基于馬爾科夫模型的土地利用驅(qū)動力變化研究

羅蘭，宋沛之，劉芳，廖漢雄

摘 要：研究南岸區(qū)近年來土地利用變化，為南岸區(qū)未來土地利用以及土地利用的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護提供依據(jù)。基于2001年、2007年的土地資源調(diào)查數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，求得南岸區(qū)各類用地面積轉(zhuǎn)移概率矩陣，預測南岸區(qū)2020年的土地利用類型。結果表明：影響南岸區(qū)土地利用變化的主要驅(qū)動力是社會經(jīng)濟因素。南岸區(qū)未來土地利用變化的趨勢是耕地與林地逐年減少，分別減少了13.83%，1.37%；建設用地逐年增加，增加了16.03%；而水域與未利用地的變化不明顯。表明了農(nóng)用地和建設用地之間的關系，是南岸區(qū)未來土地利用規(guī)劃的重要基礎。

關鍵詞：土地利用；馬爾科夫模型；動態(tài)變化；南岸區(qū)

土地利用變化研究一直是當前緩解生態(tài)環(huán)境脆弱性研究領域的熱點話題[1]。在土地利用變化研究領域中，每一次土地利用變化過程，均會受到許多社會經(jīng)濟因素影響[2]，而且這些驅(qū)動因素之間又存在著錯綜復雜的聯(lián)系，驅(qū)動力數(shù)據(jù)之間的這種相互依存關系恰恰是研究對象最重要和最有用的特性，這時根據(jù)其自身的變動規(guī)律建立時間序列的動態(tài)模型則是一種行之有效的方法[3]，本文建立基于土地利用驅(qū)動力的馬爾科夫模型，以重慶市南岸區(qū)為例，利用2001、2007年的土地資源調(diào)查數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，揭示各土地類型的動態(tài)演變過程并對之加以預測，以及影響土地變化的主要因素。

一、研究方法

（一）研究區(qū)概況

南岸區(qū)地處重慶市西南部，區(qū)境西部、北部頻臨長江，與九龍坡區(qū)、渝中區(qū)、江北區(qū)、渝北區(qū)隔江相望，東部、南部與巴南區(qū)接壤，多年年平均氣溫18.5C°。其戶籍人口為65.1萬，管理8個街道、7個鎮(zhèn)，幅員面積263.09k㎡。南岸區(qū)是以城市為主的都市工業(yè)區(qū)、中央商務區(qū)、國際會展區(qū)、風景旅游區(qū)，是重慶典型的城鄉(xiāng)結合部地區(qū)。

（二）數(shù)據(jù)來源

一期的land-satTM5影像（來源于Global Land Cover Facility）和兩期的中巴地球資源衛(wèi)星CBERS影像（來源于中國資源衛(wèi)星應用中心），空間分辨率分別為28.5，19.5，19.5 m ，獲取時間分別為2001年8月4日和2007年8月15日[4]。

二、加權馬爾科夫鏈預測模型研究

（一）馬爾科夫模型

馬爾科夫預測是一種具有“無后效應”的隨機過程，其特點為無后效性和穩(wěn)定性，它是根據(jù)事件的當前狀況來預測未來各個時刻或（時期）變動狀況的一種預測方法[5]。

①運用馬爾科夫模型，首先應確立土地利用類型變化轉(zhuǎn)移概率矩陣。

②假定土地利用系統(tǒng)中n=0是所處的初始狀態(tài)A0=（A01，A02，…，A0m）為已知，經(jīng)過n次轉(zhuǎn)以后所處的狀態(tài)An=（An1，An2，…，Anm）。

（二）基于土地利用驅(qū)動力的加權馬爾科夫模型

影響南岸區(qū)土地利用變化的主要驅(qū)動力是社會經(jīng)濟因素。加權馬爾科夫鏈對于未來土地利用的預測，是對前面若干時段的土地利用結構與土地利用驅(qū)動力關系綜合分析的基礎上展開的。基于土地利用驅(qū)動力的加權馬爾科夫模型步驟：

①利用馬爾科夫模型公式建立各用地面積轉(zhuǎn)移矩陣，對未來土地利用結構進行預測。

②結合土地利用驅(qū)動力數(shù)據(jù)并利用公式計算出各項指標各階自相關系數(shù)。

③確定不同階各單項土地驅(qū)動力指標權重。

④根據(jù)驅(qū)動力指標，利用加權方法，得出轉(zhuǎn)移矩陣權重。由于南岸區(qū)是重慶主城典型的商務與旅游開發(fā)區(qū)，對于南岸區(qū)的土地利用變化影響因素本文選取GDP、非農(nóng)人口數(shù)量、二三產(chǎn)業(yè)比重，根據(jù)土地驅(qū)動力指標確定k階轉(zhuǎn)移矩陣的權重。

⑤建立轉(zhuǎn)移到相同時段的加權求和模型。

（三）馬爾科夫預測及加權馬爾科夫預測結果對比分析

1.南岸區(qū)2001-2007年各類用地面積情況：（km2，%）

①2001年：耕地170.35、林地32.55、水域20.22、建設用地41.6、未利用地0.19。分別占總面積的百分比為64.3、12.3、7.6、15.7、0.1。

②2007年：耕地146.99、林地32.77、水域22.44、建設用地62.7、未利用地0.13。分別占總面積的百分比為55.5、12.4、8.5、23.6、0.1。

③2001年-2007年土地動態(tài)變化：變化值-23.45、0.22、2.22、21.07、-0.06；變化率-2.29、0.11、1.83、8.44、-5.26。

2.根據(jù)南岸區(qū)2001-2007年GDP、非農(nóng)業(yè)人口、二三產(chǎn)業(yè)比重計算出轉(zhuǎn)移矩陣的權重分別為0.21、0.24、0.54、0.32。平均權重為0.3275

3.南岸區(qū)土地利用結構預測結果與現(xiàn)狀對比：（km2，%）

①馬爾科夫模型（2020年）：耕地138.7、林地32.28、水域23.61、建設用地70.28、未利用地0.13。分別占總面積的百分比為52.34、12.18、8.91、26.52、0.05。

②加權馬爾科夫模型（2020年）：耕地110.43、林地27.69、水域21.81、建設用地105.02、未利用地0.05。分別占總面積的百分比為41.67、10.45、8.23、39.63、0.02。

從馬爾科夫模型所得數(shù)據(jù)來看，各類用地面積變化相對均勻，然而結合近幾年實際，南岸區(qū)的二三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，建設用地的面積必然會增加，農(nóng)用地的面積就會相對減少。加權馬爾科夫模型結合驅(qū)動因素的權重對土地利用結構進行預測，相對于單一的馬爾科夫模型來說更加準確。從預測結果可以看出：耕地與林地面積減少明顯，相比于2007年分別減少了13.83%，1.95%；而建設用地面積明顯大幅上升，增加了16.03%。

三、結論

從得出的數(shù)據(jù)可以看出，2001-2007年，南岸區(qū)的土地利用類型變化顯著，其中最為明顯的是耕地與林地的大量減少，而建設用地的大幅增加。在更為精確的加權馬爾科夫模型的預測下，其2020年的預測結果為：耕地110.43km?，林地27.63 km?，水域21.81 km?，建設用地105.02 km?。

從土地利用變化驅(qū)動力分析可以看出，社會經(jīng)濟因素是主要的驅(qū)動力。隨著南岸區(qū)人口的增多，經(jīng)濟以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，政府制定的相關措施，當?shù)氐姆寝r(nóng)用地的面積逐年下降。土地對一個地區(qū)，以及這個地區(qū)的居民有著重大的影響，想要經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展以及人民生活水平的提高，就要做到對土地的合理利用以及土地的可持續(xù)利用，協(xié)調(diào)各類用地在城市中的比例，而不是一味地去發(fā)展商業(yè)，工業(yè)，導致地區(qū)用地失衡，用地緊張。在今后的發(fā)展中，希望政府制定合理的用地措施，編制土地利用規(guī)劃，實現(xiàn)土地價值最大化。

參考文獻：

[1]柴淵，謝俊奇.全國重點城市和重點區(qū)域土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測[J].中國建設信息，2007，20（16）：37-42.

[2]丁健. 現(xiàn)代城市經(jīng)濟. 上海： 同濟大學出版社， 2001： 154

[3]史培軍， 陳晉， 潘耀忠. 深圳市土地利用變化機制分析. 地理學報， 2000， 55（2）： 151-160

[4]夏小梅，陳阿林，楊華.基于遙感與GIS的LUCC及馬爾科夫模型過程趨勢預測.水土保持研究， ：1005-3409（2009）05-0019-06.