱 动因 素, 进 行逻 辑斯 蒂 回归 分 析, 得到各驱动因素的影 响系数 B, 根据 B系数计算土地利用空 间分布概率适宜 图。最后 在综 合分析 土地 利用 的空间 分布 概率适宜图、土 地利 用变化 规则、土 地需 求文件 及南 京市 1986年土地利用现状图 的基础 上, 根据总 概率 大小对 土地 利用的数量变化 进行 空间分 配, 从而 实现 对土 地利用 时空 变化的动态模拟, 模拟过程如 图 2所示。 21 213 土地需求模块的设置
1) 稳 定少动因素 稳定少动 因 素: 地 貌、 DEM、 坡度、 坡 向、土 壤、距 国道远近、距 省道远 近、距县 道远 近、距 水系 远近、 距南
收稿日期: 2008-07-28 基金项目: 国家自 然科学 基金 重点项 目 ( 40730635 ); 水 利 部 公 益 项 目 ( 200701024)
下关区、水上区、雨花台区、栖霞区、浦 口区、大厂区 (本
次研究时间区间为 1986~ 1996年, 此 期间内 南京市 区辖 11
区, 其中水上区 为南 京市的 水系, 人 口包 括早期 生活 在水
近 10年来 , 服务于 各种研究目 的的 LU CC 模型 应运而 生。国际上比较具有代表性 的 LUCC模 型有城市 增长模 型、 CA 约束 模型、 IIA SA-LU C 模 型、 Co rm as 模型、 P atux ent景 观模型以及 CLUE-S(土地利用变化及其效应 ) 模型等。
2 研究区概况及研究方法
21 1 概况 南京位于江苏省西南部, 地跨北纬 31b14c~ 32b37c, 东
经 118b21c~ 119b14c。本 次 研究 范 围为 整个 南 京市 区, 辖 11区, 包括 玄武 区、白 下 区、秦 淮 区、建 邺 区、鼓 楼 区、
作者 简 介: 余 婷 ( 1984- ), 女, 江 西 进 贤人, 南京大 学 地 理 与海 洋 科 学 学院, 助理工程师, 在读硕士研究生。 E-m a i:l tingyu630@ gm a il1 com
获取性, 选取 13类土地利用变化驱动 因素, 利 用逻辑斯蒂回归分析求解土地利用变化驱动因素作用系数矩阵。在
此基础上运行 CLU E-S模型, 对南京市 1996年的土地利用空间格局进行模拟。将模拟结果与 南京市 1996年土地利
用现状图与进行 对比, 结 果较为理想, 模拟正确 率达 88157% , KA PPA 指 数 01 86。这说明 CLUE-S 模型具有 成功
的 5019% ; 建 设 用 地 集 中 在 市 区及 开 发 区, 占 231 45% ;
林地占 10137% , 水体占 141 98% , 草地占 0119% , 其他地
第 7期
余 婷等 基于 CLUE-S模型 的南京市土地利用变化模拟
187
占 01 11% 。
21 212 模拟方案 CLU E-S模型是 CLU E 模型 的改 进 版本, 解决 了 CLUE
模拟区域土地利 用时空动态变化的能力, 对土地利用预测、规划具有重要的指导作用。
=关键词 > CLU E-S模型; 土地利用变化; 模拟; 驱动因素; 南京市
=中图分类号 > F3011 24
=文献标识码 > A
=文章编号 > 1009-2307( 2010) 01-0186-04
1 引言
国际地圈 - 生物 圈计划 ( IG BP )和 全球环 境变化 中的人 文领域计划 ( HDP )在 1995年联合提出了 / 土地利 用和土地 覆盖变化 ( LU CC) 0 研究计划, 使得土地利用变 化研究成为 全球变化研究的 前沿 热点。土 地利用 和覆 盖变 化受生 物物 理、社会经济等 诸多 因素的 影响, 而 这些 因素与 土地 利用 及覆盖变化之间 作用 过程又 是极 其复杂 的。如 何进行 两者 之间定量描 述, 是 LU CC 模型 需要 解 决的 问题 [1] 。这 些建 立在明确的空间 定位 基础上 的、综合 集成 的多 尺度动 态模 型, 是理解和认识区域土地 利用 /覆 盖变化的关 键过程, 是 对未来的土地利用变 化格局和影响进行评价的重要工具 [ 2] 。
其中 CLU E-S模型是 20世 纪末由 荷兰 瓦赫 宁根大 学环 境科学学院的 P eter H1 V erburg、 T om V e ldkam p等人 最先研 制提出的 [ 3] 。 2000后该模型 在国外 发展迅 速, 许多学 者将 其应用于各类土 地利 用变化、 及土地 利用 变化 与各类 因素 间变化关系的 研究。 2003年, 张 永民、赵士 洞等 [4] 在 其文 章中向国内同行推荐 介绍 CLUE-S模型并以奈曼旗为例, 对 CLU E) S模型的功能以及实际 应用中 应注 意的 问题进 行阐 述。之后几年国内 许多学 者也 运用该 模型 进行 各个领 域的 研究。本文则以南京市为研究 区, 运用 CLUE-S模型对南京 市土地利用变化进行 模拟。
土壤组成 主 要有 水稻 土、潮 土 及黄 褐 土, 以 及 少量 红 壤、
石灰土及黄壤。
21 2 研究方法
21 211 数据源
CLU E-S模型要求输入数据的范围 、精度、投影 及格式
必须统一。 2000年之后随 着经济 的发展, 南京 城区不 断扩
展, 先后将邻 县划入 市区 范围, 行 政区划 变化 较大。 根据
第 35卷第 1期 2010年 1月
测绘科学 Sc ience o f Survey ing and M app ing
V o l135 N o11 Jan1
基于 CLUE-S模型的南京市土地利用变化模拟
余 婷, 柯长青
(南京大学 地理与海洋科学学院, 南京 210093)
=摘 要 > 本文 以南京市为研究区, 以南京市 1986年的土地利用现状图为基础, 分析 研究区概 况并根据数 据的可
模型不能直接应 用于 小尺度 区域 范围的 限制, 它不仅 可以 发现土地利用变 化的 热点地 区, 还可 以模 拟近 期土地 利用 变化的情况。它 是以 区域适 宜性 的经验 分析 为基 础, 同时 结合土地利 用系 统 的当 前驱 动 因素 间的 竞 争及 相 互作 用, 进行土地利用变化的 空间模拟。
农用地
1
1
1
1
1
0
林地
1
1
1
1
1
0
建设用地
0
0
1
0
0
0
水体
1
1
1
1
1
0
草地
1
1
1
1
1
0
其他地
0
0
0
0
0
1
21 215 驱动因素 不同驱动因素 对土地 利用 变化的 影响 与控 制作用 是不
同的 [ 6] 。为了更为清晰地 刻画 与揭示 各种 不同 因素对 土地 利用变化的控制 与影 响作用, 研究中 根据 数据 的相关 性及 可获取性, 选取 以下两 类驱 动因 素: 稳定 少动 因素 10 个、 年际变动因素 6 个。稳定 少动 因素即 在研 究时 段内稳 定不 变的因素, 年际变 动因素 即每 年发生 了数 量或 形态变 化的 因素。
合并 后 土 地 利 用 类 型 图 1 南京市 1986年土地
为 6类 (如 图 1所 示 ):
利用现状图
农用 地 ( 水 田、旱地 )、 林地 ( 有林 地、灌木 林地、疏 林地 )、建 设用 地 (城 镇用 地、
农村居民 点、工 矿用 地、城 市 绿 化用 地、采 石百度文库场 )、水 体
( 河渠、湖泊、水库 坑塘、滩地、 水产养殖 用地 ) 、草地 (高
上的渔民, 由 于时代 变迁, 渔 民减 少, 故模 拟后 期水 上区
的人口 可视 为零 )。市 区总 面积 975km2, 地 势较 缓, 85%
的区域 海拔 低 于 50m, 市 区内 最 高 海 拔 440m, 最 大坡 度
50b。除了新三角洲及江心洲外, 市 内大部分 的地貌 属于堤
内滩地与 低 洼平 原, 及 部分 缓 岗地、 平岗 地 及 低山 丘 陵。
数据的可得性, 本次 研究选 取行政区 划相对 稳定 的 1986~
1996年为研究时段, 时间间 隔 10 年, 符合 CLUE-S 模型对
模拟的年 份 间隔 的 要 求, 研 究 区 范围 根 据 南 京市 1986 ~
1996年的行政区划图而 确定。所 有输入数 据分 辨率统 一为
100m @ 100m, 最后全部 转为文本文件输入模型。
覆盖草地 ) 、其他地 (裸岩 石砾地、其他 地 )。 考虑到 工矿用
地、城市绿化用 地及 采石场 三类 用地类 型总 面积小 , 且这
三类用地都是随 着城 市发展 而变 化, 较其 他地 类而言 其驱
动因素与建设用地相似 , 故将其 归入建设用地。
从图 1可以看 出农 用地散 布于 市郊, 占 研究 区总 面积
图 2 CLUE-S模型模拟方案图
与其 他 LU CC 模 型相 比, CLU E-S 模 型具 有几 大优 点: ¹ 可以 整合 LU CC 的 生 物物 理 和 人 口、技 术、富 裕 程 度、 市场、经济条件 以及 态度和 价值 取向等 人类 驱动 因素, 还 可将一般模型难 以考 虑的政 策等 宏观因 素也 纳入 其中; º 可以整合研 究 不 同空 间 尺度 的 区域 LU CC 过 程 和驱 动 力; » 可以综合模拟 多种土 地利 用类 型的时 空变 化; ¼ 可 以对 不同的土地利用 情景 进行模 拟, 为土 地利 用决 策提供 更加 科学的依据。综 合看 来, 该模 型兼顾 了土 地利用 系统 中的 社会经济和生物 物理 驱动因 素, 并在 空间 上反 映土地 利用 变化的过程和结果, 具有更高 的可信度和更 强的解释 能力, 是一种比较完善和理 想的土地利用 /覆盖变化模型 [ 5] 。
根据以 上数据 格
式 要 求, 将 模 拟 起 始
年 份南 京市 1986年 土
地 利 用 现 状 图, 根 据
各用 地 类 型 的 分 布 特
征及 模 拟 需 求 进 行 合
并。 起 始 年 份 图 像 按
第二 次 全 国 土 地 调 查
土 地 分 类 标 准 分 类,
共 有 18 类 用 地 类 型,
本次研究的 转换矩 阵如 表 2所 示。表中 列表 示目 前的 土地利用类 型, 行 表示 未来 土地 利用 类型, 0 表明 不 允许 该种土地利用类型的转 换, 1表示允许。
由表中可看出 建设用 地与 其他地 不向 其他 用地类 型转 变, 这是因为建 设用 地转换 为其 他用地 成本 高, 且模 拟时 段内建设用地的 需求 增加, 而 其他地 的需 求在 模拟时 段内 未发生变化。
将南京市 1986年及 1996年 各用地 类型面积 进行对 比, 发现农用地减少了 121 9% , 林地减 少 21 67% , 建设 用地增 加 2711% , 水体 增加 313% , 草 地减 少 2109% , 其 他 地不 发生变化。由 此可知 农用 地、林地、草 地比 较容 易向 其他
用地发生转 换, 建设 用地、水 体面 积增加 , 说明 这两 类地 基本不转换为其 他用 地类型, 而且建 设用 地及 水体若 要转 换为其他用 地, 成本 较高, 故 可知这 两类 地不容 易发 生转
表 2 不同土地利用 类型间的转换规则
1986
1996
农用地 林 地 建设用地 水 体 草 地 其他地
变。据此研究中的 ELAS参数设置如 表 1所示。
表 1 不同土地利用类 型的 ELA S参数 土地利用类型 农用地 林地 建设用地 水体 草地 其他地
ELA S
01 7 01 8
1
1 01 8
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0表示土地类型容易发生变化, 1表 示土地类型 不发生 变化, 0~ 1之间系数 越接近 0表示 越容易发 生变化 , 越接 近 1表示不容易发生变化。
鉴于 CLU E-S模 型以 上 特点, 本次 研究 以 其为 模拟 平 台。首先提取南京市 1986年各 用地类型的 二值图, 然后结 合影响各 用地 类 型的 驱 动因 素, 进 行逻 辑斯 蒂 回归 分 析, 得到各驱动因素的影 响系数 B, 根据 B系数计算土地利用空 间分布概率适宜 图。最后 在综 合分析 土地 利用 的空间 分布 概率适宜图、土 地利 用变化 规则、土 地需 求文件 及南 京市 1986年土地利用现状图 的基础 上, 根据总 概率 大小对 土地 利用的数量变化 进行 空间分 配, 从而 实现 对土 地利用 时空 变化的动态模拟, 模拟过程如 图 2所示。 21 213 土地需求模块的设置
1) 稳 定少动因素 稳定少动 因 素: 地 貌、 DEM、 坡度、 坡 向、土 壤、距 国道远近、距 省道远 近、距县 道远 近、距 水系 远近、 距南
收稿日期: 2008-07-28 基金项目: 国家自 然科学 基金 重点项 目 ( 40730635 ); 水 利 部 公 益 项 目 ( 200701024)
下关区、水上区、雨花台区、栖霞区、浦 口区、大厂区 (本
次研究时间区间为 1986~ 1996年, 此 期间内 南京市 区辖 11
区, 其中水上区 为南 京市的 水系, 人 口包 括早期 生活 在水
近 10年来 , 服务于 各种研究目 的的 LU CC 模型 应运而 生。国际上比较具有代表性 的 LUCC模 型有城市 增长模 型、 CA 约束 模型、 IIA SA-LU C 模 型、 Co rm as 模型、 P atux ent景 观模型以及 CLUE-S(土地利用变化及其效应 ) 模型等。
2 研究区概况及研究方法
21 1 概况 南京位于江苏省西南部, 地跨北纬 31b14c~ 32b37c, 东
经 118b21c~ 119b14c。本 次 研究 范 围为 整个 南 京市 区, 辖 11区, 包括 玄武 区、白 下 区、秦 淮 区、建 邺 区、鼓 楼 区、
作者 简 介: 余 婷 ( 1984- ), 女, 江 西 进 贤人, 南京大 学 地 理 与海 洋 科 学 学院, 助理工程师, 在读硕士研究生。 E-m a i:l tingyu630@ gm a il1 com
获取性, 选取 13类土地利用变化驱动 因素, 利 用逻辑斯蒂回归分析求解土地利用变化驱动因素作用系数矩阵。在
此基础上运行 CLU E-S模型, 对南京市 1996年的土地利用空间格局进行模拟。将模拟结果与 南京市 1996年土地利
用现状图与进行 对比, 结 果较为理想, 模拟正确 率达 88157% , KA PPA 指 数 01 86。这说明 CLUE-S 模型具有 成功
的 5019% ; 建 设 用 地 集 中 在 市 区及 开 发 区, 占 231 45% ;
林地占 10137% , 水体占 141 98% , 草地占 0119% , 其他地
第 7期
余 婷等 基于 CLUE-S模型 的南京市土地利用变化模拟
187
占 01 11% 。
21 212 模拟方案 CLU E-S模型是 CLU E 模型 的改 进 版本, 解决 了 CLUE
模拟区域土地利 用时空动态变化的能力, 对土地利用预测、规划具有重要的指导作用。
=关键词 > CLU E-S模型; 土地利用变化; 模拟; 驱动因素; 南京市
=中图分类号 > F3011 24
=文献标识码 > A
=文章编号 > 1009-2307( 2010) 01-0186-04
1 引言
国际地圈 - 生物 圈计划 ( IG BP )和 全球环 境变化 中的人 文领域计划 ( HDP )在 1995年联合提出了 / 土地利 用和土地 覆盖变化 ( LU CC) 0 研究计划, 使得土地利用变 化研究成为 全球变化研究的 前沿 热点。土 地利用 和覆 盖变 化受生 物物 理、社会经济等 诸多 因素的 影响, 而 这些 因素与 土地 利用 及覆盖变化之间 作用 过程又 是极 其复杂 的。如 何进行 两者 之间定量描 述, 是 LU CC 模型 需要 解 决的 问题 [1] 。这 些建 立在明确的空间 定位 基础上 的、综合 集成 的多 尺度动 态模 型, 是理解和认识区域土地 利用 /覆 盖变化的关 键过程, 是 对未来的土地利用变 化格局和影响进行评价的重要工具 [ 2] 。
其中 CLU E-S模型是 20世 纪末由 荷兰 瓦赫 宁根大 学环 境科学学院的 P eter H1 V erburg、 T om V e ldkam p等人 最先研 制提出的 [ 3] 。 2000后该模型 在国外 发展迅 速, 许多学 者将 其应用于各类土 地利 用变化、 及土地 利用 变化 与各类 因素 间变化关系的 研究。 2003年, 张 永民、赵士 洞等 [4] 在 其文 章中向国内同行推荐 介绍 CLUE-S模型并以奈曼旗为例, 对 CLU E) S模型的功能以及实际 应用中 应注 意的 问题进 行阐 述。之后几年国内 许多学 者也 运用该 模型 进行 各个领 域的 研究。本文则以南京市为研究 区, 运用 CLUE-S模型对南京 市土地利用变化进行 模拟。
土壤组成 主 要有 水稻 土、潮 土 及黄 褐 土, 以 及 少量 红 壤、
石灰土及黄壤。
21 2 研究方法
21 211 数据源
CLU E-S模型要求输入数据的范围 、精度、投影 及格式
必须统一。 2000年之后随 着经济 的发展, 南京 城区不 断扩
展, 先后将邻 县划入 市区 范围, 行 政区划 变化 较大。 根据
第 35卷第 1期 2010年 1月
测绘科学 Sc ience o f Survey ing and M app ing
V o l135 N o11 Jan1
基于 CLUE-S模型的南京市土地利用变化模拟
余 婷, 柯长青
(南京大学 地理与海洋科学学院, 南京 210093)
=摘 要 > 本文 以南京市为研究区, 以南京市 1986年的土地利用现状图为基础, 分析 研究区概 况并根据数 据的可
模型不能直接应 用于 小尺度 区域 范围的 限制, 它不仅 可以 发现土地利用变 化的 热点地 区, 还可 以模 拟近 期土地 利用 变化的情况。它 是以 区域适 宜性 的经验 分析 为基 础, 同时 结合土地利 用系 统 的当 前驱 动 因素 间的 竞 争及 相 互作 用, 进行土地利用变化的 空间模拟。
农用地
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21 215 驱动因素 不同驱动因素 对土地 利用 变化的 影响 与控 制作用 是不
同的 [ 6] 。为了更为清晰地 刻画 与揭示 各种 不同 因素对 土地 利用变化的控制 与影 响作用, 研究中 根据 数据 的相关 性及 可获取性, 选取 以下两 类驱 动因 素: 稳定 少动 因素 10 个、 年际变动因素 6 个。稳定 少动 因素即 在研 究时 段内稳 定不 变的因素, 年际变 动因素 即每 年发生 了数 量或 形态变 化的 因素。
合并 后 土 地 利 用 类 型 图 1 南京市 1986年土地
为 6类 (如 图 1所 示 ):
利用现状图
农用 地 ( 水 田、旱地 )、 林地 ( 有林 地、灌木 林地、疏 林地 )、建 设用 地 (城 镇用 地、
农村居民 点、工 矿用 地、城 市 绿 化用 地、采 石百度文库场 )、水 体
( 河渠、湖泊、水库 坑塘、滩地、 水产养殖 用地 ) 、草地 (高
上的渔民, 由 于时代 变迁, 渔 民减 少, 故模 拟后 期水 上区
的人口 可视 为零 )。市 区总 面积 975km2, 地 势较 缓, 85%
的区域 海拔 低 于 50m, 市 区内 最 高 海 拔 440m, 最 大坡 度
50b。除了新三角洲及江心洲外, 市 内大部分 的地貌 属于堤
内滩地与 低 洼平 原, 及 部分 缓 岗地、 平岗 地 及 低山 丘 陵。
数据的可得性, 本次 研究选 取行政区 划相对 稳定 的 1986~
1996年为研究时段, 时间间 隔 10 年, 符合 CLUE-S 模型对
模拟的年 份 间隔 的 要 求, 研 究 区 范围 根 据 南 京市 1986 ~
1996年的行政区划图而 确定。所 有输入数 据分 辨率统 一为
100m @ 100m, 最后全部 转为文本文件输入模型。
覆盖草地 ) 、其他地 (裸岩 石砾地、其他 地 )。 考虑到 工矿用
地、城市绿化用 地及 采石场 三类 用地类 型总 面积小 , 且这
三类用地都是随 着城 市发展 而变 化, 较其 他地 类而言 其驱
动因素与建设用地相似 , 故将其 归入建设用地。
从图 1可以看 出农 用地散 布于 市郊, 占 研究 区总 面积
图 2 CLUE-S模型模拟方案图
与其 他 LU CC 模 型相 比, CLU E-S 模 型具 有几 大优 点: ¹ 可以 整合 LU CC 的 生 物物 理 和 人 口、技 术、富 裕 程 度、 市场、经济条件 以及 态度和 价值 取向等 人类 驱动 因素, 还 可将一般模型难 以考 虑的政 策等 宏观因 素也 纳入 其中; º 可以整合研 究 不 同空 间 尺度 的 区域 LU CC 过 程 和驱 动 力; » 可以综合模拟 多种土 地利 用类 型的时 空变 化; ¼ 可 以对 不同的土地利用 情景 进行模 拟, 为土 地利 用决 策提供 更加 科学的依据。综 合看 来, 该模 型兼顾 了土 地利用 系统 中的 社会经济和生物 物理 驱动因 素, 并在 空间 上反 映土地 利用 变化的过程和结果, 具有更高 的可信度和更 强的解释 能力, 是一种比较完善和理 想的土地利用 /覆盖变化模型 [ 5] 。
根据以 上数据 格
式 要 求, 将 模 拟 起 始
年 份南 京市 1986年 土
地 利 用 现 状 图, 根 据
各用 地 类 型 的 分 布 特
征及 模 拟 需 求 进 行 合
并。 起 始 年 份 图 像 按
第二 次 全 国 土 地 调 查
土 地 分 类 标 准 分 类,
共 有 18 类 用 地 类 型,
本次研究的 转换矩 阵如 表 2所 示。表中 列表 示目 前的 土地利用类 型, 行 表示 未来 土地 利用 类型, 0 表明 不 允许 该种土地利用类型的转 换, 1表示允许。
由表中可看出 建设用 地与 其他地 不向 其他 用地类 型转 变, 这是因为建 设用 地转换 为其 他用地 成本 高, 且模 拟时 段内建设用地的 需求 增加, 而 其他地 的需 求在 模拟时 段内 未发生变化。