北京市城乡交错带土地变化模拟及管控对策研究
第 1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
土地是人类赖以生存与发展的重要资源和物质保障。近年来，随着人口的增加和技术的进步，人类为了满足他们日益增长的需求，对土地的索取也日益加剧，以至于土地利用规模不断扩大、土地利用强度也日益加深，从而导致地表形态的改变、全球气候的显著变化、生物物种的大量减少。同时，土地利用变化对环境的可持续发展产生了巨大的影响，土地利用变化也被确认为影响全球环境变化的主导因素之一，是全球的可持续发展研究的重要组成部分。土地利用/土地覆被变化（LUCC）是全球环境变化的重要组成部分和主要原因之一，近年来，LUCC研究一直是研究的前沿与热点。LUCC不仅仅影响着人类生存与发展的自然基础，这些自然基础包括气候、植被、土壤、水资源、生物等，也影响着地球生物化学圈层的构造、功能以及地球系统能量与物质循环等其他方面。它与在人类发展过程中所引起的全球气候、生物多样性和生态环境变化，以及这两者之间的可持续发展是不断相互作用、相互联系的。同时，作为人类的社会经济活动之一，LUCC是人类不断影响地球生态环境发生过变化的方式之一。
加强生态环境整治和保护，确保社会经济的健康、稳定和可持续发展，已成为世界各国的共识和共同面临的任务。人类开始意识到环境问题的重要性，土地利用变化问题也逐渐成为全球生态环境变化以及可持续发展议题的焦点之一。由于土地利用变化对可持续发展有着显著的影响，目前土地利用变化及其相关研究是全球可持续发展研究的主要方向。随着对可持续发展的进一步深化研究，人们开始逐渐意识到，人类可持续发展要以地球生态系统、生物圈、生态系统服务的可持续发展为前提。其中，生态系统和生态服务功能的可持续性是最主要的决定因素。因此在土地利用和管理中，要以生态效益评价为基础，淘汰一些生态效益比较低的土地利用方式。以谢高地为代表的专家学者开始对全球或区域的生态系统的服务功能及其价值的评价进行研究，标志着生态系统的服务功能的定性研究向定量研究的转变。这些研究的对象包括森林、草原、湿地等各个不同的生态系统，研究尺度主要是针对全球、国家、省级等大尺度研究，对于中小尺度的区域生态系统功能及其价值的评价研究比较缺乏。并且，我国对于该项研究还有评价方法选择不当、评价结果准确性偏低等不足之处。
1.2 国内外研究概况
1.2.1 土地利用/土地覆被变化的相关研究概况
(1) 国外研究概况
土地利用/土地覆被变化的国外研究现状
在 1990年，全球变化研究委员会首次提出了全球性土地利用/覆盖变化的研究框架。随后在 1992 年，联合国制定并公布了21 世纪议程;，标志着在国际覆盖变化的相关研究快速向前发展的原因。在 1993 年，这两大组织共同建立了核心项目计划委员会;（CPPC)。在1995年这两个组织又一同编制并发表了《土地利用/土地覆被变化研究实施策略》（李秀彬，1996）。该研究成果成为土地利用/覆盖变化研究的突破口，也使其成为可持续发展研究和全球环境变化研究的重要领域之一。随后，许多相关国际组织和国家也陆续开始一系列相关研究。1994年，联合国环境署启动了土地覆被评价和模拟;项目，调查和研究东南亚地区的土地利用/覆被变化，从而确定了土地变化的热点区域，为该区域的可持续发展提供理论基础（朱现龙，2009）。1996年，美国将土地覆被变化研究作为全球变化研究的重要组成部分，并开始进行土地覆被变化、监测以及温室气体排放、控制等相关研究。在国际地圈与生物圈计划;（IGBP）和全球环境变化人文因素计划;（IHDP）开展 15年以来，获得了丰硕成果和长足的进步，并且在2002年步入一个崭新的阶段（ansen.L.，2002）。2003 年，IGBP 和 IHDP 制定了重点研究领域并提出了相关问题，为以后的土地利用变化研究指明了方向（Ojima.D，2005）。2005 年，IGBP 和 IHDP 又共同制定了研究计划和实施策略，使得今后的土地变化研究具有更强的操作性（彭建，2006）。
元胞自动机在土地利用变化方面的国外研究现状
20 世纪 40 年代，S.Ulan 首次提出元胞自动机，这是一个时间、空间、现实都是离散的，是由局部规则来控制的格网动力模型，也是用于模拟和预测复杂系统变化的有效工具。随后，Hagerstrand在空间扩展模型中首先运用了元胞自动机思想，这是元胞自动机在地理学领域的最初应用。1968年，美国学者的ChaPin和Weiss 将基于土地利用变化研究提出了离散动态模型，此模型与元胞自动机模型的原理十分相似（Goodchild，2008）。Tobler 运用元胞自动机模型对美国五大湖区的城市土地利用变化进行模拟，研究认为元胞自动机模型在对复杂地理现象进行模拟方面有十分态的优势。Tobler 指出地理领域因子是地理模型的核心特征，因此包含领域概念和具有时空变化模拟能力的元胞自动机模型可以满足地理模型的需求，并将元胞自动机模型的提出与应用称为地理动态模拟的革命。到80 年代，随着对于元胞自动机研究的日益深入，元胞自动机模型在地理学方面的应用越来越广泛。Couclelis运用元胞自动机方法进行复杂系统的研究，分析了元胞自动机在地理学中应用的潜力，探索了其在城市地理学和城市规划学中的应用。Couclelis的工作为元胞自动机在地理学中的应用奠定了基础(Couclelis，1985;Couclelis，1997)。90 年代以后，元胞自动机在地理学及其相关领域得到广泛应用，特别是土地利用变化模拟的研究。1994年，Batty应用元胞自动机模型对布法罗市的土地利用变化进行了模拟，该研究是元胞自动机模型在城市扩展方面的首次系统性的应用。随后，White和Engelen 基于元胞自动机思想，设计了一个用于城市土地利用变化模型，并将其应用于美国 Cincinnati，Houston，Milwauee 和 Atlanta 等城市扩展研究。1997 年，Clare 和 Gaydos 提出 SLEUTH模型，并将其用于了美国旧金山海湾区和华盛顿等城市土地利用变化的模拟与预测。这些研究使用了不同的方法来模拟不同区域的土地利用变化，取得了令人满意的成果，也证明了元胞自动机模型适用于城市土地变化模拟，并可以为土地的合理利用和布局提供决策支持。
第 2章 理论基础与方法
2.1 理论基础
2.1.1 城市精明增长理论
精明增长;理论是20 世纪90 年代针对美国的城市蔓延;问题提出的，以提高土地利用效率为目的，采取城市管理措施，从而实现社会、经济和环境协调发展的一种紧凑、集约、高效的城市增长模式。城市精明增长以控制城市蔓延、促进城市再发展、保护生态环境、提高城市生活质量、促使城市社会、经济、环境协调发展、最终使城市实现可持续发展为目的。在城市土地利用中，借鉴城市精明增长理论，通过采取土地混合利用、土地保护、土地整治以及废弃地再开发等措施，抑制城市蔓延，从而实现城市的精明增长。另外，TOD;发展模式、城市增长边界;、城市的废弃地再利用都是美国抑制城市蔓延的主要对策，也为城市边缘区的土地的高效集约利用提供了参考模式。
2.1.2 可持续发展理论
可持续发展产生于二十世纪后期，是人类社会发展的一种理性模式，其常用的表示是指满足当代人的需要，又不损害子孙后代满足其自身需求能力的发展;，确保人口、环境、资源、社会与经济的协调发展。土地资源是人类最重要的自然资源，是社会经济发展的物质基础，其可持续利用是人类可持续发展最重要的组成部分。土地资源的可持续利用在发挥土地的养育功能、景观功能的同时，确保了陆地生态系统的完整，提高土地生态系统的环境缓冲能力并保持其平衡性，为区域的可持续发展提供坚实的物质基础和生态屏障。1993 年，世界粮农组织颁布《可持续土地利用评价纲要》，制定了土地可持续利用的基本原则、程序和管理要求，保护和加强生产力、降低生产风险、挖掘自然资源潜力和防止水土退化，实现经济上可行和社会可接受。实现土地利用的可持续性，也是土地利用系统演化的目标，是一个良性土地利用系统的必然要求。因此，在土地利用系统可持续发展中，必须以可持续发展理论为指导，借鉴可持续发展的含义为土地利用系统的良性发展提供科学指导（钟海燕，2021）。
2.2 研究方法
目前用于土地利用变化模拟的技术方法较多，基于过程的动态模拟的模型主要包括元胞自动机（CA）模型、系统动力学（SD）模型、CLUE模型、智能体（Agent-based）模型等。本研究采用 CA-Marov 模型来研究城乡交错带的土地利用变化情况。
2.2.1 Marov 模型
马尔可夫预测方法是基于俄国数学家马尔可夫的随机过程理论而形成的一种预测事件发生概率的一种方法（Robert，1979）。根据不同现实下的初始概率和各现实之间的转移概率，确定各个现实的变化趋势，以预测未来的现实。马尔可夫过程是指，当系统的描述量变化时，一个现实的特征值向另外一个现实转移的过程。该过程具有无后效性和稳定性的特点。无后效性是指在事件的发展过程中，系统的结果现实只与前一次现实关于，与其他现实无关；稳定性是指在一定时间内，马尔可夫过程逐渐处于稳定现实，与初始现实无关。马尔可夫模型的主要步骤是确定土地利用转移概率矩阵。土地利用类型之间的相互转移面积数量的比例组成的矩阵即为土地利用转移概率矩阵，形式如下所示：
式中 n 为土地利用类型。
同时，我们可以根据下面的公式预测土地利用的数量变化： S（T）=Pij*S（T0）
选取马尔可夫模型模拟土地利用变化需要达到以下要求：一是土地利用类型的转换方向具有不确定性，不能用简易的函数表示；二是土地利用变化是一个平稳的过程，在较长时间内不会变化（梁发超，2008）。由于马尔可夫模型是一个时间和现实均离散的动力学模型，侧重于土地利用变化的数量方面的预测，对空间变量模拟方面较弱，无法用于土地利用变化的空间结构的模拟预测。另外，马尔可夫模型预测是依据转移概率矩阵和土地利用现实对土地利用变化进行模拟预测。它所考虑的驱动因素是相同的，但是土地利用变化是一个复杂的过程，不仅受到自然因素、社会经济因素的影响，同时也受到人为因素和土地利用政策、经济发展政策等一系列政策因素的影响。因此，限定其驱动力因素，会导致土地利用类型之间的转换概率发生一定的变化，致使土地利用变化模拟预测的精度降低。
第3章 土地利用变化分析及竞争关系研究 ........... 18
3.1 北京市城乡交错带的界定 ............ 18
3.1.1 城乡交错带的含义 ............... 18
3.1.2 北京市城乡交错带的界定 .................... 19
第4章 基于CA-Marov模型的土地利用变化模拟............ 34
4.1 数据来源及处理................... 34
4.1.1 数据来源及分类........... 34
4.1.2 GIS 平台下的数据处理 ................... 35
第5章 城乡交错带的管控对策 ................. 49
5.1 城乡交错带土地利用管控体系 ............ 49
5.2 城乡交错带土地管控对策 ........... 51
第 5章 城乡交错带的管控对策
5.1 城乡交错带土地利用管控体系
在 2021 年全国国土资源工作会议上，国土资源部部长姜大明指出，500 万人口以上的城市要在其周边划定永久基本农田，并且原则上除生活用地外，不再安排新增建设用地，其土地利用以盘活土地存量为主。北京市作为常住人口为2069.30 万的特大城市，其土地利用问题更加突出，而城乡交错带作为土地利用最为复杂和敏感的地区，其土地利用更为慎重和关键。根据系统论的观点，土地利用系统是一个开放的系统，与外界有物质和能量的交换。作用于土地单元的投入有土地改良，这些将改变土地单元的质量。作用于土地利用方式的外界投入包括物质、技术、能量等，这些都可能会改变土地利用方式。通常，外界投入的多少与系统的产出成正比。影响土地利用系统投入的因素，包括地形坡度、交通、行政中心、人口、经济政策等因素。根据相关北京市城乡交错带的实际情况和以上研究结果，得出研究区的土地利用系统如图 5-1：
第 6章 结论与展望
6.1 结论
本文以北京市城乡交错带为研究区，以其 1999年和2021年的土地利用现状数据为基础数据，基于 ArcGIS 和数理统计方法，对研究区土地利用变化情况、组合地类和单一地类之间的竞争关系进行全面分析，并探讨影响土地利用变化的自然、人口、经济政策因素等。在此基础上采用 CA-Marov 模型预测北京市城乡交错带的 2021 年的土地利用格局，对 2021-2021 年的土地利用变化趋势进行分析，并在此基础上采用生态服务价值计算法对研究区的生态环境进行评价，从而得到以下结论：
（1）通过对研究区的 2001 年和 2009 年的土地利用现状数据处理和分析，得到研究区单一地类转化成建设用的概率为 80%，而组合地类的转化概率仅为20%左右。根据城市土地竞租理论，土地利用方式通常由地租决定，土地不断向高地租的土地利用方式转变，可以得出组合地类的竞争力远高于单一地类的竞争力。
（2）根据运用 CA-Marov 模型预测得到的 2021 年土地利用格局以及 1999年、2021 年的土地利用现状数据，对研究区的 1999-2021 年的土地利用变化情况进行分析。从变化速度可以看出，2021-2021 年的土地利用变化速度明显低于1999-2021 年，由 34.17%降低到 6.43%，这与政府采取的各种调控和管理措施关于。从各地类的变化情况来看，耕地总体上表现为较少趋势，向建设用地、城市绿地、林地等其他地类的转化趋势比较明显。建设用地仍呈增加趋势，但增速有所减少。由于奥运会的举办、绿化隔离带的建设以及政府对环境的愈加重视，城市绿地的增幅比较明显。由于城市的高速发展和城镇化进程的加快，北京市城乡交错带的土地利用总体上处于不平衡，亟待采取一定的措施进行调控和管理。
（3）在土地利用变化模拟的基础上，评价北京市城乡交错带 1999、2021、2021 年的生态环境影响。从时间尺度上看，1999、2021、2021 年的生态服务价值呈逐年下降的趋势，但由于政府及人民对环境的重视，2021-2021年的减少速度明显低于1999-2021年，由34.17%降低到 6.43%。从各土地利用类型生态服务价值占总量的比例来看，耕地、水域、城市绿地的比例较高。总体来看，城市绿地呈逐年增加的趋势，但由于耕地和水域均处于减少的现实。
参考文献（略）