密云縣土地利用動態變化預測及影響研究

國巧真 ，馬亞峰 ，武永峰

（1.天津城市建設學院土木工程系，天津300384；2.農業部資源遙感與數字農業重點開放實驗室，北京100081；3.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081）

土地利用/覆蓋變化（LUCC）對環境的可持續發展具有相當的影響力，它已經被公認為是導致全球環境變化的兩大主要因素之一，在全球的可持續發展研究領域中占有相當重要的地位[1]。20世紀90年代，由于人類逐步認識到土地利用變化導致的各種生態環境問題的出現，土地利用/覆蓋變化成為了當前全球變化研究的重點問題之一。自1995年“國際地圈與生物圈計劃（IGBP）”和“全球環境變化的人文領域計劃（HDP）”兩大組織聯合提出“土地利用/土地覆蓋變化科學研究計劃”以來，土地利用/覆蓋變化研究已經成為全球環境變化研究的重要組成部分[2]。土地利用變化預測是LUCC研究中的重要組成部分，根據土地利用變化的規律預測未來土地利用變化的趨勢，可為土地管理部門制定相應的對策并采取適當的調控手段提供科學依據，從而達到土地資源的優化配置與合理利用[3-5]。

本研究以北京市密云縣為研究區，在GIS與RS技術的支持下，對該地區的土地利用信息進行提取，在分析土地利用變化的基礎上，運用灰色模型GM（1，1）對密云縣土地利用變化趨勢進行定量預測，實現對該地區土地利用變化的歷史過程模擬及演變趨勢預測，并分析其變化所帶來的影響。

1 研究區概況

密云縣地理位置為東經116°39′33″～117°30′25″，北緯40°13′7″～40°47′57″；東西長69 km，南北寬約64 km。全縣總面積占全市面積的13%，是北京市土地面積最大的區縣。全縣轄2個街道、17個鎮、1個地區，共65個社區、334個村委會。密云境內東、西、北三面群山連綿，中部低緩，西南開闊，地勢自北向西南傾斜，呈簸箕形。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，溫差較大，光照充足[6]。土地利用類型分布格局存在差異，林地、水域呈片狀分布，耕地、草地、居民用地和未利用地相互嵌套分布[7]。

2 研究方法

2.1 土地利用信息提取

根據土地資源的屬性和土地利用基本情況，將密云縣土地利用類型分為6類，分別為林地、草地、耕地、居民地及工礦用地、水域和未利用地。具體類型及分類代碼如表1所示。

表1 土地類型及代碼

本研究所用到的數據主要包括：1988，1992，1996，2000，2004 年 Landsat TM圖像及 2008 年中巴資源衛星圖像；北京市矢量圖；其他文字資料。利用遙感處理軟件ERDAS9.1和地理信息系統軟件ArcGIS9.2，采用監督分類、非監督分類和目視解譯相結合的方法得到1988—2008年間的6期土地利用圖。對2008年遙感解譯圖像選取300個隨機點進行精度評定，總精度為93.67%，Kappa系數為0.855 7。通過對6個時相的分類結果進行統計分析，得到密云縣的土地利用情況。

2.2 預測模型的建立

土地變化預測研究是在歷史數據的基礎上建立模型以了解未來土地的變化趨勢及需求狀況，對有效地進行土地利用的調整、優化，合理而高效地利用有限的土地資源。土地利用變化的定量化、空間化建模是土地利用變化研究中的關鍵問題。由于土地利用/覆蓋變化涉及因素繁多，過程錯綜復雜，因而以簡化和抽象化為特征的各種模型對于理解和預測土地利用、土地覆蓋的格局和過程，具有不可替代的作用[8]。目前已有不少有價值的土地利用情景模型及其相關的模擬研究工作，常見的應用范圍較廣的預測模型多達20多種，如簡單指數平滑法、一元回歸分析法、多元回歸分析法、自適應過濾法、專家預測法、馬爾可夫分析法、灰色動態預測模型等。本研究利用灰色動態預測模型對密云縣土地利用變化趨勢進行了探討。

灰色系統理論是鄧聚龍教授在1982年提出的。灰色系統是由已知的信息和未知的、非確知的信息混合構成的一種復雜系統，它介于一無所知的黑色系統與全部確知的白色系統之間。灰色系統理論就是一種能夠充分利用已知信息來淡化系統的灰色性，最終客觀、真實地反映系統本質的系統分析方法[9]。灰色預測方法所需要的預測數據樣本較小，且預測精度也較高，特別對于基礎資料缺乏的預測更能體現它的優點[10]。灰色動態預測模型的基本原理是：擯棄直接在歷史數據中尋求統計規律和概率分布的傳統方法，將無規律的原始數據通過一定的處理方式（比如1次或多次累加），使其成為較有規律的時間序列，建立預測模型[11]。其中，灰色模型 GM（1，1）是最常用的一種模型，它是由一個只含單變量一階微分方程構成的模型[12]。通過建立灰色模型GM（1，1），可以反映單變量對于因變量一階線性導數的影響。GM（1，1）模型的建立過程如下。

首先考慮有變量：

其相應的微分方程為：

將其作累加生成得：X(1)（i｛｝） ，i=1，……，n

構造矩陣：

有關構造矩陣：

按最小二乘法求參數a和b：

得響應方程：

計算其還原值公式為：

由此可得預測值：X(0)（n+1），X(0)（n+2）……

預測模型得到的預測值必須經過統計檢驗，才能確定其精度等級。其中包括后驗差比值C、小誤差概率P。C為殘差方差S2與實測數據方差S1之比，作為一個綜合指標要求C越小越好。一般要求C＜0.35，最大不超過0.65。指標P越大越好，P越大，說明殘差與殘差平均值之差小于給定值0.674 5 S1的點較多。一般要求P＞0.95，不得小于0.70。按P和C的大小綜合評判模型的精度，具體指標如表2所示[13]。

表2 預測精度等級的對照

3 基于GM(1，1)模型的土地利用動態變化預測

土地利用受多種因素的制約，這些因素本身又相互影響，關系復雜，很難定量精確描述它們對土地利用的作用機理與作用，因此，土地利用是一個典型的灰色系統。灰色動態預測模型建立在歷史數據基礎之上，即利用過去的土地利用變化規律來預測未來的土地利用變化趨勢。本研究根據密云縣1988年到2008年土地利用類型（表3），建立灰色 GM（1，1）模型，對密云縣土地利用狀況進行預測。以居民地及工礦用地為例進行詳細論述。

表3 1988—2008年土地利用類型 ×103 hm2

首先得到密云縣 1988，1992，1996，2000，2004，2008年的原始數列如下：

建立居民地及工礦用地的預測模型如下：

后驗差檢驗得：

后驗差比值C＝0.12＜0.35

小誤差概率P＝1＞0.95

最終得到密云縣居民地及工礦用地利用情況預測值（表4）。

表4 密云縣居民地及工礦用地面積預測值

同理得到密云縣其他地物類型預測模型及預測值（表5）。

表5 密云縣土地利用面積預測值

4 預測結果分析及影響

本研究得出，從2008年到2024年的16年內，密云縣林地面積總體將繼續呈現上升趨勢。由此可知，密云地區森林資源的保護及植樹造林工程卓有成效，對密云縣生態環境改善起至關重要的作用。密云縣在加強生態環境的保護與建設的基礎上，可依托其良好的生態自然環境及優越的地理位置，通過開發特色旅游景點等有效途徑，發展以旅游業為龍頭的第三產業。在將密云縣建設成為首都強大的生態屏障的同時，使得密云縣真正成為京津冀三地的休閑之地，進而更好挖掘密云縣的發展潛力，促進密云地區的經濟建設。

密云縣經濟的發展十分迅速，城鎮化現象明顯。預計到2024年，密云地區居民地及工礦用地面積將達到1988年面積的2.6倍。而且未利用地和草地等可利用土地類型隨著經濟發展正在逐步得到開發。按照預測，城鎮建設用地的擴展將導致其周圍的優質耕地不斷被蠶食，最終導致優質耕地面積再減少，這將不利于區域經濟的發展。因此，須嚴格控制非農業建設用地對耕地的占用，加強管理，在盡量保護優質耕地的前提下實現城鎮面積的擴張。同時應做好總體規劃，使土地資源得到合理有效利用。

水資源是城市發展的基礎，它提供了城市存在和人類從事生產等活動的重要物質基礎，決定著城市開發及建設的規模、速度、類型和特點。密云水庫作為北京市唯一的地表飲用水源地，承擔北京城區60%的自來水供應任務，被稱為“北京生命之水”。研究數據表明，密云縣水體面積到2024年將持續減少，主要表現為密云水庫水面積的縮減。水資源的短缺勢必會成為密云地區經濟發展的瓶頸。在未來的一段時間內如何提高水資源利用效率、有效地保護和利用水資源，將是密云縣乃至北京市一個亟待解決的重要問題。

結合遙感圖像可知，密云縣耕地面積增加，很大一部分來源于水資源縮減出現的大面積濕地。上述數據表明，在2008年到2024年的16年中，耕地面積仍將有所增加，該類土地資源的不合理開發和利用將造成水資源的破壞。在此情況下，應加強濕地建設，在沿水域區域范圍內發展與水源保護相適應的生態農業、觀光農業、休閑農業。在發展農業的同時實現水資源的保護，實現水源保護與經濟發展相互協調、相互促進的發展模式。

5 結論

以密云縣1988年到2008年的土地利用信息為基礎，結合灰色動態預測模型對密云縣16年的土地利用格局進行了預測。根據土地利用變化預測結果可知，密云縣土地利用情況變化的總態勢是：林地、居民地及工礦用地、耕地將繼續呈上升趨勢，其中林地面積變化最為顯著；水域、未利用地及草地面積將逐步減少。本研究應用RS與GIS技術支持下的灰色動態預測模型對密云縣土地利用變化做了定量預測，揭示了土地利用變化規律及期間存在的問題和隱患，希望能為該地區土地利用的調控及管理提供借鑒及啟示。

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