基于CA-Markov模型的吉林省西部土地利用/覆被變化研究及預測

王小倫，劉 雁，張 玉，劉吉平

(吉林師范大學旅游與地理科學學院，四平 136000)

土地利用/覆被變化(land use/cover change, LUCC)是自然過程與人類活動作用于地球表面的結果，并對區域內自然生態環境產生一系列影響，例如氣候變化、土壤侵蝕、地表徑流、生物多樣性減少等[1-4]。研究LUCC過程及預測，已成為全球熱點問題之一[5]。隨著研究的深入，研究過程由數學統計方法與單一靜態分析逐步轉向模型方法與多維動態分析。目前，應用較多的是Logistic回歸模型、Markov鏈、元胞自動機(cellular automation, CA)、CLUE-S模型與CA-Markov模型[6-9]。由于CA-Markov模型模擬精度高、空間表達性能良好，該模型在長遠期土地時空格局變化預測中使用較多[10-11]。由于氣候變化和社會經濟活動，近年來吉林省西部LUCC較為明顯。以吉林省西部為研究區，基于Globalland30數據集與GIS(geographic information system)技術平臺，分析2000—2010年與2010—2020年的LUCC，模擬預測2030年各地類狀況以及2020—2030年LUCC趨勢，從而探明吉林省西部土地資源利用現狀與問題，為土地資源規劃、開發與利用，以及生態保護與環境治理提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

如圖1所示，吉林省西部經緯度為121°38′～126°11′E，43°22′～46°18′N，總面積5.54 km2。吉林省西部地處中國北方半干旱區農牧交錯帶，是草地與濕地生態系統、黑土地生態系統與林地生態系統的過渡帶，生態環境脆弱，對人類活動的影響十分敏感。該區域由白城市所轄的洮北區、洮南市、大安市、鎮賚縣、通榆縣與松原市所轄的寧江區、扶余市、乾安縣、長嶺縣、前郭爾羅斯蒙古族自治縣，及長春市農安縣與四平市雙遼市組成，2018年人口數量為610.18萬。新中國成立以來，由于人口增加與農業生產，大量的林地、濕地與水體被開發為農田，以及活躍的生態建設活動，對草地與裸地的改造，致使各地類在數量與分布上發生明顯變化[12]。

圖1 研究區地理位置圖

1.2 數據來源

2000、2010年與2020年的土地利用/覆被數據來源于GlobeLand30數據集(www.globallandcover.com)，該數據是中國國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)全球地表覆蓋遙感制圖與關鍵技術研究項目的重要成果。GlobeLand30數據研制所使用的分類影像主要是30 m多光譜影像，包括Landsat的TM5、ETM+、OLI多光譜影像與中國環境減災衛星(HJ-1)多光譜影像，2020年數據增加了16 m分辨率高分一號(GF-1)多光譜影像。GlobeLand30系列中，2010年數據的總體精度為83.50%，2020年數據的總體精度為85.72%。GlobeLand30數據集包括10種土地利用/覆被類型，分別是：耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪。

2 研究方法

2.1 土地利用/覆被變化特征

2.1.1 土地利用動態度

單一土地利用動態度可以反映研究區一定時間內某一地類的變化幅度和速度[13]。其表達式為

(1)

式(1)中：K為研究區某一地類的年變化率；Ua、Ub分別為研究期始、研究期末某一地類的面積；t為研究時段年數。

2.1.2 LUCC轉移矩陣

轉移矩陣可以全面而又具體地刻畫區域LUCC的結構特征與各地類變化的方向。將轉移矩陣中的變量改為地類的面積，可清晰直觀地看出研究區內各地類的來源與構成。其表達式為

(2)

式(2)中：S為土地面積；n為土地利用的類型數；i和j分別為研究期始、研究期末的土地利用類型。

2.2 土地利用變化趨勢

2.2.1 CA-Markov模型

使用IDRISI軟件中的CA-Markov模型對LUCC進行預測。Markov模型是基于Markov過程理論的動態隨機模型，是常用的LUCC數量預測模型，其原理為通過初始概率以及狀態之間的轉移概率變化規律來預測未來事件發生概率。使用Markov鏈計算各土地利用類型轉移概率矩陣，通過對系統不同狀態的初始概率以及狀態之間的轉移概率來確定各狀態將來各個時刻的變化趨勢。其表達式為

St+1=PijSt

(3)

式(3)中：St與St+1表示t與t+1時刻的地類狀態；Pij為地類i轉變為地類j的轉移概率，且滿足0≤Pij≤1。

元胞自動機(cellular automation，CA)模型，是LUCC空間預測模型，其原理為通過元胞現階段狀態及其鄰域狀態，以特定的轉換規則預測下一個時間段的狀態變換。其表達式為

St+1=f(St,Nt)

(4)

式(4)中:St+1為某元胞下一時刻的狀態；St為該元胞在上一時刻的狀態；Nt為該元胞上一時刻鄰域的狀態；f為元胞與鄰域間的轉換規則函數。

兩者結合后能預測長期且復雜的土地空間變化，具體步驟如下。

(1)基于Markov模型，將2000、2010年與2020年三期的土地利用數據依次疊加，得到2000—2010年與2010—2020年兩個時段的各土地利用類型的轉移概率矩陣，用以反映各土地利用類型轉換概率，能夠在數量上預測變化幅度。

(2)建立適宜性圖集，目的是為CA模型制定演化規則，通過適宜性圖集確定下一時刻的狀態。適宜性指的是當前地類在下一個狀態的適宜性，同時考慮各地類變化的限制因素與影響因素。濕地在吉林省西部被設定為生態建設優先保護的對象，其開發與利用活動受到政策的嚴格保護，再考慮到《吉林省西部生態經濟區總體規劃》在2021—2030年階段發展目標中對水體的重視，力圖恢復河川蜿蜒、湖泊棋布、沼澤迤邐的生態本底原貌，因此將濕地與水體轉出設定為限制因素。將高度與坡度，以及到達高速公路、鐵路、省道、國道的距離設為影響因素。最后將各地類的適應性圖像通過Collection editor制成圖集。

(3)基于CA-Markov模型，使用5×5的濾波器，迭代次數設置為10，預測土地利用/覆被狀態。

2.2.2 模型精度驗證

研究采用Kappa系數來評價模型對LUCC預測的適用性和準確性。Kappa系數能夠從整體上檢驗模擬結果與觀測數據的相似性程度，介于0～1。當Kappa系數大于0.75，說明模擬精度較高；Kappa系數小于0.4，則代表模擬結果與實際狀況一致性較差。Kappa系數利用IDRISI中GIS Analysis的CROSSTAB工具計算得出。其表達式為

(5)

式(5)中：a為地類的數量誤差精度；Xp，i為地類i的預測面積；Xr，i為地類i的實際面積。

3 結果分析

3.1 2000—2020年土地利用/覆被變化分析

3.1.1 土地利用/覆被時空動態變化

在ArcGIS中，從GlobeLand30數據集中提取2000、2010年與2020年吉林省西部各地類的面積數據，制作出2000—2020年吉林省西部各地類對比(表1)、三個年份各地類空間分布圖[圖2(a)～圖2(c)]。通過疊加分析，得到2000—2010年與2010—2020年的LUCC矩陣(表2、表3)，以及2000—2020年LUCC空間分布圖[圖2(d)]。

圖2 2000、2010年和2020年吉林省西部土地利用/覆被分布圖與2000—2020年LUCC圖

表1 2000—2020年吉林省西部土地利用/覆被類型對比

表2 吉林省西部2000—2010年LUCC矩陣

表3 吉林省西部2010—2020年LUCC矩陣

如表1和圖2(a)～圖2(c)所示，該區域在20年內各地類數量變化與分布狀況。耕地是主要地類，包括旱地與水田，面積占比由64.42%增至67.84%，廣泛分布于除大安市以外的區域。草地面積占比由21.93%降至16.03%，各縣與市境內均有分布，鎮賚縣、大安市、乾安縣、通榆縣與長嶺縣內草地面積占比較大。濕地面積占比由1.05%降至0.69%，在2000年集中分布于鎮賚縣東部、扶余縣、前郭爾羅斯蒙古族自治縣乾安縣，在2020年集中分布于鎮賚縣東部、通榆縣西部與扶余縣東部。水體包括河流、湖泊與水庫，面積占比由2.19%先降至2.02%后增至3.56%，河流屬于松花江水系與遼河水系，湖泊集中分布于大安市、鎮賚縣、乾安縣、前郭爾羅斯蒙古族自治縣與長嶺縣。林地面積由0.32%增至0.33%再降至0.25%，集中分布于鎮賚縣東部、扶余縣北部以及洮南市西部。由于灌木地面積極小，并集中于該區域與內蒙古交接處，因此不作分析。松嫩平原西部是世界三大片蘇打鹽堿地集中分布區之一，研究區位于松嫩平原西部內，裸地主要以鹽堿地為主，及少量沙地，面積占比由5.98%先增至6.92%后降至6.71%。集中分布于大安市、鎮賚縣、乾安縣與通榆縣。人造地表分布于城鎮與村落，包括各類居民地與工礦、交通設施等，面積占比由4.12%增至4.91%。

3.1.2 土地利用/覆被類型轉化

在2000—2010年間，研究區LUCC總體比較穩定，僅有2.43%的土地發生變化。如表2所示，裸地增加和草地減少是該時段LUCC的顯著特征，裸地增加的來源主要草地，556.92 km2草地轉向裸地，耕地、林地與人造地表少量增加，分別增加90.78、6.15、13.84 km2，濕地與水體少量減少，分別減少112.44、89.91 km2。

在2010—2020年間，研究區LUCC變得活躍，13.55%的土地發生了變化。如表3所示，耕地增加和草地進一步減少是該時段LUCC的顯著特征，耕地面積增加了1 808.76 km2，草地面積減少了2 837.77 km2，29.14%的草地與25.56%的人造地表轉為耕地。水體的增長速度最快，面積占比由2.02%增至3.56%，面積增加了854.01 km2。人造地表繼續保持增長，增加421.7 km2，林地、濕地與裸地小幅度減少，分別減少41.84、84.9、119.96 km2。

圖2(d)展示出2000—2020年研究區LUCC的空間分布情況。在LUCC過程中，變化最大的草地以減少為主，草地轉向耕地的面積為各類LUCC中最多，廣泛分布于除農安縣東部與扶余縣東部以外區域，各縣市內均有草地轉向人造地表，草地轉向裸地或水體，分布于大安市、鎮賚縣、通榆縣、乾安縣與長嶺縣。草地的增加以耕地、裸地與濕地為主要來源，耕地轉向草地廣泛分布于區域內，裸地轉向草地分布于鎮賚縣、大安市、通榆縣與長嶺縣，濕地轉向草地集中在大安市、乾安縣與前郭爾羅斯蒙古族自治縣。

增加最多的是耕地，主要由裸地、草地與人造地表轉化而來，人造地表轉向耕地在區域內各縣市均有發生，裸地與草地轉向耕地則發生于除農安與扶余縣的區域。耕地在前10年增加緩慢，在后十年因吉林省的百億斤糧工程的實施，大量草地與裸地作為后備耕地資源被開發，同時，為保障農業灌溉，水利工程的建設增加了水體面積。耕地的減少以轉向人造地表為主，廣泛分布于區域內各縣市，反映出工業及其他非農產業向城鎮集聚與農村人口流入城鎮的客觀趨勢。

近20年內，人造地表與耕地的增加，反映出城鎮化加快及農業發展，這符合吉林省西部是省內新的經濟增長極與重要糧食生產基地的定位。但對土地資源不合理的開發利用，波及生態環境，表現為林地與濕地面積減少。

3.2 2030年土地利用/覆被預測

使用CA-Markov對研究區LUCC的模擬預測，以2010年土地利用/覆被數據為基期，導入2000—2010年的LUCC轉移概率矩陣以及適宜性圖集，設置循環次數10年，選擇5×5擴展摩爾型濾波器，得到2020年的土地利用/覆被模擬結果。將2020年的實際狀況與模擬結果對比，計算Kappa系數為0.86，整體模擬效果較好。

驗證模型精度后，以2020年為基期，導入2010—2020年的LUCC轉移概率矩陣與適宜性圖集，設置同樣的循環次數與濾波器，得到研究區2030年的模擬結果，制作出2030年各地類空間分布圖[圖3(a)]與面積變化(表4)，以及2020—2030年LUCC空間分布[圖3(b)]與LUCC矩陣(表5)。

由表4、表5和圖3(b)可知，在2020—2030年間，總體上該區域內耕地面積少量減少，耕地的減少以轉向人造地表為主，減少面積為759.26 km2，此類變化在農安縣、扶余縣、寧江區與洮北區較顯著，其他區域耕地面積增加，主要由草地轉為耕地，增加面積為747.07 km2，洮北區與寧江區分別屬于白城市與松原市的市轄區，扶余縣與農安縣靠近長春市，兩個區與兩個縣的城鎮化進程快于其他市與縣。人造地表面積將保持增加趨勢，主要由2.01%的耕地轉化而來，廣泛發生于研究區域內各市、縣與村落。林地、濕地與水體面積增加，以及裸地面積減少，預示著生態環境將得到修復與改善，這與《吉林省西部生態經濟區總體規劃》(2014年)相符合。但在未來要解決耕地保護及城市建設之間的矛盾，禁止亂占耕地與破壞耕地。

表4 2020—2030年吉林省西部土地利用/覆被類型對比

表5 吉林省西部2020—2030年LUCC矩陣

圖3 2030年吉林省西部土地利用/覆被分布圖與2020—2030年LUCC

草地與裸地之間相互轉化在數量與空間上均趨于平衡，草地轉向裸地面積為421.97 km2，裸地轉向草地面積為437.02 km2，變化集中于鎮賚縣、大安市、通榆縣、洮南市東部與長嶺縣西部，但兩者總體數量呈現減少的趨勢，在未來10年可能將繼續被開發利用，轉向耕地與水體。水體將保持增加趨勢，新增面積626.95 km2，主要由草地、裸地與耕地轉化而來，三者轉向水體的面積占水體新增面積的比例為41.79%、44.23%與10.17%。水體增加集中于洮南市與扶余縣的河流，以及大安市、乾安縣與長嶺縣的湖泊群，水體面積增加有利于維持研究區內生態系統的平衡與穩定，并為農業灌溉以及生產生活提供用水。濕地在模擬預測中被設定為限制因素，其面積不會大量轉向其他地類，濕地僅轉向水體23.83 km2，濕地增加主要由耕地轉化而來，耕地轉向濕地面積為93.57 km2，濕地增加集中于洮南市與鎮賚縣種植水田的耕地，這與吉林省“退耕還濕”政策相符合。林地的變化最穩定，面積占比僅增長了0.01%，面積增加了2.92 km2。

4 結論與討論

受人類活動的影響，吉林省西部在近20年內LUCC明顯且復雜。

(1)近20年內，耕地是主要地類，面積占比最大并持續增加，分布廣。草地面積占比第二，面積持續減少。水體、裸地與人造地表面積增加，林地與濕地面積減少。

(2)在2000—2010年間，研究區LUCC總體比較穩定，裸地增加和草地減少是該時段LUCC的顯著特征，其他地類面積變化不明顯。在2010—2020年間，LUCC變得活躍，耕地增加與草地進一步減少是該時段LUCC的顯著特征，耕地與水體因農業政策影響，面積顯著增長，人造地表繼續保持增長，城市擴張明顯。但林地、草地與濕地面積進一步減少，生態環境惡化。

(3)按照該區域2010—2020年LUCC的數量變化、地類轉換和空間分布變化趨勢，對2030年進行預測，預測結果表明，在2020—2030年間，吉林省西部生態狀況改善，表現為林地、濕地與水體面積增加，草地與裸地面積持續減少。人造地表面積將持續增加，預示著城鎮將進一步擴張，但增加的面積主要由附近耕地轉化而來。耕地面積少量減少，耕地數量變化趨于穩定，空間變化依舊活躍。

在未來，對于發展經濟，一方面要做好保護耕地工作，防止亂占耕地，合理規劃城鄉建設；另一方面要擺脫過度依靠增加耕地面積提高糧食產量，鼓勵現代農業，提高單產。對于保護生態環境，要重視林地、濕地與水體的變化，以恢復本底原貌，建成高效生態經濟區為目標。