基于CA-Markov模型的臨汾市農(nóng)村居住空間特征及預(yù)測

王躍飛 劉磊 張維亮

摘要 運(yùn)用CA-Markov模型對臨汾市農(nóng)村居住空間進(jìn)行特征分析和預(yù)測，選取2000—2018年4個(gè)時(shí)期的土地利用類型柵格圖進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，2000—2018年臨汾市農(nóng)村居住空間呈現(xiàn)中部和南部稠密、北部較稠密、西部和東部稀疏的趨勢。2000—2010年臨汾市土地變化不明顯，不同土地轉(zhuǎn)化較小;2010—2018年土地變化明顯，耕地和農(nóng)村居住空間相互轉(zhuǎn)化較大，其余轉(zhuǎn)化較小。研究區(qū)2026年農(nóng)村居住空間預(yù)測以內(nèi)部擴(kuò)張為主，集中于中部的臨汾盆地內(nèi)，少部分東部地區(qū)擴(kuò)張;仍呈現(xiàn)中部稠密、西部稀疏的趨勢。

關(guān)鍵詞 農(nóng)村居住空間;土地變化;特征分析;預(yù)測;臨汾市

中圖分類號 F327? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2020）20-0210-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.056

Characteristics and Prediction of Rural Residential Space in Linfen City Based on CA-Markov Model

WANG Yue-fei1， LIU Lei2， ZHANG Wei-liang3

（1. School of Geography and Environmental Science， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi 041000;2.Institute of Political Science and Law， University of Chinese Academy of Social Sciences， Beijing 102488;3. School of Economics and Management， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi 041000）

Abstract The characteristics of rural residential space in Linfen City were analyzed and predicted using the digital raster graphics of land-use types in the four periods of 2000-2018 based on CA-Markov model. The results showed that from 2000 to 2018， the rural residential space of Linfen City was dense in the center and south， slightly dense in the north， and sparse in the west and east. From 2000 to 2010， the land change in Linfen City was not obvious， and the transformation of different lands was not significant. From 2010 to 2018， the land change was obvious， the mutual transformation between cultivated land and rural residential space was significant， and the other transformations were not obvious. The rural residential space in this research area in 2026 was predicted mainly to be internal expansion， which was concentrated in Linfen Basin in the center， and a small expansion in the east. Additionally， the rural residential space was still dense in the center and sparse in the west.

Key words Rural residential space;Land change;Characteristic analysis;Prediction;Linfen City

居住空間是人類生活的社會環(huán)境綜合體，也是地理空間中人類活動(dòng)最密集的區(qū)域?，F(xiàn)階段，居住空間的研究分為對空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)的刻畫和空間外部格局的宏觀識別 [1-2]?？焖侔l(fā)展的城鎮(zhèn)化建設(shè)中，中國農(nóng)村居住空間也相應(yīng)發(fā)生變遷和轉(zhuǎn)移 [3]。黨的“十九大”依據(jù)鄉(xiāng)村發(fā)展現(xiàn)狀，提出建立健全城鄉(xiāng)融合機(jī)制，堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展，實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，促進(jìn)全面小康社會的建成。同時(shí)，2019年中央一號文件提出強(qiáng)化鄉(xiāng)村規(guī)劃引領(lǐng)，把加強(qiáng)規(guī)劃管理作為鄉(xiāng)村振興的基礎(chǔ)性工作，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃管理全覆蓋，按照先規(guī)劃后建設(shè)的原則，通盤考慮土地利用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、居民點(diǎn)建設(shè)、人居環(huán)境整治、生態(tài)保護(hù)和歷史文化傳承，注重保持鄉(xiāng)土風(fēng)貌，編制多規(guī)合一的實(shí)用性村莊規(guī)劃，加強(qiáng)農(nóng)村建房許可管理。2018年，中國城鎮(zhèn)人口數(shù)為8.31×108人，鄉(xiāng)村人口數(shù)為5.64×108人;城鎮(zhèn)居民可支配收入為3.93×104元，農(nóng)村居民可支配收入為1.46× 104元。2000—2018年，中國城鎮(zhèn)人口占全國人口的比重從 36.22%增長至59.58%，而鄉(xiāng)村人口占全國人口的比重從 63.18%下降至40.42%，城鎮(zhèn)人口平均增長速度為3.4%，鄉(xiāng)村人口平均增長速度為-2.0%;城鎮(zhèn)居民可支配收入平均增長速度為8.4%，農(nóng)村居民可支配收入平均增長速度為 8.0%，城鄉(xiāng)收入比從2.74下降至2.69。中國城鄉(xiāng)一體化發(fā)展雖速度快，但農(nóng)村地區(qū)人口仍減少，收入較低，且部分鄉(xiāng)村地區(qū)沒有得到發(fā)展，影響農(nóng)村居住空間的分化和重組。

目前，居住空間研究多從鄉(xiāng)村聚落和城市擴(kuò)張研究，選取西部黃土丘陵區(qū)、中部傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)、南部丘陵山區(qū)、干旱綠洲區(qū)和東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)進(jìn)行分析。朱曉翔等 [3]對國內(nèi)鄉(xiāng)村聚落進(jìn)行綜述，張磊等 [4]研究云南環(huán)洱海地區(qū)農(nóng)村聚落空間分布變化及特征，余斌等 [5]對鄉(xiāng)村生活空間研究進(jìn)行分析并展望。同時(shí)，部分學(xué)者對不同區(qū)域鄉(xiāng)村聚落空間格局特征及其影響因素進(jìn)行研究 [6-9]。在城市擴(kuò)展研究中，多對城市擴(kuò)張演變特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析 [9-12]。在馬爾科夫模型的分析中，學(xué)者通過城市發(fā)展、土地覆蓋監(jiān)測等領(lǐng)域運(yùn)用馬爾科夫模型進(jìn)行預(yù)測 [13-16]。

農(nóng)村居住空間研究多集中在鄉(xiāng)村聚落的空間分布和城市空間的擴(kuò)張。農(nóng)村居住空間的宏觀演變和運(yùn)用馬爾科夫模型預(yù)測發(fā)展較少。鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略下，亟需開展對農(nóng)村居住空間的研究，以促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)發(fā)展，提高農(nóng)村人口幸福感。因此，筆者運(yùn)用CA-Markov模型對農(nóng)村居住空間進(jìn)行特征分析和預(yù)測，選取2000—2018年4個(gè)時(shí)期的土地利用類型圖，采用景觀尺度對農(nóng)村居住空間研究，揭示其農(nóng)村居住空間發(fā)展規(guī)律和方向，為臨汾市鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的發(fā)展提供科學(xué) 依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

臨汾市位于山西省南部，是華夏民族的重要發(fā)祥地之一和黃河文明的搖籃，地理坐標(biāo)為35°23′～ 36°57′N，110°22′～112°34′E。歷史中，臨汾有東臨雷霍、西控河汾、南通秦蜀、北達(dá)幽并的交通要道之稱。臨汾市包括堯都區(qū)、侯馬市、霍州市、曲沃縣、翼城縣、襄汾縣、洪洞縣、古縣、安澤縣、浮山縣、吉縣、鄉(xiāng)寧縣、大寧縣、隰縣、永和縣、蒲縣、汾西縣。臨汾市四周環(huán)山，東部為太岳山，南部為中條山，西部為呂梁山脈，中部為臨汾盆地，地形呈“凹”字型。研究區(qū)地處半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，溫帶大陸性氣候顯著，年平均降水量為756 mm。臨汾市是華北平原重要的棉量生產(chǎn)基地和重工業(yè)基地。2017年市域GDP為1.32×10 11元，城鎮(zhèn)人口為2.30×106人，鄉(xiāng)村人口為2.18×106人，鄉(xiāng)村人口與城鎮(zhèn)人口比率差別小，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略下，農(nóng)村農(nóng)業(yè)建設(shè)至關(guān)重要，農(nóng)村居住空間作為安居工程關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來源

地理數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）;土地利用與土地覆蓋數(shù)據(jù) [17]為2000、2005、2010、2018年四時(shí)像已分類30 m柵格圖，土地利用與土地覆蓋數(shù)據(jù)依據(jù)最新《土地利用現(xiàn)狀分類》GB/T 21010—2007對土地進(jìn)行重分類，分類包括耕地、林地、草地、鄉(xiāng)村居民地、城鎮(zhèn)居民地、建設(shè)用地、未利用地、水域。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2019版《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》、2018版《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 研究方法

Markov模型運(yùn)用于預(yù)測事件發(fā)生的概率，一般用于具有無后效性特征地理事件的預(yù)測 [13]。土地利用變化中，土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化面積或比重為土地轉(zhuǎn)移概率，計(jì)算公式如下：

S （t+1）=p ij×S （t）（1）

式中，S （t）、S （t+1）分別表示t、t+1時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài);p ij是狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，可表示為：

（2）

元胞自動(dòng)機(jī)（CA）為時(shí)空計(jì)算能力的動(dòng)力學(xué)模型，特點(diǎn)是時(shí)間、空間、狀態(tài)的離散，模型表示為：

S （t+1）=f（S （t），N）（3）

式中，S是元胞有限、離散的狀態(tài)集合，N是元胞鄰域，t、t+1是不同時(shí)刻，f是局部空間元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)村居住空間特征

通過對土地利用與土地覆蓋數(shù)據(jù)重分類，提取臨汾市遙感分類影像，獲得農(nóng)村居住空間景觀，繪制鄉(xiāng)村居住空間格局（圖1），并以臨汾市中心為地理坐標(biāo)進(jìn)行格局分析。2000—2018年農(nóng)村居住空間格局未發(fā)生大的變化，農(nóng)村地域位移較小，集中在中部臨汾盆地;中部和南部稠密、北部較稠密、西部和東部稀疏。2000—2018年農(nóng)村居住空間演變呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢與縮減趨勢相對平衡，但擴(kuò)張面積仍大于縮減面積，擴(kuò)張面積為176.67 km2，縮減面積為 119.89 km2，東部、西部擴(kuò)張明顯，中部則擴(kuò)張和縮減交替出現(xiàn)。2000—2005年研究區(qū)農(nóng)村居住空間增幅0.55 km2，2005—2010年增幅0.24 km2，2010—2018年增幅55.99 km2。研究區(qū)農(nóng)村居住空間2000—2010年增加幅度較慢，2010—

展較慢、農(nóng)村地區(qū)人口增加較慢，2010—2018年臨汾市農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，農(nóng)村人口增長，農(nóng)村居住空間不斷擴(kuò)張，而相應(yīng)城市化進(jìn)程加快，也使農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)居住空間，從而影響農(nóng)村居住空間的時(shí)空格局演變。研究區(qū)農(nóng)村居住空間總體集中于中部，呈現(xiàn)外部分散、內(nèi)部集聚的空間 特征。

2.2 農(nóng)村居住空間土地識相變化

運(yùn)用ArcGIS 10.4.1可視化表達(dá)技術(shù)，通過重分類將土地類型分為8類，分別為耕地、林地、草地、水體、未利用地、城鎮(zhèn)居住、農(nóng)村居住和建設(shè)用地。對2000、2005、2010、2018年臨汾市土地時(shí)空變化進(jìn)行比較，以研究農(nóng)村居住空間的變化趨勢。臨汾市農(nóng)村居住空

間2000—2018年面積逐年擴(kuò)張，2000—2010年農(nóng)村居住空

間面積占臨汾市土地空間面積平均為1.89%，2010—2018年農(nóng)村居住空間面積占臨汾市土地空間面積平均為2.17%;自2010年后，臨汾市農(nóng)村居住空間發(fā)展較快（表1）。2000—2005年臨汾市農(nóng)村居住空間變化不明顯（表2），有 0.008 1 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為耕地、0.002 7 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為草地和0.057 6 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)居住空間，而0.613 8 km2的耕地和0.007 2 km2的水體轉(zhuǎn)換為農(nóng)村居住空間。2005—2010年研究區(qū)農(nóng)村居住空間仍不明顯（表3），有0.027 9 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為耕地、 1.530 9 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)居住用地和? 0.016 0 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地，而 1.809 0 km2的耕地轉(zhuǎn)換為農(nóng)村居住空間。2010—2018年研究區(qū)農(nóng)村居住空間變化明顯（表4），有95.817 6 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為耕地、0.343 8 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為林地、1.727 1 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為草地、0.812 7 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為水體、 16.053 3 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)居住空間和 5.289 3 km2 的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地間，而 154.015 2 km2的耕地、1.091 7 km2的林地、 14.552 1 km2的草地、1.196 1 km2的水體、0.044 1 km2的未利用地、1.309 5 km2的城鎮(zhèn)居住空間和3.825 9 km2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為農(nóng)村居住空間。臨汾市農(nóng)村居住空間變化源于農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)村人口的增加，增加了住房的需求，因而需要相應(yīng)的居住空間。研究區(qū)整體農(nóng)村居住空間的識相變化受耕地和城鎮(zhèn)居住用地的變化影響較大。

2.3 農(nóng)村居住空間預(yù)測

以臨汾市2010—2018年30 m分辨率土地利用影像為樣本，通過CA-Markov模型，運(yùn)用IDRISI Selva軟件，考慮到軟件預(yù)測以相同倍數(shù)年預(yù)測效果較好，預(yù)測2026年臨汾市土地利用類型變化并繪制預(yù)測圖（圖2），以分析農(nóng)村居住空間發(fā)展。2018—2026年農(nóng)村居住空間格局仍未發(fā)生明顯變化，農(nóng)村地域位移較小，主要以內(nèi)部擴(kuò)張為主，集中于中部的臨汾盆地內(nèi)，東部地區(qū)和西部地區(qū)略有擴(kuò)張，呈現(xiàn)中部稠密、西部稀疏的趨勢。2018—2026年臨汾市土地變化明顯（表5），有2.875 7 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為耕地、0.088 1 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為林地、 2.794 4 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為草地、0.219 6 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為水體、14.243 4 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)居住空間和0.150 6 km2的農(nóng)村居住空間轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地間，而476.897 9 km2的耕地、1.514 0 km2的林地、 36.208 0 km2的草地、0.749 1 km2的水體、0.000 2 km2的未利用地、0.000 3 km2的城鎮(zhèn)居住空間和1.079 2 km2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為農(nóng)村居住空間。在2026年臨汾市農(nóng)村居住空間中，耕地變?yōu)檗r(nóng)村居住空間變化最大，其余變化較小。源于未來中國對農(nóng)村的扶持力度仍然很大，農(nóng)村人口會繼續(xù)增加，而未來農(nóng)村建設(shè)也會轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展，不再是解決單純的居住問題，會向宜居型發(fā)展，從而導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)內(nèi)部集聚

性加強(qiáng)，而農(nóng)村擴(kuò)張會隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)而轉(zhuǎn)變。綜上所述，未來農(nóng)村居住空間內(nèi)部宜居性發(fā)展將加強(qiáng)，外部擴(kuò)張向城鎮(zhèn)發(fā)展。

3 結(jié)論與討論

該研究對2000—2018年臨汾市農(nóng)村居住空間時(shí)空格局演變和土地類型變化進(jìn)行探究，并運(yùn)用IDRISI Selva軟件，預(yù)測2026年研究區(qū)農(nóng)村居住空間發(fā)展變化，結(jié)果表明，2000—2010年臨汾市土地變化不明顯，不同土地轉(zhuǎn)化較小;2010—2018年研究區(qū)土地變化明顯，耕地和農(nóng)村居住空間相互轉(zhuǎn)化較大，其余轉(zhuǎn)化較小。

2000—2018年臨汾市農(nóng)村居住空間呈現(xiàn)中部和南部稠密、北部較稠密、西部和東部稀疏的趨勢;研究區(qū)農(nóng)村居住空間分布相對于城市分布較離散，呈現(xiàn)整體分散、內(nèi)部集中的趨勢。在預(yù)測2026年中，研究區(qū)農(nóng)村居住空間主要以內(nèi)部擴(kuò)張為主，集中于中部的臨汾盆地內(nèi)，少部分東部地區(qū)和西部地區(qū)有擴(kuò)張;未來總體仍呈現(xiàn)中部稠密、西部稀疏的趨勢。未來農(nóng)村居住空間內(nèi)部向高質(zhì)量和宜居性發(fā)展，外部逐漸向城鎮(zhèn)發(fā)展。

該研究通過構(gòu)建CA-Markov模型，探索臨汾市農(nóng)村居住空間特征并進(jìn)行預(yù)測。農(nóng)村居住空間實(shí)質(zhì)是反映農(nóng)村地區(qū)發(fā)展和農(nóng)村人口幸福感，受研究區(qū)需要，選取相應(yīng)土地利用類型數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。為充分認(rèn)知農(nóng)村居住空間發(fā)展，相應(yīng)考慮社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。經(jīng)濟(jì)社會生態(tài)發(fā)展及區(qū)域因素時(shí)間尺度較完整，但研究以景觀尺度為主，未對行政尺度研究，且受軟件限制，預(yù)測局限在2026年，今后仍需向不同尺度和時(shí)期進(jìn)行預(yù)測研究。

參考文獻(xiàn)

[1] ROSENTHAL S S，HELSLEY R W.Redevelopment and the urban land price gradient[J].Journal of urban economics，1994，35（2）：182-200.

[2] BERRY M，DALTON T.Housing prices and policy dilemmas：A peculiarly Australian problem？[J].Urban policy and research，2004，22（1）：69-91.

[3] 朱曉翔，朱紀(jì)廣，喬家君.國內(nèi)鄉(xiāng)村聚落研究進(jìn)展與展望[J].人文地理，2016，31（1）：33-41.

[4] 張磊，武友德，李君，等.云南環(huán)洱海地區(qū)農(nóng)村聚落空間分布變化及特征分析[J].水土保持研究，2016，23（6）：316-321，326.

[5] 余斌，盧燕，曾菊新，等.鄉(xiāng)村生活空間研究進(jìn)展及展望[J].地理科學(xué)，2017，37（3）：375-385.

[6] 方健，楊興柱，朱琳.黃山市鄉(xiāng)村聚落空間格局特征及其影響因素[J].熱帶地理，2017，37（2）：277-285，292.

[7] 朱倩瓊，鄭行洋，劉櫻，等.廣州市農(nóng)村聚落分類及其空間特征[J].經(jīng)濟(jì)地理，2017，37（6）：206-214，223.

[8] 呂夢婷，王宏衛(wèi)，楊勝天，等.生態(tài)視角下綠洲鄉(xiāng)村聚落空間格局及優(yōu)化研究：以新疆博樂市為例[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2019，35（11）：1369-1377.

[9] 張軍，顧盼.東北地區(qū)鄉(xiāng)村聚落空間分布特征及影響因素分析[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2019，40（10）：110-115.

[10] 翟涌光，屈忠義，呂萌.西北部少數(shù)民族地區(qū)城市擴(kuò)展特征分析：以呼和浩特市為例[J].測繪科學(xué)，2020，45（4）：97-104.

[11] 王紹博，羅小龍，顧宗倪，等.精明增長背景下上海城市空間擴(kuò)展演變特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制[J].經(jīng)濟(jì)地理，2019，39（6）：58-65.

[12] 耿甜偉，毛雅倩，李九全，等.西安城市擴(kuò)展時(shí)空特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制[J].經(jīng)濟(jì)地理，2019，39（10）：62-70.

[13] 吳寶軍，雷雅凱，段彥博，等.基于馬爾科夫模型的鄭州市城市熱島效應(yīng)分析及預(yù)測[J].水土保持研究，2017，24（3）：241-245.

[14] 袁先強(qiáng)，衛(wèi)亞星.基于馬爾科夫模型的蓋州市土地利用動(dòng)態(tài)變化研究[J].國土與自然資源研究，2017（1）：19-22.

[15] 朱萌，馬孝義，劉雪嬌.基于馬爾科夫模型的武功縣土地利用/覆被動(dòng)態(tài)變化研究[J].水土保持研究，2013，20（5）：64-68.

[16] 彭月，魏虹，朱韋.基于馬爾科夫模型的土地景觀動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測研究：以重慶永川市為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（23）：6172-6173.

[17] 徐新良，劉紀(jì)遠(yuǎn)，張樹文，等.中國多時(shí)期土地利用土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集（CNLUCC）[EB/OL].[2020-01-05].http：//www.resdc.cn/DOI/doi.aspx？DOIid=54.