3條控制線約束下的哈密市土地利用變化分析及預測研究

馬瑞云 張永福

摘要 [目的]掌握哈密市土地利用動態變化情況，為當地的土地資源合理開發與發展規劃提供參考。[方法]基于2010—2020年共3期土地利用數據，結合區域特點，整合耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地6種土地利用類型，在IDRISI中，以基本農田保護區、生態保護紅線、城鎮開發邊界3條控制線作為主要約束條件，使用CA-Markov模型對哈密市土地利用類型的空間分布與時空變化進行分析，并對2025年哈密市土地利用情況進行預測。[結果]2010—2020年哈密市耕地、林地、水體、建設用地面積增加，草地、未利用地面積減少;各地類之間互相轉化，其中建設用地與水體變化幅度大，變化速率較快;CA-Markov預測模型精度為0.813 4，結果能夠揭示哈密市土地利用時空演變趨勢。[結論]在3條控制線約束下得到的預測結果證明2015—2025年變化趨勢與2010—2020年的變化趨勢基本一致，該方法預測得到的結果可為哈密市土地資源利用管理提供一定的科學參考。

關鍵詞 土地利用變化;三條控制線;CA-Markov模型;哈密市

中圖分類號 F 301.2? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）23-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.23.021

Analysis and Prediction of Land Use Change in Hami City under the Constraints of Three Control Lines

MA Rui-yun1，2， ZHANG Yong-fu1，2

（1.College of Resources and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046; 2. Key Laboratory of Oasis Ecology， Ministry of Education， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046）

Abstract [Objective] To grasp the dynamic changes of land use in Hami City and provide references for the rational development and development planning of local land resources.[Method] Based on the three periods of land use data from 2010 to 2020， combined with regional characteristics， six land use types of cultivated land， forest land， grassland， water area， construction land and unused land were integrated. In IDRISI， three control lines of basic farmland protection area， ecological protection red line and urban development boundary were taken as the main constraints， the spatial distribution and temporal and spatial change of land use types in Hami City were analyzed by CA-Markov model， and the land use situation in Hami City in 2025 was predicted.[Result] From 2010 to 2020， the area of arable land， forest land， water area， and construction land in Hami City increased， while the area of grassland and unused land decreased; there were mutual transformations among various types， among which construction land and water area changed greatly and the rate of change was rapid; the accuracy of Markov prediction model is 0.813 4， and the results could reveal the spatial-temporal evolution trend of land use in Hami City.[Conclusion] The prediction results obtained under the constraints of the three control lines proved that the change trend from 2015 to 2025 was basically the same as the change trend from 2010 to 2020. The results predicted by this method could provide a certain degree of science reference for land resource utilization and management in Hami City.

Key words Land use change;Three control lines;CA-Markov model;Hami City

作者簡介 馬瑞云（1994—），男，新疆塔城人，碩士研究生，研究方向：國土資源管理信息技術。通信作者，副教授，碩士生導師，從事國土資源評價方向的研究。

收稿日期 2021-03-09;修回日期 2021-04-07

土地資源作為人類賴以生存的物質基礎，研究土地利用覆被變化（Land use cover change，LUCC）能讓我們更好地理解地表的物質循環與社會發展的規律[1]。隨著社會經濟的發展，人類對土地資源的需求量日益增長，20世紀90年代后，全球環境變化與經濟等研究領域逐漸加強了對LUCC的研究，國際地圈生物圈計劃（IGBP）和全球變化人文因素計劃（IHDP）發布與推廣了一系列的科學研究計劃，LUCC成為近20余年全球環境變化研究的熱點之一[2]。許多學者分別對不同區域大小與不同研究方法進行了研究，以了解不同研究區域使用不同研究方法的差異與實際土地利用變化的過程及其變化方向的耦合程度[3-6]。如郝景瑩[7]從“土地利用/土地覆蓋變化”的含義及研究內容出發，概括分析了土地利用變化模型的建立方法，闡述了各類模型的內涵及在土地利用變化研究中的意義;范澤孟等[8]通過對LUCC模型使用趨勢的研究，對LUCC與其主要驅動力之間的關系在局地、區域和全球尺度上的動態和后果有了更好的理解;楊國清等[9]利用馬爾科夫元胞自動機從斑塊和景觀2個層次對廣州景觀格局指數變化進行了研究;Sang等[10]對城鎮與農村2個層次使用了CA-Markov模型進行預測分析，驗證了多層次的CA-Markov模型能夠提升預測精度;楊春霞等[11]對三江平原土地利用變化與驅動力的研究表明，國家政策與市場對土地利用格局變化有不可忽視的作用。

哈密市位于新疆東部，與甘肅省接壤，是新疆與內地交流的咽喉之道。隨著哈密市成為新疆能源開發與西電東送的重要節點，社會經濟的發展使哈密市土地利用發生了較明顯的變化。為了落實國家“綠水青山就是金山銀山”的可持續發展戰略，對哈密市區域內的土地利用變化進行分析并通過3條控制線約束預測其變化趨勢，有助于了解區域內土地利用變化情況。但目前關于哈密市的土地利用變化研究均未將“三線”作為CA-Markov土地利用變化預測中的限制因素，預測結果無法與當地實際相結合。筆者獲取哈密市2010—2020年共3期LUCC數據、哈密市基本農田保護區數據、哈密市最新劃定生態保護紅線、哈密市城鎮開發邊界數據，使用地理信息系統（GIS）并結合地理學數學方法，對2010—2020年哈密市土地利用變化進行分析，并利用CA-Markov模型結合哈密市“三線”對其2025年土地利用情況進行模擬研究，以期對哈密市土地利用發展趨勢進行合理分析預測，為哈密市國土空間規劃等相關土地利用應用提供理論支持。

1 數據來源和研究方法

1.1 研究區概況

哈密市位于91°06′33″～96°23′00″E、40°52′47″～45°05′33″N，位于新疆維吾爾自治區最東端，東與甘肅省酒泉市相鄰，是新疆與祖國內地連接的咽喉，哈密市下轄伊州區、巴里坤哈薩克族自治縣、伊吾縣（圖1）。哈密市屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，干燥少雨，晴天多，年平均氣溫9.8 ℃，年降水量33.8 mm，年均日照3 358 h[12]，2019年末戶籍人口55.76萬，地區生產總值約604.82億元。哈密市礦產資源豐富，煤、鐵、銅、鎳、黃金、鹽、芒硝、石材等礦產儲量與品位位居新疆前列，是新疆資源經濟的重要中心。

1.2 數據來源與處理

該研究中，土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.com），2010、2015、2020年3年的土地利用數據，數據分辨率為30 m，路網水系數據來自Open Street Map（https：//www.openstreetmap.org/），哈密市基本農田保護圖斑、哈密市城鎮開發邊界、哈密市第3次全國土地調查數據來源于哈密市自然資源局，哈密市最新生態紅線劃定結果數據來源于哈密市生態環境局。中國科學院資源環境科學數據中心發布的土地利用數據是以美國陸地衛星Landsat系列遙感影像作為主要信息源，利用人機交互的方法進行目視解譯，建成的多時期LUCC數據庫，該數據在LUCC研究中應用廣泛，將2020年數據與哈密市第3次全國土地調查數據進行比對，精度可達85%以上，可信度較高。

1.3 研究方法

為了科學準確研究哈密市土地利用時空演變及預測未來土地利用狀況，擬采用土地利用轉移矩陣，土地利用動態度對哈密市當前土地利用數據進行量化分析，利用CA-Markov進行“三線”約束下的哈密市2025年土地利用情況進行模擬預測。

1.3.1 土地利用轉移矩陣。土地利用轉移矩陣來源于對系統狀態與轉移狀態的量化描述，能夠直觀地反映土地利用類變化的轉化數量、結構特征與轉移方向，其數學形式如下：

Sij=

S11…S1n

Sn1…Snn

式中，Sij為研究初期i類土地利用類型到研究末期轉為j類土地利用類型的面積，n為土地利用類型。轉移矩陣的每行數值總和表示研究初期該土地利用類型的總面積，代表該土地類型的轉移去向和大小;每列數值總和表示研究末期該土地類型的總面積，包括該土地類型的所有轉入類型及大小[4]。

1.3.2 土地利用動態度。土地利用動態度模型分為單一動態度（K）和綜合動態度（LC），可定性和定量地描述土地利用的變化速率[13]。該研究主要使用 K 來衡量某種具體土地利用類型在一定時間內的變化速度和幅度。計算公式如下：

K=Ubi-UaiUai×1T×100%

式中，Uai、Ubi分別為研究初期和研究末期土地利用類型 i 的面積，km2;T為研究時長。

1.3.3 CA-Markov耦合模型。CA和Markov是時間、空間及狀態均呈離散特征的動力學模型，其中CA模型能夠較好地對復雜系統進行時空模擬，Markov模型可實現模擬數量上的增加，并對其進行優化。根據土地覆蓋時空演化規律[14]，綜合利用CA和Markov模型可實現模擬和預測未來土地覆蓋變化的目的，模型計算公式如下：

CA模型計算原理：

S″t+1=（Ud，S″t，Nt，f）

式中，S″t+1、S″t分別為t+1、t時刻的元胞狀態，Ud為d維的網格單元，Nt為t時刻鄰居的狀態組合，f為轉換規則。

Markov模型計算原理：

St+1=Pij×St

式中，St、St+1分別為t、t+1時刻地表土地覆蓋的狀態，Pij為某狀態轉移矩陣。

該研究中使用CA-Markov模型，借助IDRIDSI軟件，以2010和2015年土地利用分類數據為基礎，預測2020年土地利用情況并與2020年土地利用數據進行對比，對模型預測精度進行驗證，最終以2015、2020年2期土地利用數據為基礎，將哈密市基本農田保護區、哈密市生態保護紅線作為限制建設用地變化的區域、將城鎮開發邊界作為建設用地可擴展區域，在IDRISI軟件中對2025年哈密市土地利用類型進行預測。對預測的土地利用數據進行精度驗證，使用ENVI軟件獲得Kappa值。

2 結果與分析

2.1 2010—2020年土地利用空間分布

通過土地利用變化數據分類得到2010、2015、2020年各地類面積，如圖2所示。由圖2可知，處于干旱區半干旱區的哈密市未利用地分類最廣，主要是荒漠與稀疏草地構成的未利用地，其中伊州區南部未利用地面積最廣;建設用地主要集中在伊州區、巴里坤哈薩克自治縣、伊吾縣縣城的鄉鎮與廣布的礦場;耕地主要分布在伊州區、巴里坤哈薩克自治縣、伊吾縣縣城周邊;林地主要分布在天山山脈;水域主要集中在天山山脈冰川與伊吾—巴里坤盆地的主要湖庫。

2.2 土地利用面積比例分析

哈密市土地利用類型面積情況如表1所示，哈密市2010—2020年期間土地利用面積占比最大的是未利用地，這與哈密市位于干旱及半干旱區有關，建設用地、耕地以建成區中心向外圍依次擴散;林地、草地分布在天山山脈與建成區外圍。其中，未利用地、草地面積最大，為106 657.24、27 811.41 km2，分別占哈密市總面積的77.73%、20.27% 。2010、2015、2020年期間哈密市各用地類型面積與綜合占比趨勢變化不大。其中建設用地的面積占比雖小，但增長幅度很大，總體的建設用地、耕地、林地、水體面積增加，另一方面未利用地與草地面積逐年減少。

2.3 土地類型變化分析

使用IDRISI軟件得到哈密市2010—2020年土地利用變化矩陣（表2）。對表2進行分析得到各地類之間轉化的內在聯系。其中，建設用地轉入面積最多，為492.73 km2，主要由未利用地、草地、耕地轉入，面積分別為375.88、67.31、45.61 km2;草地面積轉出面積排在未利用地轉出面積之后，為162.36 km2，但草地轉入面積為139.08 km2，因此總體轉出量不大;耕地、林地、水體轉入轉出面積基本均衡;未利用地轉出面積最大，為513.76 km2，主要轉變為建設用地與草地。總體而言，哈密市土地利用變化內部基本均衡，2010—2020年土地利用總體變化情況較為穩定。

2.4 土地變化速率分析

根據土地利用年際變化率公式計算出哈密市2010—2020年年均土地利用變化速率見表3。表3表明，哈密市建設用地在2010—2020年間變化速率較大，2010—2015年間年均增長15.99%，2015—2020年增速有所放緩，但仍屬于增速較快的地類，年均增長達7.66%;值得注意的是哈密市耕地在2010—2015年經歷了新增土地開發量大于退耕還林量的緩慢增長階段，又經歷了2015—2020年僅有退耕還林還草無新開發耕地的緩慢減少階段，這一結果與當地自然資源部門提供的耕地面積變化數據基本一致，耕地總體在2010—2020年間維持了穩定;林地草地經歷了先減少后增多的趨勢，總體變化不大;未利用地變化面積最大，但因哈密市內未利用地面積占行政區面積的77%以上，所以未利用地面積總體變化速率不大;水體因哈密市新建多座水庫與河道，總體呈現緩慢增長的趨勢。

2.5 三線約束下的CA-Markov模型對未來土地利用類型的模擬預測

使用CA-Markov模型對2020年的土地利用數據進行模擬預測，精度達0.813 4，能比較真實預測出土地利用的實際變化情況（圖3）。將圖中實際2020年土地利用數據圖像與2020年模擬數據進行對比可知，2020年預測土地利用類型在總體細節上與2020年沒有較明顯的差異，其原因是哈密市3個主要建設區的發展基本與其原建設用地相連，其他地類變化幅度不大，但總體分布與實際地類分布較為一致，因此可以運用CA-Markov模型對哈密市2025年土地利用類型進行預測分析。由圖3可知，2025年哈密市土地利用分類情況如下：耕地1 819.28 km2、林地497.55 km2、草地27 812.01 km2、水體284.03 km2、建設用地1 019.31 km2、未利用地105 786.59 km2，與2010—2020年變化趨勢基本相同。

3 結論

對哈密市2010—2020年土地利用現狀進行演變綜合分析與2025年土地利用情況進行預測可知：

（1）與2010年相比，2020年哈密市耕地、林地、水體、建設用地面積增加，具體增加到1 743.63、486.55、240.75、807.74 km2;草地、未利用地面積減少，減少到27 789.25、106 150.85 km2。

（2）從空間格局變化的轉移矩陣中可看出，2010—2020年間建設用地與水體面積轉入量明顯大于轉出量，其中建設用地轉入492.73 km2，轉出9.65 km2;水體轉入41.12 km2，轉出2.92 km2。耕地與林地變化面積不大，均為轉入量大于轉出量的地塊，其中耕地轉入111.96 km2，轉出107.92 km2;林地轉入11.00 km2，轉出7.11 km2。未利用地與草地均為轉出量大于轉入量的用地類型，其中未利用用地轉入8.63 km2，轉出513.76 km2;草地轉入139.08 km2，轉出162.36 km2。在2010—2020年期間，各地類變化幅度與變化率相對比較穩定，變化率與變化幅度相對較大的是建設用地與水體，變化幅度為148.79%、18.86%，年均變化率為14.88%、1.89%。

（3）在哈密市生態紅線、基本農田保護區、城鎮開發邊界的約束下，CA-Markov模型在該次土地利用類型模擬預測中精度為0.813 4，可以較準確的對未來土地利用的空間分布與數量范圍進行模擬預測，耕地、林地、草地、水體、建設用地面積增加，分別增至1 819.28、497.55、27 812.01、284.03、1 019.31 km2，未利用地長期呈減少趨勢，2025年預測面積為105 786.59 km2。

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