基于FMOLP-MCE-CA耦合模型的重庆市土地利用情境预测与模拟

摘要

城镇化作为现代化全局的重大战略，近年来，中国城镇化进程快速推进，土地利用景观格局变化日益加剧。城镇化过程中建设用地侵占非建设用地，挤压生态用地空间，在获得城镇化红利的同时，一系列环境问题随之产生，以牺牲生态安全为代价来服务社会经济发展必将是不可持续与不可接受的。重庆市具有重要的战略地位和区位优势，生态地位和经济地位无可替代，随着城镇化的快速发展，重庆市城镇化水平高于全国平均水平。在社会经济高速发展、人口规模急剧增加、产业集聚以及生态环境问题日益突出的背景下，土地利用景观格局变化显著，不同的景观格局产生的生态效益和经济效益差异巨大。 本研究以重庆市作为研究区，在土地利用、气象、地形地貌、交通、人口、产业和统计资料等数据支撑下，以生态安全格局理论、景观生态学、生态经济学和地理学等作为理论基础，充分利用模糊多目标线性规划模型（FMOLP）求解多目标函数、多约束条件最优解的优势，综合多准则评估模型（MCE）对各类土地利用景观适宜性评价科学性和便捷性的优点，借助元胞自动机（CA）的理论方法及可视化优势，构建FMOLP-MCE-CA耦合模型，利用MATLAB平台编程实现重庆市土地利用景观格局的预测与优化。生态价值和经济价值侧重点的不同将产生不同的景观格局，本研究为全面分析未来不同时段不同生态和经济需求下土地利用景观格局的变化，特将城镇化过程中土地利用景观格局的变化分为生态效益最优情境、经济效益最优情境和生态-经济综合效益最优三种情境，在时间上，以2015年为基年对 2025、2035 和 2045 年重庆市土地利用景观进行预测与优化。FMOLP-MCE-CA模型预测与优化过程主要由以下四步组成，首先，在空间自相关分析基础上，利用空间误差模型（SEM）与空间滞后模型（SLM）分析土地利用景观格局变化与自然、社会和经济因素的关系，确定土地利用景观格局变化影响因素。其次，应用 FMOLP 和 GM（1,1）模型对不同情境下不同时段各类型土地利用景观面积进行预测与优化。然后，使用MCE模型对各类型地类景观空间适宜性进行评价，评估各类型景观转化适宜程度。最后，利用构建的FMOLP-MCE-CA耦合模型对不同情境不同时段下重庆市土地利用景观格局进行预测与优化。主要研究内容及结论如下： （1）景观格局影响因素分析 不同类型的土地利用景观格局受不同因素影响。影响耕地空间布局的因素有降雨、ndvi、坡度、起伏度、dem、温度、河流湖泊、人口、二三产业产值，以及距区县行政中心、国道、省道和高速路的距离；影响林地空间布局的自然因素与耕地相同，但在社会经济影响因素方面，受国道和区县行政中心距离影响很小，忽略不计；影响草地景观格局变化的自然因素有降雨、ndvi、坡度、起伏度、dem、温度和河流湖泊，社会经济因素有距区县行政中心、国道、省道和市区主干道距离；ndvi、坡度、起伏度、dem、温度、河流湖泊、人口、二三产业产值，以及距区县行政中心、国道、省道和高速距离影响建设用地的空间布局。 （2）不同情境下各类型土地利用景观面积预测与优化 不同情境下各类型土地利用景观面积优化预测的侧重点不同。生态效益最优情境侧重生态价值最大化，各类型地类景观生态效益的大小将决定最终优化预测结果的高低，生态价值最高的林地在此情境下面积最大，最低生态价值的建设用地面积最小。经济最优情境侧重经济发展，建设用地作为经济发展主要载体，与其它情境相比此情境下建设用地面积最大。生态-经济效益最优情境兼顾生态保护与经济发展，在生态效益最优和经济效益最优之间寻求一个最优解，尽可能使得经济效益与生态效益均达到最大化，此情境下各类型土地利用景观面积介于生态效益最优和经济效益最优之间。 （3）不同类型土地利用景观空间适宜性评价 不同类型的土地利用景观适应性存在很强的区域性差异，耕地适宜性高值区位于梁平、忠县以西长江以北区域，渝东北和与渝东南耕地适宜性低下。林地和草地适宜性高值区空间分布存在共域性，总体上林地适宜性高于草地，渝东北的城口、巫溪、巫山、奉节和云阳等海拔较高的区域林地和草地适宜程度高，渝东南次之，渝西地区适宜性最小。建设用地适宜性受各区县行政中心影响大，适宜性程度由各区县已建成区向外递减，西部和主城九区适宜性高，渝东南和渝东北适宜性低。 （4）不同情境不同时段下FMOLP-MCE-CA模型预测与优化结果分析 三种不同情境下，耕地面积均出现不同程度的减少，其它地类景观面积的增加多来自耕地转化，不同的情境下同一类地类的面积大小存在差异。生态效益最优情境下，耕地主要向生态价值高的林地和草地转化，转化为建设用地的面积相对其它情境而言较少。经济效益最优情境下，耕地大量转化成建设用地，转化为草地和林地面积相对较少。生态-经济综合效益最优情境，耕地转化为建设用地、林地和草地的量介于生态效益最优和经济效益最优情境之间。在新增用地空间分布方面，新增建设用地以已建成区边界为起始位置根据不同增量向外扩展，林地和耕地新增位置则主要位于渝东北和渝东南海拔较高、坡度大、气温低、地形起伏度大、人口稀少、路网密度低、经济发展相对滞后的区域。

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