基于CA-MarKov模型的縣域土地利用時空演變分析及預測研究

陳曉曉 張永福

摘要 基于2005、2010、2015年Landsat OLI/TM土地利用分類數據，依托土地利用轉移矩陣、土地利用幅度變化模型、土地利用速度變化模型，輔以CA-MarKov未來土地利用預測模型，探討干旱區渭庫綠洲土地利用時空演變規律，預測未來土地利用類型。結果表明：2005—2015年耕地、水域和建設用地面積增加，林地、草地未利用地面積減少;各地類相互轉化中耕地、林地和建設用地絕對值變化幅度大，變化速度較快;預測模型精度0.782 9，能有效揭示研究區時空演變趨勢，在自然影響因素、氣象因素影響下2005—2015年變化趨勢與2005—2025年土地利用變化趨勢較一致。

關鍵詞 土地利用 CA-MarKov模型;渭庫綠洲

中圖分類號 F301.2 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）18-0065-05

Abstract Based on the land use classification data of LandsatOLI / TM in 2005， 2010 and 2015， relying on land use transfer matrix， land use change model，land use speed change model，supplemented by CAMarkov future land use prediction model， the temporal and spatial evolution of land use and the prediction of future land use types in UganKuche River Deita Oasis were discussed. The results showed that： During 2005-2015，the farmland， water area and construction land area increased， while the unused land area of forest land and grassland decreased;the transformation among different classes， the absolute value of farmland， forest land and construction land changed greatly and rapidly;the accuracy of the prediction model is 0.782 9， it can effectively reveal the temporal and spatial evolution trend of the study area， under the influence of natural and meteorological factors the change trend of 2005-2015 is consistent with that of 2005-2025.

Key words Land use;CAMarKov model;UganKuche River Deita Oasis

土地利用/覆蓋變化LUCC（land use and land cover change）與全球變化、生態環境、可持續發展等密切相關。其時空演變影響碳循環、水循環和生物多樣性等重要系統，進而影響區域的可持續發展[1]。自“國際地圈生物圈計劃”（IGBP）和“國際全球環境變化人文因素計劃”（IHDP）發表的土地利用/覆被變化（LUCC）研究計劃以來，LUCC的研究熱潮在國際上持續至今[2]。國內外學者在相關方面進行了大量的研究，如LUCC的時空演變分析以及模型模擬預測未來土地利用變化等。袁子坤[3]對土地利用變化的概念、驅動因子及預測進行了綜合分析;李黎黎等[4]結合GIS和RS技術對洋河流域1995、2000年土地利用/土地覆被變化進行分析;Musa Tarawally等[5]研究非洲2個重要城市2000—2015年的土地利用變化情況;預測未來土地利用變化的研究也較豐富，Sanat Das[6]、朱萌等[7]使用MarKov模型與地理空間技術相結合有效地反映研究區景觀格局的時空變化趨勢;郭燕燕[8]借助CLUE-S模型以深圳市為例，模擬精度達0.896，較精確地模擬了未來土地利用變化;靳含等[9]以新疆瑪納斯河流域典型綠洲為例，刻畫時間跨度與CA-MarKov之間的內在影響。CA模型能有效地模擬空間變化，MarKov模型在有限時序模擬上運用廣泛兩者結合，能有效提高土地利用預測精度[10]。新疆是“一帶一路”戰略中的五大省份之一，且我國向西開放的主要陸路通道包含了渭庫綠洲，是國家“一帶一路”倡議的實施建設的重要支點，對渭庫綠洲土地利用變化進行研究和模擬，有助于保護區域生態環境，及推進“絲綢之路經濟帶”發展建設。基于此，筆者以渭庫綠洲為靶區，對2005—2015年土地利用時空演變情況分析，并結合CA-MarKov模型對2025年土地利用情況進行模擬研究，以期對區域環境的管理朝著可持續方向發展，為土地利用相關應用提供科學的理論支持。

1 數據來源和研究方法

1.1 研究區概況

渭庫綠洲位于39°29′51″～42°38′01″N，81°28′30″～84°05′06″E，北接天山山脈，且位于塔里木河流域及塔里木盆地以北，隸屬阿克蘇地區，在庫車縣、沙雅縣、新和縣3縣境內（圖1）。季節特點是冬季寒冷干燥，夏季炎熱年平均氣溫約14.2 ℃，年平均日照約2 884.43 h，水資源來源于降水、降雪及地下水等年平均降水量約65.57 mm。2015年末人口達96萬，地方生產總值約1 613 672萬元。

1.2 數據來源與處理

土地利用分類數據使用Landsat系列遙感影像數據，分別為Landsat 8 OLI—2005年7月和Landsat 5 TM—2010年8月、2015年7月，源于USGS網站。分辨率30 m，云量均在10%以下。通過ENVI 5.3軟件對遙感數據進行輻射定標、大氣校正、影像增強、影像裁剪等預處理，根據《土地利用現狀分類標準》（GB/T 21010—2007）中的土地用地分類方法[11]采用監督分類的最大似然分類，分為耕地、林地、水域、草地、建設用地和未利用地。分類精度驗證數據于2019年7、8月份使用國土調查云在線監管軟件進行野外實地勘察驗證，核實近6 000個樣點，分類精度達80%以上。

CA-MarKov模型構建的適宜性數據使用年均日照、年均降水量、年均溫度、高程、坡度、地形起伏度等氣象數據與自然地形數據，氣象數據：數據來自中國氣象科學數據共享服務網，中國地面氣候資料月值數據集（http：//data.cma.cn/site/index.html）。DEM：在地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn）平臺，坡度與地形起伏度基于DEM數據在ArcGIS空間分析模塊獲取。

1.3 研究方法

為科學研究干旱區綠洲時空演變及預測未來土地利用變化，擬采用轉移矩陣、土地利用幅度變化模型、土地利用速度變化模型對土地利用空間格局定量分析，CA-MarKoV模型預測2025年土地利用變化。

1.3.1 轉移矩陣。

轉移矩陣反映一段時間內某一類土地利用類型轉入轉出的面積及相互轉化方向，運用ENVI轉移矩陣模塊獲取。

1.3.2 土地利用幅度變化模型。

土地利用變化幅度從各類土地利用類型的面積變化上反映了不同地類總量的變化。表達式如下：

Rd=（Ub-Ua）Ua×100%（1）

式中，Rd表示研究年間某一土地利用地類的變化幅度;Ua表示研究年間的起始年a的某一地物的地物類型量;Ub與Ua同，表示研究年間末尾年b的某一地物的地類面積。

1.3.3 土地利用速度變化模型。

土地利用變化中單一土地利用動態度可以在土地利用變化速度上定量解讀，不僅能比較區域間土地利用變化的差異性，對未來土地利用變化的模擬占有重要地位[12]。對干旱區土地利用變化速度的描述指在某段時間范圍內，某地類在數量上的變化情況。

K=（Ub-Ua）Ua×1T×100%（2）

式中，K表示研究年間內某類土地利用類型的變化速度;Ua表示研究年間的起始年a的某一地物的地物類型量;Ub與Ua同，表示研究年間末尾年b的某一地物的地類面積;T表示研究研究年的長度，當T為跨度時間年數，則K值表示研究區內某種某地物類型的年變化。

1.3.4 耦合CA-MarKov模型。

MarKov模型的操作是將2期土地利用數據進行對比研究，最終分析得到2個模塊，轉移矩陣和適宜性柵格文件集，CA操作是將MarKov模型操作得到的轉移矩陣用圖形的方式模擬在圖像上。將CA模型和MarKov模型一起用在土地利用變化預測中，耦合過程中MarKov模型的操作是CA-MarKov操作的一部分，結合2個模型的優點，以期得到與實際地物類型相符合的預測模型。

耦合CA-MarKov模型借助IDRISI軟件，以2005和2015年土地利用分類數據為基礎，預測2015年的土地利用數據且與2015年分類數據進行對比，驗證模型預測精度，最終以2015年土地利用分類數據為基礎，預測2025年干旱區渭庫綠洲土地利用類型。對預測的土地利用數據進行精度驗證，運行IDRISI軟件中的Crosstab 模塊獲得 Kappa 值。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型分析

通過土地利用變化分類得到土地利用相關數據，如表1和圖2所示：2005年占地較多的是草地、未利用地和耕地，占比37.66%、29.86%和18.33%，占地面積分別是325 096.20、257 826.69和158 205.33 hm2。2010和2015年土地利用面積變化及綜合占比趨勢與2005年相似。可以看出2005—2015年各個地類間發生較大變化。其中建設用地雖然占地面積比較小，但是面積增長較快。總體耕地、水域、建設用地面積在逐年增加，相反林地、草地和未利用地在逐年減少。

2.2 土地利用空間格局分析

2.2.1 轉移矩陣分析。

通過ENVI軟件得出2005—2015年渭庫綠洲土地利用轉移矩陣（表2）。通過分析表2揭示各地類之間轉化的內在聯系，轉入面積最多的是耕地158 551.29 hm2，主要由草地、林地和未利用地轉入，轉入面積分別是88 212.06、41 738.22、23 969.79 hm2;雖然草地轉入面積為113 581.98 hm2，但是轉出面積為165 968.73 hm2，比轉入面積多，主要轉為耕地、未利用地和建設用地;林地轉入轉出趨勢與草地相同都是轉入面積小于轉出面積;建設用地轉入面積42 360.39 hm2與轉出面積6 622.92 hm2相比，轉入量較大，主要由草地、林地、耕地和未利用地轉入，其中草地轉入最多為18 290.07 hm2;水域轉入轉出面積相對其他地類較均衡，總體來說土地利用變化內部間保持守恒，2005—2015年土地利用變化總體情況相對穩定。

2.2.2 土地利用幅度變化。

根據公式（1），得到渭庫綠洲土地利用幅度變化率（表3）。如表3所示：2005—2010年各地類變化幅度較穩定，相比較建設用地與耕地略顯活躍，草地和未利用地的幅度在減小。2010—2015年間變化幅度最大的是建設用地，增幅為1.69%，林地和草地幅度在減小分別為0.05%、0.56%，耕地、水域、和未利用地變化幅度較小。2005—2015年絕對值增幅由大到小依次為建設用地、耕地、林地、水域、未利用地和草地，幅度變化率分別為3.10%、0.68%、0.55%、0.37%、0.17%和0.16%。可見在研究年間建設用地、耕地和林地變化率較明顯，其他地類變化率相對穩定。