文章信息：Hou H, Wang R, Murayama Y. Scenario-based modelling for urban sustainability focusing on changes in cropland under rapid urbanization: A case study of Hangzhou from 1990 to 2035[J]. Science of the total environment, 2019, 661: 422-431.
研究背景
世界在过去的70年里经历了极端的城市扩张。此外，在过去的100年里，城市人口从14%增加到55%，预计到2050年将达到68%。快速城市化在农业、林业、大气和生态系统等各个领域造成了问题。与发达国家相比，由于政府对经济增长的渴望，发展中国家的城市扩张速度更快。在所有发展中国家中，中国是一个典型的例子，自1978年改革开放以来，中国经历了前所未有的城市扩张。根据政府报告，城市化水平从1978年的17.9%上升到2015年的56.1%。在中国，特大城市的城市化进程更为积极，部分原因是在大都市边界的郊区建立了众多科技园区、经济和工业园区以及其他新开发区。本文探究了城市扩张与耕地等土地资源保护之间日益加剧的冲突，对杭州市1990 - 2035年的耕地动态进行了监测和建模。在土地覆被图的基础上，结合城乡梯度分析，探讨了耕地的时空变化规律。
数据来源
1、利用从美国地质调查局(https://earthexplorer.usgs.gov/)下载的时间序列Landsat TM/ETM+/OLI/TIRS图像制作土地覆盖图，用于农田监测和建模。选择四幅图像重叠25年的跨度来检测农田的时间动态。
2、在建模阶段使用了解释性数据，包括中央商务区(CBD)、火车站、主要道路、永久水体、保留区、数字高程模型(DEM)和坡度的位置。CBD、火车站和主要道路因其在促进城市化方面的潜在影响而被选中，并使用ArcGIS软件包10.4版中的“欧几里得距离”分析来制作距离地图。
3、耕地保留面积来源于浙江省国土资源厅发布的《浙江省土地利用综合规划(2006-2020年)》。对原始地图进行数字化分类，提取耕地保护区。此外，杭州市市区和余杭区的耕地面积指标作为建模的控制参数，记录自《杭州统计年鉴2017》。地形也被认为是一个关键因素，因为平坦地区更适合城市扩张，使用DEM和坡度来覆盖模型中的效果。DEM数据来源于美国地质勘探局(https:// eartheexplorer.usgs.gov/)的SRTM (Space Shuttle Radar and terrain Mission)产品，坡度由ArcGIS中的“slope”函数计算得到。
研究框架和方法
研究包括两个主要目标：监测历史土地覆盖动态和模拟未来土地覆盖条件。包括四个主要步骤：
(1)基于Landsat时间序列图像的监督最大似然分类和相应的精度评估；
(2)基于多环缓冲带的耕地和建成区城乡梯度分析及统计分析；
(3)农田土地结构计量与统计分析；
(4)基于CA-Markov模型的基于土地覆盖图和解释数据的情景化土地覆盖模型，并对模型结果进行统计分析。
研究结果
1.杭州城市景观的时空变化
1990 - 2015年研究区景观分布格局基本一致:中心区以建成区为主;南部和西部以森林为主;东部和东北部以农田为主;水由西南向东流过中心建成区。但从土地覆被图上可以看到明显的城市扩张，耕地是城市扩张的主要空间。
2.杭州耕地分布、规模和形态的变化
将3张土地覆被图合并并重新分类为4类，即永久耕地、其他土地覆被带来的耕地收益、其他土地覆被带来的耕地损失和其他(图4)。1990-2000年期间，其他土地覆被带来的耕地收益显示了新建耕地，主要分布在人工池塘和森林边缘附近(图4a)。这一趋势在2000年至2015年期间发生了部分转变，在农田和池塘混合的地区大量发现新建农田;然而，在靠近森林的地区几乎找不到它们(图4b)。相比之下，其他土地覆被的耕地损失在整个时间段内主要分布在城市边缘区和农田与池塘混合区。
3.2035年杭州市耕地分布分析
2035年，所有情景下的城市扩张都是大规模的。在SS，建成区密集占据了整个中心区域，有限的森林、水体和农田分散在内部。与SS区相比，PAES区和OADS区保留了一些受保护的农田斑块，形成条形的建成区。因此，在城市边缘区发现了数百个被建成区包围的耕地斑块。此外，由于两个中心区的耕地数量目标，在OADS下，城市中心区的建成区密度较低，在靠近市中心的地方出现了一些零散的耕地
文章亮点
本文对杭州市1990 - 2035年的耕地动态进行了监测和建模。在土地覆被图的基础上，结合城乡梯度分析，探讨了耕地的时空变化规律。在了解耕地变化时空格局的基础上，利用历史土地覆被图和其他解释性数据，采用元胞自动机-马尔可夫模型进行基于场景的模拟。据此，设计了自发情景(SS)、保护区保障情景(PAES)和最优农业发展情景(OADS) 3种情景，模拟2035年耕地分布。本文认为，在快速城市化的背景下，制定兼顾耕地区位和耕地数量的耕地保护政策可以降低杭州市耕地过度流失的风险
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来源：Science of the Total Environment
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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