基于Markov-PLUS模型的福州市土地利用变化及情景模拟

摘要 为探究福州市土地利用变化规律，基于 2000、2010和2020 年GlobeLand30数据集，运用土地利用动态度和转移矩阵对2000—2020年土地利用演变进行剖析，采用Markov-PLUS 模型对2030年土地利用的多情景变化趋势进行模拟。结果表明：2000—2020年，建设用地和水域面积增加，建设用地主要由耕地转入，其他用地面积减少。Markov-PLUS模型模拟总体精度为0.89，Kappa值为0.80，模拟效果较好。自然发展情景延续历史发展趋势，建设用地持续增长，以市辖区和闽侯县扩张最为突出，其他区（县、市）建设用地侵占周边耕地且集聚特征明显；城镇发展情景下，耕地、林地和草地均大面积减少，建设用地大幅增加，耕地和建设用地重心分别向东南和东北方向偏移，空间集聚特性进一步增强；耕地保护情景下，耕地主要向林地和建设用地转化，面积缩减的态势得到有效控制，重心迁移幅度较小；生态保护情景下，林地、草地和水域面积显著增加，建设用地增速得到有效控制，此情景更符合研究区区域发展和生态保护的双重诉求。研究可为福州市未来土地利用规划编制和土地可持续利用情景预测提供科学参考。

关键词 土地利用变化;多情景模拟;Markov-Plus模型;福州市

中图分类号 F301.2 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0056-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.012

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Land Use Change and Multi-scenario Simulation Based on Markov-PLUS Model in the Fuzhou City

YANG Hong-jie，JIANG Chun，ZHENG Rui et al

（School of Public Management and Law，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian  350002）

Abstract In order to investigate the land use change patterns in the Fuzhou City.Based on the GlobeLand30 datasets in the year 2000，2010 and 2020，the methods of land use dynamic degrees and transfer matrix were used to analyze the characteristics of land use change from 2000 to 2020，the Markov-PLUS model was applied to predict the trend of spatial-temporal land use patterns in 2030.The results are as follows，from 2000 to 2020，the area of construction land and watershed increases，the area of other land decreases，and the construction land is mainly transferred from arable land.The overall simulation accuracy of the Markov-PLUS model is 0.89，the Kappa value is 0.80，which shows a good simulation effect.The natural development scenario continues the historical development trend，construction land continues to grow，with the most prominent expansion in the municipal district and Minhou County，and construction land in other districts （counties and cities） encroaches on surrounding arable land with obvious clustering characteristics.Under the urban development scenario，construction land increases significantly，forest land，arable land and grassland are all greatly reduced，and the center of gravity of construction land and arable land shift to the northeast and southeast respectively，with spatial clustering characteristics.Under the scenario of arable land protection，the arable land is mainly transferred to forest land and construction land，and the reduction of area is effectively controlled，and the center of gravity shifts less.Under the scenario of ecological protection，the area of forest land，grassland and watershed increases significantly，and the growth rate of construction land is effectively controlled，which is more consistent with the dual requirements of regional development and ecological protection in the study area.This study can provide scientific reference for the preparation of future land use planning and the prediction of sustainable land use scenarios in Fuzhou.

Key words Land use change;Multi-scenario simulation;Markov-PLUS model;Fuzhou City

基金项目 福建省教育厅中青年教师科研项目（JAT170168）；2018年度社科类国家级科研项目培育计划；福建省社科研究基地重大项目（FJ2022MJDZ020）。

作者简介 阳洪洁（1998—），女，湖南衡阳人，硕士研究生，研究方向：土地利用模拟。*通信作者，讲师，博士，从事土地资源可持续利用研究。

收稿日期 2023-02-04

土地利用/覆被变化（land use/cover change，LUCC）是在人类活动和自然环境的共同影响下产生于地球表面的结果，也是全球环境变化的重要原因之一^[1-3]。国内外关于LUCC的研究已经取得了丰硕的成果，其中，土地利用预测模拟是当前LUCC研究的重点和热点之一^[4-6]。对区域未来土地利用变化进行预测有利于合理高效利用土地资源以及协调好社会发展和环境保护之间的关系，这对于维护区域生态安全和实现区域土地可持续利用具有重要意义^[7-8]。

目前，土地利用预测模型方面的研究主要包括侧重于量化土地需求的数量模拟模型[如系统动力学（SD）模型^[8]和马尔科夫（Markov）模型^[9]]和侧重于模拟土地利用空间分布的空间模拟模型[如多智能体模型（MAS）^[10]和元胞自动机模型（CA）^[11]]。在CA模型基础上，又逐渐发展形成了基于转化分析策略（TAS）的logistic-CA、ANN-CA、CA-Markov等模型^[9，12-13]和基于格局分析策略（PAS）的CLUE-S、Fore-SCE和FLUS等模型^[14-16]，这些模型在国土空间规划和土地政策制定等方面应用广泛，但缺乏时段概念和灵活处理多类土地利用斑块变化的机制。PLUS模型（patch-generating land use simulation model）是一种新型的斑块生成土地利用变化模拟模型，结合随机种子生成和阈值递减机制，融合了TAS和PAS的优势，而且能模拟一段时间内多种用地类型的斑块级变化，并挖掘土地利用变化驱动机理^[17]。但该模型运行未来土地利用空间模拟的前提是输入土地利用需求，而Markov模型是预测未来土地利用数量的传统方法，具有无后效性且精度较高的预测结果，因此， 耦合PLUS模型与Markov模型，可以对区域未来土地利用时空变化具有较好模拟。王佳楠等^[18]利用Markov-PLUS模型模拟预测了2040年柴北缘土地利用变化，并证实Markov-PLUS模型的精度高于FLUS模型。

福州市作为我国第一批实行对外开放的沿海港口城市之一，经历了快速的工业化和城市化进程，土地开发利用强度和生态保护间的矛盾逐步加剧。基于此，该研究在分析2000—2020年福州市土地利用演变过程的基础上，通过集成Markov和PLUS模型对福州市未来4种不同情景下的土地利用时空分布格局进行了模拟预测，旨在探究福州市土地利用变化规律，对于区域土地利用规划和生态安全具有一定科学参考价值。

1 研究区与数据源概况

1.1 研究区概况

福州市地处中国东南沿海，是福州大都市圈和闽江口金三角经济圈的核心区域，地理坐标25°15′～26°39′N，118°08′～120°31′E。全市现辖6个区、5个县（闽侯、连江、罗源、闽清、永泰）和1个地级市（福清市），如图1所示。截至2020年年底，研究区土地总面积约为11 490 km²，其中山地占32.41%，丘陵占40.27%，属于典型的河口盆地地形。研究区内自然条件优越，植被覆盖率高达60%以上，但在人类活动长期作用下，绝大部分植被遭到破坏，使得生态环境出现退化和恶化的风险，生态环境脆弱性逐渐加剧。

1.2 数据源及预处理

福州市2000、2010和2020年土地利用/覆盖数据为30 m空间分辨率的GlobeLand30数据集（http：//www.globallandcover.com/）裁剪得到，土地利用/覆盖类型包括林地、耕地、建设用地、水域、草地和未利用地。

选取气候和环境及社会经济要素作为土地利用变化及模拟的驱动因子，数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）和中国科学院资源环境与数据中心（https：//www.resdc.cn/）。其中，气候和环境因子数据包括高程、坡度、坡向、年气温、年降水量、距河流距离；社会经济因子数据包括人口空间分布、国内生产总值、距公路距离、距铁路距离、距居民点距离和夜间灯光，上述驱动因子数据均转换为30 m空间分辨率的栅格数据。

选取基本农田和自然保护区作为土地利用变化多情境模拟的限制因子，数据分别来源于福州市自然资源与规划局和中国自然保护区标本资源共享平台（https：//www.papc.cn/）。将基本农田和自然保护区制作成一个仅包含值0和1的二值栅格图像作为限制转换数据，空间分辨率为30 m。

2 研究方法

2.1 土地利用动态度

土地利用动态度表示研究区的某种用地类型在一段时间内的变化数量和变化速率^[19-20]，其表达式为：

式中：Ｋ为研究时段内某一用地类型的动态度；U₁和U₂分别为这一用地类型在研究期初和期末的数量；Ｔ为研究时段长。