高標準糧田區鶴壁市土地利用情景模擬預測研究

田潔玫， 陳 杰

(1.鄭州大學公共管理學院，鄭州 450001； 2.鄭州大學水利與環境學院，鄭州 450001)

0 引言

河南省是國家重要的糧食生產區，也肩負著實現耕地保護與農業現代化的重擔，2008年的《國家糧食戰略工程河南核心區建設規劃綱要》中占河南省鶴壁市總面積約70%的?？h、淇縣2縣均位列在內； 2012年出臺的《河南省人民政府關于建設高標準糧田的指導意見》中將鶴壁市作為典型示范區，這使得鶴壁市耕地受到政策保護。為了提升河南省的工業化、城鎮化水平，2011年出臺了《國務院關于支持河南省加快建設中原經濟區的指導意見》。鶴壁市作為中原經濟區“一核、四軸、兩帶”中“沿京廣發展軸”上的重要一環，承擔著北接京津、溝通南北產業和城鎮密集帶的重要作用。中原經濟區建設中出現的建設用地擴張會不可避免的對耕地造成影響，如何在未來的土地利用中滿足保證糧食安全與實現中部崛起的雙重要求是目前的關注熱點。

鶴壁市作為高標準糧田區的代表，在1993—2013年間發生了多種土地利用類型變化，這些變化會對未來土地利用產生影響，不同的發展模式也必然會產生不同結果。國內外學者對于土地利用變化模擬的研究主要是通過對土地利用格局、結構及過程的概括而進行的[1-3]。土地利用模擬中常用的模型有土地利用轉化及其效應模型(conversion of land use and its effects model，CLUE)、元胞自動機模型(cellular automata，CA)以及智能體模型(agent-based model，ABM)等。近年來CA模型的發展日益成熟，Clarke等提出CA改良模型進行土地利用變化模擬研究[4]，隨后又提出了主要運用于中等尺度的SLEUTH模型[5]； 張顯峰等建立了LESP模型，在虛擬環境下模擬土地利用變化情況[6]。元胞自動機-馬爾科夫模型(Cellular Automata Markov，CA-Markov)在CA原有模型基礎上增加了馬爾可夫鏈，可以提高預測模型結果的精確度，適用性與實用性較突出。

本文基于鶴壁市1993年、2003年和2013年3期遙感影像進行1993—2013年間土地利用動態變化分析，并將1993—2003年作為情景Ⅰ、2003—2013年作為情景Ⅱ，使用CA-Markov模型揭示了鶴壁市2023年土地利用的不同預測結果，以期為今后以耕地保護與經濟建設為主題的高標準糧田區土地利用優化配置以及各項利用規劃提供參考依據。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

鶴壁市位于河南省北部，處于E113°59′～114°44′，N35°26′～36°3′之間，是太行山東麓向華北平原的過渡地帶，地勢西高東低； 屬暖溫帶半濕潤型季風氣候帶，適宜農業種植，歷史上就是糧食盛產地，其糧食播種面積比重居全河南省第一，糧食單產和復種指數也高于其他地區，是河南省高標準糧田建設試點區[7]。近年來，鶴壁市城鎮人口增加迅猛，目前城鎮化率已高達52.8%，經濟發展態勢良好。鶴壁市北距首都北京市475 km，南距省會鄭州市110 km，國家西氣東輸工程、南水北調工程傍城區而過。鶴壁市下轄2縣(淇縣、?？h)3區(淇濱區、山城區、鶴山區)，位置如圖1所示。

圖1 鶴壁市位置示意圖Fig.1 Location map of Hebi City

1.2 數據來源及處理

鶴壁市中心所在經緯度為(E114.17°，N35.9°)。采用Landsat5 TM,Landsat7 ETM+以及Landsat8 OLI-TIRS衛星數據，條帶號為124/35，均來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站。使用ENVI 軟件對遙感數據進行了歸一化處理、假彩色合成、圖像配準、裁剪與增強。按照Anderson在1976年針對遙感調查數據確定的土地利用分類系統[8]，結合當地實況將研究區劃分為耕地、林地、建設用地、水域和未利用地5大類土地利用類型。采用非監督分類與監督分類相結合的方法，最終建立了研究區土地利用空間數據庫。經過混淆矩陣檢驗，各地類的解譯精度均高于85%。利用ArcGIS軟件統計得出3個年份的地類面積(表1)。

表1鶴壁市3期土地利用類型面積

Tab.1LandusetypeareaofHebiCityin3years(km2)

其他數據包括： 地形地貌數據(鶴壁市30 m分辨率數字地形圖)、矢量數據(鶴壁市行政區劃圖、鶴壁市土地利用現狀圖)及其他統計年鑒數據(鶴壁市統計年鑒、中國國土資源公報、河南省統計年鑒、鶴壁市年鑒、鶴壁市土壤志和鶴壁市城市總體規劃等)。

2 研究方法

2.1 CA-Markov模型

CA-Markov模型在世界范圍內被廣泛運用于土地利用/覆被變化(Land use/ cover change，LUCC)研究。陳龍泉通過對Markov-CA模型的研究，認為其模擬預測效果比單純Markov模型強[9]； 肖明等對該模型的運用也證明其可信度較高[10]； Adhikari等運用該模型對印度政策干預下LUCC進行了預測[11]； Kityuttachai也用該模型研究了泰國海濱城市的土地利用變化情況[12]。

本研究基于CA-Markov模型的鶴壁市土地利用情景模擬預測是在ArcGIS及IDRISI軟件中進行的。先對柵格數據進行100×100的重分類，將其轉為ASCII格式并導入IDRISI； 再使用IDRISI中的Markov模塊計算1993—2003年以及2003—2013年的轉移面積和與轉移概率矩陣； 考慮到MCE或Logistic法均存在較大的主觀性[13]，本研究采用Markov模塊自動生成的.rgf文件作為轉變適宜性圖像集，并在運算中采用5×5的CA濾波器，以10為CA循環次數的基數。

2.2 模型精度檢驗

對CA-Markov模型模擬預測的效果通常使用數量精度以及Kappa指數進行檢驗，數量精度的計算屬于全數檢驗方法，它可以檢驗到參與模擬的每個單元，具有較高的可信度。其方法是以預測圖與解譯圖的相交柵格數為被除數，以預測圖的模擬結果柵格數為除數，其數量精度值越大則表示模擬精度越高。Kappa指數在評價兩幅圖像一致性的研究中被廣泛應用，其數值大小與模擬效果的好壞成正比： 當該系數在(0.8～1]區間時，則模擬效果最佳； 當該系數在(0.6～0.8]區間時，則模擬效果顯著； 在(0.4～0.6]區間時表示效果適中； 在(0～0.4]區間時則表示效果弱或很差[14-15]。

3 結果與分析

3.1 發展情景設定分析

根據中原經濟區“三化”協調發展河南省協同創新中心對“三化”協調發展歷史過程的總結，可以將鶴壁市1993—2013年間分為2個發展階段，即1993—2003年和2003—2013年[16]

1993—2003年間，隨著1994年河南省貫徹農村土地使用權流轉機制，推動農業勞動力轉向非農就業，在農村實行適度規模經營[17]，流轉后耕地破碎化程度減小，該時期鶴壁市耕地有所增加。隨著南巡講話和十四大會議召開，鶴壁市的總體發展與市場經濟和改革開放趨勢相符，工業化成為其“抓住時機，發展自己”的重點，而鶴壁的電力工業基礎建設也成為鶴壁市工業化進程中的重中之重； 另一方面，1994年中原城市群戰略的提出，使得全河南省城鎮都積極聯體成片，鶴壁市處于重要的節點處，城鎮化建設更是突飛猛進。

2003—2013年間，2004年《關于推進農業現代化建設的意見》中強調繼續推進農村土地承包經營權流轉，促進工業反哺農業，農業產業化發展。2008年河南省糧食生產核心區建設以及其后2012年的高標準糧田建設，都強調將糧食生產用地和糧食產量穩定在一定水平。2003年后，河南省的工業化與城鎮化發展均進入高速增長時期。2006年鶴壁市成為河南省7個城鄉一體化試點，使得鶴壁市農村基礎設施建設也不斷加強； 2012年中原經濟區建設的啟動促使鶴壁市城市規模不斷擴大。工業化以重工業為主導，鶴壁市成為最大的鎂制品生產中心。

受到工業化、城鎮化、農業現代化的各項影響，鶴壁市過去20 a間土地利用也會有不同特征，分別計算土地擴張速度、擴張強度以及動態度，即

(1)

(2)

(3)

式中：V為擴張速度；R為擴張強度；K為擴張動態度；U為某區域的地類面積；i為初期；j為末期；T為時間間隔；A為土地總面積。計算結果見表2。

表2 鶴壁市2個階段土地利用變化對比表Tab.2 Land use change phase comparison of Hebi City

從表2可見，1993—2003年間土地利用呈現建設用地擴張速度、強度以及擴張變化量均低于2003—2013年間，而耕地擴張速度、強度以及擴張變化量均高于2003—2013年間的情況。依據兩階段中鶴壁市土地利用的不同特征，可將這2個階段的土地利用模式分別作為不同的發展情景對未來進行模擬預測，并依據預測結果分析哪種情景更有利于高標準糧田區土地可持續利用。

3.2 2013年土地利用模擬預測

以2003年為預測起始年，以Markov模塊中生成的1993年土地利用類型轉變為2003年土地利用類型可能性的轉變適宜性圖像集為依據，間隔迭代設為10 a,對2013年的土地利用情況進行預測。通過CROSSTAB模塊可同時將模擬結果與解譯結果進行柵格差值運算，得到檢驗交叉表，并計算數量精度[18]，結果如表3。

表3 鶴壁市2013年預測結果模擬精度Tab.3 Simulation accuracy of Hebi City in 2013

分析可知，水域的數量精度為70.131%，Kappa指數為0.699，相對較低，但其模擬效果仍處于顯著狀態； 其他各地類及總體的數量精度均較高，且Kappa指數均高于0.81，這種高模擬精度的情況具有不變地類占比大而高估模型能力的可能性，但相關研究已表明該精度存在較高可信度。由此項檢驗可知，使用CA-Markov模型可以得出達到模擬效果的鶴壁市未來土地利用預測圖件和數據。

3.3 基于兩種發展情景的模擬預測

依據上文分析，可將1993—2003年的發展模式作為情景Ⅰ，以2003年作為起始年，1993—2003年的Markov轉移矩陣和適宜性圖像集，迭代間隔為20 a。同理，可將2003—2013年的發展模式作為情景Ⅱ，使用2013年作為起始期，2003—2013年的Markov轉移矩陣和適宜性圖像集，迭代間隔10 a。2種發展情景可分別模擬出鶴壁市2023年的土地利用圖，如圖2所示。

(a) 情景Ⅰ (b) 情景Ⅱ

圖2兩種發展情景下模擬的2023年鶴壁市土地利用圖

Fig.2LandusemapofHebiCityin2023undertwoscenariosofdevelopment

3.3.1 預測結果的數量變化比較分析

將模擬結果導入ArcGIS軟件，統計計算得出鶴壁市2023年2種情景模式下的土地利用類型面積，結果匯總見表4。

表4 鶴壁市2023年土地利用類型面積及比例匯總表Tab.4 Land use type area and proportion of Hebi City in 2023

由表4可知，總體上鶴壁市的耕地仍屬于主導地類，2種情景下2023年耕地面積比例均超過55%，這是鶴壁市作為高標準糧田示范區的優勢所在。情景Ⅰ中的耕地面積比例明顯高于情景Ⅱ，說明情景Ⅰ中以耕地保護為主，然而情景Ⅰ中耕地面積比情景Ⅱ多54.180 km2，情景Ⅱ的建設用地卻比情景Ⅰ多108.689 km2，大量增加的建設用地是中原經濟區建設的必然結果，這說明情景Ⅱ在少量占用耕地的情況下，建設用地發展迅猛，且以對未利用地的開發為主(情景Ⅰ的未利用地持有面積是情景Ⅱ的兩倍)，這一情況符合中原經濟區建設及工業化發展的普遍要求。對于林地和水域而言，情景Ⅱ的各項所占面積均高于情景Ⅰ，說明基于情景Ⅱ的發展模式下鶴壁市未來林地及水域用地持續增加，這符合鶴壁市盤石頭水庫建設的實際情況，也符合目前政府提倡“綠色化”發展的生態及環境保護立場[19]。

3.3.2 預測結果的空間變化比較分析

將2種情景下的2023年鶴壁市土地利用圖與各自的初始土地利用圖(2003年、2013年)使用Image Calculator模塊進行處理，以模擬圖像為被減數，以初始圖像為減數，得到2種情景模式下的2023年鶴壁市土地利用空間發展比較圖，如圖3所示。圖呈增加中數字為正的區域表明模擬圖像在初始圖像基礎上趨勢。

(a) 情景Ⅰ (b) 情景Ⅱ

圖32023年鶴壁市土地利用空間發展比較圖

Fig.3ComparisonoflandusespatialdevelopmentofHebiCityin2023

情景Ⅰ中2023年鶴壁市土地利用增加的部位集中在圖件的北部，且以西北部為主； 從細節上看，建設用地主要圍繞著淇濱區、山城區以及?？h主城區進行外擴； 未利用地也有西擴趨勢，符合鶴壁市西部山區環境保護的要求。情景Ⅱ中2023年鶴壁市土地利用增加部分較之情景Ⅰ更為全方位，增加部分以西部為主，兼顧東部； 且圍繞著淇濱區(鶴壁市區)與淇縣練成一片中央核心區，西北部的山城區與鶴山區也逐步形成一體，與東部淇縣照相呼應。

依據《鶴壁市城市總體規劃(2007—2020)》，鶴壁市未來城市發展空間結構以淇濱區為中心，以山城區、淇縣縣城、浚縣縣城為次中心，依托快速路和區域主干公路，構建“一軸、三區、四級”的市域城鎮空間結構，并逐漸從“一心(淇濱區)三星(山城區、淇縣、浚縣)”向 “一核(鶴淇一體化)雙星(山城鶴山一體化、浚縣)”過渡。由此可見，情景Ⅱ的空間變化態勢更符合鶴壁市的城市總體規劃。

3.3.3 預測結果的景觀格局比較分析

在Patch Grid擴展模塊中將2種情景下的2023年鶴壁市土地利用圖進行處理，研究2種情景模式下的2023年鶴壁市土地利用的景觀格局情況。使用的景觀指數有： ①面積加權的平均形狀因子(area weighted mean shape index，AWMSI)反映景觀中各斑塊的變異性，其數值隨著斑塊形狀不規則程度的增加而增大； ②香農多樣性指數(Shannon’s diversity index，SHDI),反映景觀復雜性和變異性，其值越小破碎度越低； ③香農均度指數(Shannon’s evenness index，SHEI),反映分布均勻程度，數值在0～1之間，趨于0是說明景觀優勢性明顯； ④平均斑塊大小(mean patch size，MPS)與斑塊個數(number of patches，NUMP)組合可反映景觀空間格局[20]。結果見表5。

表5 鶴壁市2023年土地利用類型景觀指數表Tab.5 Landscape index of land use type of Hebi city in 2023

由表5可知，就AWMSI指標而言，情景Ⅱ<情景Ⅰ，說明情景Ⅱ中的斑塊形狀更加規則。SHDI與SHEI指標數值均很小，說明2種情景下2023年鶴壁市的土地利用景觀破碎度均呈現較低狀態，景觀分布均勻并且優勢性明顯。但從MPS與NUMP指標的數值可以看出，相比而言情景Ⅰ下2023年的斑塊尺寸略小，而斑塊個數偏多，這說明情景Ⅱ的斑塊集聚度高且內部連續性強。

4 結論

1)鶴壁市作為高標準糧田示范區，其未來土地利用應符合河南省實現“三化”(即工業化、城鎮化與農業現代化)的協調發展戰略。按照情景Ⅱ模式進行土地利用規劃和建設可以在建設用地滿足工業化與城鎮化的基礎上，使得耕地持續集聚并不斷滿足農業現代化要求，最終實現高標準糧田建設目標。

2)綠色可持續化是未來高標準糧田建設的內在目標，發展應堅持走“不以犧牲農業和糧食、生態和環境為代價”的道路。按照情景Ⅱ模式未來林地及水域用地面積增加，更加符合目前綠色化發展要求。

3)使用數量精度及Kappa指數對CA-Markov模型的模擬精度進行測算是目前的常用方法。鶴壁市處于高標準糧田建設區，受自身土地稟賦、耕地保護政策以及政府規劃的影響，地類變動并不十分劇烈。這種不變地類占比大的現象存在著高估模型能力的可能性，因此該問題今后可在具有不同特點的其他區域作進一步的分析研究。

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