基于馬爾科夫模型的五指山市林地景觀預(yù)測研究

賴雨歡，程玉娜，鄧必平

(1.江西省贛州市林業(yè)技術(shù)推廣站，江西 贛州 341000；2.江西省贛州市白塔水上木材檢查站，江西 贛州 341000；3.江西省贛州市林業(yè)科學(xué)研究所，江西 贛州 341000)

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基于馬爾科夫模型的五指山市林地景觀預(yù)測研究

賴雨歡1，程玉娜2，鄧必平3

(1.江西省贛州市林業(yè)技術(shù)推廣站，江西 贛州 341000；2.江西省贛州市白塔水上木材檢查站，江西 贛州 341000；3.江西省贛州市林業(yè)科學(xué)研究所，江西 贛州 341000)

為了解五指山市林地景觀的結(jié)構(gòu)組成，掌握各類景觀動態(tài)變化趨勢，借助RS、GIS技術(shù)，利用馬爾科夫模型模擬和預(yù)測了五指山市林地景觀變化。結(jié)果表明：林地景觀總面積逐年減少，其中針葉類、硬闊類、竹林類、灌木經(jīng)濟(jì)林類、闊葉混交林五種景觀表現(xiàn)為逐年減少，軟闊類、喬木經(jīng)濟(jì)林類、其他灌木類三種景觀呈現(xiàn)逐年增加的趨勢；五指山市各林地景觀類型面積的大小排序為：闊葉混交林>喬木經(jīng)濟(jì)林類 >硬闊類>針葉類>軟闊類>竹林類>灌木經(jīng)濟(jì)林類>其它灌木類。為今后五指山市林地景觀的規(guī)劃及管理決策提供借鑒，為五指山市的環(huán)境保護(hù)提供參考。

馬爾科夫；林地景觀；五指山市

1　引言

近年來，隨著“3S”技術(shù)的發(fā)展，利用轉(zhuǎn)移概率矩陣進(jìn)行預(yù)測的馬爾科夫模型已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[1]。馬爾科夫過程是一種“無后效性”的特殊隨機運動過程[2～4]，這對研究景觀動態(tài)演變較為合適。本文通過運用馬爾科夫模型，對五指山市林地景觀動態(tài)模擬及預(yù)測,定量的分析林地與非林地之間及各林地景觀類型內(nèi)部之間的演變特點,為五指山市林地景觀的保護(hù)、利用提供依據(jù),為城市景觀規(guī)劃及長遠(yuǎn)發(fā)展提供借鑒。

2　材料與方法

2.1研究區(qū)概況

五指山市位于海南島中南部五指山腹地，全市土地面積169萬多畝，林地面積約占總面積的90%，其中有林地面積147萬多畝，森林覆蓋率約為86%。主要的林地景觀類型為：有林地、灌木林地，其中有林地景觀類型包括：闊葉混交林、經(jīng)濟(jì)林類、闊葉類、針葉類等種類。

2.2數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用五指山市1998年、2003年、2007年3個時期的遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源。同時，結(jié)合五指山市1∶10000地形圖，2009年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，以及1993年、2003年、2008年森林資源一類調(diào)查數(shù)據(jù)，以及五指山市相應(yīng)時期的統(tǒng)計年鑒等相關(guān)資料。本次數(shù)據(jù)預(yù)處理是利用遙感軟件ERDAS IMAGINE9.2和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.0來完成的。

3　五指山市林地景觀動態(tài)模擬和預(yù)測

3.1構(gòu)建初始狀態(tài)矩陣

以1998年、2003年間隔5年的景觀類型面積轉(zhuǎn)化量作為一步調(diào)，進(jìn)行模擬和預(yù)測，在ArGIS10.0中利用相交原理，對兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行相交處理，得到各景觀類型的轉(zhuǎn)化情況。將1997～2003年某景觀類型與其它景觀類型相互轉(zhuǎn)化的面積占原來該景觀類型面積的百分比作為平均轉(zhuǎn)化率，建立9種景觀類型的初始轉(zhuǎn)移概率矩陣見表1。

表1　1998～2003年五指山市景觀類型初始轉(zhuǎn)移矩陣

3.2動態(tài)模擬和預(yù)測

將1998年五指山市用地類型面積的初始狀態(tài)矩陣及1998年至2003年五指山市景觀類型初始轉(zhuǎn)移矩陣輸入Matlab中，求出2003年各景觀類型面積預(yù)測矩陣為：P(2003)=[3248.463，8249.917，3022.001，65695.987，254.002，21418.201，152.274，99.133，11073.589]。同理可得， 2003年、2007年間隔4年為一步調(diào)的景觀類型面積轉(zhuǎn)化量，模擬和預(yù)測的轉(zhuǎn)移狀態(tài)矩陣，繼而算出2007年五指山市各類景觀面積預(yù)測值，對比2007年五指山市各景觀類型面積的真實值，得到步調(diào)為4年的模擬精度。通過對比兩轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測精度，發(fā)現(xiàn)以步調(diào)為5年及4年為時間間隔作為轉(zhuǎn)移矩陣模擬預(yù)測時，不同的景觀類型面積預(yù)測精度大小各不相同，為了使預(yù)測值與真實值更為接近，取各景觀類型預(yù)測值與真實值相對誤差較小的年平均變化量的加權(quán)值作為預(yù)測轉(zhuǎn)移變化量，從新調(diào)整轉(zhuǎn)移矩陣。以5年間隔為一個單位作為步調(diào)預(yù)測[5，6]，從而得出五指山市各景觀類型的調(diào)整轉(zhuǎn)移矩陣Pij′。

Pij′=[0.99598，0.00000，0.00000，0.00188，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00214;

0.00000，0.99239，0.00017，0.00122，0.00000，0.00096，0.00000，0.00000，0.00526;

0.00000，0.00173，0.91293，0.00196，0.00000，0.00010，0.00000，0.00000，0.08329;

0.00014，0.00030，0.00016，0.99485，0.00001，0.00150，0.00000，0.00000，0.00304;

0.00000，0.00369，0.03373，0.00000，0.92884，0.00000，0.00000，0.00000，0.03373;

0.00000，0.00000，0.00005，0.00181，0.00002，0.98673，0.00000，0.00000，0.01139;

0.00000，0.00000，0.00000，0.00282，0.00000，0.00000，0.98784，0.00000，0.00934;

0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，1.00000，0.00000;

0.00032，0.00179，0.00072，0.01063，0.00034，0.02622，0.00005，0.00004，0.95989;]

再利用Matlab編程，得出近30年內(nèi)的五指山市各景觀類型面積，見表2。

表2　五指山市各時期景觀面積預(yù)測　hm2

4　結(jié)果與分析

通過比較1998年與2007年五指山市各林地景觀面積知，在此間隔內(nèi)，闊葉混交林、軟闊類、硬闊類、針葉類四種景觀面積變化相對較大，其中，闊葉混交林面積增加了2217.62 hm2、軟闊類面積增加了690.79 hm2、硬闊類面積增加了682.81 hm2、針葉類面積增加了468.61 hm2(圖1)。

圖11998～2027年五指山市各景觀類型面積變化趨勢

由表2可知，近30年內(nèi)，五指山市林地景觀總面積逐漸減少，非林景觀面積逐漸增加，這種變化趨勢的出現(xiàn)主要是受人類活動的影響，隨著人口的急劇增加及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于土地的開發(fā)利用程度不斷加劇，在重視經(jīng)濟(jì)效益的同時，卻忽略了生態(tài)效益，從而導(dǎo)致林地面積減小，林地生存受到威脅。在今后的發(fā)展中應(yīng)受到重視，需采取一定的改善措施，以確保五指山市今后生態(tài)文明的健康發(fā)展；通過觀察圖1知，在預(yù)測年限內(nèi)：針葉類、硬闊類、竹林類、灌木經(jīng)濟(jì)林類、闊葉混交林五種林地景觀面積表現(xiàn)為逐年減少的現(xiàn)象，而軟闊類、喬木經(jīng)濟(jì)林類、其他灌木類三種林地景觀類型面積呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，但總體而言，各林地景觀類型沒有發(fā)生變化，這表明五指山市林地景觀的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，而組成沒有改變；1998～2027年近30年間，五指山市各林地景觀類型面積(公頃)的大小排序為：闊葉混交林>喬木經(jīng)濟(jì)林類 >硬闊類>針葉類>軟闊類>竹林類>灌木經(jīng)濟(jì)林類>其它灌木類，這表明五指山市主要的林地景觀類型的主次位置沒有發(fā)生變化，因闊葉混交林面積明顯高于其他林地類型面積，說明闊葉混交林為該市主要的林地景觀類型。

[1]Cabral P.Markov processes in modeling land use and land cover changes in Sintra-Cascais，Portugal[J].Dyna-colombia，2009，76(158)：191～198.

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[6]郭篤發(fā).利用馬爾科夫過程預(yù)測黃河三角洲新生濕地土地利用/覆被格局的變化[J].土壤，2006，38(6)：42～47.

2016-07-13

賴雨歡(1981—)，男，工程師，主要從事林業(yè)技術(shù)推廣工作。

TU986

A

1674-9944(2016)15-0183-03