基于Markov模型的城市土地利用景觀格局分析及預(yù)測——以六盤水市為例

張勇榮，周忠發(fā)，馬士彬

（1．六盤水師范學(xué)院 環(huán)境與資源科學(xué)系，貴州 六盤水553004；2．貴州師范大學(xué) 中國南方喀斯特研究院，貴陽替換為 550001）

基于Markov模型的城市土地利用景觀格局分析及預(yù)測
——以六盤水市為例

張勇榮1，周忠發(fā)2＊，馬士彬1

（1．六盤水師范學(xué)院 環(huán)境與資源科學(xué)系，貴州 六盤水553004；2．貴州師范大學(xué) 中國南方喀斯特研究院，貴陽替換為 550001）

通過景觀結(jié)構(gòu)及景觀格局指數(shù)分析貴州省六盤水市中心城區(qū)1990年～2010年生態(tài)環(huán)境變化的趨勢及原因，并通過Markov模型預(yù)測了2020年～2050年研究區(qū)景觀格局演變趨勢，結(jié)果表明：①研究區(qū)20a間灌木林地顯著增加、耕地尤其是水田大量減少．②20a間研究區(qū)建設(shè)用地大量增加，斑塊由零散分布逐漸連成片；耕地斑塊的破碎化程度提高，且形狀越趨復(fù)雜．③1990年～2010年間研究區(qū)內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，景觀空間連接性下降，多樣性增加，破碎化程度提高，斑塊的空間鑲嵌趨向復(fù)雜，景觀組分趨向均勻分布．④通過預(yù)測可知，隨著城市化進(jìn)程的加快研究區(qū)景觀破碎化程度將進(jìn)一步增大，斑塊的空間鑲嵌更加趨向復(fù)雜，景觀組分進(jìn)一步呈均勻化分布．

景觀格局；土地利用；馬爾科夫模型；六盤水

景觀空間格局在很大程度上控制著景觀功能的特征及其發(fā)揮，影響著其中物質(zhì)、能量和信息流的各種過程及其形式，并對(duì)景觀的性質(zhì)、變化方向起著決定性作用［1］．通過對(duì)景觀格局的分析，有助于分析景觀組成單元的形狀、大小、數(shù)量和空間組合；有助于對(duì)宏觀區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)及發(fā)展趨勢分析；同時(shí)也有助于探索自然因素與人類活動(dòng)對(duì)景觀格局及動(dòng)態(tài)過程的影響［2］．景觀格局指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征．本文通過景觀結(jié)構(gòu)及景觀格局指數(shù)來分析六盤水市中心城區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的趨勢和原因，旨在為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展及區(qū)域開發(fā)建設(shè)提供借鑒．

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省西南部，地跨26°26′～26°47′N，104°44′～105°2′E，包括六盤水市鐘山區(qū)全境及水城縣蟠龍鄉(xiāng)一部分，總面積約為474km2．研究區(qū)內(nèi)地形以山地、丘陵為主，平均海拔1 700m，氣候溫和濕潤，屬亞熱帶季風(fēng)型．城鎮(zhèn)人口約為72．8萬，城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快，城鎮(zhèn)人口比重由1990年的15．22%上升至2010年的22．52%．

圖1 研究區(qū)位置圖及各期土地利用分類圖（1990年～2010年）Fig．1 The location and land use map of the study area during 1990～2010

2 數(shù)據(jù)與方法

2．1 數(shù)據(jù)源

本研究以1990年3月的美國TM、2000年2月ETM及2010年2月中國環(huán)境減災(zāi)遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合1∶5萬地形圖、1∶10萬DEM以及土壤、植被、土地利用等專題數(shù)據(jù)．

2．2 數(shù)據(jù)判讀與景觀類型劃分

景觀類型的劃分主要依據(jù)土地利用類型．研究區(qū)土地利用分類參考我國土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)［3］，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，將研究區(qū)劃分為8種景觀類型：有林地、灌木林、草地、水田、旱地、建設(shè)用地、水體和未利用地．

在ERDAS工作平臺(tái)上分別對(duì)3期遙感影像進(jìn)行幾何糾正、增強(qiáng)處理，并以1∶5萬地形圖為參照進(jìn)行空間校正，采用監(jiān)督分類的方法，通過人工交互方式并結(jié)合外業(yè)調(diào)查資料（GPS數(shù)據(jù)）進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)解譯．

2．3 景觀指數(shù)的選取與計(jì)算

景觀指數(shù)是指能高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標(biāo)［4］．結(jié)合本文實(shí)際，在景觀類型水平上選取斑塊數(shù)量（NP）、斑塊面積（CA）、平均斑塊分維數(shù)（FRAC－MN）、最大斑塊指數(shù)（LPI），在景觀水平上選取蔓延度指數(shù)（CONTAG）、Shannon's多樣性指數(shù)（SHDI）和Shannon's均勻度指數(shù)（SHEI），各景觀指數(shù)公式及其生態(tài)學(xué)涵義詳見文獻(xiàn)［4－5］．上述指標(biāo)利用景觀格局分析指數(shù)軟件FragStats 3．3獲?。?/p>

3 結(jié)果與分析

3．1 景觀結(jié)構(gòu)變化分析

研究區(qū)各種斑塊在20年間盡管發(fā)生了復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)換，但從表1可以看出，居優(yōu)勢地位的仍然是灌木林地、耕地（主要是旱地）和建設(shè)用地．

1990 年研究區(qū)各景觀類型中灌木林面積最大，為226．15km2，占研究區(qū)的47．65%，其次為旱地和建設(shè)用地，分別占研究區(qū)的36．21%和4．81%．2000年，灌木林地基本持平占47．21%，旱地有所減少至33．47%，建設(shè)用地增加為6．47%．2010年灌木林地所占比例增加為51．55%，旱地繼續(xù)減少占25．68%，建設(shè)用地大幅增加為12．51%．

1990 年～2000年六盤水市中心城區(qū)景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，耕地（旱地、水田）和未利用地減少，所占比例分別由40．16%、0．49%下降至27．54%、0．30%，其他景觀類型都有不同程度增加．建設(shè)用地所占比例增加了7．7%，面積增加了36．55km2，主要是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大．林地所占比例增加了5．05%，面積增加了23．96km2，主要是在石漠化治理過程中，退耕還林、封山育林等措施的有效實(shí)施．

表1 1990年～2010年研究區(qū)景觀類型面積統(tǒng)計(jì)Tab．1 The statistics of landscape type area in the study area during 1990～2010

圖2 1990年～2010年研究區(qū)斑塊面積Fig．2 The patch area of the study area during 1990～2010

3．2 景觀格局動(dòng)態(tài)變化分析

3．2 ．1景觀斑塊特征指數(shù)變化分析 斑塊數(shù)量和最大斑塊指數(shù)反映了景觀異質(zhì)性程度．研究區(qū)斑塊數(shù)量從1990年600個(gè)增至2010年653個(gè)（增多53個(gè)），景觀類型中灌木林地、建設(shè)用地和未利用地斑塊數(shù)量減少，有林地、草地、水體、水田和旱地斑塊數(shù)量增加（表2）．

景觀最大斑塊指數(shù)由34．03增加至34．62．建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)變化幅度最大，由1990年的0．99增加至2010年的7．68；其次是旱地，由1990年的16．62降低至2010年的10．83；未利用地和水田的最大斑指數(shù)也有小幅度降低．

表2 景觀類型指數(shù)Tab．2 Landscape type index of the study area

分維度指數(shù)表示斑塊形狀的復(fù)雜程度，值越高表明形狀越復(fù)雜．由圖3可知，灌木林的分維度指數(shù)20a間逐年減小，但減小幅度不大；有林地、水體及未利用地的分維度指數(shù)較其他景觀類型??；草地的分維數(shù)1990年為1．042，2000年降低為1．036，2010年又升為1．040；建設(shè)用地的分維數(shù)自1990年至2010年逐年升高；旱地、水田的分維度指數(shù)明顯高于其他景觀類型，旱地20年間最高分維度指數(shù)為1．048．

圖3 1990年～2010年研究區(qū)平均斑塊分維數(shù)Fig．3 The mean patch fractal of the study area during 1990～2010

3．2 ．2景觀格局特征指數(shù)變化分析 蔓延度指數(shù)描述的是景觀里不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢．一般說來，高蔓延度值說明景觀中的某種優(yōu)勢斑塊類型形成了良好的連接性．由表3可知，研究區(qū)1990年蔓延度指數(shù)為45．606，到2010年減少至42．915，景觀聚集度適中且小斑塊數(shù)量增加，空間連接性下降，景觀的破碎化程度提高．

多樣性指數(shù)反映景觀類型的多少和景觀中斑塊的多度和異質(zhì)性［6］．均勻度指數(shù)描述景觀各組分分配均勻程度，其值越大，表明景觀各組分分配越均勻．研究區(qū)Shannon多樣性指數(shù)由1990年的1．256增加為2010年的1．305，景觀多樣性在增加，斑塊的空間鑲嵌趨向復(fù)雜．Shannon均勻度指數(shù)由1990年的0．604增加到2010年的0．628，景觀組分趨向均勻分布（表3）．

表3 景觀格局特征指數(shù)Tab．3 The landscape pattern index of the study area

4 景觀格局演變的馬爾科夫預(yù)測

采用Markov預(yù)測模型，預(yù)測2020年六盤水市中心城區(qū)景觀格局演變情況，計(jì)算研究區(qū)景觀格局特征指數(shù)變化的轉(zhuǎn)移概率矩陣．景觀格局特征指數(shù)變大記為狀態(tài)1（即：E1），不變或基本沒有變化記為狀態(tài)2（即：E2），減小記為狀態(tài)3（即：E3）．以1990年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，景觀格局特征指數(shù)變化的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況見表4．

表4 1990年～2010年景觀格局特征指數(shù)變化狀態(tài)Tab．4 The change state of landscape pattern index during 1990～2010

運(yùn)用馬爾科夫預(yù)測最終得到2020年～2050年景觀格局特征指數(shù)狀態(tài)概率預(yù)測值，但值得一提的是，本次研究采用的數(shù)據(jù)量較少，得出的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣以及景觀格局特征指數(shù)狀態(tài)概率預(yù)測值有些絕對(duì)化，但仍然可以說明景觀格局演變的趨勢．

表5 2020年～2050年景觀格局特征指數(shù)狀態(tài)概率預(yù)測Tab．5 The probability prediction of landscape pattern index during 1990～2010

從表5可以看出，研究區(qū)斑塊數(shù)量在2020年～2050年將一直增加，這表明研究區(qū)的景觀破碎化程度將加重．到2020年，蔓延度指數(shù)將在2010年的基礎(chǔ)上減小，2030年基本保持不變，到2040年將在2030年的基礎(chǔ)上繼續(xù)減小，2050年保持不變，整體上呈曲折減少的趨勢，表明研究區(qū)小斑塊數(shù)量將會(huì)增加，空間連接性下降，景觀的破碎化程度提高．Shannon多樣性及Shannon均勻度指數(shù)變化趨勢一致，整體上呈曲折上升的趨勢，到2020年將有所增加減小，2030年基本保持不變，到2040年將在2030年的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，2050年保持不變，表明隨著研究區(qū)景觀破碎化程度的增加，斑塊的空間鑲嵌趨向復(fù)雜，景觀組分更加趨向均勻分布．

5 結(jié)論與討論

1990 年到2010年的20年間六盤水市城鎮(zhèn)人口由36．9萬迅速增長到72．8萬，對(duì)住房及公共用地的需求也大量增加，推動(dòng)了城市建設(shè)用地的大幅度擴(kuò)張．致使建設(shè)用地所占比例增加了7．7%．建設(shè)用地斑塊數(shù)量減少，但最大斑塊指數(shù)增加，表明建設(shè)用地由零散分布逐漸連成片．林地（有林地和灌木林地）面積增加了23．96km2，主要是由于天然林資源保護(hù)、退耕還林、封山育林等生態(tài)恢復(fù)措施的有效實(shí)施．耕地（旱地和水田）面積一直在減少，但斑塊數(shù)量在增加，最大斑塊指數(shù)在減小，說明耕地斑塊的破碎化程度在提高．此外耕地的分維度指數(shù)明顯高于其他景觀類型，說明隨著斑塊破碎化程度的提高，耕地斑塊形狀越趨復(fù)雜．

從景觀結(jié)構(gòu)和景觀格局指數(shù)變化來看，20年間六盤水市中心城區(qū)整體景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，景觀空間連接性下降，多樣性在增加，破碎化程度在提高，斑塊的空間鑲嵌趨向復(fù)雜，景觀組分趨向均勻分布．

通過馬爾科夫模型預(yù)測可知，隨著城市化進(jìn)程的加快研究區(qū)景觀破碎化程度將進(jìn)一步增大，斑塊的空間鑲嵌更加趨向復(fù)雜，景觀組分進(jìn)一步呈均勻化分布．

本文通過景觀指數(shù)分析，得出研究區(qū)研究時(shí)段內(nèi)土地利用景觀格局變化的一般規(guī)律，并通過馬爾科夫模型預(yù)測未來研究區(qū)景觀格局的變化．研究數(shù)據(jù)雖然跨度20年，但數(shù)據(jù)樣本較少，導(dǎo)致馬爾科夫預(yù)測值趨于絕對(duì)化，因此本文只給出在理論分析下未來研究區(qū)景觀格局變化的一種趨勢預(yù)測，另外由于土地變化本身是一個(gè)非常復(fù)雜的事情，因此預(yù)測模型還需改進(jìn)并加以驗(yàn)證，這也是今后問題研究的方向．

［1］謝國清，魯韋坤．松華壩水庫流域景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化研究［J］．云南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，28（S1）：194－200．

［2］肖篤寧．景觀生態(tài)學(xué)理論、方法與應(yīng)用［M］．北京：中國林業(yè)出版社，1991．

［3］吳傳鈞．中國土地利用［M］．郭煥成．北京：科學(xué)出版社，1994．

［4］余新曉，李秀彬，夏 兵，等．森林景觀格局與土地利用／覆被變化及其生態(tài)水文響應(yīng)［M］．北京：科學(xué)出版社，2010．

［5］梁存柱，朱宗丞，郝敦元，等．河西走廊及其鄰近地區(qū)的景觀生態(tài)格局［J］．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2000，14（4）：49－54．

［6］劉軍會(huì)，趙維全，王 衛(wèi)，等．冀西北間山盆地區(qū)景觀動(dòng)態(tài)變化研究［J］．水土保持研究，2007，14（3）：36－39．

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Abstract：With landscape structure and landscape pattern index，the trend and cause ofthe ecological environment variation of the downtown area of Liupanshui in Guizhou Province from 1990to 2010was analyzed and the evolving trend of landscape pattern in the study area from 2020to 2050was forecast using Markov Model．The results showed that：①in the past two decades，the Shrub land increased significantly，and the paddy field increased greatly in the study area．②the construction land in the study area increased greatly in the past two decades，the formerly scattered distributed patches gradually merged；the fragmentation degree of cultivation land patches deepened and its shapes became more complex．③the landscape structure in the study area changed greatly from 1990to 2010，the landscape spatial connectivity degree lowered with its increased diversity and deepened fragmentation degree．The patch spatial mosaic tended to be complicated and the landscape constituent tended to distribute uniformly．④according to the forecast results，with the rapid urbanization，the landscape fragmentation degree of the study area would deepen more，the patch spatial mosaic would tend to be more complex and the landscape constituent would tend to distribute more uniformly．

Key words：landscape pattern；land use；Markov Model；Liupanshui Cit y

Analysis and forecast of urban land use landscape pattern based on Markov Model——a case of Liupanshui City

ZHANG Yongrong1，ZHOU Zhongfa2，MA Shibin1
（1．Department of Environment and Resource，Liupanshui Normal College，Liupanshui，Guizhou 553004；2．Institute of South China Karst，Guizhou Normal University，Guiyang 550001）

O175．1

A

1000－1190（2012）03－0363－05

2011－11－01．

國家973計(jì)劃前期研究項(xiàng)目（2012CB723202）；貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)對(duì)象專項(xiàng)資金項(xiàng)目（黔科合人字（2009）18號(hào)）；貴州省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目（黔教科2010098）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目（黔科合J字［2011］2052號(hào)）；六盤水師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目（lpssy201104，lpssy201110）．

＊通訊聯(lián)系人．E－mail：fa6897＠163．com．