基于GIS和CA-Markov模型的庫倫旗土地利用變化分析

勿云他娜，蘇根成，孫烏仁圖雅

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

基于GIS和CA-Markov模型的庫倫旗土地利用變化分析

勿云他娜，蘇根成，孫烏仁圖雅

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

以內(nèi)蒙古通遼市庫倫旗2009年Langsat-TM、2016年Landsat-ETM遙感影像為數(shù)據(jù)源,利用GIS軟件解譯提取該時期的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，分析2009～2016年土地利用結(jié)構(gòu)變化和轉(zhuǎn)移特征，在此基礎(chǔ)上借助CA-Markov模型，以2009～2016年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣為轉(zhuǎn)移條件，構(gòu)建土地利用適宜性圖集，預(yù)測2016～2020年土地利用變化趨勢。結(jié)果表明，2009～2016年，庫倫旗土地利用變化明顯，耕地和未利用地面積大量增加，主要來自草地和林地的轉(zhuǎn)化。2016～2020年，庫倫旗耕地和未利用地面積呈持續(xù)增加趨勢，建設(shè)用地增長緩慢，草地、林地、水域面積呈減少趨勢。需要優(yōu)化調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，加強草地和林地保護，加大未利用地整治力度，促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

土地利用；預(yù)測分析；CA-Markov模型；庫倫旗

1995年，“國際科學(xué)聯(lián)合會”(LCSU)和“國際社會科學(xué)聯(lián)合會”(LSSC)組織擬定的“土地利用/覆蓋變化科學(xué)研究計劃”開展以來，土地利用變化已成為國際性的重點研究內(nèi)容，且愈來愈受到重視[1～3]。土地利用變化模型是深入了解土地利用變化過程、預(yù)測未來土地利用變化趨勢的重要手段[3]。目前，國內(nèi)外應(yīng)用較廣的土地利用變化預(yù)測模型有Markov模型、CA模型、Logistic模型、IMAGE模型、CLUE模型、GTR模型等[4]。CA-Markov模型是CA模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化能力和Markov模型強大的定量化預(yù)測功能的有機結(jié)合，通過轉(zhuǎn)化規(guī)則來決定變化狀態(tài)，從而模擬復(fù)雜的空間變化程度[2]。筆者以內(nèi)蒙古通遼市庫倫旗2016年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為初始狀態(tài)，以2009～2016年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣作為轉(zhuǎn)移條件，用2016年降雨量平均值、人口密度、DEM、坡度等驅(qū)動因子創(chuàng)建土地利用適宜性圖集，預(yù)測 2016～2020年土地利用變化趨勢，為合理利用研究區(qū)土地資源和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

庫倫旗位于內(nèi)蒙古通遼市西南部，東經(jīng)121°09′～122°21′，北緯42°14′～43°14′，是通遼市下轄的一個旗，土地利用總面積為4729.2km2。庫倫旗地處燕山北部山地向科爾沁沙地過渡地段，南部為土石淺山區(qū)，中部丘陵起伏，北部為沙丘地貌。海拔190～626.5m，屬于大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫6.6℃，年均降水量400～450mm，無霜期140～150d。2009年，全旗總?cè)丝?74031人，GDP為350199萬元。2015年，全旗總?cè)丝?79868人，GDP為685476萬元。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)提供的2009年Landsat4-5TM影像以及2016年Landsat8OLI-TIRS影像，影像日期7～8月份，云量均低于0.25%。用ENVI 4.8軟件分別對2期遙感影像進行幾何校正、光譜增強、影像鑲嵌等數(shù)據(jù)預(yù)處理，在綜合判讀遙感影像的基礎(chǔ)上解譯提取2009年和2016年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。根據(jù)庫倫旗土地利用狀況，將土地利用類型分為6種類型，即林地、草地、耕地、未利用土地、水域、建筑用地。林地主要以落葉闊葉林、灌木林為主，草地包括草甸草原、荒漠草原，未利用地包括沙地、沼澤、鹽堿地，水域包括河流、湖泊等，建設(shè)用地包括城鎮(zhèn)居民地、農(nóng)村居民地、交通用地、工礦用地等。

2.2數(shù)據(jù)驗證

借助ArcGis 10.1分別對研究區(qū)2009年、2016年土地利用現(xiàn)狀圖隨機生成30個樣點(圖1和圖2)，通過野外調(diào)查，參考Google Earth檢驗土地利用分類精度，經(jīng)樣點分布統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，草地分類精度高于87.5%，林地分類精度高于89%，耕地分類精度高于90%，水域分類精度高于92%，未利用地分類精度高于92%，建設(shè)用地分類精度高于91%。2009年土地利用綜合分類精度為92.5%，2016年土地利用綜合分類精度為93%，分類結(jié)果滿足后續(xù)研究需要。

圖1 庫倫旗2009年土地利用現(xiàn)狀 圖2 庫倫旗2016年土地利用現(xiàn)狀

2.3CA-Markov模型構(gòu)建

在IDRISI 15軟件的支持下，以2016年庫倫旗土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為起始狀態(tài)，用Markov模型生成2009～2016年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣并作為轉(zhuǎn)移條件，用Logistic模型以2016年降雨量平均值、人口密度、DEM、坡度為驅(qū)動因子分析土地利用適宜性，生成土地利用適宜性圖集，并將適宜值域標準化為0～255，根據(jù)適宜條件分為5個級別，作為后續(xù)CA-Markov模型中的CA轉(zhuǎn)化規(guī)則，借助CA-Markov模型模擬2020年庫倫旗土地利用空間分布格局，其Kappa系數(shù)為0.791。

3 結(jié)果與分析

3.12009～2016年土地利用變化分析

土地利用結(jié)構(gòu)是評價土地資源合理利用的重要指標。由2009～2016年庫倫旗土地利用結(jié)構(gòu)變化(表1)可知，該地區(qū)主要土地利用類型為耕地和未利用地，2009年2種土地利用類型占土地利用總面積71.41%，2016年增加至87.66%，其中耕地面積比例由2009年的46.55%增加至2016年的53.17%，增加了325.69km2；未利用地面積比例由2009年的24.86%增加至34.49%，增加了455.21km2。

各土地利用類型的變化面積大小依次為草地>未利用地>耕地>林地>水域>建設(shè)用地，耕地、未利用地、建設(shè)用地面積均在增加，草地、林地、水域面積持續(xù)減少，說明生態(tài)用地(草地、林地、水域)呈惡化狀態(tài)。草地減少面積最大(727.71km2)，變化率為-60.88%；林地面積減少40.95km2，變化率為-72.04%，說明林地減少速度最快；水域面積減少了12.74km2，變化率為-19.79%；建設(shè)用地變化不明顯，增加0.5km2，增長率1.41%。

由于庫倫旗自然環(huán)境脆弱，加之氣候干旱，降雨量少造成未利用地面積不斷增加，生態(tài)用地(草地、林地、水域)逐年減少，另一方面隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人口不斷增長，對耕地的需求量日益增加，大量草地和林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。因此，自然和人為因素是影響研究區(qū)土地利用方式的主要驅(qū)動力。

3.22009～2016年土地利用轉(zhuǎn)移分析

利用ArcGIS 10.1分析工具的intersect功能和Excel統(tǒng)計軟件，對研究區(qū)2009、2016年土地利用現(xiàn)狀圖進行疊加統(tǒng)計，獲取2009～2016年庫倫旗土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣數(shù)據(jù)(表2)。由表2可知，草地和林地的轉(zhuǎn)移量較大。草地轉(zhuǎn)化為未利用地和耕地的變化最明顯，分別為489.16km2和415.69km2，說明草地沙化和開墾現(xiàn)象較嚴重。從草地轉(zhuǎn)入情況來看，有104.93km2耕地轉(zhuǎn)化為草地，其次是有82.36km2未利用地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，存在部分低產(chǎn)量或不適宜耕作的農(nóng)用地撂荒和未利用地轉(zhuǎn)化為草地的現(xiàn)象。同時，耕地面積不斷擴大，有1893.28km2耕地保持不變，其余耕地的主要來源為草地和未利用地(有124.82km2未利用地經(jīng)過整治轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。由于“塔敏查干沙漠”橫貫庫倫旗北部全境，未利用地面積較多，有953.31km2的未利用地保持不變，而草地和耕地為新增未利用地的主要來源。此外，有14.07km2耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，另有19.76km2建設(shè)用地通過整理農(nóng)村居民點、復(fù)墾廢棄居住用地等方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。林地轉(zhuǎn)為耕地面積達45.76km2，占林地面積80%左右。

3.32016～2020年土地利用變化預(yù)測分析

2016～2020年庫倫旗土地利用結(jié)構(gòu)變化預(yù)測表如表3所示。由表3可知，2016～2020年土地利用變化趨勢與2009～2016年土地利用變化基本保持一致。耕地、未利用地面積呈增長態(tài)勢，分別增加44.73、76.42km2。建設(shè)用地變化不明顯，呈緩慢增長趨勢，增加面積為0.57km2。生態(tài)用地(草地、林地、水域)繼續(xù)減少，減少面積分別為111.06、2.09、8.57km2，其中草地減少速率最快(23.75%)，生態(tài)環(huán)境呈進一步惡化態(tài)勢，使可持續(xù)發(fā)展受到嚴峻挑戰(zhàn)。2020年庫倫旗土地利用預(yù)測圖如圖3所示。從圖3可知，庫倫旗土地利用分布狀況具有明顯的空間差異性，耕地廣泛分布于研究區(qū)南部，是全旗糧食高產(chǎn)集聚區(qū)；未利用地集中在研究區(qū)北部，該區(qū)域沙地較多；建設(shè)用地主要集聚在經(jīng)濟水平較發(fā)達的城區(qū)和集鎮(zhèn)地區(qū)，另有少量為農(nóng)村居民用地；草地主要分布在研究區(qū)西北部，這與北部區(qū)域的畜牧業(yè)相農(nóng)業(yè)結(jié)合的土地利用方式有密切關(guān)系；林地主要集聚在庫倫旗小青溝旅游景區(qū)附近，其余地區(qū)分布較少，水域主要集中在研究區(qū)中部和南部，北部出現(xiàn)水資源缺乏現(xiàn)象。

表2 2009～2016年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 2016～2020年庫倫旗土地利用結(jié)構(gòu)變化預(yù)測

4 結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

圖3 2020年庫倫旗土地利用預(yù)測

1)耕地和未利用地是庫倫旗土地利用空間分布格局中的主要部分，研究區(qū)南部以耕地為主，而未利用地主要分布于北部。2009～2016年間，耕地、未利用地、建設(shè)用地面積持續(xù)增加，草地、林地、水域面積減少。

2)2009～2016年庫倫旗土地利用轉(zhuǎn)移發(fā)生了較大的變化，草地和林地的轉(zhuǎn)移量較多，突出表現(xiàn)在草地轉(zhuǎn)化為未利用地和耕地，分別轉(zhuǎn)出489.16km2和415.69km2，說明草地沙化和開墾現(xiàn)象較嚴重。此外，林地和水域面積減少，主要是由于氣候干旱化、土地利用方式不合理等自然和人為因素共同作用所導(dǎo)致。

3)2016～2020年土地利用變化發(fā)展趨勢與2009～2016年土地利用變化保持一致。2020年，耕地和未利用地面積比例將增加至90.6%，草地、林地、水域面積僅占8.74%，生態(tài)用地退化日趨嚴重。

4.2建議

1)要加強保護草地和林地意識，加大未利用地整治力度，嚴格控制生態(tài)用地惡化，促進土地資源合理利用。

2)在確保耕地數(shù)量和質(zhì)量的同時，嚴格控制過度占用草地和林地，加大未利用地的整治力度，加強草地、林地、水域用地管理，通過建設(shè)人工草場、植樹造林等措施擴大生態(tài)用地面積，合理調(diào)整土地利用方式，使生態(tài)治理、環(huán)境保護與農(nóng)用地開發(fā)同步協(xié)調(diào)。

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2017-04-17

國家自然科學(xué)基金項目(41161015)。

勿云他娜(1992-)，女，碩士生，研究方向為土地利用規(guī)劃。通信作者：蘇根成，sugc1128@sina.com。

[引著格式]勿云他娜，蘇根成，孫烏仁圖雅.基于GIS和CA-Markov模型的庫倫旗土地利用變化分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017,14(18)：79～82，85.

P301.2；P237

A

1673-1409(2017)18-0079-04

[編輯] 李啟棟