佳作、免费软件、测试数据|耦合人类活动与自然环境的未来土地利用变化情景模拟模型（FLUS）

转载自

微信公众号：

地理模拟系统

推荐阅读

耦合人类活动与自然环境的未来土地利用变化情景模拟模型（FLUS）

A future land use simulation model (FLUS) for simulating multiple land use scenarios by coupling human and natural effects

论文作者：刘小平、梁迅、黎夏、许晓聪、欧金沛、陈逸敏、李少英、王少剑、裴凤松

发表期刊：Landscape and Urban Planning

下载、引用

FLUS软件下载、使用说明、测试数据及引用及更新信息链接：

http://www.geosimulation.cn/flus.html

论文下载链接：

http://www.geosimulation.cn/Papers/2017LUP-FLUS.pdf

欢迎引用：Liu Xiaoping, Xun Liang, Xia Li*, Xiaocong Xu*,Jinpei Ou, Yimin Chen, Shaoying Li, Shaojian Wang, and Fengsong Pei. (2017). Afuture land use simulation model (FLUS) for simulating multiple land usescenarios by coupling human and natural effects. Landscape and Urban Planning, 168, 94–116.

摘要

土地利用和土地覆被变化（LUCC）模拟模型是分析各种情景下未来景观动态变化的有效工具。目前的模拟模型很少考虑到背景气候的影响，但气候变化对土地利用变化的影响却是不可忽视的。因此，我们提出了一种未来土地利用模拟（Future Land Use Simulation, FLUS）模型去解决这个问题，该模型能同时模拟多种土地利用变化类型的相互作用及空间动态变化。该模型在模拟预测过程中耦合了“自顶向下”的系统动力学模型（SD）和“自底向上”的元胞自动机（CA），提高了模型模拟未来土地利用格局的能力。此外，我们在CA模型中引入一种自适应惯性竞争机制，用以处理不同土地利用类型之间的复杂竞争和相互作用。该模型首先应用于中国大陆的2000年到2010年的土地利用变化模拟。结果表明，该模型的模拟精度高于之前常用的模型（例如CLUE-S和ANN-CA模型）。该模型进一步应用于2010年至2050年中国区域内的四种在不同社会经济和自然气候因素影响下的发展情景。模拟结果表明，提出的模型能有效模拟未来各种情景下的土地利用变化。另外，本文模型已经编写成为一款免费软件可供免费下载使用

（http://www.geosimulation.cn/flus.html）

1 引言

土地利用与土地覆盖变化是人类活动与自然环境之间的关键环节。众多国际科学研究计划一直将土地利用变化作为重要研究内容。而时空土地利用变化模拟模型是用于分析社会经济和自然环境驱动力与土地利用变化间相互变化的有效工具。大多数这些模型只能模拟单类土地利用的动态（城市、林地），而在许多生态过程中，我们更关注不同的土地利用类型相互作用的过程。然而，在一个模型过程中进行多种用地类型的模拟是具有挑战性的，因为不同土地利用之间存在相互作用和竞争，会导致模型的转换规则变得非常复杂。当前多类土地利用变化模型

1）不能很好的处理多类土地利用变化的相互竞争

2）不能客观有效的考虑气候背景对土地利用分布的影响

3）当前模型往往忽略了“自顶向下”的大尺度模型与“自底向上”的模拟模型的紧密耦合

2 方法

为解决以上问题，我们提出一种未来土地利用变化模拟模型（FLUS），该模型通过耦合人类和自然效应来实现未来多个情景下的土地利用变化的模拟。FLUS模型紧密耦合了“自顶向下” 的系统动力学模型（SD）和“自顶向上”的元胞自动机（CA）。 SD模型用于在区域尺度，在各种社会经济和自然环境驱动因素下对土地利用情景需求进行投影。另外，我们在CA模型中提出了一种自适应惯性竞争机制，用以处理不同土地利用类型之间的复杂竞争和相互作用。

 FLUS模型的结构如图1所示。

图1 未来土地利用模拟（FLUS）流程图

系统动力学模型通过拟合历史社会经济自然统计数据来构建，能有效用于预测未来每年各类用地的数量。本文所用系统动力学模型如图2所示：

图2 本研究建立的系统动力学（SD）模型 

另外，我们还提出了一个基于CA的模型——未来土地利用模拟（Future Land-UseSimulation, FLUS）模型——通过耦合人类和自然效应对中国范围内多类土地利用转换进行建模（图1）。模型纳入了气候因素（年降水和温度等）和土壤因素等多种影响因素，并在建模过程采用自适应惯性和竞争机制（图3）。在这种机制中，每个土地利用类型的自适应惯性系数能够根据宏观需求与当前土地利用数量之间的差异自动调整每个网格单元上土地利用的关系。综合各类用地的出现概率（由神经网络计算获得）、自适应惯性系数、邻域影响和转换限制条件，将在CA迭代过程中得到每个网格单元对各类用地的总体转换概率，再通过轮盘机制将土地利用类型分配给该网格单元。

图3 FLUS模型中的改进的元胞自动机模型

3 模型验证

以Kappa系数与Fom系数为评价指标，将FLUS模型与现有常用模型进行对比，FLUS模型的模拟精度高于其他常用的模型（例如：CLUE-S,ANN-CA,Logistic-CA）。

图4 FLUS模型与其他模型对比

4 模拟结果与分析

我们基于系统动力学，结合IPCC提供的未来气候信息，生成四个未来土地利用情景，并获得这四个情景下的各类土地利用类型的数量。

图5 系统动力学生成的四个未来情景 

以四个未来情景的各类土地利用类型的总量为目标的，FLUS模型成功对2050年1公里分辨率的中国大陆土地利用分布进行模拟。图6，7，8展示了中国大陆三个土地利用变化热点地区在不同情景下的未来分布状况。

图6 中国东北不同情景下的耕地变化

图7 中国长三角不同情景下的城市变化

图8 中国西北地区不同情景下的林地草地变化

5 结论

本文的研究结果表明，FLUS模型可以有效地识别土地利用变化的热点地区，并用以分析未来土地利用动态的起因极其效应。这些优势可以帮助研究者和决策者制定适当的政策，以更好地适应全球气候变暖背景下的自然环境的快速变化。FLUS模型适用于探索气候变化和人类活动对未来土地利用动态变化的影响。中国未来的土地利用发展将需要受到气候变化和经济、人口增长的影响。应采取有效措施来提前预防可能发生的变化，以确保未来的中国得以保持可持续发展的态势。另外，本研究提供了一套封装了FLUS模型的GeoSOS-FLUS软件可以方便地探索人与自然影响下多种土地利用变化的情况。

GeoSOS-FLUS软件免费下载地址：http://www.geosimulation.cn/flus.html

6 FLUS模型软件

FLUS软件是一款基于windows 系统运行，免费，免安装，无限制，运行快速，操作方便，能直接读写、显示tiff格式影像，并进行多类或单类（城市）的土地利用变化模拟的软件。

该软件在Visual Studio2010平台上使用C++语言及一系列C++开源库开发。软件的输入输出采用遥感影像处理底层库GDAL 1.9.2(http://www.gdal.org/)，因而软件可以读入各种格式的遥感影像数据及其投影坐标，并输出带坐标和投影的tiff影像模拟结果；软件界面采用Qt 4.8.5(https://www.qt.io/download/)，与qwt 6.1.2(https://sourceforge.net/projects/qwt/)搭建，能实时显示模拟区域的土地利用变化过程，方便用户的使用。

软件采用的神经网络算法来自强大的Shark 3.1.0库(http://image.diku.dk/shark/)，能较快的获得各类土地分布的适宜性概率。GeoSOS-FLUS软件的中、英文使用方法见以下链接：

http://www.geosimulation.cn/FLUS/GeoSOS-FLUS%20Manual_CHS.pdf（中文）

http://www.geosimulation.cn/FLUS/GeoSOS-FLUS%20Manual_En.pdf（英文）

图9 软件界面及运行过程

7 FLUS模型及软件相关应用

GeoSOS-FLUS软件能较好的应用于土地利用变化模拟与未来土地利用情景的预测和分析中，是进行地理空间模拟、参与空间优化、辅助决策制定的有效工具。

FLUS模型可直接用于：

1、城市发展模拟及城市增长边界划定

2、城市内部高分辨率土地利用变化模拟

3、环境管理与城市规划

4、大尺度土地利用变化模拟及其效应分析

5、区域土地利用类型适宜性分析

6、农田或自然用地类型损失预警

7、土地利用分布格局变化及热点分析等方面。

还可以进一步推广使用到气候变化及其效应、碳循环、水文分析，生态变化与生物栖息地变化等各方面的研究当中。

先后应用该模型的研究及项目：

1）珠三角城市群增长边界划定（珠三角全域规划项目）

2）潮州市城市空间开发强度与增长边界划定研究（潮州市全域规划）

3）惠州市城市发展研究报告（惠州三规合一）

4）四会市城市增长边界划定专题研究报告

5）“人-地”耦合的高精度全球土地利用演变模拟及应用（国家重点研发计划“全球变化及应对专项”）

6）东莞市城市发展及房价分析报告

   ……

 应用该模型软件的科研单位：

1）香港大学

2）清华大学

3）香港中文大学

4）浙江大学

5）武汉大学

6）中山大学

7）华东师范大学

8）江苏师范大学

9）上海海洋大学

10）广东省城乡规划设计研究院

11）长春市城乡规划设计研究院

12）吉林省城乡规划设计研究院

      ......

数据仅供学术交流使用，不得用于商业用途！

如有侵权，请联系小编微信18041131509

文章来源：学术无界

本期编辑： 尚颜颜 王宝君 黄娴静

预告与回顾

下期预告

stata各版本安装软件和学习资料

数据资源

软件学习资源|R语言学习相关资料分享

英语学习资源|英语学习资料大礼包 

佳作欣赏|城乡界面动态模型研究

数据代码分享|余泳泽：城市房价、限购政策与技术创新

爬虫资源分享|老男孩Python（爬虫）最新视频