基于GIS和CA-Markov模型的庫倫旗土地利用變化分析

勿云他娜，蘇根成，孫烏仁圖雅

(內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

基于GIS和CA-Markov模型的庫倫旗土地利用變化分析

勿云他娜，蘇根成，孫烏仁圖雅

(內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

以內蒙古通遼市庫倫旗2009年Langsat-TM、2016年Landsat-ETM遙感影像為數據源,利用GIS軟件解譯提取該時期的土地利用現狀數據，分析2009～2016年土地利用結構變化和轉移特征，在此基礎上借助CA-Markov模型，以2009～2016年土地利用轉移概率矩陣為轉移條件，構建土地利用適宜性圖集，預測2016～2020年土地利用變化趨勢。結果表明，2009～2016年，庫倫旗土地利用變化明顯，耕地和未利用地面積大量增加，主要來自草地和林地的轉化。2016～2020年，庫倫旗耕地和未利用地面積呈持續增加趨勢，建設用地增長緩慢，草地、林地、水域面積呈減少趨勢。需要優化調整土地利用結構，加強草地和林地保護，加大未利用地整治力度，促進區域生態環境可持續發展。

土地利用；預測分析；CA-Markov模型；庫倫旗

1995年，“國際科學聯合會”(LCSU)和“國際社會科學聯合會”(LSSC)組織擬定的“土地利用/覆蓋變化科學研究計劃”開展以來，土地利用變化已成為國際性的重點研究內容，且愈來愈受到重視[1～3]。土地利用變化模型是深入了解土地利用變化過程、預測未來土地利用變化趨勢的重要手段[3]。目前，國內外應用較廣的土地利用變化預測模型有Markov模型、CA模型、Logistic模型、IMAGE模型、CLUE模型、GTR模型等[4]。CA-Markov模型是CA模型模擬復雜系統空間變化能力和Markov模型強大的定量化預測功能的有機結合，通過轉化規則來決定變化狀態，從而模擬復雜的空間變化程度[2]。筆者以內蒙古通遼市庫倫旗2016年土地利用現狀數據為初始狀態，以2009～2016年土地利用轉移概率矩陣作為轉移條件，用2016年降雨量平均值、人口密度、DEM、坡度等驅動因子創建土地利用適宜性圖集，預測 2016～2020年土地利用變化趨勢，為合理利用研究區土地資源和改善區域生態環境提供參考依據。

1 研究區概況

庫倫旗位于內蒙古通遼市西南部，東經121°09′～122°21′，北緯42°14′～43°14′，是通遼市下轄的一個旗，土地利用總面積為4729.2km2。庫倫旗地處燕山北部山地向科爾沁沙地過渡地段，南部為土石淺山區，中部丘陵起伏，北部為沙丘地貌。海拔190～626.5m，屬于大陸性季風氣候，年均氣溫6.6℃，年均降水量400～450mm，無霜期140～150d。2009年，全旗總人口174031人，GDP為350199萬元。2015年，全旗總人口179868人，GDP為685476萬元。

2 研究方法

2.1數據來源與處理

數據來源于地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn/)提供的2009年Landsat4-5TM影像以及2016年Landsat8OLI-TIRS影像，影像日期7～8月份，云量均低于0.25%。用ENVI 4.8軟件分別對2期遙感影像進行幾何校正、光譜增強、影像鑲嵌等數據預處理，在綜合判讀遙感影像的基礎上解譯提取2009年和2016年土地利用現狀數據。根據庫倫旗土地利用狀況，將土地利用類型分為6種類型，即林地、草地、耕地、未利用土地、水域、建筑用地。林地主要以落葉闊葉林、灌木林為主，草地包括草甸草原、荒漠草原，未利用地包括沙地、沼澤、鹽堿地，水域包括河流、湖泊等，建設用地包括城鎮居民地、農村居民地、交通用地、工礦用地等。

2.2數據驗證

借助ArcGis 10.1分別對研究區2009年、2016年土地利用現狀圖隨機生成30個樣點(圖1和圖2)，通過野外調查，參考Google Earth檢驗土地利用分類精度，經樣點分布統計后發現，草地分類精度高于87.5%，林地分類精度高于89%，耕地分類精度高于90%，水域分類精度高于92%，未利用地分類精度高于92%，建設用地分類精度高于91%。2009年土地利用綜合分類精度為92.5%，2016年土地利用綜合分類精度為93%，分類結果滿足后續研究需要。

圖1 庫倫旗2009年土地利用現狀 圖2 庫倫旗2016年土地利用現狀

2.3CA-Markov模型構建

在IDRISI 15軟件的支持下，以2016年庫倫旗土地利用現狀數據為起始狀態，用Markov模型生成2009～2016年土地利用轉移概率矩陣并作為轉移條件，用Logistic模型以2016年降雨量平均值、人口密度、DEM、坡度為驅動因子分析土地利用適宜性，生成土地利用適宜性圖集，并將適宜值域標準化為0～255，根據適宜條件分為5個級別，作為后續CA-Markov模型中的CA轉化規則，借助CA-Markov模型模擬2020年庫倫旗土地利用空間分布格局，其Kappa系數為0.791。

3 結果與分析

3.12009～2016年土地利用變化分析

土地利用結構是評價土地資源合理利用的重要指標。由2009～2016年庫倫旗土地利用結構變化(表1)可知，該地區主要土地利用類型為耕地和未利用地，2009年2種土地利用類型占土地利用總面積71.41%，2016年增加至87.66%，其中耕地面積比例由2009年的46.55%增加至2016年的53.17%，增加了325.69km2；未利用地面積比例由2009年的24.86%增加至34.49%，增加了455.21km2。

各土地利用類型的變化面積大小依次為草地>未利用地>耕地>林地>水域>建設用地，耕地、未利用地、建設用地面積均在增加，草地、林地、水域面積持續減少，說明生態用地(草地、林地、水域)呈惡化狀態。草地減少面積最大(727.71km2)，變化率為-60.88%；林地面積減少40.95km2，變化率為-72.04%，說明林地減少速度最快；水域面積減少了12.74km2，變化率為-19.79%；建設用地變化不明顯，增加0.5km2，增長率1.41%。

由于庫倫旗自然環境脆弱，加之氣候干旱，降雨量少造成未利用地面積不斷增加，生態用地(草地、林地、水域)逐年減少，另一方面隨著社會經濟發展和人口不斷增長，對耕地的需求量日益增加，大量草地和林地轉變為耕地。因此，自然和人為因素是影響研究區土地利用方式的主要驅動力。

3.22009～2016年土地利用轉移分析

利用ArcGIS 10.1分析工具的intersect功能和Excel統計軟件，對研究區2009、2016年土地利用現狀圖進行疊加統計，獲取2009～2016年庫倫旗土地利用轉移面積矩陣數據(表2)。由表2可知，草地和林地的轉移量較大。草地轉化為未利用地和耕地的變化最明顯，分別為489.16km2和415.69km2，說明草地沙化和開墾現象較嚴重。從草地轉入情況來看，有104.93km2耕地轉化為草地，其次是有82.36km2未利用地轉變為草地，存在部分低產量或不適宜耕作的農用地撂荒和未利用地轉化為草地的現象。同時，耕地面積不斷擴大，有1893.28km2耕地保持不變，其余耕地的主要來源為草地和未利用地(有124.82km2未利用地經過整治轉變為耕地)。由于“塔敏查干沙漠”橫貫庫倫旗北部全境，未利用地面積較多，有953.31km2的未利用地保持不變，而草地和耕地為新增未利用地的主要來源。此外，有14.07km2耕地轉變為建設用地，另有19.76km2建設用地通過整理農村居民點、復墾廢棄居住用地等方式轉變為耕地。林地轉為耕地面積達45.76km2，占林地面積80%左右。

3.32016～2020年土地利用變化預測分析

2016～2020年庫倫旗土地利用結構變化預測表如表3所示。由表3可知，2016～2020年土地利用變化趨勢與2009～2016年土地利用變化基本保持一致。耕地、未利用地面積呈增長態勢，分別增加44.73、76.42km2。建設用地變化不明顯，呈緩慢增長趨勢，增加面積為0.57km2。生態用地(草地、林地、水域)繼續減少，減少面積分別為111.06、2.09、8.57km2，其中草地減少速率最快(23.75%)，生態環境呈進一步惡化態勢，使可持續發展受到嚴峻挑戰。2020年庫倫旗土地利用預測圖如圖3所示。從圖3可知，庫倫旗土地利用分布狀況具有明顯的空間差異性，耕地廣泛分布于研究區南部，是全旗糧食高產集聚區；未利用地集中在研究區北部，該區域沙地較多；建設用地主要集聚在經濟水平較發達的城區和集鎮地區，另有少量為農村居民用地；草地主要分布在研究區西北部，這與北部區域的畜牧業相農業結合的土地利用方式有密切關系；林地主要集聚在庫倫旗小青溝旅游景區附近，其余地區分布較少，水域主要集中在研究區中部和南部，北部出現水資源缺乏現象。

表2 2009～2016年土地利用轉移矩陣 km2

表3 2016～2020年庫倫旗土地利用結構變化預測

4 結論與建議

4.1結論

圖3 2020年庫倫旗土地利用預測

1)耕地和未利用地是庫倫旗土地利用空間分布格局中的主要部分，研究區南部以耕地為主，而未利用地主要分布于北部。2009～2016年間，耕地、未利用地、建設用地面積持續增加，草地、林地、水域面積減少。

2)2009～2016年庫倫旗土地利用轉移發生了較大的變化，草地和林地的轉移量較多，突出表現在草地轉化為未利用地和耕地，分別轉出489.16km2和415.69km2，說明草地沙化和開墾現象較嚴重。此外，林地和水域面積減少，主要是由于氣候干旱化、土地利用方式不合理等自然和人為因素共同作用所導致。

3)2016～2020年土地利用變化發展趨勢與2009～2016年土地利用變化保持一致。2020年，耕地和未利用地面積比例將增加至90.6%，草地、林地、水域面積僅占8.74%，生態用地退化日趨嚴重。

4.2建議

1)要加強保護草地和林地意識，加大未利用地整治力度，嚴格控制生態用地惡化，促進土地資源合理利用。

2)在確保耕地數量和質量的同時，嚴格控制過度占用草地和林地，加大未利用地的整治力度，加強草地、林地、水域用地管理，通過建設人工草場、植樹造林等措施擴大生態用地面積，合理調整土地利用方式，使生態治理、環境保護與農用地開發同步協調。

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[4]肖宜挺.基于CA-Markov模型的土地利用景觀格局變化研究——以無湖市二山區為例[D].蕪湖：安徽師范大學,2013.

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2017-04-17

國家自然科學基金項目(41161015)。

勿云他娜(1992-)，女，碩士生，研究方向為土地利用規劃。通信作者：蘇根成，sugc1128@sina.com。

[引著格式]勿云他娜，蘇根成，孫烏仁圖雅.基于GIS和CA-Markov模型的庫倫旗土地利用變化分析[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(18)：79～82，85.

P301.2；P237

A

1673-1409(2017)18-0079-04

[編輯] 李啟棟