基于MODIS北江流域土地覆蓋變化研究及CA-Markov預(yù)測(cè)1

黎明王云鵬

（1、中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640）（2、中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

基于MODIS北江流域土地覆蓋變化研究及CA-Markov預(yù)測(cè)1

黎明1,2王云鵬1

（1、中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640）（2、中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

基于2001、2005年兩期MODIS土地覆蓋產(chǎn)品，研究北江流域土地覆蓋分布、變化與空間特征，結(jié)果表明北江流域以林地、草地和耕地為主，2001-2005年林地和耕地面積增加，草地和水域面積減小，城鎮(zhèn)面積保持穩(wěn)定；“草地→林地”、“草地→耕地”、“林地→草地”為三種主要變化類型。使用CA-Markov模型對(duì)2013年流域土地覆蓋進(jìn)行預(yù)測(cè)，模擬結(jié)果與實(shí)際變化趨勢(shì)基本一致，但變化率普遍偏小，空間聚集效應(yīng)明顯。按此趨勢(shì)進(jìn)一步對(duì)2020年北江流域土地覆蓋進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為流域管理提供了數(shù)據(jù)支持。

北江流域；土地覆蓋變化；馬爾科夫；元胞自動(dòng)機(jī)

1、引言

土地利用和覆蓋變化（Land Use and Cover Change，LUCC）對(duì)流域水文循環(huán)、生態(tài)環(huán)境有重要影響[1]，北江流域分布 在粵北地區(qū)，為廣州的重要水源地，其生態(tài)環(huán)境也較為脆弱，在承接珠三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移時(shí)，必然會(huì)對(duì)土地覆蓋，水量水質(zhì)等也會(huì)帶來較大影響。從流域尺度研究土地覆蓋變化對(duì)北江水資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。土地覆蓋變化受到自然和社會(huì)等多種因素的共同影響，其形成過程及機(jī)理復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行模型研究可為土地利用規(guī)劃提供更為可靠的依據(jù)[2]。本文使用長(zhǎng)時(shí)間序列的MOIDIS土地覆蓋產(chǎn)品，探索北江流域土地覆蓋變化特征，并使用CA-Markov模型預(yù)測(cè)北江流域土地覆蓋分布，期望為流域管理提供精確的數(shù)據(jù)支持

2 研究區(qū)

北江是珠江第二大支流，發(fā)源于江西省信豐縣石碣大茅山，上游稱湞水，與發(fā)源于湖南省臨武縣的武水在廣東省韶關(guān)市匯合后稱為北江，隨后自北向南流經(jīng)英德市、清遠(yuǎn)市，在三水市思賢窖與西江部分連通，后流入珠三角河網(wǎng)區(qū)，三水水文站為北江流域的控制站。北江干流全長(zhǎng)468 km，流域面積46 710 km2，整個(gè)流域?yàn)樯刃?，地形北高南低。北江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，年均降雨量約為1800mm[3]。北江的主要支流有武江、錦江、湞江、白水、連江、滃江、濱江和綏江。圖1為北江流域及水系分布圖。工作區(qū)水污染程度分布圖。

3 數(shù)據(jù)及方法

3.1 土地覆蓋數(shù)據(jù)

本次研究使用的土地覆蓋數(shù)據(jù)為MODIS全球土地覆蓋產(chǎn)品MCD12Q1，由陸地研究小組于2008年研制，使用了Aqua和Terra兩顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，最早的數(shù)據(jù)始于2001年，時(shí)間分辨率為一年，空間分辨率為500m[4]。此次研究使用IGBP的分類，采用監(jiān)督分類算法，包括全年的MODIS的8天合成觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。經(jīng)過劉向培[5]、吳文斌[6]等的研究，在中國境內(nèi)，MODIS全球土地覆蓋產(chǎn)品總體精度較高，達(dá)到61.9%，對(duì)于大尺度土地覆蓋研究具有適用性[7]；且MODIS的土地覆蓋產(chǎn)品有較好的時(shí)間連續(xù)性，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列分析。在此次研究中使用了2001、2005及2013年的3幅圖像產(chǎn)品?？紤]到尺度，對(duì)土地覆蓋類型進(jìn)行了重新分類，最終分為水域、林地、草地、耕地和城鎮(zhèn)五類。

3.2 CA-Markov模型

Markov模型是以馬爾科夫過程理論為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，其特點(diǎn)是無后效性，即一個(gè)隨機(jī)過程在t+1時(shí)刻的狀態(tài)只與t時(shí)刻有關(guān)，而與t之前時(shí)刻的狀態(tài)無關(guān)，土地覆蓋變化過程也符合這一特點(diǎn)[8]。元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata，CA）是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散的動(dòng)力學(xué)模型，每個(gè)元胞有有限個(gè)狀態(tài)，t時(shí)刻元胞自身及其領(lǐng)域元胞的狀態(tài)決定了t+1時(shí)刻元胞自身的狀態(tài)，模擬的基礎(chǔ)在于反復(fù)計(jì)算簡(jiǎn)單的運(yùn)算法則，使之發(fā)展成為復(fù)雜的模型，并可以解釋自然界中的現(xiàn)象。

1948年，Von Neumann首次提出了元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata，CA），CA最初應(yīng)用于生物繁殖、晶體生長(zhǎng)等動(dòng)態(tài)復(fù)雜的生物和物理過程。Tobler[9]首次采用CA模擬了美國底特律的城市變化。他提出了元胞狀態(tài)由根據(jù)一致的局部規(guī)則的鄰域元胞狀態(tài)組成的集合決定，這是CA首次應(yīng)用于地理學(xué)研究。美國加州大學(xué)（圣巴巴拉分校）地理系Helen Couclelis[10-13]開創(chuàng)性地研究了如何應(yīng)用CA動(dòng)態(tài)模擬城市變化趨勢(shì)，為CA應(yīng)用于地理學(xué)研究奠定了理論基礎(chǔ)。CA根據(jù)簡(jiǎn)單的局部轉(zhuǎn)換規(guī)則，但在進(jìn)行多次迭代運(yùn)算之后，即可以模擬復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)[14]。CA的核心在于轉(zhuǎn)換規(guī)則的制定，使用馬爾科夫（Markov）模型可以制定轉(zhuǎn)換規(guī)則。徐嵐等[15]在國內(nèi)利用Markov模型預(yù)測(cè)了沈陽東陵區(qū)土地利用的變化，杜際增等[16]對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)土地覆蓋使用Markov模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，均取得了滿意的效果。但Markov模型只能從數(shù)量上對(duì)土地覆蓋類型進(jìn)行預(yù)測(cè)，無法模擬空間分布，因此使用Markov模型提取轉(zhuǎn)化規(guī)則應(yīng)用于CA模型，既具M(jìn)arkov模型的長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)，又可模擬空間變化[17]。

本次研究使用IDRISI軟件（試用版），其操作流程如下：(1)以2001年為預(yù)測(cè)的開始時(shí)間，根據(jù)2001和2005年土地覆蓋數(shù)據(jù)計(jì)算出狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；(2)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測(cè)2005-2013年需要進(jìn)行多少土地覆蓋類型之間的轉(zhuǎn)換，并且根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)每種土地覆蓋類型制作適宜性圖。(3)選擇5×5摩爾型濾波器。(4)開始模擬，其中模擬循環(huán)次數(shù)以年為單位，間隔幾年即設(shè)置循環(huán)幾次。

4 北江流域2001-2005年土地覆蓋變化

4.1 土地覆蓋數(shù)量變化

從圖4.1可看出，北江流域土地覆蓋主要由林地、草地、耕地三大類組成，三者可占總面積的94%以上；其中林地面積最大，接近流域總面積的一半；水域和城鎮(zhèn)占北江流域面積比例較小。

表4.1 2001-2005年北江流域土地覆蓋變化量

本文使用土地覆蓋類型動(dòng)態(tài)度[18]來評(píng)價(jià)各土地覆蓋類型變化強(qiáng)度。從表4.1可看出，從2001-2005年間，水域和草地的面積處在減小趨勢(shì)，其中水域的面積減速較大；草地面積的減速維持在較小且平緩的速度。林地和耕地的面積在研究時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，林地的增速較為平緩，耕地面積有較大幅的增長(zhǎng)。城鎮(zhèn)面積在2001-2013年間一直維持在較穩(wěn)定的狀態(tài)。

表4.2 2001-2005年北江流域土地覆蓋變化轉(zhuǎn)移矩陣（單位：平方公里/km2）

表4.2為2001年的土地覆蓋類型轉(zhuǎn)矩陣。從類型變化的角度分析，2001-2005年間，5種土地覆蓋類型流失面積由大到小依次為：草地＞林地＞耕地＞水域＞城鎮(zhèn)。草地的主要流失方向是林地和耕地，分別占總流向的24.17%和23.84%；林地的主要流失方向?yàn)椴莸兀?4.48%；耕地主要流失為草地和林地，分別占33.46%和12.05%；水域的主要流失為林地和草地，分別占44.74%和41.29%；城鎮(zhèn)用地流失很少，可忽略。草地主要轉(zhuǎn)入類型為水域，林地和耕地的主要轉(zhuǎn)入類型都為草地，水域主要由林地轉(zhuǎn)入。

從變化類型分析，2001-2005年間總共發(fā)生了19種類型的土地變化，其中有3種面積大于2000km2的變化，依次為“草地→林地”＞“草地→耕地”＞“林地→草地”；還有6種變化面積介于200km2-2000km2，依次為“耕地→草地”＞“水域→林地”＞“水域→草地”＞“耕地→林地”＞“林地→耕地”＞“林地→水域”；剩余的10種變化類型面積占總變化面積的2.25%。

4.2 土地覆蓋空間變化

4.2.1 2001-2005年北江流域土地覆蓋

可以發(fā)現(xiàn)：水域主要分布與北江各干流和支流一致。林地為北江流域的主要土地覆蓋類型，2001年林地分布較為分散，離散斑塊較多，至2005年后逐漸聚集。草地主要分布在北江流域的中部和西北部，即武江上游、白水和連江，如湖南省的宜章和臨武縣，韶關(guān)市西北部地區(qū)和耕地周圍地區(qū)，清遠(yuǎn)市的連州、陽山。從2001-2013年，草地分布逐漸集中，斑塊性減弱。耕地分布在城鎮(zhèn)的周圍，多分布在北江流域的東部，即武江下游、湞江中上游、滃江和北江流域出口，如韶關(guān)市的南雄、始興、翁源、曲江、乳源，清遠(yuǎn)市的英德。流域西南部，肇慶市的懷集縣耕地逐漸增加。耕地多成片分布。城鎮(zhèn)多為小塊狀區(qū)域，因?yàn)榉直媛蕿?00m，所以較小的居民點(diǎn)難以識(shí)別，且分布在水域附近。

4.2.2 2001-2005年北江流域土地覆蓋變化空間格局

水域，水域的變化多集中在水系附近。水域的轉(zhuǎn)出面積較大，主要在錦江、湞江、滃江流域和英德市區(qū)周圍地區(qū)。林地，林地的轉(zhuǎn)出在空間分布上比較分散，多為離散的小斑塊，以“林地→草地”為主；韶關(guān)市東部地區(qū)林地轉(zhuǎn)出面積較少；林地多為草地轉(zhuǎn)入導(dǎo)致總面積增長(zhǎng)。草地，轉(zhuǎn)出流向主要為耕地和林地，“草地→林地”在整個(gè)流域呈隨機(jī)分布狀態(tài)，無明顯聚集現(xiàn)象，“草地→耕地”多發(fā)生原耕地較多的地區(qū)；草地轉(zhuǎn)入面積多由林地轉(zhuǎn)入。耕地，轉(zhuǎn)出流向主要為林地和草地；“耕地→林地”在整個(gè)流域呈隨機(jī)分布狀態(tài)，無明顯聚集現(xiàn)象，“耕地→草地”在連江流域、武江上游流域和韶關(guān)市區(qū)周圍分布密度較大。耕地轉(zhuǎn)入面積類型多為草地。城鎮(zhèn)用地基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 基于CA-Markov的2013年土地覆蓋預(yù)測(cè)

5.1 2013年土地覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果及驗(yàn)證

表5.1 誤差矩陣（單位：個(gè)）

圖5.1和圖5.2為預(yù)測(cè)2013年北江流域土地覆蓋圖與實(shí)際圖像，經(jīng)過計(jì)算，預(yù)測(cè)圖像與實(shí)際圖像間的kappa系數(shù)為56.78%，總體預(yù)測(cè)精度為74.18%，城鎮(zhèn)的預(yù)測(cè)精度最好，林地次之；水域的預(yù)測(cè)精度最差。

表5.2 預(yù)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)度驗(yàn)證

從表5.2可看出，水域的面積誤差比較大，耕地次之；林地、草地和城鎮(zhèn)誤差比均在±10%之內(nèi)。各土地類型的變化趨勢(shì)與預(yù)測(cè)趨勢(shì)除耕地外基本一致，耕地在2005-2013年期間面積減少，但預(yù)測(cè)卻是增加趨勢(shì)，這是因?yàn)?001-2005年耕地面積增加，因此Markov模型計(jì)算時(shí)也認(rèn)為2005-2013應(yīng)是增加趨勢(shì)。水域、林地和草地的預(yù)測(cè)變化幅度小于實(shí)際變化幅度；城鎮(zhèn)面積保持穩(wěn)定并有微幅增長(zhǎng)。從圖5.1與5.2的對(duì)比可看出，預(yù)測(cè)的2013土地覆蓋比真實(shí)土地覆蓋的聚集效應(yīng)更加顯著，但其主要的分布地區(qū)保持一致。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)與趙冠偉等（2011）的研究結(jié)果基本一致，說明MCD12Q1的土地覆蓋產(chǎn)品在大尺度地區(qū)的土地覆蓋研究中具有適用性，可使用CA-Markov模型預(yù)測(cè)更長(zhǎng)時(shí)間之后的土地覆蓋分布。

5.2 2020年土地覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果

表5.3 2020年北江流域土地覆蓋預(yù)測(cè)面積

圖5.3為按現(xiàn)有演化趨勢(shì)對(duì)2020年北江流域土地覆蓋的預(yù)測(cè)分布，可以看出，各類型的土地覆蓋分布聚集效應(yīng)更加明顯。各類型的土地覆蓋面積變化趨勢(shì)與5.1節(jié)中2005-預(yù)測(cè)2013年的變化趨勢(shì)一致，林地和耕地占比增加，草地、水域面積減小，城鎮(zhèn)面積總量保持穩(wěn)定并有微幅增加。

5.3 誤差與不確定性分析

上文提及，MCD12Q1在中國境內(nèi)的分類精度為61.9%，這在一定程度上限制了CA-Markov模型的預(yù)測(cè)精度；MCD12Q1的分辨率為500m，滿足大中尺度研究區(qū)的要求，但對(duì)于小尺度區(qū)域而言，400m為元胞模擬的極限值[19]，元胞在應(yīng)用于大尺度區(qū)域時(shí)極限值可以適當(dāng)提高[8]；本次模擬試驗(yàn)中，采用根據(jù)土地狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣默認(rèn)生成的土地變化適宜性圖集，并未添加自然條件、政策指導(dǎo)等限制因素，若能更明確的添加這些限制性條件可更有方向性的約束土地覆蓋變化，但對(duì)于大尺度地區(qū)而言，政策和人為因素因受各個(gè)行政區(qū)政策的不同而有所差異，這些都提高了分析土地覆蓋類型變化的難度。

6 結(jié)論

北江流域土地覆蓋主要由林地、草地、耕地三大類組成，其中林地面積最大。水域主要沿河流分布；草地則多分布在北江流域西北部及中部，如武江上游、白水和連江流域；耕地多在北江流域東部，湞江上游，滃江流域和北江流域下游出口附近。

林地從處于增長(zhǎng)的狀態(tài)，主要由草地變化而來；水域和草地面積逐年減小，水域主要流失為林地和草地，草地主要流失為林地和耕地；耕地面積呈現(xiàn)小幅波動(dòng)；城鎮(zhèn)面積一直處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。2001-2005年間，林地、草地和耕地分布都發(fā)生聚集現(xiàn)象，斑塊逐漸減少。

使用CA-Markov模型預(yù)測(cè)2013年北江流域土地覆蓋的數(shù)量和空間分布，各土地覆蓋類型的變化趨勢(shì)與實(shí)際基本保持一致，林地和耕地占比增加，草地、水域面積減小，城鎮(zhèn)面積總量保持穩(wěn)定并有微幅增加。預(yù)測(cè)2013年的土地覆蓋分布總體精度達(dá)到74.18%，kappa系數(shù)為56.78%，評(píng)價(jià)結(jié)果表明本次研究使用的數(shù)據(jù)及方法可應(yīng)用于大中尺度區(qū)域的土地覆蓋研究；其中，城鎮(zhèn)模擬精度較高，林地次之，水域模擬精度較差。按現(xiàn)有演化趨勢(shì)對(duì)2020年北江流域土地覆蓋進(jìn)行了預(yù)測(cè)，各類型演化趨勢(shì)基本一致，土地覆蓋分布聚集效應(yīng)更加明顯。該預(yù)測(cè)可為北江流域管理提供數(shù)據(jù)支持。

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黎明(1990- )，男，2012年畢業(yè)于安徽師范大學(xué)，碩士研究生，主要從事環(huán)境遙感與GIS研究。