密云縣土地利用動態(tài)變化預(yù)測及影響研究

國巧真 ，馬亞峰 ，武永峰

（1.天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，天津300384；2.農(nóng)業(yè)部資源遙感與數(shù)字農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081）

土地利用/覆蓋變化（LUCC）對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有相當(dāng)?shù)挠绊懥Γ呀?jīng)被公認(rèn)為是導(dǎo)致全球環(huán)境變化的兩大主要因素之一，在全球的可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域中占有相當(dāng)重要的地位[1]。20世紀(jì)90年代，由于人類逐步認(rèn)識到土地利用變化導(dǎo)致的各種生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)，土地利用/覆蓋變化成為了當(dāng)前全球變化研究的重點(diǎn)問題之一。自1995年“國際地圈與生物圈計(jì)劃（IGBP）”和“全球環(huán)境變化的人文領(lǐng)域計(jì)劃（HDP）”兩大組織聯(lián)合提出“土地利用/土地覆蓋變化科學(xué)研究計(jì)劃”以來，土地利用/覆蓋變化研究已經(jīng)成為全球環(huán)境變化研究的重要組成部分[2]。土地利用變化預(yù)測是LUCC研究中的重要組成部分，根據(jù)土地利用變化的規(guī)律預(yù)測未來土地利用變化的趨勢，可為土地管理部門制定相應(yīng)的對策并采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)控手段提供科學(xué)依據(jù)，從而達(dá)到土地資源的優(yōu)化配置與合理利用[3-5]。

本研究以北京市密云縣為研究區(qū)，在GIS與RS技術(shù)的支持下，對該地區(qū)的土地利用信息進(jìn)行提取，在分析土地利用變化的基礎(chǔ)上，運(yùn)用灰色模型GM（1，1）對密云縣土地利用變化趨勢進(jìn)行定量預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對該地區(qū)土地利用變化的歷史過程模擬及演變趨勢預(yù)測，并分析其變化所帶來的影響。

1 研究區(qū)概況

密云縣地理位置為東經(jīng)116°39′33″～117°30′25″，北緯40°13′7″～40°47′57″；東西長69 km，南北寬約64 km。全縣總面積占全市面積的13%，是北京市土地面積最大的區(qū)縣。全縣轄2個(gè)街道、17個(gè)鎮(zhèn)、1個(gè)地區(qū)，共65個(gè)社區(qū)、334個(gè)村委會。密云境內(nèi)東、西、北三面群山連綿，中部低緩，西南開闊，地勢自北向西南傾斜，呈簸箕形。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，溫差較大，光照充足[6]。土地利用類型分布格局存在差異，林地、水域呈片狀分布，耕地、草地、居民用地和未利用地相互嵌套分布[7]。

2 研究方法

2.1 土地利用信息提取

根據(jù)土地資源的屬性和土地利用基本情況，將密云縣土地利用類型分為6類，分別為林地、草地、耕地、居民地及工礦用地、水域和未利用地。具體類型及分類代碼如表1所示。

表1 土地類型及代碼

本研究所用到的數(shù)據(jù)主要包括：1988，1992，1996，2000，2004 年 Landsat TM圖像及 2008 年中巴資源衛(wèi)星圖像；北京市矢量圖；其他文字資料。利用遙感處理軟件ERDAS9.1和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS9.2，采用監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法得到1988—2008年間的6期土地利用圖。對2008年遙感解譯圖像選取300個(gè)隨機(jī)點(diǎn)進(jìn)行精度評定，總精度為93.67%，Kappa系數(shù)為0.855 7。通過對6個(gè)時(shí)相的分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到密云縣的土地利用情況。

2.2 預(yù)測模型的建立

土地變化預(yù)測研究是在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立模型以了解未來土地的變化趨勢及需求狀況，對有效地進(jìn)行土地利用的調(diào)整、優(yōu)化，合理而高效地利用有限的土地資源。土地利用變化的定量化、空間化建模是土地利用變化研究中的關(guān)鍵問題。由于土地利用/覆蓋變化涉及因素繁多，過程錯(cuò)綜復(fù)雜，因而以簡化和抽象化為特征的各種模型對于理解和預(yù)測土地利用、土地覆蓋的格局和過程，具有不可替代的作用[8]。目前已有不少有價(jià)值的土地利用情景模型及其相關(guān)的模擬研究工作，常見的應(yīng)用范圍較廣的預(yù)測模型多達(dá)20多種，如簡單指數(shù)平滑法、一元回歸分析法、多元回歸分析法、自適應(yīng)過濾法、專家預(yù)測法、馬爾可夫分析法、灰色動態(tài)預(yù)測模型等。本研究利用灰色動態(tài)預(yù)測模型對密云縣土地利用變化趨勢進(jìn)行了探討。

灰色系統(tǒng)理論是鄧聚龍教授在1982年提出的。灰色系統(tǒng)是由已知的信息和未知的、非確知的信息混合構(gòu)成的一種復(fù)雜系統(tǒng)，它介于一無所知的黑色系統(tǒng)與全部確知的白色系統(tǒng)之間?；疑到y(tǒng)理論就是一種能夠充分利用已知信息來淡化系統(tǒng)的灰色性，最終客觀、真實(shí)地反映系統(tǒng)本質(zhì)的系統(tǒng)分析方法[9]?；疑A(yù)測方法所需要的預(yù)測數(shù)據(jù)樣本較小，且預(yù)測精度也較高，特別對于基礎(chǔ)資料缺乏的預(yù)測更能體現(xiàn)它的優(yōu)點(diǎn)[10]?；疑珓討B(tài)預(yù)測模型的基本原理是：擯棄直接在歷史數(shù)據(jù)中尋求統(tǒng)計(jì)規(guī)律和概率分布的傳統(tǒng)方法，將無規(guī)律的原始數(shù)據(jù)通過一定的處理方式（比如1次或多次累加），使其成為較有規(guī)律的時(shí)間序列，建立預(yù)測模型[11]。其中，灰色模型 GM（1，1）是最常用的一種模型，它是由一個(gè)只含單變量一階微分方程構(gòu)成的模型[12]。通過建立灰色模型GM（1，1），可以反映單變量對于因變量一階線性導(dǎo)數(shù)的影響。GM（1，1）模型的建立過程如下。

首先考慮有變量：

其相應(yīng)的微分方程為：

將其作累加生成得：X(1)（i｛｝） ，i=1，……，n

構(gòu)造矩陣：

有關(guān)構(gòu)造矩陣：

按最小二乘法求參數(shù)a和b：

得響應(yīng)方程：

計(jì)算其還原值公式為：

由此可得預(yù)測值：X(0)（n+1），X(0)（n+2）……

預(yù)測模型得到的預(yù)測值必須經(jīng)過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，才能確定其精度等級。其中包括后驗(yàn)差比值C、小誤差概率P。C為殘差方差S2與實(shí)測數(shù)據(jù)方差S1之比，作為一個(gè)綜合指標(biāo)要求C越小越好。一般要求C＜0.35，最大不超過0.65。指標(biāo)P越大越好，P越大，說明殘差與殘差平均值之差小于給定值0.674 5 S1的點(diǎn)較多。一般要求P＞0.95，不得小于0.70。按P和C的大小綜合評判模型的精度，具體指標(biāo)如表2所示[13]。

表2 預(yù)測精度等級的對照

3 基于GM(1，1)模型的土地利用動態(tài)變化預(yù)測

土地利用受多種因素的制約，這些因素本身又相互影響，關(guān)系復(fù)雜，很難定量精確描述它們對土地利用的作用機(jī)理與作用，因此，土地利用是一個(gè)典型的灰色系統(tǒng)。灰色動態(tài)預(yù)測模型建立在歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，即利用過去的土地利用變化規(guī)律來預(yù)測未來的土地利用變化趨勢。本研究根據(jù)密云縣1988年到2008年土地利用類型（表3），建立灰色 GM（1，1）模型，對密云縣土地利用狀況進(jìn)行預(yù)測。以居民地及工礦用地為例進(jìn)行詳細(xì)論述。

表3 1988—2008年土地利用類型 ×103 hm2

首先得到密云縣 1988，1992，1996，2000，2004，2008年的原始數(shù)列如下：

建立居民地及工礦用地的預(yù)測模型如下：

后驗(yàn)差檢驗(yàn)得：

后驗(yàn)差比值C＝0.12＜0.35

小誤差概率P＝1＞0.95

最終得到密云縣居民地及工礦用地利用情況預(yù)測值（表4）。

表4 密云縣居民地及工礦用地面積預(yù)測值

同理得到密云縣其他地物類型預(yù)測模型及預(yù)測值（表5）。

表5 密云縣土地利用面積預(yù)測值

4 預(yù)測結(jié)果分析及影響

本研究得出，從2008年到2024年的16年內(nèi)，密云縣林地面積總體將繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢。由此可知，密云地區(qū)森林資源的保護(hù)及植樹造林工程卓有成效，對密云縣生態(tài)環(huán)境改善起至關(guān)重要的作用。密云縣在加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與建設(shè)的基礎(chǔ)上，可依托其良好的生態(tài)自然環(huán)境及優(yōu)越的地理位置，通過開發(fā)特色旅游景點(diǎn)等有效途徑，發(fā)展以旅游業(yè)為龍頭的第三產(chǎn)業(yè)。在將密云縣建設(shè)成為首都強(qiáng)大的生態(tài)屏障的同時(shí)，使得密云縣真正成為京津冀三地的休閑之地，進(jìn)而更好挖掘密云縣的發(fā)展?jié)摿Γ龠M(jìn)密云地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

密云縣經(jīng)濟(jì)的發(fā)展十分迅速，城鎮(zhèn)化現(xiàn)象明顯。預(yù)計(jì)到2024年，密云地區(qū)居民地及工礦用地面積將達(dá)到1988年面積的2.6倍。而且未利用地和草地等可利用土地類型隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展正在逐步得到開發(fā)。按照預(yù)測，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展將導(dǎo)致其周圍的優(yōu)質(zhì)耕地不斷被蠶食，最終導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)耕地面積再減少，這將不利于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，須嚴(yán)格控制非農(nóng)業(yè)建設(shè)用地對耕地的占用，加強(qiáng)管理，在盡量保護(hù)優(yōu)質(zhì)耕地的前提下實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)面積的擴(kuò)張。同時(shí)應(yīng)做好總體規(guī)劃，使土地資源得到合理有效利用。

水資源是城市發(fā)展的基礎(chǔ)，它提供了城市存在和人類從事生產(chǎn)等活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，決定著城市開發(fā)及建設(shè)的規(guī)模、速度、類型和特點(diǎn)。密云水庫作為北京市唯一的地表飲用水源地，承擔(dān)北京城區(qū)60%的自來水供應(yīng)任務(wù)，被稱為“北京生命之水”。研究數(shù)據(jù)表明，密云縣水體面積到2024年將持續(xù)減少，主要表現(xiàn)為密云水庫水面積的縮減。水資源的短缺勢必會成為密云地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。在未來的一段時(shí)間內(nèi)如何提高水資源利用效率、有效地保護(hù)和利用水資源，將是密云縣乃至北京市一個(gè)亟待解決的重要問題。

結(jié)合遙感圖像可知，密云縣耕地面積增加，很大一部分來源于水資源縮減出現(xiàn)的大面積濕地。上述數(shù)據(jù)表明，在2008年到2024年的16年中，耕地面積仍將有所增加，該類土地資源的不合理開發(fā)和利用將造成水資源的破壞。在此情況下，應(yīng)加強(qiáng)濕地建設(shè)，在沿水域區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)展與水源保護(hù)相適應(yīng)的生態(tài)農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)、休閑農(nóng)業(yè)。在發(fā)展農(nóng)業(yè)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水資源的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)水源保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的發(fā)展模式。

5 結(jié)論

以密云縣1988年到2008年的土地利用信息為基礎(chǔ)，結(jié)合灰色動態(tài)預(yù)測模型對密云縣16年的土地利用格局進(jìn)行了預(yù)測。根據(jù)土地利用變化預(yù)測結(jié)果可知，密云縣土地利用情況變化的總態(tài)勢是：林地、居民地及工礦用地、耕地將繼續(xù)呈上升趨勢，其中林地面積變化最為顯著；水域、未利用地及草地面積將逐步減少。本研究應(yīng)用RS與GIS技術(shù)支持下的灰色動態(tài)預(yù)測模型對密云縣土地利用變化做了定量預(yù)測，揭示了土地利用變化規(guī)律及期間存在的問題和隱患，希望能為該地區(qū)土地利用的調(diào)控及管理提供借鑒及啟示。

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