基于CA-Markov模型的溫江區(qū)土地利用格局變化預(yù)測

楊　渺，方自力，王　蒙，謝　強(qiáng),劉　姝

(1.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都　610000；2.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京　100085)

· 生態(tài)環(huán)境 ·

基于CA-Markov模型的溫江區(qū)土地利用格局變化預(yù)測

楊渺1,2，方自力1，王蒙1，謝強(qiáng)1,劉姝1

(1.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都610000；2.中科院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京100085)

土地利用/覆被變化(Land use and Land cover Change，LUCC) 對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的變化有著重要影響。及時(shí)把握土地利用及其變化狀況，預(yù)測其變化趨勢對(duì)于環(huán)境保護(hù)和人類社會(huì)發(fā)展有著重要的意義。利用CA-Markov模型預(yù)測了2020年溫江區(qū)土地利用格局變化，結(jié)果表明：2008年～2013年，成都市溫江區(qū)耕地、園地轉(zhuǎn)出面積占所有轉(zhuǎn)出面積的43.96%。2013年～2020年，則占所有轉(zhuǎn)出面積的64.70%。2008年、2013年流失的耕地面積主要是轉(zhuǎn)化成了城市建設(shè)用地，而2013年、2020年新增耕地面積也主要由城市和農(nóng)村建設(shè)用地轉(zhuǎn)換而來，不同的是2013年耕地面積來源中城市建設(shè)用地面積較大，而2020年耕地來源構(gòu)成中，有相當(dāng)部分來自農(nóng)村建設(shè)用地。在耕地面積的占補(bǔ)平衡過程中，傳統(tǒng)耕地流失，而低質(zhì)量用地類型轉(zhuǎn)化為耕地，耕地質(zhì)量問題應(yīng)受到關(guān)注?？傮w來說，2008年～2020年期間，溫江區(qū)處于城市建設(shè)高速發(fā)展時(shí)期，耕地、園地等自然半自然生態(tài)系統(tǒng)面積減少，城市建設(shè)、交通等人工構(gòu)筑物面積增加。2013年～2020年，溫江區(qū)城市建設(shè)用地預(yù)計(jì)將有358.43hm2轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕?，說明舊城改造仍在不斷進(jìn)行。林地在提高環(huán)境質(zhì)量，改善生態(tài)服務(wù)功能過程中起著重要作用。溫江區(qū)林地面積在2008年～2013年、2013年～2020年兩個(gè)時(shí)期不斷增加，且有相當(dāng)部分來自裸地和城市建設(shè)用地，說明溫江城市化過程中生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市綠地景觀建設(shè)得到了重視。在城市化過程中做好中長期城市發(fā)展規(guī)劃，合理布局自然、人工景觀，對(duì)構(gòu)建到“城在園中”和“園在城中”的山水田園城市格局，具有重要意義。

CA-Markov;土地利用;格局;預(yù)測

土地利用/覆被變化(Land use and Land cover Change，LUCC) 對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的變化有著重要影響，是全球和區(qū)域生態(tài)安全的主要影響因素。及時(shí)把握土地利用及其變化狀況，預(yù)測其變化趨勢對(duì)于環(huán)境保護(hù)和人類社會(huì)發(fā)展有著重要的意義。如何準(zhǔn)確地模擬LUCC，是當(dāng)前LUCC研究中的核心科學(xué)問題[1,4]。目前看來，LUCC模型是深入了解LUCC成因、過程，預(yù)測未來發(fā)展變化趨勢的重要手段[2]。當(dāng)前也已經(jīng)開發(fā)出了各種模型用于LUCC研究，其中，CA-Markov是目前土地利用格局預(yù)測模擬中最常用的方法，廣泛用于LUCC建模。馬爾科夫(Markov)模型與元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型均為時(shí)間離散、狀態(tài)離散的動(dòng)力學(xué)模型[2], CA 模型具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的能力[3], Markov 模型具有長期預(yù)測的優(yōu)勢[4]，CA-Markov 耦合模型則將兩者有機(jī)結(jié)合,發(fā)揮了Markov和CA模型的優(yōu)點(diǎn)，具有既可進(jìn)行長期預(yù)測, 又可有效地模擬復(fù)雜系統(tǒng)的空間變化[5]。

LUCC是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的現(xiàn)象與過程,它既受自然因素的制約。在一定地域上又受社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素的強(qiáng)烈影響,具有明顯的綜合性和地域性[6]。成都市溫江區(qū)地處成都市中心區(qū)正西16km處，是周邊區(qū)市縣輻射交匯中心。目前溫江區(qū)處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展期，建設(shè)用地需求明顯，耕地和基本農(nóng)田保護(hù)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)與非農(nóng)業(yè)建設(shè)的矛盾更加突出。利用CA-Markov模型，對(duì)溫江區(qū)土地利用演化進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)測，探討溫江區(qū)土地利用時(shí)空變化規(guī)律，為溫江區(qū)土地資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測與實(shí)時(shí)管理提供新的方法思路和技術(shù)途徑，為溫江區(qū)的土地空間發(fā)展戰(zhàn)略決策提供一定的參考價(jià)值與理論依據(jù)。

1　區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1區(qū)域概況

成都市溫江區(qū)地處四川盆地的西部，位于北緯30°36′～30°52′，東經(jīng)103°41′～103°55′，幅員面積277km2。屬亞熱溫潤氣候，熱量豐富，陽光充足，雨量充沛，雨熱同步組合，四季分明。溫江區(qū)為平壩農(nóng)業(yè)區(qū)，自然植被較少，以人工園林植被以及花卉苗木為主。耕地、居民點(diǎn)及工礦用地為主要土地類型。2012年末全區(qū)常住人口46.1萬人，城鎮(zhèn)化率64.0%。

1.2數(shù)據(jù)來源

以SPOT影像為數(shù)據(jù)源，選擇2008年和2013年2 個(gè)時(shí)期的影像數(shù)據(jù)。收集溫江區(qū)規(guī)劃圖件(2006-2020)如：基本農(nóng)田規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、交通規(guī)劃、綠地規(guī)劃；收集各類保護(hù)區(qū)劃文件：如名勝古跡、飲用水源保護(hù)區(qū)等(溫江不存在自然保護(hù)區(qū)、森林公園)；收集溫江區(qū)土壤類型圖，道路、河流，以及DEM等基本地理信息數(shù)據(jù)。

對(duì)收集到的多源數(shù)據(jù)和2期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正和坐標(biāo)配準(zhǔn)，完成多源數(shù)據(jù)融合，用于土地利用適宜性分析。

2　預(yù)測過程

2.1影像解譯

依據(jù)我國土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，結(jié)合研究區(qū)

圖1　2008年、2013年土地利用類型解譯圖Fig.1　Land use in 2008 & 2013

土地利用現(xiàn)狀和土地資源特點(diǎn)，采用非監(jiān)督分類與目視判讀相結(jié)合的綜合解譯方法，對(duì)該區(qū)的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行土地利用解譯(解譯精度85%)，把溫江區(qū)土地利用分為耕地、園地、水域、林地、城市建設(shè)、農(nóng)村建設(shè)、交通，以及裸地，共8類。形成2008年、2013年2 期土地利用分布圖，見圖1。

2.2Markov鏈分析

首先，用Markov過程計(jì)算2008年～2013年間各土地利用類型要素之間的轉(zhuǎn)移面積矩陣，表1。

表1　溫江區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣

2.3土地利用適宜性評(píng)價(jià)

其次，選取自然因素、DEM、距離因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，通過模糊分類、線性加權(quán)的方法完成土地利用適宜性評(píng)價(jià)，制定各土地利用類型的適宜性圖集,圖2。

圖2　各土地利用類型適宜性圖集Fig.2　The suitability of each land use types

2.4模型預(yù)測及精度檢驗(yàn)

假設(shè)2013年～2020年溫江區(qū)各類土地利用變化趨勢與2008年～2013年期間相同，分別以2008年、2013年為模擬起始年，以CA-Markov模型預(yù)測2013年、2020年土地利用(圖3)分布格局[5, 7]。以2013年土地利用類型解譯圖為參照，利用預(yù)測的2013年土地利用類型進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果表明總體模擬精度95.2%，Kappa系數(shù)0.92，說明預(yù)測精度較好，各土地利用分類精度見表2。

表2　土地利用分類精度

圖3　溫江區(qū)2020年土地利用預(yù)測Fig.3　Land use forecast figure in 2020

3　結(jié)果與分析

3.1溫江區(qū)土地利用凈變化分析

2008年～2013年，溫江區(qū)主要轉(zhuǎn)出的地類是耕地、園地。5年期間，溫江區(qū)耕地面積減少了408.47hm2，園地面積減少了191.70hm2，分別占2008年耕地、園地面積的6.03%和2.02%；由于其它地類轉(zhuǎn)入，面積增加最多的地類主要是城市建設(shè)用地，為546.91hm2，占2008年城市建設(shè)用地面積的11.01%。在土地利用變化趨勢不變的情形下，2013年～2020年，預(yù)測溫江區(qū)主要轉(zhuǎn)出地類仍然是耕地、園地，7年期間耕地面積將減少733.62hm2，園地面積將減少1138.97hm2，分別占2013年耕地、園地面積的11.52%和12.26%；由于其它地類轉(zhuǎn)入，面積增加最多的地類仍是城市建設(shè)用地，為1635.62hm2，占2008年城市建設(shè)用地面積的29.66%，見圖4。

圖4　溫江區(qū)2008年～2020土地利用類型凈增值(hm2)Fig.4　Land use type net change during 2008～2020(hm2)

3.2土地利用類型相互轉(zhuǎn)換分析

3.2.1溫江區(qū)2008年～2013年各土地利用類型相互轉(zhuǎn)換

2008年～2013年時(shí)期，溫江區(qū)土地利用/覆被發(fā)生轉(zhuǎn)移的總面積為1712.58hm2，約為溫江區(qū)土地利用總面積的6.32%，其中耕地、園地轉(zhuǎn)出面積占所有轉(zhuǎn)出面積的43.96%。2008年流失的耕地面積主要是轉(zhuǎn)化成了城市建設(shè)用地，而2013年新增耕地面積也主要由城市和農(nóng)村建設(shè)用地轉(zhuǎn)換而來。園地有118.33hm2轉(zhuǎn)換化為城市建設(shè)用地，也有較大面積轉(zhuǎn)換為交通用地。溫江區(qū)交通發(fā)展較快，2013年新增交通用地面積較大。新增林地有較大面積來自水域和裸地，根據(jù)2013年土地利用圖，發(fā)現(xiàn)新增林地主要位于金馬河河灘及沿岸。金馬河河床寬闊，由于是泄洪河流，常年水量較少，河床裸露，經(jīng)年裸露的河漫灘有利于藤本乃至灌木生長，次生林發(fā)展較快。各土地利用類型相互轉(zhuǎn)化情況見表3。

表3　溫江區(qū)2008年～2013年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

3.2.2溫江區(qū)2013年～2020年土地利用類型轉(zhuǎn)換預(yù)測

2013年～2020年時(shí)期，溫江區(qū)土地利用/覆被發(fā)生轉(zhuǎn)移的總面積為2944.78hm2，約為溫江區(qū)土地利用總面積的10.86%，其中耕地、園地轉(zhuǎn)出面積占所有轉(zhuǎn)出面積的64.70%。2013年后未來7年中，溫江區(qū)城市發(fā)展仍將占用大量耕地(671.17hm2)、園地(967.67hm2)面積。城市建設(shè)用地將有358.43轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕?，說明舊城改造仍占不斷進(jìn)行。同2013年前五年類似，金馬河將有部分水域轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?灌木林)，表4。

表4　 溫江區(qū)2013年～2020年土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣

注：1.因多源數(shù)據(jù)融合過程中邊界匹配需要，所分析國土面積比實(shí)際面積略低6km2左右。

4　討　論

成都市溫江區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換速度在未來幾年有變快的趨勢，土地利用/覆被發(fā)生轉(zhuǎn)移的總面積占溫江區(qū)土地利用總面積的比例，在2008年～2013年為6.32%，2013年～2020年則為10.86%，說明城市化進(jìn)程在加快。

溫江區(qū)土地利用主要是耕地、園地和建設(shè)用地之間的相互轉(zhuǎn)換。2008年～2013年，溫江區(qū)耕地、園地轉(zhuǎn)出面積占所有轉(zhuǎn)出面積的43.96%。2013年～2020年，則占所有轉(zhuǎn)出面積的64.70%。2008年、2013年流失的耕地面積主要是轉(zhuǎn)化成了城市建設(shè)用地。2013年、2020年新增耕地面積則主要由城市和農(nóng)村建設(shè)用地轉(zhuǎn)換而來。不同的是，2013年耕地面積來源中城市建設(shè)用地面積較大，而2020年耕地來源構(gòu)成中，有相當(dāng)部分來自農(nóng)村建設(shè)用地。由于國土規(guī)劃對(duì)城市發(fā)展邊界的約束，今后溫江區(qū)建設(shè)用地對(duì)耕地的侵占主要來自農(nóng)村建設(shè)，對(duì)這一轉(zhuǎn)變，應(yīng)引起重視。另外，在耕地面積的占補(bǔ)平衡過程中，傳統(tǒng)耕地流失，而低質(zhì)量用地類型轉(zhuǎn)化為耕地。未來在基本農(nóng)田面積受到嚴(yán)格保護(hù)的同時(shí)，耕地質(zhì)量問題也應(yīng)受到關(guān)注。

2013年～2020年，溫江區(qū)城市建設(shè)用地預(yù)計(jì)將有358.43轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕?，說明舊城改造仍在不斷進(jìn)行。林地在提高環(huán)境質(zhì)量，改善生態(tài)服務(wù)功能過程中起著重要作用。溫江區(qū)林地面積在2008年～2013年、2013年～2020年兩個(gè)時(shí)期不斷增加，且有相當(dāng)部分來自裸地和城市建設(shè)用地，說明溫江城市化過程中生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市綠地景觀建設(shè)得到了重視。

總體來說，2008年～2020年期間，溫江區(qū)處于城市建設(shè)高速發(fā)展時(shí)期，耕地、園地等自然半自然生態(tài)系統(tǒng)面積減少，城市建設(shè)、交通等人工構(gòu)筑物面積增加。在城市化過程中做好中長期城市發(fā)展規(guī)劃，合理布局自然、人工景觀，對(duì)于構(gòu)建到“城在園中”和“園在城中”的山水田園城市格局，具有重要意義。

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The Prediction and Analysis of the Landuse Change Pattern in Wenjiang District Based on CA-Markov Model

YANG Miao1,2,FANG Zi-li1, WANG Meng1,XIE Qiang1,LIU Shu1

(1.SichuanResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Chengdu610041,China;2.ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China)

Land use and Land cover Change (LUCC) has important influence to the change of society, economic and environment. Thus, grasp the LUCC condition and its changes in time and predict its changing trend has important significance to the environment protection and human society development. This paper predicted the land use pattern changes in Wenjiang district by CA-Markov model, the results showed: transferred cultivated land and garden plot accounted for 43.96% of overall the transfer land during 2008 to 2013, whereas the value was 64.70% during 2013 to 2020. The decreased cultivated land was transfer to town construction in 2008 and 2013. The newly-increased cultivated land areas were mainly from the city and rural construction land in 2013 and 2020, but in 2013, it mainly came from town construction land, whereas in 2020, it was mainly come from rural construction land. Results suggested that even there exsited dynamic balances during the requisition and compensation of cultivated land, the traditional cultivated land loss, and low-quality land use type had transfered into cultivated land, and the quality of cultivated land should be concerned in the future. Overall, Wenjiang district was in period of rapid urbanization during 2008 to 2020, cultivated land, and garden land and other natural semi natural ecosystem area had reduced, artificial ecosystem such as urban construction, traffic area had increased. Above all, make Medium and long-term urban development planning, reasonable distribution natural and artificial landscape has played an important role in structuring landscape garden city pattern, just like “city in the garden” and “garden in the city ”.

CA-Markov; land use; pattern; predict

2014-10-30

楊渺(1976-)，男，山東定陶人，2007年畢業(yè)于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)森林培育專業(yè)，高級(jí)工程師，博士，現(xiàn)從事生態(tài)功能評(píng)估、區(qū)域規(guī)劃與地理信息系統(tǒng)等方面研究工作。

方自力,fzili@163.com。

X171.1

A

1001-3644(2015)01-0065-06