土地利用/土地覆盖变化是人类社会经济活动与自然生态过程相互作用的纽带，对区域生态环境产生重要且广泛的影响，并以累积的方式作用于全球环境变化。它涉及人类活动与自然环境两方面复杂的驱动力机制与多样的驱动力因子，与陆地表层物质循环和生命过程密切相关，也直接影响着生物多样性、生物地球化学循环以及资源环境的可持续利用。近几十年来，随着人口的快速增长与全球社会经济的快速发展，人类对生态环境的影响引发了地球表面土地利用和土地覆盖的巨大变化，土地资源的日益紧张，人地矛盾的迅速加剧。随着近几十年来中国社会经济的高速发展，中国已经成为世界上土地利用变化的热点区域，同时也可能是未来全球土地利用变化最受关注的地区。国家实施的“退耕还林”“退耕还草”等土地利用变化政策表明了中国政府对土地利用变化的关注。并且，中国已采取了相应的措施阻止生态用地的退化。同时，一系列城市规划政策，如城市增长边界、生态控制线、基本农田控制线也随之制定并用于控制城市的增长、管理城市的扩张、保护优质的生态用地与优质的农田以及严守“18亿亩耕地红线”。可见，合理的土地政策在未来中国的土地利用变化中也将会起到十分关键的作用。土地利用变化研究逐渐成为保护环境、维持可持续发展等方面不可忽视的重要课题。
▲ 全球多类土地利用/土地覆盖模拟流程示意图
在这个背景下，从宏观层面把握土地利用空间格局的变化是探索人地关系协调发展的重要途径；了解和预测未来土地利用变化的趋势也可以为实施合理的土地政策提供有效的辅助信息。地理模拟与过程建模能够为地理空间复杂系统中人–地关系的研究提供理论与方法支撑，同时也能够为管理城市增长制定长远的土地政策和土地战略，发现未来生态敏感地区，并预防这些地区耕地、生态用地的退化等提供有效的决策支持。其中，元胞自动机（Cellular Automata，CA）是土地利用变化模拟的有效工具，在环境变化和气候变化评估、生物多样性评估、生态系统评估、探索政策规划对城市发展的影响以及划定城市增长边界等许多方面都有广泛的应用。在已有的基于CA的大尺度模拟研究中，现有的模型大多只考虑人类活动的作用，而无法模拟自然效应（气候背景）对土地利用变化的影响，这些影响包括来自宏观和微观尺度的作用，以及空间和非空间的效应。不仅如此，传统模型的转化机制忽略了复杂土地利用变化系统中的突变、弹性与恢复的效应，因而不能很好地模拟多类别土地利用类型间的动态竞争。另外，现有模型的分辨率普遍较低，不能满足局部微观尺度的景观特征变化模拟的需求。较粗的空间分辨率也使得现有的大尺度土地利用变化模拟模型不能充分模拟局部地区的地理格局信息和非线性特征。
▲ GeoSOS-FLUS 软件主界面
针对以上问题，《未来土地利用模拟模型及资源环境应用》一书提出了一个耦合人类活动与自然效应的未来土地利用模拟（Future Land Use Simulation，FLUS）模型。该模型引入了多种土地利用类型之间的动态竞争，把“自顶向下”的系统动力学（System Dynamics，SD）与“自底向上”的CA结合起来，通过输入多源空间数据、历史统计数据和规划数据，耦合各种社会经济、自然环境以及气候变化因素对多类别土地利用/土地覆盖变化进行模拟。在此基础上，本书用分块并行、多线程的方式改进FLUS模型，并加入考虑规划的驱动作用机制，来模拟规划政策驱动下的城市以及城市群的土地发展变化，评估规划政策对城市发展的影响作用。目前，FLUS 模型已被应用于全球土地利用变化、耦合联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways，SSPs）和典型浓度路径（Representative Concentration Pathways，RCPs）的未来长时间序列土地利用变化模拟、多尺度城市演变模拟、精细化城市增长边界划定、“三区三线”智能识别、国土空间规划等地理模拟与空间优化，并为地理国情分析、“三规合一”等方面提供理论与技术基础，以及为城市规划、国土管理与生态建设等提供可靠的定量决策支撑。
本书共10章，主要介绍FLUS模型的理论、方法、应用以及操作方法。
第1章简 单介绍了土地利用变化模拟模型与其应用研究进展，阐述了土地利用变化模拟在当前国家发展与战略实现方面的应用价值与前景；
第2章详细介绍了耦合人类活动与自然效应的未来土地利用模拟模型；
第3章主要介绍了基于并行FLUS模型的大尺度高分辨率土地利用变化模拟；
第4章主要介绍了基于SSPs情景的未来全球城市扩张模拟；
第5章进一步讨论了SSPs情景下城市扩张对粮食产量的影响；
第6章阐述了基于SSPs-RCPs耦合情景的未来全球LUCC模拟；
第7章进一步讨论分析了SSPs-RCPs耦合情景下未来全球陆地碳储量；
第8章介绍了基于FLUS模型划定多种规划情景下的城市增长边界；
第9章介绍了耦合FLUS模型和“双评价”的城市开发边界划定研究；
第10章介绍了FLUS 软件及其具体应用案例，还详细介绍了该软件操作过程。
主要作者简介
刘小平
中山大学地理科学与规划学院教授、博士生导师，国家级人才项目获得者。担任广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室主任、中国地理信息产业协会教育与科普工作委员会副主任等。长期致力于土地利用模拟理论、方法与应用研究，先后以第一作者或通讯作者在Nature Sustainability、Nature Communications发表论文4篇。在中科院一区期刊发表SCI/SSCI论文40多篇，成果被评为2020年度中国百篇最具影响国际学术论文。入选科睿唯安“全球高被引科学家”、爱思维尔“中国高被引学者”及全球前2%顶尖科学家榜单。构建和开发自主知识产权的系列模型和软件GeoSOS、FLUS，被国内外同行广泛使用，并应用服务于全国五十多个城市国土空间规划，先后获得广东省自然科学奖一等奖和广东省科技进步奖二等奖。
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ISBN：978-7-03-073734-2
本文摘 自《 未来土地利用模拟模型及资源环境应用 》（刘小平等著. 北京： 科学出版社，2024.10）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
（本文编辑：谢婉蓉）
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