基于遥感生态指数的三亚市土地利用变化模拟_胡珂.pdf

第 卷 第 期 年 月中 国 水 土 保 持 科 学 基于遥感生态指数的三亚市土地利用变化模拟胡 珂，韩念龙，于 淼，张育诚（海南大学公共管理学院，海口；南京农业大学公共管理学院，南京；惠州学院地理与旅游学院，广东惠州）摘要：良好的生态环境有利于社会经济的健康发展。在城市发展过程中加强生态监测及约束，有利于城市的可持续发展。本研究通过遥感生态指数（）监测评估 和 年的海南省三亚市生态环境质量状况，将 监测结果依据生态环境质量等级划分出不同生态约束条件，结合 模型模拟 年不同生态约束情景的三亚市土地利用变化。结果表明：年间三亚市 从.下降至.，整体生态环境质量变差，生态环境退化区域主要发生在经济开发热点区域。年的模拟显示，自然发展情景中建设用地扩张显著，同时侵占林地和耕地，对生态安全和耕地造成威胁；结合 的 种生态约束情景模拟显示，建设用地扩张和林地下降趋势均得以控制，严格生态约束情景对生态空间的保护作用更为明显。研究结果表示加强生态约束可以有效抑制城市建设用地无序扩张以及维持森林数量，有助于可持续发展的实现。关键词：遥感生态指数；模型；生态约束情景模拟；土地利用变化；三亚市中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：修回日期：项目名称：海南省自然科学基金“人类活动视角下的海南岛中部山区生态系统服务功能权衡与模拟”（）第一作者简介：胡珂（），女，本科生。主要研究方向：土地资源管理。：通信作者简介：韩念龙（），男，博士，高级工程师。主要研究方向：自然资源管理。：，（，；，；，）：，（），中国水土保持科学 年 ，.，.，：；近年来，随着我国城市化进程的不断推进，生态环境保护和经济发展之间矛盾日益突出，引发城市热岛、大气污染、水土流失等城市生态环境问题。有研究表明土地利用方式的变化是土壤侵蚀变化的主要影响因素，导致水土流失风险差异，而水土保持作为生态文明建设的重要组成部分，对生态环境的保护有着重要意义。因此加强对生态空间格局的研究、合理利用土地，对于区域可持续发展有着重要的支撑作用。当前研究主要通过生态安全评价、生态保护红线划定对区域内生态空间进行划定保护。例如通过生态安全评价识别研究区关键生态问题与核心生态资源，构建城市生态安全格局并划定生态控制线的生态空间；也有研究将水域、自然保护区作为生态红线，将其作为限制区域模拟生态保护情景下的土地利用变化。然而，当前生态评价或者生态红线划分的研究理论和技术尚不完善；同时，由于不同区域的尺度不同，生态红线划定的依据和精度不同，目前大多借助区划概念进行划分或直接将现有的重要功能区、自然保护区等作为划分依据，划分方法简单粗放，主观性较大。相对以上方法，遥感生态指数（，）是相对于传统的生态环境指数（，）提出的一个完全基于遥感技术，以自然因子为主实现对区域生态状况快速监测与评价的生态指数。与生态评价或者生态红线划定相比，具有易获取、现势性好、无人为干预带来的不 确 定 性 等 优 点，在 部 分 区 域 已 有 较 好应用。以生态环境约束为前提模拟区域的未来土地利用 土地覆盖变化（，），可为城市科学发展制定政策依据，是实现城市可持续发展的重要途径之一。当前主流的土地利 用 模 拟 模 型 主 要 有、和 等，其中 侧重于分析各土地利用类型面积的变化和变化的速率等特征，缺乏对空间分布变化的考虑；模型通过 回归方法计算驱动因子对土地利用变化的影响，只考虑到各个变量之间的线性关系；模型加入自适应惯性系数和竞争机制，能够更真实的模拟土地利用变化，但其缺点在于仅基于 期土地利用数据中 第 期胡珂等：基于遥感生态指数的三亚市土地利用变化模拟地类样本进行训练，缺乏时段概念；而生成斑块的土地利用模拟模型（，）克服 模型的不足，通过 期土地利用数据为土地利用变化机理提供更好地解释。此外，模型通过土地扩展分析策略（，）和基于多类型随机斑块种子的元胞自动机模型（，）对土地利用的未来变化进行预测，能够在时空上捕捉多种土地利用类型的斑块演变，揭示潜在驱动因素。多年来由于三亚热带特色农业的高强度开发，导致自然植被破坏，并引起土地干化；这些热带农业种植园多位于山地，易导致这些区域水土流失发生；同时，由于三亚的台风频繁，降雨强度大，导致山洪、泥石流等地质灾害频发，这些都是制约三亚经济社会发展的主要生态环境问题。当前海南自由贸易港建设正蓬勃开展，海南国家生态文明试验区也在持续推进，三亚作为我国生态文明试验区、海南自贸试验区的先行城市，应具备坚实的生态基础来承载经济社会的可持续发展。因此，笔者首先利用 实现对三亚市整体生态环境质量的空间定量评估；其次，基于 的监测结果，结合三亚市的社会经济发展及生态保护目标，设置不同的生态约束条件，模拟三亚市未来土地利用变化情景；最后，在此基础上探索在生态保护下的适宜当地发展的土地利用策略，为城市可持续发展提供参考。研究区概况三亚 市 地 处 海 南 岛 最 南 端，南 邻 南 海，、，三面环山，地势自北向南逐渐倾斜，山地、丘陵、台地和平原等地形结构依次分布，属于热带海洋性季风气候（图）。三亚市陆地总面积 .，东西长.，南北宽，海域总面积 。全市耕地、建设用地主要分布在平原地带，林地主要分布在北部的山地丘陵地带，植被覆盖率高，矿产资源、动植物资源以及海洋资源都较为丰富，是中国第一批国家级生态示范城市。材料与方法.数据来源及处理笔者选择云量较少、时相较近的 期 遥感影像作为 数据源，时间分别为 年 月图 三亚市区位图 日和 年 月 日。期遥感影像分别经过辐射定标和大气校正预处理。模型所需数据包括、和 年空间分辨率为 的土地利用栅格数据，均来源于资源环境科学与数据中心。其中，年土地利用数据用 年数据替代。根据三亚市土地利用特征与 土地利用现状分类标准，将三亚市土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地 类。考虑研究区数据可得性及相关性，选取三亚市自然、交通区位及社会经济因素 大类共 个变量作为模型的驱动因子。其中，自然因素包括高程和坡度，高程采用 的 数据，坡度数据由 数据基于的坡度功能生成；交通区位因素体现各地类的可达性，包括到河流、一般公路和镇中心的距离，利用 欧式距离计算得到；社会经济因素基于统计年鉴对三亚市各区常住人口和地区生产总值进行空间化生成栅格数据。数据来源及说明见表。方法完全基于遥感影像，同时综合绿度、湿度、热度及干度等 大生态要素，能快速、客观地实现城市生态环境质量的定量评估。因此，笔者基于和 年 期影像，从空间视角构建 评估三亚市生态环境时空动态变化。同时依据三亚市的未来发展情况，选取 研究结果作为相应的生态环境约束条件，结合 模型模拟不同情景的土地利用变化，以期为城市的可持续发展探索可行路径。.遥感生态指数 是绿度、湿度、热度和干度 个指标因子的集成指数。这 个因子分别反映研究区的植被状中国水土保持科学 年 表 数据来源及说明 数据类型 数据名称 年份 数据来源 土地利用分类数据 三亚市土地利用分类现状 （）、资源环境科学与数据中心 （：）驱动因子 自然因素 （）坡度（）国家基础地理信息中心 （：，）交通区位因素 到河流的距离 到一般公路的距离 资源环境科学与数据中心 （：）到镇中心的距离 依靠三亚行政区划设定镇中心 社会经济因素 三亚市常住人口总数 、三亚市地区生产总值 、三亚市统计年鉴 遥感影像 遥感生态指数、地理空间数据云 （：）注：为数字高程模型。下同。：况、植被和土壤湿度、地表温度以及建筑和裸地的干度。其定义为：（，）。式中：为遥感生态指数；为绿度指标，用归一化差值植被指数（，）表示；为湿度指标，用缨帽变换中的湿度分量 表示；为干度指标，用归一化建筑和土壤指数（，）表示；为热度指标，用地表温度（，）表示，各指数涵义及计算公式参照文献。为使生态质量评价的结果更具有客观性，对 个指标合成波段后主成分分析，如表 所示，第 主成分（，）中代表绿度指标的 和代表湿度指标的 为正值，而代表干度指标的 和代表热度指标的 为负值，说明绿度和湿度指标对研究区的生态起正环境效应，干度和热度指标对生态起负环境效应。对比 个指标在 中的载荷值，绿度指标在 中的载荷值最大，表明对生态环境质量的影响最大。期数据中 贡献率均，说明 已经集中表 生态指标主成分分析统计值 （）年份指标第 主成分 第 主成分 绿度指标.湿度指标.干度指标.热度指标.特征值.贡献率 .绿度指标.湿度指标.干度指标.热度指标.特征值.贡献率 .：个指标的大部分特征，对 归一化生成最终的 第 期胡珂等：基于遥感生态指数的三亚市土地利用变化模拟 值，值范围在 之间，越接近 表示生态质量越好。.模型及模拟 模型包括基于土地扩张分析策略的转化规则挖掘框架及基于多类型随机斑块种子的 模型 部分。模型基于 期土地利用数据形成扩张数据，通过随机森林分类算法从扩张数据中提取随机样本进行训练，深度挖掘土地利用变化的驱动和扩张因素，得到土地利用类型在元胞的发展概率，结合自适应惯性系数和邻域效应，得到各个元胞的最终土地利用总体转换概率。再结合随机种子生成和阈值递减机制，利用 模型最终实现土地利用时空动态模拟。模拟过程中，以 年土地利用数据为基期，进行 年的土地利用扩张分析，采用随机森林算法，选择参数均匀采样方式，采样率为.，结合 个驱动因子生成三亚市 类用地的发展概率。结合 和 年土地利用现状数据，基于马尔科夫链预测出 年的土地需求，基于土地需求和实际数量计算出自适应惯性系数，通过设置各地类转换成本矩阵和邻域权重，采用 的邻域范围，结合地类发展概率，模拟得到 年土地利用结果。将模拟结果与 年土地利用数据进行精度验证，模拟精度 系数为.，总体分类精度为.，系数为.，模拟精度较高，表明可用于进一步的土地利用模拟预测。结果与分析.三亚市遥感生态指数 年间，三亚市生态环境质量下降，均值从.降至.（表）。其中对三亚市生态环境起正面影响的 由.上升至.，从.上升至.。其他 个对生态环境起负面影响的指标中，呈下降趋势，而 上升。尽管、上升及 下降改善生态环境，但是 上升对生态破坏作用大于前三者的贡献，导致整体 的降低。参考已有的分级标准，将 结果以.为间隔分成差、较差、中等、良和优 个生态环境质量等级，如图 所示，三亚市生态环境质量为优的区域主要分布在天涯区的育才生态区、南部鹿回头风景区、海棠区和吉阳区交界的山脉以及北部海拔较高区域。这些区域的森林覆盖率高，且受人类活动影响小；生态环境质量等级差的区域主要分布于崖州湾和三亚湾的城镇建成区，以及亚龙湾和海棠湾国家海岸休闲园区。两期生态环境质量等级优、良和中等区域的面积占比均达到 以上，说明三亚的生态环境本底较好（表）。从变化情况来看，年间 优等级面积减少.，大部分转变为良和中等级；生态环境质量为差和较差等级的面积上升，共增加.，因此三亚市总体生态环境质量有变差的趋势。表 三亚市 个生态指标和 的统计 年份绿度指标湿度指标干度指标热度指标遥感生态指数.表 各年份不同生态环境质量等级的面积及比例 生态质量等级 生态质量等级变化 面积 比例 面积 比例 面积 比例：差（.）.：较差（.）.：中等（.）.：良（.）.：优（.）.中国水土保持科学 年 结合土地利用及 结果发现（图），建设用地扩张是 整体降低的主要原因。随着三亚市崖州区科技城建设，海棠湾国家海岸旅游业发展带动的酒店群及房地产的开发，崖州区科技城和海棠湾国家海岸休闲园区的建设用地面积明显增加，原林地、草地被建设用地取代，分别导致区域绿度和湿度降低，及热度和干度上升，致使区域 降低。三亚市育才生态区、南部鹿回头风景区、海棠区和吉阳区交界的山脉以及北部海拔较高区域主要以林地为主且变化不大，个指标较为稳定，对维持三亚市整体 稳定具有重要支撑作用。.年三亚市土地利用模拟 模型中，分别构建自然发展，适中生态和严格生态约束 种情景模拟三亚市 年土地利用变化。自然发展情景是指延续以往的发展态势，各土地类型间转换无限制；适中生态约束情景是综合考虑海南自由贸易港经济发展和生态文明试验区的环保需要，以 优等区域为生态限制区；严格生态约束情景则