基于馬爾科夫鏈模型的中越邊境地區(qū)土地利用變化模擬研究

陶春琛，許貴林，黃 樂

1.南寧師范大學(xué)自然資源與測繪學(xué)院，廣西 南寧 530001

2.南寧師范大學(xué)北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001

“一帶一路”倡議提出后，中越邊境地區(qū)迎來了更多的發(fā)展機(jī)會，政治、經(jīng)濟(jì)、文化等方面的交流溝通[1]也越來越頻繁，進(jìn)一步發(fā)展為國家的經(jīng)濟(jì)活躍區(qū)域，土地利用方式及類型也隨之發(fā)生了變化。馬爾科夫鏈模型可以揭示土地利用的未來發(fā)展變化，國內(nèi)外許多學(xué)者已從理論和時間角度對馬爾科夫鏈模型與土地利用變化進(jìn)行了大量的研究，并給予了闡述與肯定。為了合理分析中越邊境的土地利用變化程度，科學(xué)預(yù)測土地使用規(guī)模和布局，研究小組選取中越邊境15 個縣（市、區(qū)）作為主要研究對象，分析其2010 年至2020 年的土地利用變化規(guī)律，并利用馬爾科夫鏈模型來預(yù)計算該區(qū)域未來一段時間內(nèi)土地利用類型面積變化的模擬情況，以期為相關(guān)決策提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括廣西的那坡縣、靖西市、大新縣、龍州縣、憑祥市、寧明縣、防城區(qū)、東興市，云南省的江城哈尼族彝族自治縣、綠春縣、金平縣、河口瑤族自治縣、馬關(guān)縣、麻栗坡縣、富寧縣共15 個縣（市、區(qū)），這些縣（市、區(qū)）位于我國南疆，均與越南接壤。廣西部分位于廣西西南部，北緯20°46′至23°25′，東經(jīng)105°50′至108°22′之間，中越邊境線（廣西段）長達(dá)1 020 km；云南部分位于云南省南部，北緯21°19′至28°24′，東經(jīng)97°37′至106°12′之間，中越邊境線（云南段）長1 354 km[2]。研究區(qū)地理位置特殊，地域跨度大，海拔從西北到東南逐漸降低，地形由山地向喀斯特地貌逐漸變化，邊境地區(qū)河流眾多，水力資源豐富。

研究區(qū)人口較多，2020 年人口總數(shù)已達(dá)443.12 萬人。據(jù)統(tǒng)計，2015 年末，研究區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)1 268.04 億元，其中第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為284.72 億元，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為361.88 億元，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為621.44 億元。由此可見，研究區(qū)發(fā)展?fàn)顩r良好，第三產(chǎn)業(yè)占地區(qū)生產(chǎn)總值比例最高。

1.2 數(shù)據(jù)來源

主要數(shù)據(jù)來源為中國科學(xué)地理科學(xué)與研究所、中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)平臺中的中國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的Landsat8 TM 遙感影像，其空間分辨率為1 000 m×1 000 m，分別選擇2010年、2015年、2020 年的影像數(shù)據(jù)，以及中國省級、地市級、縣級行政邊界數(shù)據(jù)。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于對應(yīng)年份的《廣西統(tǒng)計年鑒》《云南統(tǒng)計年鑒》和各縣（市、區(qū)）的社會經(jīng)濟(jì)基本情況表等。

2 研究方法

2.1 土地利用類型數(shù)量變化

土地利用變化幅度指標(biāo)反映各類土地在總量上的變化狀況[3]，其模型如下：

式（1）中，Ua表示研究初期某類土地面積，Ub代表研究末期某類土地面積。

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣簡潔明了地體現(xiàn)了研究初期與研究末期各用地類型之間相互轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的動態(tài)過程[4]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式（2）中，Sij表示土地利用類型的面積轉(zhuǎn)移變化量，其中i表示研究初期，j表示研究末期；n表示土地利用類型數(shù)目。

2.3 馬爾科夫鏈模型

馬爾科夫鏈模型是用來預(yù)測時間發(fā)生概率的方法，通過研究不同狀態(tài)的初始概率及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變頻率，推演出變化趨勢，從而達(dá)到預(yù)測的目的。在土地利用變化研究中，可以將土地利用變化過程視為馬爾科夫過程，將某一時刻的土地利用類型對應(yīng)馬爾科夫過程中的可能狀態(tài)。土地利用的變化只與其前一時刻的土地利用類型相關(guān)，土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積數(shù)量或比例即為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。因此，可以利用如下公式對土地利用變化進(jìn)行預(yù)測[5]：

式（3）中，S（t）、S（t+1）分別是t、t+1 時刻的系統(tǒng)狀態(tài)，Pij是狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣[6]。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣是研究土地利用變化的關(guān)鍵，確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Pij的數(shù)學(xué)公式的一般表達(dá)式為[7]：

式（4）中，n表示土地利用類型的數(shù)量，Pij表示土地利用類型i轉(zhuǎn)化類型的概率，Pij具有如下性質(zhì)：

（1）0 ≤Pij≤1，即各元素都為正，且介于0 到1 之間。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

3.1 土地利用類型變化分析

研究小組利用ArcGIS 10.2 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到2010 年、2015 年、2020 年研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在2010 年至2020 年間，研究區(qū)內(nèi)陸區(qū)域的主要土地利用類型為林地，主要分布在海拔較低的地區(qū)；城鎮(zhèn)用地多分布于中越邊境（廣西段）；未利用地較少，較多分布在中越邊境（云南段）海拔較高處，表現(xiàn)出中越邊境經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到海拔高度的影響。

根據(jù)土地利用數(shù)量變化模型，研究小組以土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照LUCC 分類體系進(jìn)行分類[8]，得到2010 年至2020 年研究區(qū)的土地利用類型變化數(shù)量表，如表1 所示。因海洋面積較小，故這次研究中不做討論。

在2010 年至2020 年間，研究區(qū)旱地、灌木林、其他林地、水域、城鎮(zhèn)用地及其他建設(shè)用地都保持著明顯的增長趨勢。其中，其他建設(shè)用地面積增長幅度最大，其次為旱地，表現(xiàn)出近年來研究區(qū)建設(shè)用地面積在不斷擴(kuò)大，同時經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，政府的公共設(shè)施投入也在逐漸增加，城市建設(shè)趨勢穩(wěn)步上升。研究區(qū)包括廣西、云南兩地的偏遠(yuǎn)縣，多數(shù)縣（市、區(qū)）受地理位置、地形地貌的影響，經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較困難，受自然地理環(huán)境制約明顯。

旱地面積在2010 年至2015 年間減少，卻在2015 年至2020 年間呈增長趨勢。研究小組分析，2003 年國家實施退耕還林政策后，林地面積逐漸增加；2015 年后，城鎮(zhèn)建設(shè)占用林地、耕地，毀林、種果樹甘蔗等現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致了旱地面積的增長。另外，水田面積也有所減少，表現(xiàn)為2010 年至2015 年間研究區(qū)的耕地未得到有效的保護(hù)。

通過對比可以看出，在2010 年、2015 年、2020 年，研究區(qū)土地利用中的水田、有林地、疏林地及農(nóng)村居民點在明顯減少，而其他林地、水域與其他建設(shè)用地明顯在增加，表現(xiàn)出“大幅減少，大幅增加”的趨勢。這也反映出在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，研究區(qū)中小城鎮(zhèn)的土地利用擴(kuò)張較為明顯。

表1 研究區(qū)土地利用類型變化數(shù)量表 單位：km2

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

研究小組利用ArcGIS 10.2 軟件，將2010 年和2020 年分類后的兩幅影像進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，顯示出研究區(qū)這10 年間各土地利用類型轉(zhuǎn)移面積的數(shù)量，以尋找土地利用類型的變換過程和時空演變規(guī)律[9]。結(jié)果表明，2010 年至2020 年間主要發(fā)生變化的土地利用類型為耕地、林地、草地與建設(shè)用地（見表2）。

耕地類型中的水田、旱地轉(zhuǎn)向灌木林的面積占比最大，顯示了研究區(qū)2010 年至2020 年間實施退耕還林政策的有效成果，耕地類型向林地的轉(zhuǎn)換擴(kuò)大了山林樹木資源，減少了水土流失。

林地向耕地類型面積的轉(zhuǎn)換也較大，反映了這10 年間人們對于邊境地區(qū)的土地開發(fā)利用情況。研究區(qū)平均海拔超過1 000 m，大山較多。研究小組推測，由于亂砍濫伐、陡坡墾植等現(xiàn)象，局部地區(qū)的土地利用不盡合理，導(dǎo)致森林面貌、生態(tài)環(huán)境遭到破壞。

有1 748 km2草地與灌木林發(fā)生了相互轉(zhuǎn)換，主要是因為退耕還林、生態(tài)修復(fù)等政策項目的實施，研究區(qū)各縣（市、區(qū)）根據(jù)自身的資源及特點，調(diào)整了土地規(guī)劃造成的。耕地、林地及草地合計有222 km2轉(zhuǎn)向了水域，表現(xiàn)出研究區(qū)興修了結(jié)合發(fā)電、防洪灌溉等功能的綜合利用大型樞紐工程，為人民生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了便利。

一般情況下，建設(shè)用地表現(xiàn)為不可逆現(xiàn)象，但農(nóng)村居民點有97 km2轉(zhuǎn)向了耕地，有82 km2轉(zhuǎn)向了林地，說明研究區(qū)中多數(shù)農(nóng)村居民向城鎮(zhèn)遷移，人口逐漸向城鎮(zhèn)聚集，有可能出現(xiàn)了農(nóng)村居民點丟空的現(xiàn)象。未利用地占地面積較小，沒有發(fā)生流轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2010 年至2020 年間，研究區(qū)得益于國家退耕還林、生態(tài)修復(fù)等政策的實施，土地利用類型轉(zhuǎn)變現(xiàn)象較為活躍。另外，為滿足城市的發(fā)展與擴(kuò)張，研究區(qū)土地主要流向建設(shè)用地。

3.3 土地利用變化預(yù)測

為了驗證馬爾科夫鏈模型在土地利用變化預(yù)測中的可行性，研究小組選擇了2010 年各地類土地利用面積為基數(shù)，以10 年為一個步長，將得到的模擬結(jié)果與2020 年研究區(qū)各個地類的實際面積進(jìn)行了比較，結(jié)果如表3 所示。

表2 2010 年至2020 年間土地利用變化面積變化轉(zhuǎn)移矩陣表 單位：km2

由表3 可見，利用馬爾科夫鏈模型模擬預(yù)測2020 年中越邊境土地利用變化的結(jié)果與實際變化相差不大。其中有林地面積、灌木林面積相差較大，是由于自然與人為因素影響的不定性造成的。結(jié)果表明，在沒有較大政策變動的影響下，用馬爾科夫鏈模型來預(yù)測未來土地利用類型變化是可行的。

基于馬爾科夫鏈模型，研究小組對2030 年研究區(qū)土地利用情況的土地利用面積及變化比例進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如表4 所示。

從表4 可看出，2030 年研究區(qū)的土地利用變化中，耕地、林地、建設(shè)用地類型依舊是土地利用變化的核心類型，未來耕地與林地的數(shù)量會保持減少的趨勢，這意味著可供開發(fā)的耕地資源已經(jīng)枯竭；建設(shè)用地面積不斷增加，標(biāo)示著未來一個時期內(nèi)耕地退化將成為土地退化的主要方式，并且伴隨著城市的發(fā)展進(jìn)一步占用生態(tài)用地的空間[10]，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性將有可能遭到破壞。2022 年，隨著我國生態(tài)系統(tǒng)退化問題的日益凸顯，我國以生態(tài)文明建設(shè)為戰(zhàn)略平臺，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的污染修復(fù)治理和農(nóng)、林、水、自然保護(hù)等領(lǐng)域的生態(tài)工程建設(shè)都逐漸從理論走向?qū)嵺`，并取得了一定的實際成效。從預(yù)測結(jié)果來看，研究區(qū)亟需加大政策實施力度，落實抓好保護(hù)耕地的任務(wù)。

表3 研究區(qū)馬爾科夫鏈模型預(yù)測土地利用變化檢驗表 單位：km2

表4 研究區(qū)2010 至2030 年間土地利用情況、土地利用面積比重及變化比例比較表

4 建 議

中越邊境地區(qū)由于地理位置特殊，在發(fā)展城鎮(zhèn)時，應(yīng)結(jié)合邊境各個地區(qū)的地方政策以及現(xiàn)實情況，從鄉(xiāng)村到城鎮(zhèn)、耕地到建設(shè)用地、邊境生態(tài)紅線等方方面面制訂合理的國土規(guī)劃內(nèi)容，合理安排農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地、生態(tài)用地規(guī)模，應(yīng)時刻關(guān)注國界間道路、河道等整治問題，加強(qiáng)邊境土地生態(tài)保護(hù)，提高土地質(zhì)量，合理劃分用地區(qū)域，提高土地利用的效率程度，嚴(yán)抓違法使用土地行為，確保我國自然資源的安全。相關(guān)地區(qū)應(yīng)嚴(yán)格控制建設(shè)用地的規(guī)模，保障耕地的基本量，合理控制城市擴(kuò)張規(guī)模，保障經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)定發(fā)展和城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 語

研究小組深入分析了2010 年至2020 年間中越邊境15 個縣（市、區(qū)）的土地利用變化規(guī)律，分析研究區(qū)土地利用類型面積之間相互轉(zhuǎn)換情況，并利用馬爾科夫鏈模型預(yù)測2030 年研究區(qū)的土地利用變化趨勢。研究結(jié)果表明：（1）馬爾科夫鏈模型在沒有較大國家政策變化的影響下，預(yù)測其研究區(qū)未來土地的利用情況具有科學(xué)性，能夠為土地利用總體規(guī)劃與改善土地利用結(jié)構(gòu)提供有效依據(jù)；（2）未來一段時期內(nèi)，耕地退化有可能成為研究區(qū)土地退化的主要方式，相關(guān)部門要持續(xù)落實抓好保護(hù)耕地的任務(wù)，保障土地資源的可持續(xù)發(fā)展。