基于CA-Markov模型的彰武縣土地利用變化研究

馬云雷

阜新市彰武縣自然資源事務服務中心 遼寧阜新 123000

1 模型原理及檢核標準

1.1 元胞自動機理論

元胞自動機（Cellular automaton，CA）是一個具有離散和有限狀態(tài)特征的元胞，在其構(gòu)成的元胞空間中，按照一定的轉(zhuǎn)化規(guī)則，在離散的時間維度上演化的動力學系統(tǒng)，其組成如圖1所示。

1.2 CA-Markov模型

1987年，美國克拉克大學實驗室提出基于IDRISI軟件下的CA-Markov模型。CA-Markov模型不僅具有GIS系統(tǒng)所具備的功能，還具有圖像處理功能，是兩個功能板塊有機結(jié)合，其功能模塊高達200多塊，能夠從數(shù)量和空間兩個方向進行模擬研究。

本文利用IDRISI軟件中的CA-Markov模型對彰武縣土地利用變化進行模擬，模擬的過程不僅包括了CA創(chuàng)建轉(zhuǎn)化規(guī)則、CA創(chuàng)建濾波器、CA確定循環(huán)次數(shù)等，還包含了狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣的計算、狀態(tài)轉(zhuǎn)移面積的計算、轉(zhuǎn)移概率圖的生成等。最終使兩個模型的優(yōu)勢發(fā)揮到最佳，使其優(yōu)勢得到有機結(jié)合[1]。

2 基于CA-Markov模型的彰武縣土地利用變化模擬

2.1 預測模型建立

（1）生成Markov轉(zhuǎn)移矩陣。IDRISI軟件所處理的數(shù)據(jù)格式與ArcGIS軟件所處理的數(shù)據(jù)格式不同，前者數(shù)據(jù)格式必須是.rst格式的柵格數(shù)據(jù)，后者數(shù)據(jù)格式是.shp格式的矢量數(shù)據(jù)或.img等格式的柵格數(shù)據(jù)，因此需要將已有的.shp格式的矢量數(shù)據(jù)或.img格式的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IDRISI軟件所需的.Arst格式的柵格數(shù)據(jù)。

（2）生成適宜性圖集。前面的規(guī)則制定為適宜性圖集的制作提供理論依據(jù)，在IDRISI中則是通過MCE模塊來實現(xiàn)。在MCE模塊中通過加權(quán)線性合并法分別得到各地類適應性圖，然后通過集合編輯器將適應性圖按順序排列，得到最后的土地利用轉(zhuǎn)變適宜性圖集。

2.2 2015年土地利用模擬及Kappa指數(shù)檢驗

模型所需要的數(shù)據(jù)都是有IDRISI軟件中生成的，其中包括1990年、2000年和2015年土地利用現(xiàn)狀圖：1990～2000年和2000～2015年土地利用類型轉(zhuǎn)移面積矩陣。利用這些數(shù)據(jù)，在CA-Markov模型中生成土地利用模擬預測圖。

本文分為三期數(shù)據(jù)1990年、2000年和2015年土地利用現(xiàn)狀圖，由1990年和2000年土地利用現(xiàn)狀圖生成轉(zhuǎn)移概率矩陣和轉(zhuǎn)移面積矩陣，markovtransition-probabilities和markovtransitionareas；2000年土地利用現(xiàn)狀圖作為基礎年份的土地利用數(shù)據(jù)；以十五年為模擬周期，即迭代次數(shù)為15；CA模擬的濾波器，在此選擇5＊5的濾波器，打開CA-Markov模型，按上述所說的將參數(shù)調(diào)整好，然后運行即可。

本次實驗在IDRISI軟件的Validate模塊的支持下，將CAMarkov模型預測模擬出來的2015年的彰武縣土地利用狀況圖與遙感解譯得到的2015年土地利用現(xiàn)狀圖進行對比分析，得到各個Kappa系數(shù)均大于80%，說明由CA-Markov模型模擬出的2015年土地利用狀況圖與遙感解譯得到的2015年土地利用現(xiàn)狀圖具有較高的一致性，可信度高，模擬效果好。同時也表明用模型對未來的土地利用狀況進行模擬預測是可行的[2]。

3 結(jié)語

基于彰武縣1990年、2000年、2015年土地利用數(shù)據(jù)，通過CA-Markov模型對彰武縣1990～2015年土地利用變化進行研究，并運用IDRIS軟件中CROSSRAB模塊，在空間上對2015年實際和預測的土地利用現(xiàn)狀圖做空間疊加分析；利用得到的Kappa指數(shù)來評定空間上模擬精度，并模擬和預測未來2025年彰武縣土地利用變化情況，得出結(jié)論如下：

（1）1990～2015年，彰武縣土地利用變化明顯。1990～2015年，草地面積大量減少，林地、耕地面積大量增加，耕地、草地、林地三者之間的相互轉(zhuǎn)化最為頻繁，草地是林地、耕地的主要轉(zhuǎn)入來源。

（2）總體規(guī)律上，呈現(xiàn)出以草地面積的縮減為代價，支撐其它各類土地利用類型擴張；同時，森林面積有所減少；水體濕地面積有所增加，其增加主要由草地和荒漠轉(zhuǎn)換而來。在該時期，荒漠面積增加，主要是由于人口的持續(xù)增加，人類活動強度增大對草地生態(tài)系統(tǒng)造成了較大的壓力。與其它各類土地利用類型擴張相比，彰武縣1990～2000年間城鎮(zhèn)擴張面積規(guī)模較小。這期間土地利用變化的主要驅(qū)動力來自于自然因素(氣候的暖干化)和人類活動(人口的持續(xù)增長、經(jīng)濟快速發(fā)展)。2000～2015年彰武縣草地被侵占的現(xiàn)象更為明顯，面積縮減最多，是動態(tài)變化最為強烈的土地利用類型，草地轉(zhuǎn)換成森林、農(nóng)田和荒漠的比例較高。除此之外，森林面積有小幅度增加，荒漠轉(zhuǎn)化為草地面積占比較高，水體濕地面積呈基本穩(wěn)定的態(tài)勢[3]。