徐崇敏陳 瑾張露丹林 森邱榮祖胡喜生

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院,福建 福州350108)

為緩解城市群社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的國土空間沖突,統(tǒng)籌國土空間經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展,實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展,分區(qū)協(xié)調(diào)治理方式勢(shì)在必行。2010年國務(wù)院發(fā)布了《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》,“十四五”期間將繼續(xù)落實(shí)主體功能區(qū)制度,構(gòu)建高質(zhì)量國土空間格局[1]。當(dāng)前,建設(shè)主體功能區(qū)是生態(tài)文明理念下提出的國土開發(fā)和保護(hù)重大戰(zhàn)略,各區(qū)域需持續(xù)推進(jìn)主體功能區(qū)建設(shè),按照不同主體功能區(qū)的任務(wù)和重點(diǎn)合理規(guī)劃國土空間發(fā)展方向。

國土空間格局模擬研究已經(jīng)成為熱點(diǎn),方法上主要分為數(shù)量變化和空間變化的模擬模型,數(shù)量預(yù)測(cè)模型常用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(SD)[2]、馬爾科夫鏈模型(Markov chain)[3],空間擬模型常用CLUE-S模型[4]、元胞自動(dòng)機(jī)模型(CA)[5]、SLEUTH[6]、多智能體系統(tǒng)(MAS)[7]、未來土地利用模擬模型(future land use simulation,FLUS)[8]。不同的模型有其相應(yīng)的功能機(jī)制,Markov模型具有土地利用/覆蓋數(shù)量預(yù)測(cè)功能[3],但難以模擬空間格局演變,而FLUS模型具有空間演變分布預(yù)測(cè)功能且模擬精度高[2],并運(yùn)用在城市群[9-10]、特殊地域[11]、省[12-13]、市[14]、縣域等[15]多尺度區(qū)域研究中。本文將FLUS模型結(jié)合Markov模型數(shù)量預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)展開研究。目前,國內(nèi)對(duì)國土空間結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)主要是從三生空間的角度,將整片區(qū)域根據(jù)不同規(guī)劃目標(biāo)或不同發(fā)展情景設(shè)置主導(dǎo)目標(biāo)和約束條件進(jìn)行研究[16-18]。但是,實(shí)際上大尺度區(qū)域范圍存在發(fā)展不均衡性和地理異質(zhì)性等問題,如不同主體功能區(qū)的發(fā)展目標(biāo)并不相同,因此用地的發(fā)展需求也不同,若將研究區(qū)域作為整體進(jìn)行空間預(yù)測(cè),則忽略了各區(qū)域內(nèi)部差異性,將導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差。基于此,從不同主體功能區(qū)的角度出發(fā),考慮不同區(qū)域的地理特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)劃目標(biāo)等因素設(shè)置不同約束條件,模擬結(jié)果將更貼合未來國土空間規(guī)劃發(fā)展方向,可以為主體功能區(qū)有序發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

福州都市圈作為福建高質(zhì)量發(fā)展的重要增長(zhǎng)極,為深化兩岸交流、提升國際化水平提供有力支撐[19]。然而目前福州都市圈仍處于發(fā)育階段,區(qū)域內(nèi)深層次合作發(fā)展機(jī)制尚不成熟,生態(tài)環(huán)境和資源承載能力并不均衡[20]。當(dāng)前,對(duì)于福州都市圈國土空間格局模擬的相關(guān)研究相對(duì)缺乏。鑒于此,本研究以福州都市圈為研究范圍,從不同主體功能區(qū)視角出發(fā),分析區(qū)域土地利用/覆蓋類型時(shí)空變化,提出基于歷史情景和主體功能區(qū)規(guī)劃相結(jié)合的鄰域因子權(quán)重和轉(zhuǎn)換成本矩陣參數(shù)設(shè)計(jì)方法,利用FLUS-Markov模型對(duì)比基于整體模擬和主體功能區(qū)劃的分區(qū)模擬的2030年福州都市圈土地利用/覆蓋空間分布差異,預(yù)測(cè)研究區(qū)國土空間格局未來發(fā)展趨勢(shì),促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福州都市圈處于中國東南沿海、福建省東北部,面對(duì)臺(tái)灣省,是一個(gè)具有山海生態(tài)的城市群,地理坐標(biāo)介于東經(jīng)117°0′—120°0′,北緯25°0′—28°0′。研究區(qū)域包括四市一區(qū),陸域面積達(dá)2.60×104km2,約占福建省的21.5%,2020年常住人口約1 300萬人,占福建省的33.5%,地區(qū)生產(chǎn)總值約1.5萬億元,占福建省生產(chǎn)總值的34.5%。

福州都市圈作為中國批復(fù)的第2個(gè)國家級(jí)都市圈,在海峽西岸地區(qū)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展中承擔(dān)著重要的戰(zhàn)略作用。區(qū)域人口聚集,交通發(fā)達(dá),生態(tài)良好,與臺(tái)灣省聯(lián)系密切,其作為21世紀(jì)海上絲綢之路的核心區(qū)與國際接軌,綜合發(fā)展?jié)摿Υ蟆５际腥χ谐鞘锌焖贁U(kuò)張區(qū)域多分布于東部沿海,生態(tài)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域多分布于西部,存在發(fā)展不均衡問題。為保證該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,因地制宜地分區(qū)規(guī)劃對(duì)福州都市圈的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)并行發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。國家依據(jù)區(qū)域的環(huán)境承載能力、現(xiàn)有開發(fā)密度和未來發(fā)展?jié)摿?將區(qū)域劃分成不同主體功能區(qū),進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,形成生態(tài)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的空間格局。在《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》政策文件中,根據(jù)開發(fā)方式將中國國土空間分為以下主體功能區(qū):優(yōu)化開發(fā)區(qū)域、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域、限制開發(fā)區(qū)域和禁止開發(fā)區(qū)域。

福建省主體功能區(qū)主要以縣級(jí)行政區(qū)為劃分單元,福州都市圈范圍(圖1)內(nèi)不同主體功能區(qū)的分類情況詳見表1。由于限制開發(fā)區(qū)域分為農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),而重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的功能定位以提供生態(tài)服務(wù)為主,這與禁止開發(fā)區(qū)域相似,故將重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)納入禁止開發(fā)區(qū)域范圍進(jìn)行模擬。

表1 福州都市圈不同主體功能區(qū)分類情況

圖1 福州都市圈主體功能區(qū)分布

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

數(shù)據(jù)主要包括福建省30 m分辨率土地利用/覆蓋遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2000,2010和2020年),來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn),土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)集已經(jīng)過野外調(diào)查點(diǎn)隨機(jī)抽樣核查,總體精度達(dá)88.95%[21],并將區(qū)域內(nèi)土地利用/覆蓋遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用一級(jí)分類系統(tǒng),根據(jù)土地資源及其利用屬性,重分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6類;福建省30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn);中國河流、鐵路站點(diǎn)、高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路、三級(jí)公路、主干道數(shù)據(jù)(2014和2020年)來源于Open Street Map(www.openstreetmap.org),經(jīng)ArcGIS軟件歐氏距離工具處理為距離柵格數(shù)據(jù)[10],數(shù)據(jù)分辨率為300 m;中國1 km分辨率月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集(2010和2020年)、中國1 km分辨率年降水量數(shù)據(jù)集(2010和2020年)、全國500 m分辨率類NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)集(2010和2020年)[22]來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)—國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.geodata.cn)。將所有數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一為tif格式,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,分辨率為30 m,均采用krasovsky_1940_Albers投影坐標(biāo)系,然后將所有數(shù)據(jù)圖層按掩膜提取至各主體功能區(qū)范圍,并以2020年福建省土地利用/覆蓋柵格數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)捕捉柵格,保證各主體功能區(qū)所有圖層行列數(shù)一致。

1.3 研究方法

1.3.1 模擬流程及參數(shù)設(shè)置 FLUS模型主要用于模擬大尺度范圍各種土地利用/覆蓋類型的未來空間分布情況,也是目前較為成熟且被廣泛應(yīng)用的土地利用預(yù)測(cè)模型[10]。該模型由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(artificial neural network,ANN)和元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模塊兩部分組成,ANN模型可以協(xié)同整合自然環(huán)境、人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種驅(qū)動(dòng)因子的復(fù)雜影響,從而建立起不同土地利用/覆蓋類型同驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)聯(lián),得到現(xiàn)狀下各土地利用/覆蓋類型的適宜性概率[2]。CA模型引進(jìn)了基于輪盤賭選擇的自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,用于處理多種土地利用/覆蓋類型在驅(qū)動(dòng)因子下的復(fù)雜變化,從而實(shí)現(xiàn)較高精度的土地利用/覆蓋空間分布模擬[8]。從基于不同主體功能區(qū)的分區(qū)模擬和基于統(tǒng)一約束條件的整體模擬兩種模擬方式出發(fā),在關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上,利用FLUSMarkov模型(圖2)分別對(duì)2030年國土空間分布格局進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),通過單一土地利用動(dòng)態(tài)度、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用程度綜合指數(shù)等指標(biāo)定量分析兩種方式下模擬結(jié)果,以對(duì)比兩種方式模擬結(jié)果與區(qū)域政策規(guī)劃中空間結(jié)構(gòu)的貼合度,以驗(yàn)證分區(qū)模擬的科學(xué)性。

圖2 土地利用/覆蓋空間分布格局模擬流程

采用FLUS-Markov模型對(duì)土地利用/覆蓋空間分布模擬時(shí),模型參數(shù)設(shè)置為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。現(xiàn)土地利用/覆蓋模擬研究中多采用統(tǒng)一參數(shù)通過整體模擬方式進(jìn)行預(yù)測(cè),缺乏考慮土地利用/覆蓋類型和驅(qū)動(dòng)因子在時(shí)間和空間上的差異。故針對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置,考慮了以下因素并提出解決方案:①參考相關(guān)研究和研究區(qū)現(xiàn)狀,考慮時(shí)空異質(zhì)的驅(qū)動(dòng)因子選擇和分期適宜性概率分布圖層計(jì)算;②結(jié)合區(qū)域內(nèi)土地利用/覆蓋空間分布特征,基于歷史情景的土地利用/覆蓋類型鄰域因子權(quán)重計(jì)算;③依據(jù)政府規(guī)劃文件和國土空間結(jié)構(gòu),針對(duì)政策導(dǎo)向的不同主體功能區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換成本矩陣設(shè)置。

(1)驅(qū)動(dòng)因子選擇。土地利用/覆蓋變化是由自然環(huán)境和人類活動(dòng)等多種因素共同影響的結(jié)果,除高程、降水和氣溫等自然因素對(duì)土地利用/覆蓋變化有所影響,區(qū)域交通設(shè)施情況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)會(huì)直接或間接影響周圍土地利用/覆蓋變化[23]。綜合對(duì)土地利用/覆蓋變化驅(qū)動(dòng)因子的分析及探究,最終選取自然(高程、坡向、坡度、氣溫、降水)、社會(huì)(河流、鐵路、高速、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、主干道)、經(jīng)濟(jì)(夜間燈光)等方面的13項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因子(表2)。

表2 土地利用/覆蓋變化驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)說明

(2)適宜性概率分布計(jì)算。各土地利用/覆蓋類型的適宜性概率分布圖層由ANN模型計(jì)算得到,模型中包含輸入層、隱藏層和輸出層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),每一個(gè)神經(jīng)元分別代表一個(gè)驅(qū)動(dòng)因子,可擬合土地利用/覆蓋類型分布概率與多項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因子的空間作用關(guān)系,用于模擬不同土地利用/覆蓋類型發(fā)展概率和空間分布[24]。

由于10 a間驅(qū)動(dòng)因子存在時(shí)空差異性,導(dǎo)致2010年與2020年的驅(qū)動(dòng)因子有不同作用強(qiáng)度和方式,所以各土地利用/覆蓋類型適宜性概率分布可能存在差異。因此,為提高模型模擬精度,在ANN模型中,分別以2010年和2020年土地利用/覆蓋柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),輸入兩期相應(yīng)驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)來計(jì)算2010年和2020年神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適宜性概率空間分布,分別用于CA模型預(yù)測(cè)2020年和2030年土地利用/覆蓋結(jié)構(gòu)。

(3)鄰域因子權(quán)重參數(shù)設(shè)置。鄰域因子權(quán)重表示某種土地利用/覆蓋類型的擴(kuò)張強(qiáng)度,取值范圍為0～1,取值越靠近1表示該土地利用/覆蓋類型擴(kuò)張能力越強(qiáng)。針對(duì)鄰域因子權(quán)重的設(shè)置,有學(xué)者使用各土地利用/覆蓋類型歷史面積變化量的絕對(duì)無量綱值來確定鄰域權(quán)重參數(shù)[10],但由于福州都市圈各土地利用/覆蓋類型面積存在較大差異,本文提出一種相對(duì)無量綱值計(jì)算方式。

由于主體功能區(qū)戰(zhàn)略是2011年開始實(shí)施,計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn),規(guī)劃任務(wù)至未來,故2010—2020年不同主體功能區(qū)內(nèi)各土地利用/覆蓋類型的面積變化量可以很好地表示分區(qū)規(guī)劃政策下各土地利用/覆蓋類型的擴(kuò)張程度。因此利用ArcGIS軟件統(tǒng)計(jì)2010年和2020年各土地利用/覆蓋類型的面積,計(jì)算得到10 a間各土地利用/覆蓋類型面積的變化量,將面積變化量的絕對(duì)無量綱值和相對(duì)無量綱值進(jìn)行比較,得出更滿足數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需求的鄰域因子權(quán)重參數(shù)。

絕對(duì)無量綱值是將各土地利用/覆蓋類型的面積變化量進(jìn)行歸一化處理,使其值處于0～1范圍內(nèi),計(jì)算公式如下:

式中:N代表土地利用/覆蓋類型歷史面積變化量的絕對(duì)無量綱值;X代表某土地利用/覆蓋類型時(shí)間段內(nèi)的變化量;Xmin代表所有土地利用/覆蓋類型面積變化量中最小值;Xmax代表面積變化量中最大值。

相對(duì)無量綱值是將各土地利用/覆蓋類型的面積變化量除以初始面積得到各土地利用/覆蓋類型的面積變化率,再將其進(jìn)行歸一化處理,使其值處于0～1范圍內(nèi),計(jì)算公式如下:

式中:N*代表土地利用/覆蓋類型歷史面積變化量的相對(duì)無量綱值;R代表某土地利用/覆蓋類型時(shí)間段內(nèi)面積變化率;X代表某土地利用/覆蓋類型時(shí)間段內(nèi)的面積變化量;X*代表某土地利用/覆蓋類型初始面積;Rmin代表時(shí)間段內(nèi)所有土地利用/覆蓋類型面積變化率的最小值;Rmax代表時(shí)間段內(nèi)面積變化率的最大值。

2010和2020年福州都市圈整體范圍和各主體功能區(qū)范圍各土地利用/覆蓋類型面積及變化量詳見表3。2010—2020年各區(qū)域范圍主要以建設(shè)用地面積大幅增加和耕地林地草地面積減少為主要表現(xiàn),各區(qū)域中面積減少占比最大都是耕地,其中重點(diǎn)、優(yōu)化開發(fā)區(qū)域中建設(shè)用地的擴(kuò)張還伴隨著水域面積的減少,表明各主體功能區(qū)以發(fā)展為主要目的,經(jīng)濟(jì)發(fā)展期間建設(shè)用地的擴(kuò)張多占用農(nóng)業(yè)用地,同時(shí)伴隨著林地和草地等生態(tài)用地的調(diào)整。與絕對(duì)無量綱值方法相比。根據(jù)各土地利用/覆蓋類型歷史面積計(jì)算得到的相對(duì)無量綱值可以避免由于各地類初始面積占比過大或過小的差異伴隨著面積變化劇烈而導(dǎo)致絕對(duì)無量綱值極端的問題。因此采用相對(duì)無量綱值方法計(jì)算結(jié)果(表4)作為鄰域因子權(quán)重值,可以更好地表征區(qū)域內(nèi)土地利用/覆蓋類型的擴(kuò)張強(qiáng)度規(guī)律。

表3 福州都市圈2010和2020年各功能區(qū)土地利用/覆蓋類型面積及變化量 km2

表4 各功能區(qū)土地利用/覆蓋類型歷史變化量相對(duì)無量綱值

(4)轉(zhuǎn)換成本矩陣設(shè)置。轉(zhuǎn)換成本矩陣是指各土地利用/覆蓋類型間的轉(zhuǎn)變規(guī)則,0表示各土地利用/覆蓋類型間不可以轉(zhuǎn)變,1表示可以轉(zhuǎn)變。理論上各種轉(zhuǎn)變都是被允許的,但是針對(duì)不同主體功能區(qū)受規(guī)劃政策影響,在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等方面發(fā)展方向不同,故在不同主體功能區(qū)中各土地利用/覆蓋類型間轉(zhuǎn)換成本并不相同[13]。

分區(qū)模擬中,針對(duì)不同主體功能區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀和政策規(guī)劃,設(shè)置了4種不同的轉(zhuǎn)換成本矩陣(表5)。重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主,主要分布于東部沿海區(qū)域,地勢(shì)相對(duì)平坦,適合人類生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,區(qū)域內(nèi)應(yīng)加快推進(jìn)城鎮(zhèn)化,除建設(shè)用地不能轉(zhuǎn)換成其他用地,其他土地利用/覆蓋類型間可以相互轉(zhuǎn)換;優(yōu)化開發(fā)區(qū)域以高質(zhì)量發(fā)展為主,地跨閩江流域,城市發(fā)展規(guī)模已經(jīng)較為完善,區(qū)域內(nèi)應(yīng)控制開發(fā)強(qiáng)度,對(duì)水域保護(hù)進(jìn)一步加強(qiáng);限制開發(fā)區(qū)域以保障農(nóng)業(yè)發(fā)展為主,集中分布于研究區(qū)的中部且地勢(shì)較高,區(qū)域內(nèi)包含農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū),應(yīng)保證耕地發(fā)展,控制建設(shè)用地的侵占能力;禁止開發(fā)區(qū)域以保護(hù)生態(tài)安全為主,森林覆被率高,2020年該主體功能區(qū)內(nèi)林地面積占比達(dá)75.35%,包含保障全省生態(tài)安全的重要區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)各類用地保護(hù)等級(jí)由高到低排序?yàn)?林地、耕地、水域、草地、未利用土地、建設(shè)用地。整體模擬中,將區(qū)域整體設(shè)置統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成本矩陣和鄰域因子權(quán)重,對(duì)土地利用/覆蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。在區(qū)域中兼顧人地和諧及綠色發(fā)展理念,按照綜合發(fā)展的需求,將各地類轉(zhuǎn)換等級(jí)由高到低排序?yàn)?建設(shè)、林地、耕地、水域、草地及未利用土地,高等級(jí)不能向低等級(jí)轉(zhuǎn)變,以此設(shè)置轉(zhuǎn)換成本矩陣[16]。

表5 各功能區(qū)轉(zhuǎn)換成本矩陣

(5)未來像元參數(shù)設(shè)置。Markov模型基于初始年份各土地利用/覆蓋類型的像元數(shù)來預(yù)測(cè)未來土地利用/覆蓋類型目標(biāo)像元數(shù),具有無后效型。為提高模擬精度,本文以2000,2010和2020年土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分別預(yù)測(cè)2020和2030年土地利用/覆蓋類型目標(biāo)像元數(shù)。計(jì)算公式為[13]:

式中:St,St+1分別表示t時(shí)刻和t+1時(shí)刻的土地利用/覆蓋狀態(tài);Pij表示在t時(shí)刻土地利用/覆蓋類型i轉(zhuǎn)變?yōu)閖的概率。

(6)土地利用/覆蓋模擬模型。將適宜性概率分布圖層、各地類鄰域因子權(quán)重、轉(zhuǎn)換成本矩陣和目標(biāo)像元數(shù)等參數(shù)輸入CA模型,通過不斷地循環(huán)迭代使模擬不斷逼近目標(biāo)值,模擬預(yù)測(cè)目標(biāo)年份的土地利用/覆蓋空間分布[8,24]。

1.3.2 土地利用強(qiáng)度計(jì)算

(1)單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度。單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度是衡量單一種土地利用/覆蓋類型動(dòng)態(tài)變化指標(biāo),體現(xiàn)研究區(qū)域在一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用/覆蓋類型的數(shù)量變化情況[25],表達(dá)式為:

式中:V為研究時(shí)段內(nèi)單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度;Aa為研究初期某種土地利用/覆蓋類型的面積;Ab為研究末期某種土地利用/覆蓋類型的面積;T為研究期時(shí)段長(zhǎng)。

(2)綜合土地利用類型動(dòng)態(tài)度。綜合土地利用類型動(dòng)態(tài)度是反映研究區(qū)域中時(shí)間段內(nèi)綜合土地利用/覆蓋類型數(shù)量變化程度指標(biāo)[26],其表達(dá)式為:

式中:R表示研究區(qū)域土地利用類型綜合動(dòng)態(tài)度;ΔAij為研究時(shí)段內(nèi)第i類土地利用/覆蓋類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用/覆蓋類型面積的絕對(duì)值;Ai為研究時(shí)段初期第i類土地利用/覆蓋類型的面積。

(3)土地利用程度綜合指數(shù)。反映了人類對(duì)土地資源開發(fā)利用的廣度和深度。根據(jù)莊大方[27]所提出的綜合分析法,可以計(jì)算土地利用程度,掌握區(qū)域土地開發(fā)利用的綜合水平。其計(jì)算公式為:

式中:La為土地利用程度綜合指數(shù);n為土地利用程度分級(jí)數(shù);Ai指第i級(jí)土地利用程度分級(jí)指數(shù),參照前人研究得到土地利用程度分級(jí)賦值[26],耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地的分級(jí)指數(shù)分別為3,2,2,2,4,1;Ci是第i級(jí)土地利用程度面積比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用/覆蓋適宜性概率空間分布

利用ANN模型生成2010和2020年福州都市圈各土地利用/覆蓋類型的適宜性概率分布圖層(圖3—4),從而獲得各地類的空間分布格局,適宜性高的區(qū)域多分布于該土地利用/覆蓋類型空間周圍,耕地的適宜性區(qū)域主要分布在地勢(shì)平緩和沿海人口聚集區(qū)域;林地和草地的適宜性區(qū)域大面積重合,連片分布于非沿海區(qū)域;水域主要分布在閩江流域以及現(xiàn)有水系和沿海的周邊區(qū)域;建設(shè)用地的高適宜性區(qū)域主要以福州和沿海城市群為中心,向周圍逐步遞減,沿海岸線城市呈現(xiàn)出聯(lián)合發(fā)展的可能。

圖3 福州都市圈2010年各土地利用/覆蓋類型適宜性概率分布

2.2 模擬精度檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)FLUS-Markov模型分區(qū)模擬精度,對(duì)2020年各主體功能區(qū)土地利用/覆蓋空間分布進(jìn)行模擬,將模擬結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比(圖5),并用kappa系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。重點(diǎn)、優(yōu)化、限制和禁止開發(fā)區(qū)域在20%隨機(jī)采樣時(shí)的kappa系數(shù)分別為0.94,0.91,0.85,0.98,均大于0.75,總體精度分別為96.27%,94.04%,92.45%和99.30%,均大于90%,表明在以上參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上該模型具有較高的可信度,FLUSMarkov模型能反映區(qū)域土地利用/覆蓋空間變化規(guī)律,可以對(duì)2030年主體功能區(qū)土地利用/覆蓋空間分布進(jìn)行模擬。

圖5 福州都市圈2020年土地利用/覆蓋現(xiàn)狀及模擬結(jié)果

2.3 分區(qū)模擬與整體模擬土地利用/覆蓋結(jié)構(gòu)對(duì)比

將分區(qū)模擬和整體模擬兩種模擬方式下模擬得到2030年土地利用/覆蓋空間分布結(jié)果裁剪至不同主體功能區(qū)范圍,從土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用程度等指標(biāo)來量化對(duì)比(表6),探究?jī)煞N方式模擬所得土地利用/覆蓋空間結(jié)構(gòu)與都市圈各功能區(qū)發(fā)展目標(biāo)貼合度。對(duì)比單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)發(fā)現(xiàn),整體模擬結(jié)果中限制開發(fā)區(qū)域耕地的擴(kuò)張趨勢(shì)符合區(qū)域規(guī)劃要求,動(dòng)態(tài)度為0.14%,但所有區(qū)域林地都在縮減,重點(diǎn)和優(yōu)化開發(fā)區(qū)域的建設(shè)用地發(fā)展強(qiáng)度不夠,比分區(qū)模擬結(jié)果低0.31%和0.02%,限制和禁止區(qū)域的建設(shè)用地分別有0.71%和0.78%的擴(kuò)張。而分區(qū)模擬結(jié)果中隨著區(qū)域生態(tài)保護(hù)力度逐漸加大,水域的單一動(dòng)態(tài)度有遞增的梯度變化,隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展力度的減弱,建設(shè)用地的單一動(dòng)態(tài)度逐漸減小,這與區(qū)域發(fā)展目標(biāo)更貼合。對(duì)比綜合土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用程度指數(shù)發(fā)現(xiàn),整體模擬的重點(diǎn)和優(yōu)化開發(fā)區(qū)域土地利用/覆蓋變化相對(duì)更平緩,土地利用程度相對(duì)較低,低效閑置土地相對(duì)更多,而限制和禁止開發(fā)區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)度高,土地利用程度相對(duì)更高,更容易導(dǎo)致生態(tài)脆弱。綜上所述,與整體模擬相比,分區(qū)模擬的未來土地利用/覆蓋模擬結(jié)果與主體功能區(qū)未來發(fā)展目標(biāo)更貼合,可以根據(jù)福州都市圈各主體功能區(qū)的發(fā)展目標(biāo)提供土地利用/覆蓋發(fā)展方向的科學(xué)預(yù)測(cè)。

表6 福州都市圈2020—2030年分區(qū)模擬和整體模擬各功能區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)度對(duì)比

圖4 福州都市圈2020年各土地利用/覆蓋類型適宜性概率分布

2.4 2030年土地利用/覆蓋分區(qū)模擬結(jié)果與分析

繪制福州都市圈各主體功能區(qū)2030年土地利用/覆蓋分區(qū)模擬結(jié)果(如圖6所示),并統(tǒng)計(jì)2020—2030年各主體功能區(qū)內(nèi)土地利用/覆蓋類型面積及比例變化量(表8)。重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域中,建設(shè)用地作為面積變化量最大的土地利用/覆蓋類型,增加了320.24 km2,比例增長(zhǎng)1.48%。其中233.69 km2主要來源于耕地,67.20 km2來源于水域。利用?；鶊D對(duì)區(qū)域土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移方向進(jìn)行可視化處理(圖7)。同時(shí),計(jì)算各縣區(qū)內(nèi)建設(shè)用地單一動(dòng)態(tài)度表示建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度(表7),發(fā)現(xiàn)2030年用地空間增長(zhǎng)多分布于沿海城市[27],以莆田市、福州市(長(zhǎng)樂區(qū)、閩侯縣、福清市)和平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)等城市為中心向外擴(kuò)張的形勢(shì)(圖8),建設(shè)用地聯(lián)合發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng);該區(qū)域內(nèi)耕地面積減少幅度最大(達(dá)153.23 km2),比例減少0.71%,有78.48 km2林地和20.59 km2水域轉(zhuǎn)入,但仍小于耕地轉(zhuǎn)出面積;而林地和水域面積減少62.63和88.79 km2,大部分轉(zhuǎn)入了耕地和建設(shè)用地。從空間變化來看,沿海區(qū)域與山區(qū)發(fā)展不平衡問題較為突出,隨著沿海城市建設(shè)速度的加快,城市擴(kuò)張和工業(yè)發(fā)展會(huì)占用大量的耕地等生產(chǎn)用地,并割裂生態(tài)用地,該模擬結(jié)果符合區(qū)域?qū)ν恋乩?覆蓋發(fā)展方向的基本判斷。

表8 福州都市圈2020—2030年各主體功能區(qū)土地利用/覆蓋類型面積及比例變化量

圖6 福州都市圈2030年土地利用/覆蓋模擬結(jié)果

圖7 福州都市圈重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域2020—2030年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移情況(km2)

圖8 福州都市圈2020—2030年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張空間分布

表7 福州都市圈各縣區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)度

優(yōu)化開發(fā)區(qū)域中建設(shè)用地?cái)U(kuò)張面積最大,達(dá)17.75 km2,所占比例增長(zhǎng)1.76%,多集中于福州市倉山區(qū)周圍;耕地約有16.71 km2減少,所占比例減少1.66%,其中15.60 km2轉(zhuǎn)入建設(shè)用地;林地有耕地和草地的轉(zhuǎn)入,面積增加2.56 km2;而草地和水域有不大于3 km2的小幅減少。限制開發(fā)區(qū)域中各地類面積變化都小于3 km2,且變化分布范圍較為零散。建設(shè)用地的發(fā)展速度有所控制,耕地和草地仍有小面積的減少,且多轉(zhuǎn)向林地,林地增長(zhǎng)2.98 km2。禁止開發(fā)區(qū)域中各地類面積變化幅度較小,均小于1.5 km2。其中建設(shè)用地向草地、水域等其他地類轉(zhuǎn)化,面積有小幅縮減;林地和水域有草地的轉(zhuǎn)入,各自有1 km2左右的面積增加,資源承載能力增強(qiáng)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

FLUS-Markov模型中參數(shù)設(shè)置是提高模型模擬精度的關(guān)鍵。本文考慮區(qū)域發(fā)展差異性,提出一種基于不同主體功能區(qū)的分區(qū)模擬預(yù)測(cè)方案,從而實(shí)現(xiàn)研究區(qū)未來國土空間格局模擬,增加了模型對(duì)大尺度區(qū)域模擬的適用性,但在模擬過程中仍然存在一些不足。

(1)在鄰域因子權(quán)重的確定方面,有學(xué)者采用經(jīng)驗(yàn)賦值法或基于歷史面積變化量確定模型參數(shù)等方法[10]。本文考慮研究區(qū)域各地類初始面積差異性的影響,提出一種客觀判斷的參數(shù)設(shè)置方法,將各土地利用/覆蓋類型歷史面積變化量的相對(duì)無量綱值表示地類的擴(kuò)張強(qiáng)度,并運(yùn)用于FLUS-Markov模型中模擬2020年土地利用/覆蓋空間分布,模擬精度kappa系數(shù)均在0.85以上,說明該方法適用于該研究區(qū)域未來土地利用/覆蓋模擬,但是否具有普適性仍需要更多區(qū)域的實(shí)踐證明。

(2)在驅(qū)動(dòng)因子的設(shè)置方面,土地利用/覆蓋變化受自然環(huán)境、人類社會(huì)、政策規(guī)劃、地域文化等多種驅(qū)動(dòng)因子的復(fù)雜影響。但由于部分?jǐn)?shù)據(jù)難以量化獲取,導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)因子的設(shè)置并不全面。因此,在未來研究中應(yīng)全面、綜合考慮驅(qū)動(dòng)因子復(fù)雜性和代表性,可以更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)土地利用/覆蓋空間分布格局。

(3)在限制區(qū)域的設(shè)置方面,區(qū)域內(nèi)包含大面積耕地保護(hù)區(qū)和自然保護(hù)區(qū)等關(guān)系到區(qū)域糧食安全、生態(tài)安全等區(qū)域。若以永久基本農(nóng)田和各級(jí)自然保護(hù)區(qū)為剛性底線融入國土空間模擬預(yù)測(cè)中,可以得到更切合的模擬結(jié)果。

3.2 結(jié)論

(1)在研究區(qū)域內(nèi)基于歷史情景的各土地利用/覆蓋類型歷史面積變化量的相對(duì)無量綱值能很好代表各地類的擴(kuò)張強(qiáng)度,可以作為鄰域因子權(quán)重參數(shù)設(shè)置。因此,將該參數(shù)結(jié)合考慮空間異質(zhì)性特征的適宜性概率分布計(jì)算和轉(zhuǎn)換成本矩陣等參數(shù)的設(shè)置,經(jīng)精度檢驗(yàn),各主體功能區(qū)模擬結(jié)果總體精度均在90%以上。這表明在這種參數(shù)組合下,FLUS-Markov模型適用于對(duì)未來土地利用/覆蓋進(jìn)行模擬。

(2)利用土地利用動(dòng)態(tài)度和土地利用程度等指標(biāo)對(duì)分區(qū)和整體模擬結(jié)果進(jìn)行量化對(duì)比,發(fā)現(xiàn)分區(qū)模擬結(jié)果與主體功能區(qū)劃的發(fā)展目標(biāo)更加吻合。分區(qū)模擬結(jié)果表示,2030年各主體功能區(qū)均有耕地、草地的減少;重點(diǎn)、優(yōu)化發(fā)展區(qū)域面積變化量最大的為建設(shè)用地,分別增加了320.24和17.75 km2,多分布于沿海城市,且大部分來源于耕地轉(zhuǎn)入;限制、禁止開發(fā)區(qū)域各土地利用/覆蓋類型面積變化幅度不大,均小于3 km2。

(3)福州都市圈內(nèi)分區(qū)模擬結(jié)果基本符合主體功能區(qū)劃土地利用/覆蓋未來發(fā)展方向,模擬結(jié)果可為研究區(qū)未來國土空間規(guī)劃及生態(tài)空間管控提供決策參考。