區域土地利用空間格局的模擬與預測

1土地利用變化研究土地使用變化是世界變化最直接、最重要的原因和表現，也是全球變化研究的熱點領域。土地利用變化模型是進行土地利用變化驅動力、土地利用變化情景分析及其環境效應研究的重要手段,是土地利用變化研究的重要核心內容,而系統研究土地利用格局及其相關影響因素的關系是構建土地利用變化模型的基礎。土地利用格局的形成既受生物物理因素的影響,也受社會經濟因素影響。生物物理因素包括自然環境的特征和過程,如氣候變化、地貌、地形、火山爆發等;社會經濟因素包括人口變化、技術進步、經濟增長、政治經濟結構以及價值觀念等。近年來,眾多學者采用了經驗統計logistic回歸模型對土地利用格局及其變化模擬等方面進行了大量研究,但以往研究多是基于二分類logistic回歸模型進行土地利用變化相關研究,如張永民等對多尺度土地利用格局模擬的對比研究,任志遠等對土地利用格局的模擬與驅動力分析,姜廣輝等對農村居民點變化的驅動力分析,曾凌云等對耕地變化的模擬研究等。二分類logistic回歸模型的因變量為兩類,每次只能對一種地類進行模擬和預測,不能實現所有地類的同時模擬和預測。鑒于影響土地利用系統因素的復雜性,因變量不一定就是發生和不發生兩種情況,而可能有多種取值。因此,本文嘗試運用多分類Logistic回歸模型進行區域土地利用格局模擬與預測。多分類Logistic回歸模型作為二分類logistic回歸模型的擴展,因變量為多分類,能充分利用土地利用系統完整信息,實現各種地類的模擬和預測,因而更能科學準確地模擬復雜的土地利用格局及其變化。張家口市地處京津冀都市圈生態功能區,在阻擋西北風沙、保證京津生態安全方面處于重要的戰略地位,又是京津地區的重要水源地,還承擔著京津冀產業轉移和科技成果轉化地的功能。這里生態環境脆弱,土地退化嚴重,人們生活貧困,土地利用矛盾尖銳,是土地利用變化關注的熱點地區。根據第二次全國農村土地調查成果,至2009年底,張家口市的土地利用類型以農用地1)為主,其中耕地面積96.91萬hm2,占總面積的26.33%;園地面積14.93萬hm2,占總面積的4.06%;林地面積110.61萬hm2,占總面積的30.06%;草地面積108.91萬hm2,占總面積的29.59%,四者占土地總面積的90.04%。因此,本文以張家口市為例,基于張家口市第二次全國農村土地調查成果和社會經濟數據,構建了張家口市土地利用格局的多分類logistic回歸模型,對其耕地、園地、林地和草地的空間分布格局進行了模擬和預測,以期為張家口市未來土地利用變化情景分析及其土地利用管理決策提供科學依據。2氣候特點及自然條件張家口市位于河北省西北部,轄4區13縣,分為壩上、壩下兩個不同的自然區域,總面積3.69萬km2。壩上屬內蒙古高原南緣,海拔1300~1600m,地勢平坦,氣候涼爽,面積1.24萬km2,占總面積的33.6%。壩下地處華北平原與內蒙古高原的過渡帶,海拔500~1200m,山巒丘陵與河谷盆地相間分布,面積2.45萬km2,占總面積的66.4%。張家口市屬大陸性季風氣候,四季分明,雨熱同期,年降水量300~500mm,屬于半干旱地區,自然植被覆蓋以灌木草地為主。至2009年底,張家口地區共有423.5萬人,國民生產總值800.34億元,城鎮居民家庭人均可支配收入13246元,農民人均純收入3559元。3數據收集和研究方法3.1土地利用格局本文所用的張家口市土地利用空間圖形數據來源于第二次全國農村土地調查成果,其地類按土地利用現狀分類標準分為8個一級地類和40個二級地類,本研究沿用了原8個一級地類建立土地利用空間分布格局模型。土地利用空間分布格局既受自然因素又受社會經濟影響,根據研究區實際情況,本文選取高程、坡度、降雨量、國民生產總值、全社會固定資產投資、人口密度以及至河流、公路、水庫水面、村莊、建制鎮距離作為影響土地利用格局的因子(表1)。河流、道路、水庫水面、建制鎮和村莊空間圖層均從第二次全國農村土地調查成果圖件中提取。1∶25萬DEM數據(柵格大小為100m×100m)來自國家基礎地理信息中心。降雨量、社會經濟數據來自《張家口經濟年鑒》。為了構建多分類logistic回歸土地利用格局模擬模型,在ARCGIS9.3軟件支持下,將各空間因子圖層統一配準到高斯克呂格投影,西安80坐標系統下,轉化為200m×200m的柵格數據。各變量的具體處理與分析過程見表1。3.2土地異質性分析在實際問題中,因變量不一定就是發生和不發生兩種情況,而可能有多種取值,因此本文采用多分類logistic回歸用于土地利用格局模型的建立。Logistic回歸模型沒有關于變量分布的假設條件,也不需要假設它們之間存在多元正態分布,最終以事件發生概率的形式提供結果,擬合得出的Logistic回歸模型參數估計采用最大似然估計方法。記土地利用類型是因變量y有c個取值,從0取到c-1,并且設定y=0是參照組,自變量X=(x1,x2,…,xp),那么y的條件概率式中k=0,1,2,…,c-1。相應的logistic回歸模型為:顯然Y0=0。本研究中因變量y取值為1、2、3、4、5、6、7、8,分別代表耕地、園地、林地、草地、水域、交通運輸用地、城鎮村及工礦用地、其他土地;由于草地是研究區主要的自然覆被類型,且在全區分布最均勻,因此設定草地(y=4)是參照組。發生比率Exp(β)是β系數的以e為底的自然冪指數,是衡量解釋變量對因變量影響程度的重要指標,是事件的發生頻數與不發生頻數之間的比值。發生比率表示影響因素每增加或減少一個單位,各地類分布概率的變化情況(Exp(β)<1,發生比減少;Exp(β)=1,發生比不變;Exp(β)>1,發生比增加)。本文運用ROC曲線檢驗各地類擬合優度。ROC曲線下的面積值(AUC)在1.0和0.5之間。AUC越接近于1,說明擬合效果越好。AUC在0.5~0.7時有較低準確性,AUC在0.7~0.9時有一定準確性,AUC在0.9以上時有較高準確性。4合優度roc檢驗運用統計分析軟件Stata7運行模型,對各變量進行顯著性檢驗,各地類預測分布概率進行擬合優度的ROC檢驗。綜合考慮模型驅動因子種類以及張家口市土地利用現狀以農用地為主(占土地總面積的90%),因此重點分析耕地、園地、林地、草地(草地為參照組無回歸系數)四種土地利用類型的空間分布格局,并對耕地、園地、林地、草地的預測分布概率進行ROC檢驗和空間模擬。4.1模型回歸的結果分析4.1.1各影響因素的顯著性分析張家口市48.4%的土地為山地丘陵,35%為壩上高原,地形地貌是影響張家口市耕地分布的重要因素。從張家口市土地利用現狀看,耕地主要分布在壩上地區以及壩下西部、南部的丘陵山前地帶。耕地空間分布格局模型中各回歸系數的顯著性檢驗結果顯示(表2),除至鄉鎮距離對耕地分布影響不顯著外,其余各因素對耕地的分布格局影響均通過顯著性檢驗。由各影響因素的貢獻程度(回歸系數)和發生比可見,坡度對耕地分布格局的影響最大,且與耕地分布格局呈負相關,坡度每增加1度,耕地分布的概率將減少0.818倍;其次是降雨量,與耕地分布格局呈負相關,說明降雨量對耕地分布的影響相對于草地要弱。據統計數據,2009年張家口地區耕地有效灌溉面積為25.38萬hm2,占耕地總面積的26.19%。模型結果也反映出距離河流越近,耕地出現可能性越高。此外,至村莊距離、高程、人口密度對耕地的分布格局影響也較大:離村莊越遠,海拔越高,耕地出現可能性越低;人口密度與耕地分布呈正相關,說明相對于草地,耕地在人口集聚的地區分布概率增加,這與耕作對勞動力的需求特性是吻合的。經濟發展水平較高的地區,建設用地分布面積較大,耕地轉為建設用地的可能性也越大,全社會固定資產投資、GDP和耕地的分布格局呈負相關,即經濟越發達,耕地出現概率越小。4.1.2各影響因素的回歸分析張家口市園地主要分布在壩下地區的南部懷來縣、涿鹿縣和蔚縣一帶,屬中低山區。園地模型中各回歸系數的顯著性檢驗結果(表3)顯示,各因素均對園地的分布格局均有顯著性影響。由各因素的影響程度(回歸系數)和發生比率可見,對園地分布影響最大的因素是坡度和降雨量:隨著坡度增加,園地的分布概率降低,坡度每增加1°,園地出現的概率減少0.95倍;相對于草地,園地對降水的依賴性較低,表現為與降雨量呈負相關。此外,高程、至村莊距離和人口密度對園地分布格局的影響也較大,其中高程和至村莊距離的回歸系數為負,說明離村莊越遠,園地出現概率越低;高程每增加1m,園地出現概率降低0.996倍;人口密度的回歸系數為正,說明人口集聚的地區,園地分布概率越高。4.1.3各影響因素的回歸系數和發生比率張家口市林地主要分布在東部赤城縣、崇禮縣以及毗鄰北京市的懷來縣、涿鹿縣、蔚縣一帶,是京津冀地區防風防沙的重要屏障。林地模型中各回歸系數的顯著性檢驗結果(表4)顯示各影響因素均對林地分布有顯著影響。從各因素的影響程度(回歸系數)和發生比率可以看出,對林地影響最大的因素是坡度、降雨量和高程。坡度、降雨量和高程對林地分布影響與耕地、園地相反,其回歸系數均為正,說明隨著坡度增大,海拔增加,林地分布概率增大,且林地比草地更依賴于自然降水,降雨量越大的地區,林地分布概率越大,坡度每增加1°,林地出現概率增加1.013倍;降雨量每增加1mm,林地出現概率增加1.0065倍;海拔每增加1m,林地出現概率增加1.0014倍。此外,人口密度、至村莊距離也對林地分布影響較大:人口密度越大的地區,林地的分布概率越低;至村莊距離越遠,林地的分布概率越高。GDP和全社會固定資產投資等因素對林地分布幾乎不產生影響。4.2土地利用類型的擬合優度檢驗對回歸結果的檢驗,采用了Pontius等提出的ROC(RelativeOperatingCharacteristics)方法。ROC檢驗結果顯示,各土地利用類型擬合度分別為:耕地0.7732,園地0.8800,林地0.7432,草地0.6750,說明模型的擬合優度較好。其中草地的預測精度相對較低,是由于近年來張家口市由于退耕還草和生態保護等措施,在土地利用類型上呈現出草地與耕地、草地與林地間互相轉換的特征,草地在數量和空間上變化劇烈,如1985年到2000年間,草地轉出109.17萬hm2,轉入67.17萬hm2。4.3不同地類分布概率的模型評估根據Logistic回歸模型結果,分別對耕地、園地、林地和草地格局的空間分布概率進行計算與模擬(圖1)。如圖1所示,根據多分類Logistic回歸模型得到的土地利用類型空間分布概率與2009年土地利用類型的真實空間分布基本是一致的,即土地利用類型的真實分布區是預測分布概率相對較高的區域。根據各地類的分布概率值范圍,分別設定閾值,即分布概率大于閾值以上的柵格默認為相應地類,通過疊加統計,得到與實際對應地類格局的重疊柵格數,重疊柵格數與實際該地類所占柵格數相比得到模擬準確率。參考各地類預測分布概率的自然斷點,設定耕地分布概率閾值為0.25(概率在0.25以上柵格占柵格總數的52.38%),則耕地空間格局模擬的準確率達84.27%;設定園地分布概率閾值為0.07(概率在0.07以上柵格占柵格總數的21.17%),則園地模擬準確率達77.16%;設定林地分布概率閾值為0.25(概率在0.25以上柵格占柵格總數的53.71%),則林地模擬準確率達77.60%;設定草地分布概率閾值為0.25(概率在0.25以上柵格占柵格總數的62.99%),則草地模擬準確率達79.13%。由于土地利用系統的復雜性,土地利用空間分布的預測準確性很難達到85%以上,很少有模型能考慮到所有影響因素,精確預測土地利用變化。因此,本文模擬結果能夠滿足土地利用空間分布預測的需要,為張家口地區未來土地利用變化情景分析與土地利用管理決策提供科學依據。5多分類logistic回歸模型的擬合效果(1)降雨量、坡度、高程、人口密度、至村莊距離是影響張家口市耕地、園地、林地空間分布格局的重要因素,相比于張家口地區自然覆被類型草地,坡度、高程、至村莊距離與耕地、園地的分布概率呈負相關,與林地呈正相關;耕地、園地用水主要靠灌溉保證,而草地生態系統的穩定則依賴于自然降水,這與張家口市地處半干旱地區,地形以山地丘陵為主有密切關系;人口越密集的地區,耕地、園地出現可能性越高,而GDP、固定資產投資等經濟因素對農用地影響作用較小。可見,地形地貌和水資源條件是影響張家口市農用地空間分布和制約農業發展以及生態穩定的主要因素。(2)各地類的ROC檢驗顯示模型的擬合效果良好,空間模擬的結果顯示該多分類logistic回歸模型對于地類空間分布的預測較準確,在設定閾值下,耕地、園地、林地、草地模擬準確率分別達到84.27%、77.16%、77.60%和79.13%。可見,應用多分