基于CA-Markov模型的大連開發(fā)區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化

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(遼寧師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院;b.海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心,遼寧 大連 116029)

土地利用/覆蓋變化是研究一個(gè)區(qū)域內(nèi)土地資源利用方式的直接反映[1,2],可從空間變化與數(shù)量變化進(jìn)行研究,常見方法主要有CLUE-S模型[3]、FLUS模型[4]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[5]、CA模型[6]、Markov模型[7]等。CA-Markov模型具有CA模型模擬土地利用在空間變化上的準(zhǔn)確性和Markov模型模擬土地利用變化在時(shí)間上的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)[8],可從空間與時(shí)間兩方面來模擬土地利用的變化情況,近年被學(xué)者廣泛應(yīng)用[9-11]。如荊延德等、陳愛玲等、李賢江等、王會(huì)軍等分別利用CA-Markov模型對(duì)白馬河流域、秦淮河流域、天津?yàn)I海新區(qū)以及大連金州區(qū)的土地利用空間格局進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)[12-15],取得了令人滿意的效果。

本文選取大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)2000年、2007年、2014年3期遙感影像數(shù)據(jù),利用GIS和RS技術(shù)制作不同年份的土地利用空間分布圖,全面系統(tǒng)分析其變化規(guī)律。通過Markov模型計(jì)算出土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,利用CA-Markov模型預(yù)測(cè)研究區(qū)2021年的土地利用分布情況,對(duì)研究區(qū)未來的土地資源和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要的參考價(jià)值，為未來規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(簡(jiǎn)稱“大連開發(fā)區(qū)”)地處遼東半島的南端,是遼寧省沿海經(jīng)濟(jì)帶新興產(chǎn)業(yè)的核心聚集區(qū)，地理坐標(biāo)為38°56′43″—39°12′30″N、121°41′30″—122°9′45″E。大連開發(fā)區(qū)是經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立的我國首個(gè)國家級(jí)開發(fā)區(qū),被人們譽(yù)為“神州第一開發(fā)區(qū)”,是連接我國東北與東北亞的樞紐和海陸空貿(mào)易集散地,目前已發(fā)展成為綜合性的新城區(qū)。該區(qū)域近年來取得了快速發(fā)展,其土地利用格局變化較大，具有較高的研究意義與研究?jī)r(jià)值，可為其他區(qū)域提供借鑒。

研究數(shù)據(jù)主要來源于地理空間數(shù)據(jù)云,選用了三期多光譜遙感影像,分別為2000年9月17日與2007年9月21日Landsat 5 TM影像、2014年9月8日Landsat 8 OLI影像。為了后期處理方便,選擇云層覆蓋度小于5%。選擇的遙感影像處理軟件為ENVI5.1,對(duì)獲取的3期影像分別進(jìn)行幾何校正、融合、裁剪等前期預(yù)處理。

根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類GB-T21010-2007》,與開發(fā)區(qū)實(shí)際狀況相結(jié)合,將部分地類進(jìn)行歸并建立分類體系,最終確定研究區(qū)土地利用類別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他用地6個(gè)大類。通過波段合成并結(jié)合Google Earth對(duì)地物進(jìn)行準(zhǔn)確判別,在ENVI中建立訓(xùn)練樣本，通過最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，并進(jìn)行主要/次要分析、聚類分析等分類后處理，去除小斑塊影響，同時(shí)在ENVI Classic中對(duì)部分混合錯(cuò)分漏分的像元進(jìn)行手動(dòng)編輯，提高影像的解譯精度,最終形成開發(fā)區(qū)不同年份的土地利用分類圖。其他數(shù)據(jù)包括大連開發(fā)區(qū)的矢量底圖,采用的投影坐標(biāo)系為WGS-84-UTM-51N。

2 研究方法

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能揭示出不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)移的內(nèi)在規(guī)律,可對(duì)轉(zhuǎn)移變化進(jìn)行定量描述,反映出由于人類活動(dòng)而對(duì)土地利用變化方向的引導(dǎo)作用,是一種分析土地利用格局動(dòng)態(tài)變化的常用方法,能較好地揭示土地利用格局的時(shí)空演化過程[12],其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為:

S11S12…S1nS21S22…S2nS31S32…S3nSn1Sn2…Snn

(1)

式中,n為土地利用類型的個(gè)數(shù),該研究中取值為6;Sij為土地利用類型從初期i轉(zhuǎn)換為末期j的轉(zhuǎn)移面積或轉(zhuǎn)移概率,即轉(zhuǎn)移面積矩陣或轉(zhuǎn)移概率矩陣,研究中采用前者對(duì)大連市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移變化進(jìn)行分析,矩陣對(duì)角線上的值表示土地利用類型從初期到末期沒有發(fā)生變化的面積或概率。

2.2 土地利用變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)方法

土地利用結(jié)構(gòu)變化主要體現(xiàn)在數(shù)量結(jié)構(gòu)變化和空間結(jié)構(gòu)變化兩方面,CA-Markov模型是基于區(qū)域過去的土地利用結(jié)構(gòu)變化的一般規(guī)律,預(yù)測(cè)區(qū)域未來土地利用結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。具體步驟主要為:①在ArcGIS中將土地利用柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼導(dǎo)入IDRISI中,從而轉(zhuǎn)換為IDRISI可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式,并通過RECLASS功能對(duì)轉(zhuǎn)換后的土地利用圖像進(jìn)行重分類,土地利用類型屬性采用整形代碼。②基于Markov模型,將2000年和2007年兩個(gè)階段的土地利用圖依次進(jìn)行疊加,比例誤差設(shè)為0.15,生成6幅未來每類用地可能轉(zhuǎn)換為第n(n=1,2,…,6)類用地的空間概率圖和2000—2007年轉(zhuǎn)移面積矩陣與轉(zhuǎn)移概率矩陣,本次研究中所用到的轉(zhuǎn)移適宜性圖像集則為該空間概率圖組。③本次研究中采用5×5的CA濾波器,首先以2007年該區(qū)域的土地利用圖為起始年份數(shù)據(jù),循環(huán)次數(shù)為7來模擬2014年的土地利用狀態(tài),并與2014年的實(shí)際遙感解譯圖像進(jìn)行精度對(duì)比,然后以2014年的土地利用圖為起始年份數(shù)據(jù),循環(huán)次數(shù)設(shè)為7來模擬2021年該區(qū)域的土地利用狀態(tài)。

3 實(shí)例論證

3.1 2000—2014年開發(fā)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移特征

通過對(duì)大連開發(fā)區(qū)2000年、2007年和2014年的遙感影像進(jìn)行解譯(圖1),并結(jié)合IDRISI的CROSSTAB功能生成開發(fā)區(qū)不同年份土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表1—3),分析該區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)的變化(表4)。結(jié)果表明:2000—2014年,14年間開發(fā)區(qū)的建設(shè)用地面積顯著增加,共增加了8452.89hm2,且2000—2007年增加幅度比2007—2014年增加幅度更大,建設(shè)用地主要由草地、水域、耕地和林地轉(zhuǎn)化而來,轉(zhuǎn)移面積分別為4659.03hm2、2524.23hm2、1472.49hm2和861.48hm2,2014年建設(shè)用地面積為17484.39hm2，開發(fā)區(qū)的高速發(fā)展和快速城市化導(dǎo)致建設(shè)用地面積大規(guī)模擴(kuò)張，加劇了土地資源壓力;水域面積不斷減少,2000—2007年減少面積為1559.16hm2,2007—2014年減少面積為956.16hm2,水域面積主要向建設(shè)用地和其他用地轉(zhuǎn)移，到2014年水域面積占比為1.58%，需加強(qiáng)對(duì)水域的保護(hù)力度;耕地面積不斷減少,且減少速度加快,主要轉(zhuǎn)向草地和建設(shè)用地,轉(zhuǎn)移面積分別為3263.94hm2和1472.49hm2,2014年耕地面積為3817.26hm2,占開發(fā)區(qū)總面積的9.57%;草地面積呈先減少后增加,但總體上仍處于下降趨勢(shì),草地主要向建設(shè)用地和林地轉(zhuǎn)移;林地面積主要向草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移,但同時(shí)也由草地、建設(shè)用地和耕地轉(zhuǎn)入,所以變化不大，可見在城市發(fā)展過程中對(duì)綠地的保護(hù)做得比較到位;其他用地主要向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移了505.17hm2,最終面積為608.94hm2，但所占比重較小，對(duì)開發(fā)區(qū)的影響不大。

圖1 2000年、2007年和2014年大連開發(fā)區(qū)土地利用空間分布

表1 2000—2007年大連開發(fā)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(hm2)

表2 2007—2014年大連開發(fā)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(hm2)

表3 2000—2014年大連開發(fā)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(hm2)

表4 2000—2014年大連開發(fā)區(qū)土地利用數(shù)據(jù)變化情況

3.2 開發(fā)區(qū)2021年土地利用模擬結(jié)果

為了驗(yàn)證CA-Markov模型預(yù)測(cè)土地利用動(dòng)態(tài)變化的準(zhǔn)確性,首先以2000年和2007年兩期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在IDRISI中通過Markov模型得到轉(zhuǎn)移面積矩陣和空間概率圖組,通過CA-Markov模型得到開發(fā)區(qū)2014年的土地利用空間分布圖;然后運(yùn)用CROSSTAB工具,對(duì)2014年開發(fā)區(qū)的實(shí)際遙感解譯圖像和土地利用空間分布模擬圖進(jìn)行疊加分析,計(jì)算得到模擬結(jié)果的Kappa指數(shù)為0.76,說明模擬精度較高;最后以2014年的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),預(yù)測(cè)年份間隔為7,利用2000—2007年的土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣和空間概率圖組進(jìn)行CA-Markov模型預(yù)測(cè),得到2021年的開發(fā)區(qū)土地利用空間分布圖(圖2)。

圖2 2021年大連開發(fā)區(qū)土地利用空間分布

通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析可知(表5),大連開發(fā)區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積會(huì)持續(xù)增加,模擬期內(nèi)建設(shè)用地面積增加了1411.83hm2,占到開發(fā)區(qū)土地總面積的47.37%，未來開發(fā)區(qū)土地利用壓力將進(jìn)一步加大，必須提前做好相關(guān)應(yīng)對(duì)措施;水域面積由2014年的629.10hm2驟減到376.47hm2,最終僅占到研究區(qū)土地總面積的0.94%,這意味著在未來七年可能仍然存在對(duì)水域的占用情況。因此，地方政府要嚴(yán)格貫徹執(zhí)行《圍填海管控辦法》,積極響應(yīng)國家號(hào)召，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,促進(jìn)建設(shè)用地集約開發(fā)利用。草地、林地、耕地面積均有小幅度的減少,最終占比分別為24.50%、17.13%和8.25%,其他用地面積有所增加,為720.45hm2,占比為1.81%。

表5 2021年大連開發(fā)區(qū)土地利用情況

4 結(jié)論與討論

本文以大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)2000年、2007年和2014年土地利用現(xiàn)狀為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過轉(zhuǎn)移矩陣從土地利用的面積變化和轉(zhuǎn)移方向方面由淺入深地分析了研究區(qū)2000—2014年土地利用的變化情況,同時(shí)在2014年模擬結(jié)果與實(shí)際解譯結(jié)果精度驗(yàn)證一致性程度較高的情況下模擬了2021年土地利用格局情況。

結(jié)果表明，14年間開發(fā)區(qū)內(nèi)建設(shè)用地急劇增加,主要由草地、水域和耕地轉(zhuǎn)化而來,所占比重從2000年的22.64%增加到2014年的43.83%;耕地面積和水域面積持續(xù)減少,2014年減少面積分別為3817.26hm2和629.10 hm2,占研究區(qū)總面積的9.57%和1.58%。究其原因，主要是伴隨著城市建設(shè)本身的發(fā)展要求,建設(shè)用地需求急速增加,填海造陸導(dǎo)致水域面積大幅減少,耕地的后備資源匱乏加劇了耕地?cái)?shù)量的減少。草地面積在后期有所增加,林地面積先增加后減少,其他用地面積變化不明顯。

大連市開發(fā)區(qū)2021年土地利用模擬結(jié)果表明,未來土地利用類型以建設(shè)用地、草地和林地為主,面積分別為18896.22hm2、9772.56hm2和6833.88hm2。其中,建設(shè)用地面積最大,占研究區(qū)土地總面積的47.37%;水域面積從2014年的629.10hm2減少為376.47hm2,變化劇烈;耕地和其他用地面積也呈減少趨勢(shì),面積分別為3291.84hm2和720.45hm2,占比為8.25%和1.81%。

由此可見,大連市開發(fā)區(qū)仍處于不斷的發(fā)展建設(shè)之中,建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，土地覆蓋的變化具有一定的復(fù)雜性，研究時(shí)僅根據(jù)2000—2007年所在時(shí)段確定的轉(zhuǎn)移面積矩陣來預(yù)測(cè)未來七年的土地利用變化情況，具有一定的局限性，不一定能夠真實(shí)反映將來土地利用類型的變化，因此有必要根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行一定調(diào)整，使預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確[13]。在今后的研究中可以嘗試著添加限制因素，比如交通道路、地形坡度等不同因素的共同作用下，未來土地利用類型會(huì)發(fā)生怎樣的變化。