1.一种城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:选取生态保护重要性的评价指标,构建以生态保护重要性评价为目标层、生态系统服务和生态脆弱性为准则层的生态保护重要性评价指标体系,开展生态保护重要性评价指标的具体评价,建立生态保护重要性评价指标空间数据库;
S2:根据生态保护重要性评价指标空间数据库进行主成分分析,生成主成分指标数据和主成分分析报告,进行KMO和Bartlett's检验以及主成分方差贡献率累积值检验,确定主成分指标数据及各主成分指标的准则权重;
S3:设置多种决策风险系数情景,根据确定的主成分指标数据,计算主成分指标的位序权重和权衡度,运用OWA算子聚合不同情景下的主成分指标的位序权重和准则权重,进行多情景的生态保护重要性评价模拟;
S4:根据生态保护重要性评价模拟结果,提取各种情景下的生态保护优先区,对比不同情景的生态保护优先区对于各情景的生态保护重要性评价结果的保护效率和权衡度,筛选出保护效率与权衡度共同最优情景的生态保护优先区;
S5:选取土地利用变化的驱动因子,构建以自然因素和人文因素为准则层的土地利用变化驱动因子体系,开展土地利用变化驱动因子的具体评价,建立土地利用变化驱动因子空间数据库;
S6:根据历史土地利用数据,获得自然发展情景的目标年土地利用数量结构和土地利用转移概率矩阵,根据历史土地利用数据,提取各土地利用类型的扩张斑块数据,计算生态保护情景的土地利用转移概率矩阵,获得生态保护情景的目标年土地利用数量结构;
S7:根据土地利用变化驱动因子空间数据库和各土地利用类型的扩张斑块数据,输出各土地利用类型的发展概率数据,根据历史土地利用数据和各土地利用类型的发展概率数据,模拟基期年的土地利用空间结构数据,并进行模拟精度验证;
S8:基于基期年土地利用数据和各土地利用类型的发展概率数据,模拟自然发展情景目标年土地利用空间结构数据;基于基期年土地利用数据和各土地利用类型的发展概率数据,模拟生态保护情景的目标年土地利用空间结构数据,并划定弹性开发边界。
2.根据权利要求1的城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,步骤S1具体为:
选取生态保护重要性的评价指标,构建以生态保护重要性评价为目标层、生态系统服务和生态脆弱性为准则层的生态保护重要性评价指标体系;结合多源数据、ArcGIS软件和InVEST模型,开展生态保护重要性评价指标的具体评价;评价结果统一进行归一化处理,以消除不同评价指标之间的量纲影响;借助ArcGIS平台整合所有归一化后的评价指标,建立研究区生态保护重要性评价指标空间数据库;
其中,从属于生态系统服务的供给服务、调节服务、支持服务以及从属于生态脆弱性的暴露度、敏感性和适应力为一级指标层,选取的具体指标为生态保护重要性评价指标体系的二级指标层,根据对目标层的影响,所选具体指标中从属于适应力的指标为负向指标,其他指标均为正向指标;
正向指标进行归一化的计算方法为:
负向指标进行归一化的计算方法为:
式中,Xnorm为归一化后的指标像元值,Xx为指标像元值,Xmax为指标所有像元值的最大值,Xmin为指标所有像元值的最小值。
3.根据权利要求1的城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,步骤S2具体为:
使用QGIS软件的对栅格取样工具,将所有评价指标的栅格图层取样至由研究所需分辨率的栅格转换而成的点图层,然后将点图层的属性表数据导入SPSS软件进行主成分分析,生成主成分指标数据和主成分分析报告;进行KMO和Bartlett's检验,将特征值大于1作为选取主成分的标准,进行主成分方差贡献率累积值检验;确定基于生态保护重要性评价指标的主成分指标数据,并根据主成分方差贡献率确定和为1的各主成分指标的准则权重;
其中,进行KMO和Bartlett's检验,具体为:
若主成分分析报告中的KMO和Bartlett's检验结果显示:KMO取样适切性量数大于0.7,并且巴特利特球形度检验的显著度小于0.001,则研究数据适合进行主成分分析;否则,研究数据不适合进行主成分分析;
进行主成分方差贡献率累积值检验,具体为:
若主成分分析报告中的总方差解释结果显示:特征值大于1的主成分方差贡献率累积值超过60%,则生成的主成分指标数据较为合理且有效;否则,生成的主成分指标数据不合理且无效。
4.根据权利要求1的城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,步骤S3具体为:
设置z(z≥5)种决策风险系数情景,根据确定的主成分指标数据,使用单调规则递增方法计算主成分指标的位序权重,具体计算方法如下:式中,j为位序;vj为位序权重,vj∈[0,1];n为主成分指标数量;α为决策风险系数,α∈(0,∞);wk为主成分指标重要等级;rk为主成分指标的赋值,按照指标的像元值叠加准则权重后的大小对指标的进行赋值,最大值赋1,次大值赋2,最小值赋n;
权衡度为不同决策风险系数下主成分指标间的补偿程度,具体计算方法如下:
其中,tradeoff为权衡度,且0≤tradeoff≤1;n为主成分指标数量;wk为第k个主成分指标重要等级;
运用TerrSet软件的MCE模块的OWA算子机制,聚合不同情景下的主成分指标的位序权重和准则权重,从而获得z种情景下的生态保护重要性空间评价结果。
5.根据权利要求1的城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,步骤S4具体为:
基于z种情景下的生态保护重要性评价模拟结果,进行降序排列下的累积生态保护重要性像元值与总的生态保护重要性像元值的比值计算,将比值为50%对应的生态保护重要性像元值作为各情景生态保护重要性阈值;
在ArcGIS软件中使用聚合工具,将大于或等于生态保护重要性阈值的区域中相对聚集或邻近的图斑聚合为相对完整连片图斑,聚合距离为研究所需分辨率,聚合结果作为各情景初步生态保护优先区;
为降低生态保护优先区的破碎化程度,利用情景z1的生态保护优先区图斑确定需要剔除的图斑面积阈值;其中,情景z1为z种情景中各主成分指标位序权重相等的情景,统计分析情景z1的生态保护优先区中面积小于阈值的图斑与所有图斑的数量比值,以及其总面积随面积阈值变化的情况,将拐点对应的最小面积阈值作为最终的图斑面积阈值,并根据阈值剔除相应独立分散小图斑,在此基础上合并国家级和省级的自然保护区、森林公园、风景名胜区等现有各类生态保护区,最终获得各情景最终的生态保护优先区;
对比不同情景最终的生态保护优先区对于情景z1的生态保护重要性评价结果的保护效率和权衡度,从而筛选出保护效率与权衡度共同最优情景的最终生态保护优先区;
其中,保护效率的计算方法如下:
式中,z为情景序号,z=1,2,...z,Pz为情景z的保护效率, 为情景z的生态保护优先区范围内情景z1的生态保护重要性平均值, 为整个研究区范围内情景z1的生态保护重要性平均值。
6.根据权利要求1的城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,步骤S5具体为:
选取土地利用变化的驱动因子,构建以自然因素和人文因素为准则层的土地利用变化驱动因子体系;结合多源数据和ArcGIS软件,开展土地利用变化驱动因子的具体评价;所得评价结果统一进行归一化处理,以消除不同驱动因子之间的量纲影响;借助ArcGIS平台整合所有归一化后的驱动因子,建立研究区土地利用变化驱动因子空间数据库;
其中,从属于自然因素的地形和水域以及从属于人文因素的人口、经济、区位、基础设施为一级指标层,基础设施包括交通、医疗、教育和商服,选取的具体指标为二级指标层的土地利用变化驱动因子体系。
7.根据权利要求1的城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,步骤S6具体为:
基于两期历史土地利用数据,运用PLUS模型的Markov Chain模块获得自然发展情景的目标年土地利用数量结构和土地利用转移概率矩阵;
基于两期历史土地利用数据,运用PLUS模型的提取土地利用扩张模块提取各土地利用类型的扩张斑块数据,以此为基础计算城镇建设用地扩张斑块面积中各非建设用地的占比,并将所得占比数据作为非建设用地向城镇建设用地转移概率的负增长率,从而基于自然发展情景的土地利用转移概率矩阵计算生态保护情景的土地利用转移概率矩阵;
基于Markov Chain原理和生态保护情景的土地利用转移概率矩阵计算生态保护情景的目标年土地利用数量结构;
其中,历史土地利用数据包括耕地、林地、草地、水域、城镇建设用地、农村居民点、未利用地共七种土地利用类型,其中城镇建设用地和农村居民点属于建设用地,其余土地利用类型属于非建设用地。
8.根据权利要求1的城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,步骤S7具体为:
基于土地利用变化驱动因子空间数据库和各土地利用类型的扩张斑块数据,运用PLUS模型的LEAS模块输出各土地利用类型的发展概率数据;计算和设置PLUS模型的CARS模块所需参数;以第二期历史土地利用数据的土地利用数量结构为土地利用需求数据,基于第一期历史土地利用数据和各土地利用类型的发展概率数据,运用PLUS模型的CARS模块模拟基期年的土地利用空间结构;基于两期历史土利用数据和基期年土地利用空间结构数据,运用PLUS模型Confusion Matrix and Fom模块进行模拟精度验证;
其中,计算和设置PLUS模型的CARS模块所需参数,具体为:
基于各土地利用类型的扩张斑块数据计算各土地利用类型的扩张斑块面积在总扩张面积中的占比,将所得占比数据作为邻域权重参数;将土地转移矩阵中各土地利用类型的是否允许转移值设为1,不限制任何土地利用类型之间的转移;递减阈值的衰减系数、随机斑块种子的概率、随机斑块种子最大比例、邻域范围、并行线程数量等参数采用默认值;
进行模拟精度验证,具体为:
若Kappa系数大于0.8且Fom系数大于0.2,则PLUS模型的模拟结果和真实结果基本一致,模拟结果可信;否则,需不断调整PLUS模型的输入数据和相关参数,直至满足上述Kappa系数和Fom系数检验要求才能继续进行后续步骤。
9.根据权利要求1的城市群弹性开发边界划定方法,其特征在于,步骤S8具体为:
以自然发展情景目标年土地利用数量结构为土地利用需求数据,以及现有的各类生态保护区为限制发展区,基于基期年土地利用数据和各土地利用类型的发展概率数据,运用PLUS模型的CARS模块模拟自然发展情景目标年土地利用空间结构数据;
以生态保护情景目标年土地利用数量结构为土地利用需求数据,以及生态保护优先区为限制发展区,基于基期年土地利用数据和各土地利用类型的发展概率数据,运用PLUS模型的CARS模块模拟生态保护情景目标年土地利用空间结构数据;
将自然发展情景和生态保护情景目标年土地利用空间结构数据中城镇建设用地边界,分别划定为研究区自然发展情景和生态保护情景目标年的弹性开发边界。
10.一种城市群弹性开发边界划定系统,其特征在于,包括:
评价指标模块,用于建立生态保护重要性评价指标空间数据库;
主成分分析模块,用于根据生态保护重要性评价指标空间数据库进行主成分分析;
OWA算子模块,用于基于OWA算子进行多情景的生态保护重要性评价模拟;
情景筛选模块,用于提取各情景的生态保护优先区并筛选出最优情景的生态保护优先区;
驱动因子模块,用于建立土地利用变化驱动因子空间数据库;
需求预测模块,用于预测自然发展情景和生态保护情景的目标年土地利用数量结构;
模拟与验证模块,用于模拟基期年的土地利用空间结构并进行模拟精度验证;
边界划定模块,用于模拟自然发展情景和生态保护情景的目标年土地利用空间结构并划定弹性开发边界。