CN105488346A - 一种大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟方法，该方法包含三个步骤：首先，对大尺度土地覆盖类型和自然植被生态系统类型的空间相似性和一致性进行定量分析，求算二者之间的对应概率；其次，结合土地覆盖百分比系数、以及人口、交通和GDP的空间分布密度系数，构建土地覆盖变化最大转移概率的空间分析模型；最后，结合国家自然保护区、重点生态功能区、退耕还林还草以及基本农田的管理政策，建立政策因素驱动的限定规则，进而构建土地覆盖变化最大转移概率的空间分析模型，实现大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟。该方法不仅能有效地实现自然气候和人文因素双重驱动作用下的大尺度土地覆盖变化的空间模拟，而且具有很强的可操作性。

Description

一种大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟方法

技术领域

本发明涉及一种大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟方法，适用于全球变化研究领域。

背景技术

全球变化是21世纪人类面临的最大和最复杂的生态环境问题。自国际地圈-生物圈计划(IGBP)全球环境变化研究中的人文领域计划(IHDP)1995年联合提出“土地利用和土地覆盖变化”(LUCC)核心研究计划以来，土地覆盖变化作为全球变化的重要组成部分和导致全球变化的主要原因，一直是全球变化领域的研究核心和焦点内容之一。土地覆盖变化作为全球环境变化的主要承载形式，直接影响着生物地球化学循环、水土流失和生物多样性，并引起生态系统服务功能结构的改变，从而影响生态系统满足人类需求的承载能力，进而影响生态系统与人类社会的可持续发展。因此，如何构建以一种科学有效的大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟方法，对于全球气候变化情景的模拟和预测，以及如何改进全球变化适应性战略和减缓气候变化对土地覆盖的影响等均具有重要的科学和现实意义。

土地覆盖变化是自然要素和人文要素在复杂的地球表层共同作用和相互耦合的结果。如何在深入分析和认识气候、地形、土壤、植被分布等自然要素与人口密度、经济水平、交通状况、政策管理等人文要素之间的相互作用机理和驱动机制，是构建土地覆盖变化空间预测模型的重要研究内容。在土地覆盖模型的研究进程中，特别是自21世纪以来，国内外学者从不同的角度出发，结合不同的研究目的，相继发展了一系列土地覆盖模型，但这些模型概括起来存在以下两个缺陷：第一，有关土地覆盖的大多数统计分析模型，主要利用土地覆盖的历史数据和现状数据，对土地覆盖从过去到现状的时空变化过程进行统计和分析，而无法对土地覆盖的未来变化进行模拟和与预测；第二，目前构建的大多数土地覆盖预测模型，主要针对于小区域尺度的建设用地和农业用地如何变化而构建，虽然能够比较全面地考虑人口、经济、交通等人文要素对小区域尺度土地覆盖类型及其空间变化的影响，进而设计未来情景模型，但由于模型参数及其参数因子之间的驱动过为复杂，而无法运用于大尺度土地覆盖未来变化的空间预测模拟。

因此，如何针对以上模型缺陷，在全球气候变化背景下，充分考虑自然要素和人文要素的双重作用，构建自然要素和人文要素共同驱动的适用于大尺度空间格局上的土地覆盖变化的空间预测方法，实现对全国乃至全球尺度的土地覆盖时空变化趋势的模拟和预测，已日益成为全球变化研究领域共同关注的热点和难点问题。本发明正是基于上述科学问题，在对自然植被生态系统类型与土地覆盖类型分布的空间相似性和一致性特征进行定量对比分析的基础上，提出一种适用于大尺度土地覆盖未来变化的空间预测和模拟方法。该方法不仅考虑到现有土地覆盖变化模型的尺度问题，而且能够在自然气候变化驱动下考虑人口密度、交通状况、生态保护政策规划等人文因素对土地覆盖变化的影响，实现大尺度土地覆盖变化的空间模拟和预测，同时具有很强的可操作性。

发明内容

本发明旨在于深入分析和定量揭示自然植被生态系统类型与土地覆盖类型在空间分布上的空间相似性和一致性特征，并结合土地覆盖现状及其各类型的空间分布比率量化因子的基础上，综合考虑交通密度、人口密度、人均GDP等人文要素，以及国家自然保护区、国家重点生态功能区以及基本农田保护的国家政策对土地覆盖变化的驱动和影响作用，提出一种大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟方法，实现对自然要素和人文要素共同驱动下的大尺度土地覆盖变化的空间预测和模拟分析，从而解决目前土地覆盖变化模型无法用于大尺度乃至全球尺度的模型缺陷，进而为深入研究和定量评估大尺度土地覆盖变化对全球变化的响应效应提供方法和技术支持。为了实现上述目的，本发明采用的关键技术方案包括以下步骤：

整个技术流程主要分为三个步骤，首先对大尺度土地覆盖类型和自然植被生态系统类型的空间相似性和一致性进行空间对应机理分析，结合土地覆盖类型现状、自然植被生态系统类型现状及其未来某一时段的空间分布数据，求算二者各类型之间发生相互转换的最大对应概率；其次求算每一种土地覆盖类型在空间栅格单元上分布的百分比系数，以及求算交通密度、人均GDP和人口密度的空间分布密度系数，并与自然植被生态系统类型与土地覆盖类型之间的对应概率进行综合集成，从而构建土地覆盖变化的最大转移概率的空间综合分析模型；最后根据国家自然保护区政策、国家重点生态功能区政策、国家退耕还林还草政策以及基本农田保护政策，建立政策因素对土地覆盖变化的影响和限定规则，并参与到土地覆盖变化概率的空间预测判别和模拟分析，进而在栅格层次上实现某一个时段内每一个栅格单元的土地覆盖变化的空间预测和模拟分析。

第一步、求算自然植被生态系统类型与土地覆盖类型之间的对应概率

1-1)修正HLZ模型的参数输入模式，模拟不同时段内的自然植被生态系统类型的空间分布；

1-2)对比分析大尺度土地覆盖类型和自然植被生态系统类型的空间相似性和一致性，并结合土地覆盖数据和某两个时段的自然植被生态系统数据，求算自然植被生态系统类型与土地覆盖类型在空间分布上的对应概率。

第二步、构建土地覆盖类型变化最大转移概率的空间分析模型

2-1)利用人口、交通道路和人均GDP的空间分布数据，分别求算其相应的空间分布密度系数；

2-2)综合集成自然植被生态系统与土地覆盖类型在空间分布上的对应概率、土地覆盖百分比系数、以及人口、交通和人均GDP的空间分布密度系数，构建土地覆盖变化最大转移概率的空间分析模型。

第三步、构建政策因素对土地覆盖可能变化的限定规则，实现大尺度土地覆盖变化的空间预测和模拟。

3-1)基于国家自然保护区、重点生态功能区、退耕还林还草以及基本农田保护的相关土地利用政策，建立政策因素对土地覆盖变化的影响和限定规则；

3-2)结合第二步构建的土地覆盖变化最大转移概率的空间分析模型，实现大尺度土地覆盖变化的空间预测和模拟分析。

附图说明

图1是本发明的主流程示意图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示本发明公开了一种大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟方法，包括以下步骤：

第一步、求算自然植被生态系统类型与土地覆盖类型之间的对应概率；

第二步、构建土地覆盖类型变化最大可能性概率的空间分析模型；

第三步、构建政策因素对土地覆盖可能变化的限定规则，实现大尺度土地覆盖变化的空间预测和模拟。

以下对具体步骤进行详述：

求算自然植被生态系统类型与土地覆盖类型之间的对应概率。该步骤首先在将HLZ模型(Holdridge，L.R.，1947.Determinationofworldplantformationsfromsimpleclimatedata.Science105(2727)，367-368.)的模型输入参数形式从不连续的离散点修正为连续的空间栅格单元的基础上，实现不同时段内的自然植被生态系统类型的空间分布模拟。模型修正后的空间分析公式可表征为：

$D_i(x,y,t)=\sqrt{{\left(BT\right(x,y,t)-{\mathrm{LBT}}_{i0})}^2+{\left(LR\right(x,y,t)-{\mathrm{LRT}}_{i0})}^2+{\left(LP\right(x,y,t)-{\mathrm{LPT}}_{i0})}^2}---\left(1\right)$

式中，BT(x，y，t)、LR(x，y，t)和LP(x，y，t)分别t时段栅格单元(x，y)的年平均生物温度、年平均降水量及潜在蒸散比率的以2为底的对数值；LBT_i0、LRT_i0和LPT_i0则分别为HLZ模型判别体系统中第i种自然植被生态系统类型所代表的空间位置的年平均生物温度、年降水量及年潜在性蒸散率的标准值；当D_j(x，y，t)＝min{D_i(x，y，t)}时，t时段栅格单元（x，y)的值被赋值为第j类自然植被生态系统类型。

其次，运用地理信息系统的空间叠加分析方法，对整个研究范围内没一个栅格单元的土地覆盖类型数据和与其对应的时段的自然植被生态系统类型的空间分布数据进行空间叠加，并对其空间分布格局的相似性和一致性进行对比分析。并在此基础上，加入需要模拟时段的自然植被生态系统类型空间数据，进而对自然植被生态系类型与土地覆盖类型在空间分布上的对应概率进行求算，具体计算的理论公式可表征为：

$HL\_P{(x,y)}_{k,t+1}=\frac{1}{2}(1+\frac{HLZP{(x,y)}_{k,t+1}-HLZP{(x,y)}_{k,t}}{HLZP{(x,y)}_{k,t+1}+HLZP{(x,y)}_{k,t}})---\left(2\right)$

式中，HLZP(x，y)_k，t和HLZP(x，y)_k，t+1分别表示t和t+1时期栅格单元(x，y)的自然植被生态系统类型对应t时期的第k种土地覆盖类型的概率；HL_P(x，y)_k,t+1表示综合考虑t和t+1两个时期的栅格单元(x，y)的自然植被生态系统类型与第k种土地覆盖类型的综合对应概率。

构建土地覆盖类型变化最大可能性概率的空间分析模型。该步骤首先分别对人口密度、交通密度和人均GDP的空间分布数据进行空间归一化处理，进而获得各自空间分布的密度系数(密度系数范围均为0～1之间)，具体的空间归一化计算公式可表达为：

$PI{(x,y)}_{k,t}=\frac{PN{(x,y)}_{k,t}-Min\left\{PN{(x,y)}_t\right\}}{Max\left\{PN{(x,y)}_t\right\}-Min\left\{PN{(x,y)}_t\right\}}---\left(3\right)$

$TI{(x,y)}_{k,t}=\frac{TD{(x,y)}_{k,t}-Min\left\{TD{(x,y)}_t\right\}}{Max\left\{TD{(x,y)}_t\right\}-Min\left\{TD{(x,y)}_t\right\}}---\left(4\right)$

$EI{(x,y)}_{k,t}=\frac{GDP{(x,y)}_{k,t}-Min\left\{GDP{(x,y)}_t\right\}}{Max\left\{GDP{(x,y)}_t\right\}-Min\left\{GDP{(x,y)}_t\right\}}---\left(5\right)$

式中，PI(x，y)_k，t、TI(x，y)_k，t和EI(x，y)_k，t分别表示t时段栅格单元(x，y)处第k类土地覆盖类型所对应的人口空间分布密度系数、交通可达性空间分布密度系数和人均GDP空间分布密度系数；PN(x，y)_k，t、TD(x，y)_k，t和GDP(x，y)_k，t分别表示表示t时段栅格单元(x，y)处第k类土地覆盖类型所对应的人口密度值、交通可达性值和人均GDP值；Min{PN(x，y)_t}、Min{TD(x，y)_t}和Min{GDP(x，y)_t}分别表示t时段研究区域所有栅格单元(x，y)内分布的人口密度、交通可达性和人均GDP最小值；Max{PN(x，y)_t}、Max{TD(X，y)_t}和Max{GDP(x，y)_t}分别表示t时段研究区域所有栅格单元(x，y)内分布的人口密度、交通可达性和人均GDP最大值。

其次，综合集成自然植被生态系统与土地覆盖类型在空间分布上的对应概率、土地覆盖百分比系数、以及人口、交通可达性和人均GDP空间分布的密度系数，构建土地覆盖变化最大可能性概率的空间分析模型，其理论公式可表达为：

$LC\_P{(x,y)}_{k,t+1}=\frac{1}{5}(PI{\left(x,y\right)}_{k,t}+TI{\left(x,y\right)}_{k,t}+EI{\left(x,y\right)}_{k,t}+LP{\left(x,y\right)}_{k,t}+HL\_P{\left(x,y\right)}_{k.t+1})---\left(5\right)$

$LC\_T{(x,y)}_{t+1}=Value{\left(k\right)}_{Max\{LC\_P{(x,y)}_{k,t+1}|k=1,2,\mathrm{3......13}\}}---\left(6\right)$

式中，LC_P(x，y)_k，t+1为t+1时段栅格单元(x，y)处出现第k类土地覆盖类型的可能性概率；LP(x，y)_k，t为t时段栅格单元(x，y)处第k类土地覆盖类型的百分比系数；LP(x，y)_k，t满足LC_T(x，y)_t+1为t+1时段栅格单元(x，y)处的最有可能土地覆盖类型；k＝1，2，3......13分别表示13种土地覆盖类型的数值编码。其余参数含义同上。

构建政策因素对土地覆盖可能变化的限定规则，实现大尺度土地覆盖变化的空间预测和模拟。该步骤首先分别根据国家自然包保护区(NR)、重点生态功能区(ER)、退耕还林还草和基本农田(BC)保护的相关规定和政策，在土地覆盖变化空间模拟分析过程中设置如下限定规则：在NR区域内的土地覆盖类型禁止转换为耕地和建设用地、在ER区域内的土地覆盖类型禁止转换为建设用地、坡度(SLOPE)大于25度以上的土地覆盖类型禁止转化农业用地、以及在BC区域内的土地覆盖类型禁止转换成为耕地以外的其它土地覆盖类型。这些限定规则可用以下逻辑判断公式进行表达。

式中，LC_T(x，y)_t表示t时段栅格单元(x，y)处的土地覆盖类型；SLOPE(x，y)表示t时期栅格单元(x，y)的坡度；Lcrop(x，y)_t分别表示t时段栅格单元(x，y)处的土地覆盖类型为耕地；Lcrop和Lbuilt分别表示耕地和建设用地类型；其余参数含义同上。

其次，利用公式(5)求解t+1时段整个研究区域范围内所有栅格单元出现各种土地覆盖类型的可能性概率，运用最大可能性概率计算公式(6)对t+1时段栅格单元(x，y)处的具有最大可能性概率的土地覆盖类型进行识别，并结合土地覆盖类型限定规则的逻辑判断公式(7)，对t+1时段的每一个栅格单元(x，y)处的土地覆盖类型最大可能值进行赋值和求解。在利用限定规则的判别条件的过程中，如果公式(6)的最大值，不满足公式(7)的任何一个条件，则利用公式(6)中位土地覆盖类型可能性概率值为第二的类型进行赋值，以此类推，直至t+1时段的每一个栅格单元(x，y)处的土地覆盖类型均赋值完成，最终实现整个研究区域t+1时段的土地覆盖空间模拟分析。

利用本发明的方法，结合全国20世纪80年代和21世纪开始10年的1公里格网的自然植被生态系统空间分布数据和20世纪80年代的土地覆盖数据，以及2000年的1公里格网的人口、交通、人均GDP空间数据和国家自然保护区、重点生态功能区、基本农田保护区和退耕还林还草的相关数据，对全国2010年的常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林、灌丛、草地、湿地、耕地、建设用地、冰雪、荒漠及裸岩石砾、水体等13种土地覆盖类型的空间分布进行模拟。采用如公式(8)和(9)所示的总体精度评估方法和Kappa系数验证方法，将全国2010年土地覆盖的模拟值和遥感影像解译值进行精度验证和对比分析得出总体精度和KI系数分别为90.25％和87.96％。此模拟结果表明，该专利发明的方法可以有效地运用于全国大尺度的土地覆盖变化空间预测模拟。

Claims (1)

1.一种大尺度土地覆盖变化的空间预测模拟方法，其步骤包括：

第一步、求算自然植被生态系统类型与土地覆盖类型之间的对应概率

1-1)修正HLZ模型的参数输入模式，模拟不同时段内的自然植被生态系统类型的空间分布；

1-2)对比分析大尺度土地覆盖类型和自然植被生态系统类型的空间相似性和一致性，并结合土地覆盖数据和某两个时段的自然植被生态系统数据，求算自然植被生态系统类型与土地覆盖类型在空间分布上的对应概率。

第二步、构建土地覆盖类型变化最大转移概率的空间分析模型

2-1)利用人口、交通道路和人均GDP的空间分布数据，分别求算其相应的空间分布密度系数；

2-2)综合集成自然植被生态系统与土地覆盖类型在空间分布上的对应概率、土地覆盖百分比系数、以及人口、交通和人均GDP的空间分布密度系数，构建土地覆盖变化最大转移概率的空间分析模型。

第三步、构建政策因素对土地覆盖可能变化的限定规则，实现大尺度土地覆盖变化的空间预测和模拟。

3-1)基于国家自然保护区、重点生态功能区、退耕还林还草以及基本农田保护的相关土地利用政策，建立政策因素对土地覆盖变化的影响和限定规则；

3-2)结合第二步构建的土地覆盖变化最大转移概率的空间分析模型，实现大尺度土地覆盖变化的空间预测和模拟分析。