天山西部山區(qū)土地利用變化預(yù)測(cè)

于宴民，穆振俠，彭 亮，何 英(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

土地利用景觀格局的變化是對(duì)人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用結(jié)果的反映[1]，不同時(shí)空尺度下土地利用變化的研究對(duì)闡釋人類社會(huì)影響下某一區(qū)域生態(tài)空間格局變化的過程和機(jī)理等起到相關(guān)作用[2]。土地利用和覆被變化(LUCC)涉及區(qū)域城市發(fā)展、全球環(huán)境變化、經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展等相關(guān)問題，已成為近年來研究的熱點(diǎn)問題[3]。

可用來預(yù)測(cè)和模擬各土地利用類型之間轉(zhuǎn)變的模型主要有：元胞自動(dòng)機(jī)模型(CA模型)、馬爾科夫模型(Markov模型)和Clue-s模型等，這3種模型在適用性和模擬精度方面均存在一定的缺陷與不足。CA模型可預(yù)測(cè)出土地利用景觀格局在空間分布的情況，卻對(duì)數(shù)量的變化無法預(yù)測(cè)[4]；Markov模型雖然能預(yù)測(cè)出土地利用景觀格局?jǐn)?shù)量上的動(dòng)態(tài)變化情況，卻對(duì)空間分布情況無法預(yù)測(cè)[5]；Clue-s模型的利用效率不是很高，需要在預(yù)測(cè)的同時(shí)借助其他模型作為輔助[6]。CA-Markov模型耦合了CA模型和Markov模型這兩個(gè)土地利用預(yù)測(cè)模型的優(yōu)勢(shì)，既滿足數(shù)量變化方面的要求，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)土地利用景觀格局空間的預(yù)測(cè)模擬[7]。近年來CA-Markov模型已被廣泛的探討與應(yīng)用，且在變化分析和模型預(yù)測(cè)等方面取得了一系列成果。Lingling Sang等利用CA-Markov模型，基于2001年、2006年和2008年3期的土地利用數(shù)據(jù)對(duì)城鎮(zhèn)和村莊兩種土地利用空間格局的變化過程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，城市的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)導(dǎo)致土地資源需求的空間格局發(fā)生變化[8]；霍明明等基于CA-Markov模型采用3期遙感影像分析預(yù)測(cè)了其研究區(qū)土地利用的情況，既驗(yàn)證了模型的適用性又預(yù)測(cè)出未來土地利用情況的變化[9-12]。

天山西部山區(qū)屬于河流的源流區(qū)和水利工程的重點(diǎn)開發(fā)區(qū)，土地利用/覆被變化將會(huì)對(duì)區(qū)域下墊面產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而使得流域水文過程、產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生變化，目前對(duì)天山西部山區(qū)土地利用和覆被情況的規(guī)律進(jìn)行的預(yù)測(cè)研究較少，本研究以天山西部山區(qū)典型河流區(qū)為研究區(qū)，運(yùn)用馬爾科夫模型分析了1990-2000年和2000-2010年的土地利用變化格局，基于2000年的土地利用數(shù)據(jù)和1990-2000年的轉(zhuǎn)換規(guī)則，利用CA-Markov模型預(yù)測(cè)研究區(qū)2010年的土地利用情況，將2010年實(shí)際土地利用情況和模擬的情況進(jìn)行對(duì)比以此驗(yàn)證模型的精度；又基于2010年的土地利用數(shù)據(jù)和2000-2010年的轉(zhuǎn)換規(guī)則，利用CA-Markov模型預(yù)測(cè)出研究區(qū)2020年的土地利用情況，為今后該流域土地資源的合理利用、進(jìn)行水文預(yù)報(bào)分析等提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究以天山西部山區(qū)(E81°40′～ 85°10′，N43°25′～ 44°15′)為研究區(qū)，其發(fā)源于依連哈比爾尕山冰川地帶。流域呈狹長(zhǎng)的柳葉形狀，水系呈羽狀。由于地理位置和下墊面因素，其徑流的補(bǔ)給方式為冰川積雪融水補(bǔ)給為主，降雨補(bǔ)給為輔，地下水補(bǔ)給次之的混合型補(bǔ)給。流域地勢(shì)西南高、北部低，氣候特征表現(xiàn)為雨量充沛、晝夜溫差大的特征。多年月平均降水量為48.5 mm，多年月平均氣溫值為5.8 ℃，多年月平均徑流量為31.3 m3/s。流域上各種冰川共551條，冰川面積為421.60 km2，冰儲(chǔ)存量為28.18 m3[13]，流域通常在12月封凍，次年3月解凍。

本研究主要采用新疆維吾爾自治區(qū)20世紀(jì)80年代末(1990年)、2000和2010年3期1∶10萬的矢量土地利用數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)與中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)?；贕IS平臺(tái)與研究區(qū)流域邊界數(shù)據(jù)對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行影像的裁剪和融合等預(yù)處理，并按100 m×100 m空間分辨率進(jìn)行重采樣。

2 研究方法

2.1 CA-Markov模型

IDRISI軟件由美國(guó)克拉克大學(xué)的克拉克實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，是一個(gè)將遙感與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的應(yīng)用軟件，由遙感圖像處理、地理信息系統(tǒng)分析、決策分析、空間分析等多個(gè)專業(yè)應(yīng)用模塊組成[14]。本研究選用IDRISI軟件中CA-Markov模塊對(duì)研究區(qū)未來一定時(shí)期內(nèi)的土地利用變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。具體操作如下：①數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，基于GIS和 IDRISI中的轉(zhuǎn)換工具，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為IDRISI支持的rst柵格數(shù)據(jù)格式；②定義CA濾波器，根據(jù)距離元胞的遠(yuǎn)近來創(chuàng)建具有顯著空間意義的權(quán)重因子，進(jìn)而確定出元胞狀態(tài)的改變，本文鄰域定義為CA標(biāo)準(zhǔn)為5×5鄰近濾波器；③確定轉(zhuǎn)換規(guī)則，本文元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則為Markov模型生成的土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣；④確定循環(huán)次數(shù)，本研究將循環(huán)次數(shù)設(shè)為10 a，以1990年與2000年進(jìn)行模型率定，以2000年作為起始時(shí)刻模擬2010年的景觀格局，并以2010年作為模型模擬的起始時(shí)刻來模擬2020年的景觀格局。

2.2 精度檢驗(yàn)

選用Kappa指數(shù)評(píng)價(jià)兩個(gè)圖件的精度和一致性，Kappa指數(shù)(Ik)的表達(dá)式[15]為：

Ik=(P0-Pc)/(Pp-Pc)

(1)

P0=n1/n,Pc=1/N

(2)

式中：P0為模擬正確柵格的比例；Pc為隨機(jī)情況下期望模擬正確的比例；Pp為理想情況下正確模擬柵格的比例，Pp的值一般取1；n1為模擬正確的柵格數(shù)；n為景觀格局圖的柵格總數(shù)；N為景觀類型的數(shù)量。Kappa指數(shù)大于0.75，則表明兩個(gè)圖件具有較高的一致性，即模擬的結(jié)果較好，可信度較高。

3 結(jié)果及分析

3.1 土地利用類型演變特征分析

(1) 1990-2000年土地利用類型演變特征分析。在土地利用類型變化和預(yù)測(cè)的過程中，每一個(gè)柵格就相當(dāng)于是一個(gè)元胞，此時(shí)元胞的土地利用類型代表元胞的狀態(tài)，利用轉(zhuǎn)移概率矩陣即可確定元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，從而來模擬土地利用景觀格局空間的變化[16]。Markov作為CA-Markov模型重要的一部分，要求預(yù)測(cè)對(duì)象具有馬爾科夫過程特性[17]，即土地利用變化呈現(xiàn)某種變化趨勢(shì)的平穩(wěn)性過程，而事實(shí)上土地利用會(huì)因自然或人為因素發(fā)生突發(fā)性變化。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以定量地反映不用土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。本文以1990-2000年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣為轉(zhuǎn)換規(guī)則(表1)，由表可知研究區(qū)1990-2000年這10 a土地利用類型轉(zhuǎn)移情況為：耕地主要轉(zhuǎn)化為林地和草地，其中2.51%轉(zhuǎn)化為林地，13.18%轉(zhuǎn)化為草地，其主要補(bǔ)充來源是城市、工礦、居民用地。林地主要轉(zhuǎn)化為草地和水域，而增加部分主要來源于耕地和城市、工礦、居民用地。由于坡度和溫度等原因，水熱條件較好的區(qū)域適合耕地的發(fā)展，而水土流失嚴(yán)重的區(qū)域需要植樹造林，進(jìn)而導(dǎo)致了耕地和林地之間的相互轉(zhuǎn)化。城市、工礦、居民用地主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地，其中8.52%轉(zhuǎn)化為草地，16.33%轉(zhuǎn)化為耕地，其主要補(bǔ)充來源是耕地。未利用土地在這10 a未發(fā)生轉(zhuǎn)移。

表1 1990-2000年土地利用類型轉(zhuǎn)移概率 %Tab.1 The transition probability of land use type from 1990 to 2000

(2)2000-2010年土地利用類型演變特征分析?；?000年和2010年兩期的數(shù)據(jù)，利用Markov模塊得出2000-2010年天山西部山區(qū)的土地利用類型的轉(zhuǎn)換規(guī)則(表2)。由表2可看出研究區(qū)在2000-2010年10年間耕地主要轉(zhuǎn)化為草地和水域，其中4.67%轉(zhuǎn)化為草地，4.75%轉(zhuǎn)化為水域，而耕地的主要補(bǔ)充來源是城市、工礦、居民用地。14.08%的林地轉(zhuǎn)化為草地，而增加部分主要來源于草地和水域。城市、工礦、居民用地主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地，其中6.42%轉(zhuǎn)化為草地，10.70%轉(zhuǎn)化為耕地，其主要補(bǔ)充來源是耕地。未利用土地有5.36轉(zhuǎn)化為草地，2.8%轉(zhuǎn)化為水域。

表2 2000-2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移概率 %Tab.2 The transition probability of land use from 2000 to 2010

3.2 模型精度檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)CA-Markov模型在天山西部山區(qū)的適用性，以2000年為模擬的起始時(shí)刻，并以1990-2000年之間的土地利用類型轉(zhuǎn)移概率為轉(zhuǎn)換規(guī)則，以CA-Markov模型為平臺(tái)，預(yù)測(cè)研究區(qū)2010年的景觀格局，將研究區(qū)土地利用實(shí)際值(圖1)與預(yù)測(cè)值(圖2)用IDRISI中GIS Analysis的CROSSTAB工具做模型的整體精度驗(yàn)證，得出2010年研究區(qū)土地利用預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的整體Kappa系數(shù)為0.9566，由此得出模型模擬結(jié)果較好且符合精度要求，在研究區(qū)較為適用。

圖1 2010年實(shí)際土地利用格局Fig.1 Actuality of land use pattern of 2010

圖2 2010年預(yù)測(cè)土地利用格局Fig.2 Prediction of land use pattern of 2010

將實(shí)際的2010年各土地利用類型所占面積和模擬的2010年各土地利用類型所占面積進(jìn)行對(duì)比(表3)可看出：耕地和城鄉(xiāng)、工況、居民用地與實(shí)際值的相對(duì)誤差較大，其主要原因是耕地和城鄉(xiāng)、工況、居民用地主要分布在喀什河下游河谷兩側(cè)區(qū)域，導(dǎo)致了耕地若不能夠保持不變，一部分面積是往城鄉(xiāng)、工況、居民用地轉(zhuǎn)化，但模型中耕地的轉(zhuǎn)化要大于實(shí)際情況下的轉(zhuǎn)化；其他類型與實(shí)際值的相對(duì)誤差均在1%以內(nèi)，各類土地利用情況均模擬的較好。

表3 2010年實(shí)際與模擬各土地利用類型所占面積對(duì)比Tab.3 Actual and simulated area contrast of each land use type in 2010

3.3 2020年土地利用情況預(yù)測(cè)

利用2010年研究區(qū)實(shí)際土地利用數(shù)據(jù)，基于2000-2010年的土地利用類型轉(zhuǎn)換規(guī)則，構(gòu)建CA-Markov模型，對(duì)研究區(qū)2020年的土地利用情況進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，得出2020年的土地利用格局預(yù)測(cè)圖(圖3)。

圖3 2020年的土地利用格局預(yù)測(cè)圖Fig.3 Land use structure prediction in 2020

對(duì)研究區(qū)2010-2020的土地利用類型變化規(guī)律進(jìn)行分析(表4)，可看出研究區(qū)2010-2020年這10 a土地利用面積轉(zhuǎn)移量很小，耕地面積向草地和水域分別轉(zhuǎn)化了1.97和16.48 km2，而其來源是0.67 km2的未利用土地面積；15.52 km2的林地轉(zhuǎn)化為草地；這10 a研究區(qū)草地未向其他類型的土地轉(zhuǎn)移，但有1.97 km2的耕地和15.52 km2的林地面積轉(zhuǎn)為草地；2.46 km2的水域面積轉(zhuǎn)化為未利用土地，且水域的主要來源為16.48 km2的耕地、0.86 km2的城鄉(xiāng)、工況、居民用地和 1.36 km2的未利用土地；研究區(qū)城鄉(xiāng)、工況、居民用地的面積很少一部分轉(zhuǎn)化為耕地、草地和水域；未利用土地向草地轉(zhuǎn)移了12.62 km2的面積，向水域轉(zhuǎn)化了1.36 km2。由圖4和圖5可明顯地看出2010年到2020年各土地利用類型的變化情況很小。

表4 2010-2020年土地利用類型轉(zhuǎn)面積轉(zhuǎn)移 km2Tab.4 The area transition probability of land use from 2010 to 2020

圖4 2010年各土地利用類型面積(單位：km2)Fig.4 The area of each land type in 2010

圖5 2020年各土地類型所占面積(單位：km2)Fig.5 The area of each land type in 2020

對(duì)2020年土地利用變化情況(表5)進(jìn)行分析，可知：天山西部山區(qū)2020年耕地、林地、草地、水域、未利用土地和城市、工礦、居民用地的面積分別為427.38、876.67、6 279.25、811.81、1 120.87、63.43 km2。相對(duì)于2010年，草地和水域的利用面積有所增加，分別增加了3.14、20.60 km2；而耕地、林地、未利用土地和城市、工礦、居民用地的面積有所減少，分別減少了12.73、2.88、6.90和1.23 km2。由于所在區(qū)域2000年左右水利工程的相繼開發(fā)，且研究區(qū)降水量較豐富，高于多年平均情況，使得水域面積有所增大；且2000年左右國(guó)家實(shí)行退耕還林、退耕還草的政策初建成效，使得研究區(qū)耕地面積有所減少。

表5 2020年土地利用變化動(dòng)態(tài)分析Tab.5 The dynamic analysis of land use change in 2020

4 結(jié) 語

為了掌握天山西部山區(qū)2020年的土地利用情況，以期更好地進(jìn)行水文預(yù)報(bào)等工作，本文利用1990年和2000年的土地利用數(shù)據(jù)，基于CA-Markov模型預(yù)測(cè)了2010年的土地利用情況，將2010年實(shí)際值與模擬值對(duì)比發(fā)現(xiàn)CA-Markov模型對(duì)研究區(qū)土地利用景觀格局的模擬較好且精度較高，故對(duì)研究區(qū)2020年的土地利用情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：

(1)由于研究區(qū)1990-2000年的人類活動(dòng)較少、工程開發(fā)的較少，因此這10 a土地利用類型變化不大且未利用土地在這期間未發(fā)生轉(zhuǎn)移。

(2)2000-2010年間由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，土地利用景觀格局發(fā)生了一些變化。耕地主要轉(zhuǎn)化為草地和水域，而耕地的主要補(bǔ)充來源是城市、工礦、居民用地。林地主要轉(zhuǎn)化為草地，而來源于草地和水域。城市、工礦、居民用地主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地，主要補(bǔ)充來源是耕地。未利用土地主要轉(zhuǎn)化為草地和水域。

(3)經(jīng)過對(duì)比2010年土地利用實(shí)際值與模擬值后發(fā)現(xiàn)CA-Markov模型在預(yù)測(cè)方面精度較高且在研究區(qū)具有一定的適用性。

(4)2010-2020年間，隨著城市化的發(fā)展、水利工程的建設(shè)及退耕還草，使得草地和水域的利用面積有所增加，分別增加了3.14、20.60 km2；而耕地、林地、未利用土地和城市、工礦、居民用地的面積有所減少，分別減少了12.73、2.88、6.90和1.23 km2。

(5) 2020年研究區(qū)土地利用的主要構(gòu)成部分還是草地用地，面積達(dá)6 279.25 km2，占總面積的65.55%。

(6)由于缺乏部分驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，致使在考慮土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子方面還存在不足。

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