基于CA－Markov模型的山東省臨沂市土地利用格局變化研究及預(yù)測

汪佳莉，吳國平，范慶亞，崔敬濤

（南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院 地理信息科學(xué)系，南京210093）

土地利用／土地覆蓋變化（LUCC）是目前地理學(xué)研究的前沿問題之一，全球城市化引起LUCC變化將導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)發(fā)生變化，并使之成為全球變化和可持續(xù)發(fā)展研究的核心和熱點(diǎn)［1－2］。由于LUCC過程錯(cuò)綜復(fù)雜，因而以簡單抽象為特征的這類模型對(duì)于理解和預(yù)測LUCC的格局和過程有著不可替代的作用［3］。近年來，不少學(xué)者用CA－Markov模型來研究LUCC［4－5］，該模型綜合了CA 模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的能力和Markov模型長期預(yù)測的優(yōu)勢(shì)，既提高了土地利用類型轉(zhuǎn)化的預(yù)測精度，又可以有效地模擬土地利用格局的空間變化，具有較大的科學(xué)性與實(shí)用性［6］。地學(xué)信息圖譜理論可用于不用時(shí)期同一區(qū)域城市化過程中LUCC變化情況，并揭示其空間格局特征和演變過程［7］。臨沂市土地利用景觀格局及土地適應(yīng)性評(píng)價(jià)等方面的研究已有不少［8－9］，但土地利用格局的相關(guān)分析幾乎沒有。臨沂市作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展起點(diǎn)較低，發(fā)展?jié)摿^大，近年來該市人口快速增長，城市化水平迅速提高，隨著城鄉(xiāng)統(tǒng)籌戰(zhàn)略的實(shí)施，該市2009年的土地利用總體規(guī)劃中預(yù)計(jì)到2020年城鎮(zhèn)化率將從2005年的40%提高到63%，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及快速城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，其土地利用格局必然發(fā)生巨大的變化。為準(zhǔn)確了解臨沂市土地資源變化信息和趨勢(shì)，本文利用馬爾科夫（Markov）轉(zhuǎn)移矩陣及地學(xué)信息圖譜理論對(duì)1990—2010年臨沂市土地利用格局變化進(jìn)行分析，并利用CA－Markov模型預(yù)測該區(qū)域2020年土地利用變化趨勢(shì)，以期為制定更科學(xué)、有效的土地利用管理策略提供借鑒，這對(duì)今后合理利用土地和配置土地資源，緩解人地矛盾，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)域概況

臨沂市位于山東省東南部，南接江蘇徐州、連云港，東臨日照，西靠棗莊、濟(jì)寧、泰安，北與淄博、濰坊接壤，轄區(qū)總面積為17 184km2，為山東省面積最大的城市。臨沂市西北部為山地丘陵，地勢(shì)起伏；東南部為平原，地勢(shì)平坦。四季分明，氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。全市共轄3區(qū)9縣。主要研究區(qū)域?yàn)榕R沂市轄區(qū)，即河?xùn)|區(qū)、蘭山區(qū)、羅莊區(qū)，占全市總面積的11.8%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文主要采用Landsat5TM和Landsat7ETM＋傳感器數(shù)據(jù)，分別獲取1990年、2000年和2010年3期中無云或少云、清晰度較高月份的遙感影像圖。對(duì)獲得的遙感數(shù)據(jù)在分別進(jìn)行大氣校正、地形校正等處理后，結(jié)合2011年黃河流域1∶100萬交通數(shù)據(jù)庫以及由臨沂市國土資源局提供的研究區(qū)2010年1∶50 000土地利用現(xiàn)狀圖，采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法行分類，解譯所得數(shù)據(jù)的精度均大于85%，滿足本文研究需要。根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類》，結(jié)合臨沂市的區(qū)域特點(diǎn)及研究目的，將土地類型分為耕地、草地、林地、水體、建設(shè)用地、未利用地6大類。

2.2 CA－Markov模型

馬爾科夫（Markov）預(yù)測法是一種基于馬爾科夫鏈，根據(jù)事件目前狀況預(yù)測將來各個(gè)時(shí)刻（或時(shí)期）變動(dòng)狀況事件發(fā)生概率的方法。土地利用變化過程可視為馬爾科夫（Markov）過程，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程無后效性。土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積數(shù)量或比例為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，可用如下公式對(duì)土地利用狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測：

式中：S（t），S（t＋1）——t，t＋1時(shí)刻土地利用結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；Pij——狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

元胞自動(dòng)機(jī)模型（Cellular Automata，簡稱CA）是時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，且空間的相互作用及時(shí)間上的關(guān)系皆為局部的網(wǎng)格動(dòng)力學(xué)模型［10］，其計(jì)算原理為散布在規(guī)則格網(wǎng)中的每個(gè)元胞取有限的離散狀態(tài)，遵循同樣的作用規(guī)則、確定的局部規(guī)則作同步更新，每個(gè)變量只取有限的狀態(tài)，且其狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上都是局部的。其公式表示如下［11］：

式中：S——元胞有限離散的集合狀態(tài)；t，t＋1——不同的時(shí)刻；N——元胞的鄰域；f——局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

Markov模型與CA模型均為時(shí)間和狀態(tài)離散的動(dòng)力學(xué)模型，但 Markov無法預(yù)測空間變量，而CA的狀態(tài)變量則與空間位置緊密相連［12］。CA－Markov模型不僅具有Markov模型預(yù)測數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具備了CA模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空動(dòng)態(tài)演變的能力［13］，故將兩種模型結(jié)合能有效地模擬土地利用格局的空間變化。

土地利用的模擬預(yù)測分析主要通過IDRISI軟件中的Markov模塊和CA－Markov模塊進(jìn)行。首先利用Markov模塊計(jì)算1990—2000年，2000—2010年轉(zhuǎn)移概率矩陣，后確定元胞大小（30m×30m）、CA濾波器大小（5×5）、CA循環(huán)次數(shù)（10）等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上以2000年為初始時(shí)刻通過CA－Markov模塊模擬得到2010年臨沂市土地利用類型分布圖。再經(jīng)ArcGIS 9.3中的柵格減運(yùn)算得到土地利用模擬一致、非一致圖。最后運(yùn)用IRDISI中CROSSTAB模塊計(jì)算各地類的Kappa指數(shù)。

2.3 土地利用信息圖譜

土地利用／土地覆被變化格局的基本單元，即圖譜單元，是記錄時(shí)空復(fù)合信息的基本單元［14］，土地利用／土地覆被變化變化信息圖譜的生成包括時(shí)間、空間、屬性、過程一體化數(shù)據(jù)合成和提取及模式概括等過程［14］。本文利用地學(xué)信息圖譜理論，借助ArcGIS 9.3的疊置分析建立1990—2000—2010年土地利用格局變化圖譜，每個(gè)圖譜單元記錄1990年、2000年和2010年土地利用單元類型，反映20a間土地利用變化的演變歷程，為了直觀地反映土地利用時(shí)空變化規(guī)律，將圖譜變化模式概括為5種類型即：（1）穩(wěn)定型：在1990—2000—2010年都保持不變；（2）前期變化型：在1990—2000年發(fā)生變化，2000—2010年未發(fā)生變化；（3）后期變化型：在1990—2000年未發(fā)生變化，2000—2010年發(fā)生變化；（4）反復(fù)變化型：在1990—2000年變?yōu)橐环N類型，在2000—2010年又變回原來類型；（5）持續(xù)變化型：在1990—2000—2010年一直變化，且未還原成原來類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化矩陣分析

利用IDRISI中的Markov模塊分析1990年、2000年和2010年的數(shù)據(jù)。由表1分析可知，該區(qū)域土地利用總體結(jié)構(gòu)以耕地為主，面積比例從67.56%降至54.04%，均超過50%，占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，是土地利用格局的基質(zhì)景觀，其次是建設(shè)用地和林地，水體、未利用地及草地所占比例較小，表明該區(qū)域以第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)為主，符合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)特征。

從表2、表3可知，凈增面積比例最大為建設(shè)用地，大量的新增建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)入，耕地轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率較大，均超過0.2。表明耕地轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地是主要的土地轉(zhuǎn)移軌跡。未利用地呈遞減態(tài)勢(shì)，從1990年的953.64hm2下降至2010年的483.66hm2。1990—2000年未利用地減少面積為367.38hm2，主要轉(zhuǎn)移為耕地，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率為0.32；2000—2010年未利用地主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地，狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率高達(dá)0.33。未利用地轉(zhuǎn)移軌跡在這20a間發(fā)生了顯著變化，從前10a主要流向耕地，到后10a主要流向建設(shè)用地，反映了土地需求類型的轉(zhuǎn)變。未利用地包括沼澤、濕地等具有生態(tài)調(diào)節(jié)功能的用地，因此未利用地的減少會(huì)加劇生態(tài)環(huán)境的惡化。林地面積呈下降趨勢(shì)，轉(zhuǎn)出面積主要流入耕地，20a間的轉(zhuǎn)移概率均高于0.19，在人口增長和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，不少林地被開墾為耕地。耕地轉(zhuǎn)移為林地的狀態(tài)概率有所上升，從1990—2000年的0.000 2上升到2000—2010年的0.028 4。主要由于政府的“退耕還林”政策的見效及人們生態(tài)保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)。草地的面積先增后減，但2010年草地面積較1990年仍增加了4.44%。1990—2010年新增草地面積主要由未利用地轉(zhuǎn)入，狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率為0.065 8。2010—2020年凈增草地面積主要由耕地轉(zhuǎn)入，這與政府的“退耕還草”政策的實(shí)施有關(guān)。在城市化的推動(dòng)下，草地轉(zhuǎn)出面積也主要流向建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移概率均高于0.18。水體面積持續(xù)增加，尤其是2000—2010年這10a，增幅高達(dá)7.77%。主要?dú)w結(jié)于政府從2006年可開始積極推進(jìn)的水源保護(hù)區(qū)的建設(shè)，交通水利用地的規(guī)劃，河道疏通、六大灌區(qū)改造、農(nóng)田水利基本建設(shè)等工程。

表1 1990年、2000年、2010年臨沂市各類型土地面積變化

表2 1990年、2000年臨沂市土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣

表3 2000年、2010年臨沂市土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣

3.2 土地利用信息圖譜分析

（1）穩(wěn)定型圖譜單元在各類變化模式圖譜單元中所占比例最大，空間上散布于整個(gè)研究區(qū)域，其中耕地—耕地—耕地這個(gè)變化模式面積為115 453.70 hm2，占穩(wěn)定型圖譜面積的65.48%，表明該區(qū)域主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主；建設(shè)用地—建設(shè)用地—建設(shè)用地次之，占穩(wěn)定型圖譜面積的19.78%，由于研究區(qū)域?yàn)榕R沂市市區(qū)，是傳統(tǒng)的城市經(jīng)濟(jì)、商貿(mào)物流、歷史和行政中心（表4）。

（2）后期變化型為面積第二大圖譜單元，變化面積為30 492.20hm2，占研究區(qū)的13.30%，分布在中心城區(qū)的周邊，主要沿沂河、祊河，具有濱水特色。該獨(dú)具特色的城市空間形態(tài)使得臨沂市發(fā)展模式有別于其他城市。其中耕地—耕地—建設(shè)用地面積是最大的圖譜變化，占后期變化型圖譜面積的67.44%，城鎮(zhèn)化逐圈推進(jìn)導(dǎo)致中心城區(qū)周邊耕地被城鎮(zhèn)化。不少耕地被建設(shè)成高新區(qū)和工業(yè)園區(qū)，如位于河西的羅莊工業(yè)區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)等。林地—林地—耕地次之，臨沂市人口由1990年162.7萬增長到2010年的210.9萬，人口激增導(dǎo)致糧食需求的增加，致使人們開墾林地，加速區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化。

（3）前期變化型圖譜面積為19 836.85hm2，其面積最大變化圖譜為耕地—建設(shè)用地—建設(shè)用地，主要分布在祊河上游及中心城區(qū)周邊，反映了在早期城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，離中心城區(qū)最近的耕地最先被城鎮(zhèn)化。

（4）持續(xù)變化型和反復(fù)變化型所占的面積較少，分布零星。持續(xù)變化型的最大變化圖譜為林地—耕地—建設(shè)用地，從林地變更到建設(shè)用地，土地產(chǎn)出率也隨之提高，說明人們不顧生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化，片面追求經(jīng)濟(jì)效益。分布零散主要由于新增的建設(shè)用地布局散亂缺乏規(guī)劃。反復(fù)變化型的最大變化圖譜為耕地—建設(shè)用地—耕地，這主要得利于土地復(fù)墾政策的落實(shí)，即將曾占用耕地的廢棄工礦用地整治后再次恢復(fù)成耕地。

表4 1990－2010年土地利用變化圖譜分析

3.3 土地利用類型變化預(yù)測

Markov模型作為CA－Markov模型的重要組成部分，要求預(yù)測對(duì)象具有馬爾科夫過程特性［16］，即土地利用變化呈現(xiàn)某種變化趨勢(shì)的平穩(wěn)性過程，而事實(shí)上臨沂市土地利用會(huì)因自然或人為因素發(fā)生突發(fā)性變化。因此采用CA－Markov模型時(shí)為避免造成長期預(yù)測時(shí)產(chǎn)生較大的誤差和不確定性，不能盲目或隨意地?cái)U(kuò)大預(yù)測時(shí)間的步長［17］。

本文將2020年這一年份作為臨沂市土地利用變化預(yù)測年份，根據(jù)預(yù)測，2020年研究區(qū)域的耕地、建設(shè)用地、林地、水體、未利用地、草地的面積分別為108 831.87，87 308.01，20 700，11 212.11，405.45，735.21hm2。通過對(duì)比分析可知，2010—2020年，土地利用格局保持1990—2010年的變化趨勢(shì)，即建設(shè)用地持續(xù)增加，耕地持續(xù)減少。其中耕地仍為基質(zhì)景觀，占總面積的47.48%，建設(shè)用地面積占38.09%，成為重要的土地類型。景觀類型占整個(gè)景觀面積的比例，在相對(duì)意義上給出了景觀類型對(duì)整個(gè)景觀的貢獻(xiàn)率［18］。說明在2020年臨沂市仍以農(nóng)業(yè)景觀為主，但建設(shè)用地對(duì)整個(gè)景觀貢獻(xiàn)率較大，城鎮(zhèn)化進(jìn)程顯著。在所有土地利用的轉(zhuǎn)化過程中，耕地轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地為最主要轉(zhuǎn)化軌跡。林地、草地和未利用地減少面積不多，各地類的相互轉(zhuǎn)化量相對(duì)較小，基本保持穩(wěn)定，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)中［4］。水體面積仍有所增加。總之，隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，臨沂市將面臨資源制約日益突出，耕地保護(hù)與建設(shè)用地短缺之間的矛盾加劇等問題，提高土地利用效率，轉(zhuǎn)變土地利用和管理方式是不可回避的客觀要求。

3.4 土地利用模擬精度分析

由表5可以看出，Kappa較高，各類土地的模擬效果較好。建設(shè)用地、耕地、林地、水體的Kappa指數(shù)均高于0.75，說明這4種類型的土地預(yù)測模擬效果很好；草地的Kappa指數(shù)略低于0.75，遠(yuǎn)高于0.4，其預(yù)測模擬尚佳；未利用地的Kappa指數(shù)較低，但也高于0.4，表明未利用地的預(yù)測模擬效果一般。采用全數(shù)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)?zāi)M的總體精度，將2010年的解譯結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行柵格減運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)模擬一致的柵格數(shù)占總柵格數(shù)的83.18%，即模擬總體精度為83.18%，反映了該模擬結(jié)果可信度較好，CA－Markov預(yù)測的土地利用類型具有較好的可信度和適用度。

表5 2010年臨沂市各土地利用類型實(shí)際柵格與模擬柵格

4 結(jié)論與討論

本文以臨沂市為例，在1990年、2000年、2010年3期遙感解譯數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助Markov轉(zhuǎn)移矩陣及地學(xué)信息圖譜理論，研究該區(qū)域的土地利用變化及空間格局演變。最后采用CA－Markov模型對(duì)2020年臨沂市土地利用數(shù)量和空間分布進(jìn)行預(yù)測。

臨沂市耕地面積雖不斷減少，但一直為基質(zhì)景觀，土地利用結(jié)構(gòu)以耕地為主，其次是建設(shè)用地。建設(shè)用地凈增面積主要由耕地轉(zhuǎn)入。從土地利用格局的圖譜變化中也可看出耕地轉(zhuǎn)移成建設(shè)用地是主要的變化模式。兩者均反映了該區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及城鎮(zhèn)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，耕地保護(hù)與建設(shè)用地供給壓力增大。利用CA－Markov模型對(duì)2020年土地利用格局預(yù)測結(jié)果顯示，耕地面積將占總面積的47.48%，建設(shè)用地將占38.09%，土地利用結(jié)構(gòu)仍以耕地和建設(shè)用地為主，耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地是土地轉(zhuǎn)移的主要軌跡，耕地與建設(shè)用地的需求空間矛盾日益突出，雖城市化建設(shè)成效顯著，但建設(shè)用地布局分散、集聚效益不明顯。林地、未利用地、草地等具有生態(tài)調(diào)節(jié)作用的土地面積不斷減少，生態(tài)環(huán)境面臨挑戰(zhàn)。根據(jù)上述研究結(jié)論提出以下建議：

有關(guān)部門應(yīng)合理規(guī)劃建設(shè)用地，通過控制新增規(guī)模特別是占耕地規(guī)模來控制建設(shè)用地的過度擴(kuò)張，促進(jìn)土地利用模式創(chuàng)新和土地利用效率的提高。以土地供應(yīng)的硬約束來促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的根本轉(zhuǎn)變。同時(shí)加快廢棄礦山、采煤塌陷、挖損壓占等廢棄土地的復(fù)墾，建設(shè)基本農(nóng)田集中區(qū)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)集約化、現(xiàn)代化和產(chǎn)業(yè)化。調(diào)整優(yōu)化建設(shè)用地布局，推動(dòng)工業(yè)園區(qū)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的集聚與整合，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，積極盤活存量建設(shè)用地，加強(qiáng)城鎮(zhèn)閑散用地整合，全面提高建設(shè)用地集約利用水平。另外也應(yīng)因地制宜地發(fā)展園地、林地，加快建設(shè)以森林、草地和基本農(nóng)田等為主體的土地生態(tài)安全屏障，協(xié)調(diào)居民點(diǎn)、農(nóng)田、林地、草地、水體等用地的配置，逐步形成結(jié)構(gòu)合理、功能互補(bǔ)的土地利用生態(tài)空間格局。

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