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劉小平教授新書《未來土地利用模擬模型及資源環(huán)境應(yīng)用》首發(fā)

發(fā)布時間：

2024-11-27

日前，《未來土地利用模擬模型及資源環(huán)境應(yīng)用》由科學(xué)出版社正式發(fā)行。

本書由中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院教授、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者劉小平，與歐金沛、黎夏、陳廣照、梁迅以及國地科技聯(lián)席總裁張鴻輝等作者共同完成。

《未來土地利用模擬模型及資源環(huán)境應(yīng)用》一書提出了耦合人類活動與自然效應(yīng)的未來土地利用模擬（Future Land Use Simulation，F(xiàn)LUS）模型，模擬規(guī)劃政策驅(qū)動下的城市以及城市群的土地發(fā)展變化，為城市規(guī)劃、國土管理與生態(tài)建設(shè)等提供可靠的定量決策支撐。

土地利用與土地覆蓋變化是人類社會經(jīng)濟(jì)活動與自然生態(tài)過程相互作用的紐帶，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要且廣泛的影響，并以累積的方式作用于全球環(huán)境變化。它涉及人類活動與自然環(huán)境兩方面復(fù)雜的驅(qū)動力機(jī)制與多樣的驅(qū)動力因子，與陸地表層物質(zhì)循環(huán)和生命過程密切相關(guān)，也直接影響著生物多樣性、生物地球化學(xué)循環(huán)以及資源環(huán)境的可持續(xù)利用。

近幾十年來，隨著人口的快速增長與全球社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對生態(tài)環(huán)境的影響引發(fā)了地球表面土地利用和土地覆蓋的巨大變化，土地資源的日益緊張，人地矛盾的迅速加劇。隨著近幾十年來中國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界上土地利用變化的熱點(diǎn)區(qū)域，同時也可能是未來全球土地利用變化最受關(guān)注的地區(qū)。國家實(shí)施的“退耕還林”“退耕還草”等土地利用變化政策表明了中國政府對土地利用變化的關(guān)注。并且，中國已采取了相應(yīng)的措施阻止生態(tài)用地的退化。

同時，一系列城市規(guī)劃政策，如城市增長邊界、生態(tài)控制線、基本農(nóng)田控制線也隨之制定并用于控制城市的增長、管理城市的擴(kuò)張、保護(hù)優(yōu)質(zhì)的生態(tài)用地與優(yōu)質(zhì)的農(nóng)田以及嚴(yán)守“18億畝耕地紅線”?？梢?，合理的土地政策在未來中國的土地利用變化中也將會起到十分關(guān)鍵的作用。土地利用變化研究逐漸成為保護(hù)環(huán)境、維持可持續(xù)發(fā)展等方面不可忽視的重要課題。

在這個背景下，從宏觀層面把握土地利用空間格局的變化是探索人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑；了解和預(yù)測未來土地利用變化的趨勢也可以為實(shí)施合理的土地政策提供有效的輔助信息。地理模擬與過程建模能夠?yàn)榈乩砜臻g復(fù)雜系統(tǒng)中人–地關(guān)系的研究提供理論與方法支撐，同時也能夠?yàn)楣芾沓鞘性鲩L制定長遠(yuǎn)的土地政策和土地戰(zhàn)略，發(fā)現(xiàn)未來生態(tài)敏感地區(qū)，并預(yù)防這些地區(qū)耕地、生態(tài)用地的退化等提供有效的決策支持。

其中，元胞自動機(jī)（Cellular Automata，CA）是土地利用變化模擬的有效工具，在環(huán)境變化和氣候變化評估、生物多樣性評估、生態(tài)系統(tǒng)評估、探索政策規(guī)劃對城市發(fā)展的影響以及劃定城市增長邊界等許多方面都有廣泛的應(yīng)用。在已有的基于CA的大尺度模擬研究中，現(xiàn)有的模型大多只考慮人類活動的作用，而無法模擬自然效應(yīng)（氣候背景）對土地利用變化的影響，這些影響包括來自宏觀和微觀尺度的作用，以及空間和非空間的效應(yīng)。不僅如此，傳統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)化機(jī)制忽略了復(fù)雜土地利用變化系統(tǒng)中的突變、彈性與恢復(fù)的效應(yīng)，因而不能很好地模擬多類別土地利用類型間的動態(tài)競爭。

另外，現(xiàn)有模型的分辨率普遍較低，不能滿足局部微觀尺度的景觀特征變化模擬的需求。較粗的空間分辨率也使得現(xiàn)有的大尺度土地利用變化模擬模型不能充分模擬局部地區(qū)的地理格局信息和非線性特征。

針對以上問題，《未來土地利用模擬模型及資源環(huán)境應(yīng)用》一書提出了一個耦合人類活動與自然效應(yīng)的未來土地利用模擬（Future Land Use Simulation，F(xiàn)LUS）模型。該模型引入了多種土地利用類型之間的動態(tài)競爭，把“自頂向下”的系統(tǒng)動力學(xué)（System Dynamics，SD）與“自底向上”的CA結(jié)合起來，通過輸入多源空間數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)，耦合各種社會經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境以及氣候變化因素對多類別土地利用/土地覆蓋變化進(jìn)行模擬。在此基礎(chǔ)上，本書用分塊并行、多線程的方式改進(jìn)FLUS模型，并加入考慮規(guī)劃的驅(qū)動作用機(jī)制，來模擬規(guī)劃政策驅(qū)動下的城市以及城市群的土地發(fā)展變化，評估規(guī)劃政策對城市發(fā)展的影響作用。

目前，F(xiàn)LUS 模型已被應(yīng)用于全球土地利用變化、耦合聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）共享社會經(jīng)濟(jì)路徑（Shared Socioeconomic Pathways，SSPs）和典型濃度路徑（Representative Concentration Pathways，RCPs）的未來長時間序列土地利用變化模擬、多尺度城市演變模擬、精細(xì)化城市增長邊界劃定、“三區(qū)三線”智能識別、國土空間規(guī)劃等地理模擬與空間優(yōu)化，并為地理國情分析、“三規(guī)合一”等方面提供理論與技術(shù)基礎(chǔ)，以及為城市規(guī)劃、國土管理與生態(tài)建設(shè)等提供可靠的定量決策支撐。

本書共10章，主要介紹FLUS模型的理論、方法、應(yīng)用以及操作方法。

第1章簡單介紹了土地利用變化模擬模型與其應(yīng)用研究進(jìn)展，闡述了土地利用變化模擬在當(dāng)前國家發(fā)展與戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)方面的應(yīng)用價值與前景；
第2章詳細(xì)介紹了耦合人類活動與自然效應(yīng)的未來土地利用模擬模型；
第3章主要介紹了基于并行FLUS模型的大尺度高分辨率土地利用變化模擬；
第4章主要介紹了基于SSPs情景的未來全球城市擴(kuò)張模擬；
第5章進(jìn)一步討論了SSPs情景下城市擴(kuò)張對糧食產(chǎn)量的影響；
第6章闡述了基于SSPs-RCPs耦合情景的未來全球LUCC模擬；
第7章進(jìn)一步討論分析了SSPs-RCPs耦合情景下未來全球陸地碳儲量；
第8章介紹了基于FLUS模型劃定多種規(guī)劃情景下的城市增長邊界；
第9章介紹了耦合FLUS模型和“雙評價”的城市開發(fā)邊界劃定研究；
第10章介紹了FLUS 軟件及其具體應(yīng)用案例，還詳細(xì)介紹了該軟件操作過程。

主要作者簡介

劉小平

中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院教授、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。擔(dān)任廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會教育與科普工作委員會副主任等。長期致力于土地利用模擬理論、方法與應(yīng)用研究，先后以第一作者或通訊作者在Nature Sustainability、Nature Communications發(fā)表論文4篇。在中科院一區(qū)期刊發(fā)表SCI/SSCI論文40多篇，成果被評為2020年度中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文。入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”、愛思維爾“中國高被引學(xué)者”及全球前2%科學(xué)家榜單。構(gòu)建和開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的系列模型和軟件GeoSOS、FLUS，被國內(nèi)外同行廣泛使用，并應(yīng)用服務(wù)于全國五十多個城市國土空間規(guī)劃，先后獲得廣東省自然科學(xué)獎一等獎和廣東省科技進(jìn)步獎二等獎。

本書目錄

來源｜賽杰奧，本文摘自《未來土地利用模擬模型及資源環(huán)境應(yīng)用》（劉小平等著. 北京：科學(xué)出版社，2024.10）一書“前言”，有刪減修改。