王嬌嬌, 尹小君, 劉陜南, 王帝盟
(1.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.兵團(tuán)空間信息工程技術(shù)研究中心,新疆 石河子 832000)
在自然資源整合不斷加強(qiáng)和土地利用結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的形勢(shì)下,土地利用管理和規(guī)劃更加困難。土地利用時(shí)空格局演變特征分析和預(yù)測(cè)不僅有利于了解土地利用與自然因素、社會(huì)因素的關(guān)系,還可以為人們應(yīng)對(duì)糧食安全和生物多樣性等問(wèn)題提供有效信息。研究土地利用時(shí)空格局演變特征和預(yù)測(cè)對(duì)城市規(guī)劃和自然資源的管理有重要意義[1]。學(xué)者們通過(guò)土地利用景觀格局指數(shù)揭示土地利用演變特征。李華林等[2]利用景觀指數(shù)分析了新疆葉爾羌河流域胡楊林時(shí)空格局變化特征。劉斌寅等[3]利用景觀生態(tài)學(xué)理論對(duì)淮北市土地利用時(shí)空格局變化特征進(jìn)行分析,并采用ANN-CA(Artificial Neu?ral Network-Cellular Automata)模型預(yù)測(cè)了2025年的土地利用;劉根林等[4]利用景觀指數(shù)探究了瑞興于地區(qū)土地利用。景觀格局時(shí)空變化特征和驅(qū)動(dòng)因素。通過(guò)景觀指數(shù)對(duì)土地利用時(shí)空格局演變特征進(jìn)行分析,能夠量化土地利用空間格局變化。
近年來(lái),土地利用預(yù)測(cè)相關(guān)研究數(shù)量激增。由于政策影響和地區(qū)特點(diǎn)等原因,使土地利用預(yù)測(cè)具有較大的不確定性[5]。早期研究者將土地利用預(yù)測(cè)問(wèn)題看作一個(gè)統(tǒng)計(jì)回歸問(wèn)題,常用證據(jù)權(quán)重法(Weights of Evidence,WOE)、邏輯回歸(Logistic Re?gression,LR)、Markov 模型[6]來(lái)預(yù)測(cè)土地利用變化。但是通過(guò)統(tǒng)計(jì)回歸方法實(shí)現(xiàn)土地利用的預(yù)測(cè)難以考慮到土地利用的空間位置信息。元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata,CA)基于元胞空間、領(lǐng)域關(guān)系和轉(zhuǎn)化規(guī)則等動(dòng)態(tài)模擬土地利用變化,難以將社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素納入考慮范圍[7],所以,許多學(xué)者將算法或者其他模型和CA[8]相結(jié)合實(shí)現(xiàn)土地利用變化預(yù)測(cè),比如CA-Markov模型[9-11]、FLUS模型[12]、PLUS模型[13]等。
隨著遙感(Remote Sensing,RS)和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)技術(shù)的快速發(fā)展,可以獲得長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù),滿(mǎn)足深度學(xué)習(xí)利用大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的需求。深度學(xué)習(xí)可以充分利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代訓(xùn)練,非常適合復(fù)雜的土地利用預(yù)測(cè)問(wèn)題,比如,利用LSTM預(yù)測(cè)城市未來(lái)土地利用分布[14]、利用IDRISI 軟件中的LCM 模塊(基于ANN 和馬爾可夫鏈)分析預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用狀況等[1,15]。LSTM是一種改進(jìn)的RNN網(wǎng)絡(luò),能挖掘長(zhǎng)期依賴(lài)的信息[15-16];使用記憶細(xì)胞和門(mén)機(jī)制控制信息的傳遞,充分提取時(shí)間序列的相關(guān)性信息,可解決非線(xiàn)性復(fù)雜問(wèn)題[17]。LSTM預(yù)測(cè)能夠充分利用歷史數(shù)據(jù),較大程度地保留土地利用數(shù)據(jù)的時(shí)空信息。
采用LSTM模型的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自反饋機(jī)制和長(zhǎng)短時(shí)記憶模式,開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間序列的土地利用預(yù)測(cè)研究。通過(guò)1992—2020 年的土地利用遙感時(shí)空數(shù)據(jù),協(xié)同深度學(xué)習(xí)的LSTM算法與景觀指數(shù),系統(tǒng)地研究1992—2020 年瑪納斯土地利用時(shí)空格局演變特征和變化趨勢(shì)。對(duì)于瑪納斯土地利用可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,為實(shí)施生態(tài)調(diào)整和優(yōu)化提供科學(xué)借鑒和依據(jù)。
瑪納斯位于新疆腹地,天山山脈北坡中段,地理位置位于85°40′~86°31′32″E,43°21′21″~45°20′N(xiāo),地貌從南到北分別是山區(qū)、平原和沙漠,地勢(shì)南高北低,屬中溫帶大陸性干旱-半干旱氣候。冬季嚴(yán)寒,夏季酷熱,干燥少雨,日照充足,蒸發(fā)量大,降水少。2020年瑪納斯土地利用類(lèi)型主要為耕地、草地和未利用地,分別占總面積的34.70%、32.64%和29.06%,耕地主要位于中部平原地區(qū),草地主要位于南部沙漠和北部山區(qū)附近,未利用地主要位于南部沙漠和北部山區(qū)。
選取1992—2020年空間分辨率為300 m×300 m的土地利用遙感影像數(shù)據(jù),在ArcMap 中進(jìn)行投影、轉(zhuǎn)換和掩膜提取,最后進(jìn)行重分類(lèi)。土地利用類(lèi)型分為6類(lèi),包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地(表1)。
表1 土地利用類(lèi)型分類(lèi)Tab.1 Classification of land use types
于2021 年10 月在瑪納斯利用GPS 儀器進(jìn)行兩次土地利用數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)(圖1),驗(yàn)證土地利用數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果包括土地利用類(lèi)型和坐標(biāo),第一次采集143 個(gè)采樣點(diǎn),第2 次采集251 個(gè)采樣點(diǎn),其中有效采樣點(diǎn)為356個(gè)。將2020年土地利用遙感數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度為92.13%。
圖1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Overview of study area and sampling point
地理數(shù)據(jù)選取3個(gè)空間變量包括離公路(國(guó)道、省道、鄉(xiāng)道)距離、離鐵路距離和離水域距離;兩個(gè)經(jīng)濟(jì)因素包括人口和GDP 空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集;5個(gè)自然屬性包括中國(guó)土壤質(zhì)地空間分布數(shù)據(jù)、DEM、坡度、降水量、氣溫。數(shù)據(jù)來(lái)源如表2所示。
表2 數(shù)據(jù)類(lèi)型及其來(lái)源Tab.2 Data type and its source
采用土地利用動(dòng)態(tài)度對(duì)瑪納斯土地利用變化特征進(jìn)行分析,揭示瑪納斯1992—2020年土地利用時(shí)空演變規(guī)律以及土地利用開(kāi)發(fā)狀態(tài)。土地利用動(dòng)態(tài)度表示一定時(shí)間范圍內(nèi)土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況,包括單一動(dòng)態(tài)度和綜合動(dòng)態(tài)度。單一動(dòng)態(tài)度反映了某一土地利用類(lèi)型在一定時(shí)期內(nèi)的變化率,綜合動(dòng)態(tài)度反映了整個(gè)研究區(qū)域的所有土地利用類(lèi)型土地變化率。
(1)單一動(dòng)態(tài)度
式中:Ks為單一動(dòng)態(tài)度;Li、Lj為研究初期和研究末期土地利用類(lèi)型的面積;T為研究時(shí)段(年)。
(2)綜合動(dòng)態(tài)度
式中:Kc是綜合動(dòng)態(tài)度;LWi是研究初期土地利用類(lèi)型;ΔLWi-j是土地利用類(lèi)型i轉(zhuǎn)向土地利用j的面積絕對(duì)值;T是研究時(shí)段(年)。
景觀格局是指大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合,表現(xiàn)出規(guī)律性的景觀格局可以稱(chēng)為時(shí)空格局,景觀格局指數(shù)用于探究不同土地利用類(lèi)型的時(shí)空格局變化[18-20]。選取有代表性的6個(gè)景觀指數(shù)(表3),分析瑪納斯土地利用時(shí)空格局變化。
表3 景觀指數(shù)及其意義Tab.3 Landscape index and its significance
2.3.1 LSTM土地利用預(yù)測(cè) LSTM模型(圖2)主要利
圖2 LSTM土地利用預(yù)測(cè)模型Fig.2 LSTM land use prediction model
用1992—2014 年土地利用數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練;2015年作為測(cè)試集,進(jìn)行模型精度驗(yàn)證;最后利用2020年土地利用數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)2025年土地利用數(shù)據(jù)。
2.3.2 LSTM 正向傳播 遺忘門(mén)決定了上一時(shí)刻的細(xì)胞單元丟棄的信息,公式如下所示:
式中:ft為遺忘門(mén);σ是激活函數(shù);Wf是遺忘門(mén)的權(quán)重;ht-1是t-1時(shí)單元細(xì)胞的狀態(tài);xt是該細(xì)胞單元的輸入向量;bf是遺忘門(mén)的偏置項(xiàng)。
輸入門(mén)決定了細(xì)胞單元狀態(tài)存儲(chǔ)的信息,由sigmoid層和tanh層兩部分組成,sigmoid層決定了需要更新的向量,tanh層創(chuàng)建了新后選值的向量。
式中:it為輸入門(mén);C?t為新的候選向量(當(dāng)前輸入的細(xì)胞單元狀態(tài));Wi、WC為權(quán)重系數(shù);bi、bC為偏置項(xiàng);Ct-1、Ct分別為t-1和t時(shí)刻細(xì)胞單元狀態(tài)向量。
輸出門(mén)控制了長(zhǎng)期記憶對(duì)當(dāng)前輸出的影響,單元細(xì)胞的輸出門(mén)公式如下:
式中:ot為輸出門(mén);Wo為輸出門(mén)的權(quán)重;bo為輸出門(mén)偏置項(xiàng),ht是單元細(xì)胞的輸出。
2.3.3 LSTM 反向傳播 反向傳播通過(guò)計(jì)算損失函數(shù)對(duì)每個(gè)權(quán)重或者偏置的影響,更新網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。誤差項(xiàng)分為沿時(shí)間傳播的誤差項(xiàng)和沿網(wǎng)絡(luò)層傳播的誤差項(xiàng)。該實(shí)驗(yàn)使用的損失函數(shù)為softmax。
沿時(shí)間反向傳播的誤差項(xiàng)反向傳播到k時(shí)刻,計(jì)算公式如下:
沿網(wǎng)絡(luò)層傳播的誤差項(xiàng)的L-1層傳入到L層的誤差項(xiàng)為:
2.3.4 模型精度驗(yàn)證 Kappa 系數(shù)是一種較好的精度驗(yàn)證方法[21-22],采用Kappa 系數(shù)定量分析模型精度。Kappa系數(shù)值越大,模型精度越高。
將瑪納斯1992—2020 年土地利用變化分為3個(gè)階段,前期為1992—2000 年土地利用變化劇烈期,中期為2000—2010 年土地利用變化緩慢期,后期為2010—2020年土地利用變化平穩(wěn)期。
由土地利用動(dòng)態(tài)度可知(圖3),耕地在1992年、2000 年、2010 年和2020 年分別占比為26.48%、31.91%、34.83%和34.70%,整體呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)后緩慢減少的趨勢(shì)。1992—2010 年耕地增加主要是未利用地的墾荒和林地、草地小范圍的轉(zhuǎn)入。單一動(dòng)態(tài)度顯示2000—2005年耕地增長(zhǎng)有所減緩,2005—2010 年耕地增長(zhǎng)趨勢(shì)較前5 a 快,這可能與2006—2010 年天山北坡經(jīng)濟(jì)帶土地整理工程的實(shí)施有關(guān)。后期土地利用變化平穩(wěn)期耕地面積減少,且主要轉(zhuǎn)出為林地、草地和建設(shè)用地,這與退耕還林還草工程和城市擴(kuò)張有著密切的關(guān)系。
圖3 土地利用動(dòng)態(tài)度Fig.3 Land use dynamic degree
林地以2015年為分界線(xiàn),呈現(xiàn)先減少后增加的格局。實(shí)施退耕還林還草工程20 a來(lái),林地前期一直處于減少狀態(tài),主要是轉(zhuǎn)為草地和未利用地。這與瑪納斯自然條件有重要關(guān)系,平原地區(qū)水資源缺少,主要來(lái)源于瑪納斯河和高山冰雪融水,生態(tài)脆弱。后期增加主要是耕地和草地轉(zhuǎn)為林地,這表明退耕還林還草具有一定的效果。瑪納斯雖然干旱少雨,但是過(guò)渡性植被能夠適應(yīng)該環(huán)境,1992—2020 年草地呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。并且中期增長(zhǎng)速度最快,增長(zhǎng)了13.75%,主要是未利用地轉(zhuǎn)入,說(shuō)明瑪納斯的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量正在逐步提升。
水域前期和中期處于減少狀態(tài),減少了11.04%,后期有緩慢增加的趨勢(shì),增加了1.03%。未利用地一直呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),且前期和中期面積減少較多。建設(shè)用地占地面積較小且一直呈現(xiàn)增加的格局。建設(shè)用地面積在1992—2005 年增加28.17%;2015—2020年增加685.71%。主要是耕地、草地和未利用地轉(zhuǎn)入,分別占總轉(zhuǎn)化面積的57.30%、30.28%和12.42%。數(shù)據(jù)表明雖然建設(shè)用地面積較小,但是近年來(lái)城市的快速擴(kuò)張對(duì)耕地和草地造成了一定的負(fù)面影響。
由圖4 可知,在1992—2020 年耕地面積增長(zhǎng)了31.06%,斑塊數(shù)量由353個(gè)減少到了212個(gè),最大斑塊指數(shù)逐年增長(zhǎng),耕地破碎化程度降低,聚集程度增加。斑塊形狀和復(fù)雜程度整體變化不明顯,1992—2015年逐年緩慢降低,2015年以后斑塊形狀逐漸復(fù)雜。1992—2020 年林地面積減少9.84%,斑塊數(shù)量增加6 個(gè),林地破碎化程度加深。草地在1992—2020 年面積增加16.47%,斑塊數(shù)量減少106個(gè),草地破碎化程度降低??傔吘夐L(zhǎng)度和景觀形狀指數(shù)逐漸減少,表明草地形狀復(fù)雜程度降低。
圖4 不同土地利用類(lèi)型的景觀指標(biāo)Fig.4 Landscape indicators of different land use types
水域面積相對(duì)較小,景觀指數(shù)變化較為平穩(wěn)。1992—2015年水域面積處于減少狀態(tài),斑塊數(shù)量增加了2 個(gè),破碎化程度逐漸增加。建設(shè)用地的景觀指數(shù)變化最為劇烈,1992—2020 年斑塊數(shù)量由2 個(gè)激增到88 個(gè),在一定程度上表明人類(lèi)活動(dòng)劇烈,城市擴(kuò)張?jiān)鰪?qiáng),但在土地利用變化平穩(wěn)期變化較少。在2015 年之前,景觀形狀指數(shù)增長(zhǎng)迅速,散布與并列指數(shù)下降明顯,人類(lèi)活動(dòng)的不規(guī)則性加強(qiáng),破碎化程度逐漸增加。2015年之后,景觀形狀指數(shù)逐漸降低,散布與并列指數(shù)逐漸增加,人類(lèi)活動(dòng)范圍逐漸聚集化。1992—2020年未利用地面積逐年減少,斑塊數(shù)量逐年增加,最大斑塊指數(shù)也逐漸降低,破碎化程度加強(qiáng),景觀形狀指數(shù)逐漸降低,形狀趨于規(guī)則化。
利用LSTM 模型、QGIS 軟件MOLUSCE 插件的MLP-ANN 模型和LR 模型及IDRISI 軟件的CA-Mar?kov 模型預(yù)測(cè)2020年土地利用數(shù)據(jù),將其與2020年實(shí)際各個(gè)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行Kappa 系數(shù)計(jì)算,分別為95.31%、93.71%、92.86%和91.16%。由Kappa 系數(shù)可知,LSTM模型模擬效果較好,具有較高的可信度(表4)。
表4 2025年土地利用的預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.4 Prediction results of land use in 2025
LSTM模型預(yù)測(cè)的2025年瑪納斯土地利用結(jié)果表明(圖5),2025年土地利用類(lèi)型仍以耕地、草地和未利用地為主,耕地和建設(shè)用地增加,林地、草地和未利用地減少,水域基本保持不變。自1992 年以來(lái),土地利用類(lèi)型變化率整體處于降低狀態(tài),2020年林地僅占瑪納斯總面積的2.57%,預(yù)測(cè)的2025 年土地利用數(shù)據(jù)中林地并未有太大的變化。林草是重要的生態(tài)保護(hù)屏障,在降低水土流失和防風(fēng)固沙方面具有重要的作用。瑪納斯的生態(tài)保護(hù)與生態(tài)屏障面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),“退耕還林還草”政策的實(shí)施對(duì)林草面積增加具有一定的積極作用,長(zhǎng)期的堅(jiān)持實(shí)施,能有效改善瑪納斯的生態(tài)環(huán)境。
圖5 2025年土地利用預(yù)測(cè)圖Fig.5 Land use prediction map in 2025
通過(guò)對(duì)瑪納斯土地利用變化進(jìn)行演變特征分析,可知1992—2010 年瑪納斯耕地處于增長(zhǎng)趨勢(shì),2010—2020年呈減少趨勢(shì),這與瑪納斯河流域的耕地變化趨勢(shì)稍有差異[23],但是6 種土地利用類(lèi)型中耕地面積增加最多,康紫薇等[24]研究的瑪納斯河流域也是如此。瑪納斯林地和水域自2015—2020 年有所增長(zhǎng)(分別為5.01%和1.03%),但增長(zhǎng)并不明顯。建設(shè)用地持續(xù)增長(zhǎng),未利用地不斷減少,這與瑪納斯河流域發(fā)展趨勢(shì)一致[24]。
林麗等[25]用4種模型預(yù)測(cè)土地利用分布,Kappa系數(shù)為0.76~0.90。利用LSTM、MLP-ANN、LR 和CA-Markov模型預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化,Kappa系數(shù)均在0.90 以上。預(yù)測(cè)未來(lái)的土地利用有助于相關(guān)部門(mén)制定合理的生態(tài)保護(hù)和土地利用規(guī)劃,促進(jìn)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展[26]。合理利用長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)提取特征,將其應(yīng)用到土地利用預(yù)測(cè)中,有利于提高土地利用預(yù)測(cè)精度。研究選取了10 個(gè)驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行模型構(gòu)建,但是影響土地利用變化的因素復(fù)雜且眾多,其中人為活動(dòng)干擾和土地利用政策等對(duì)土地利用變化的影響具有較強(qiáng)的不確定性[27],難以科學(xué)合理的融入到土地利用預(yù)測(cè)模型中。因此,將人為活動(dòng)干擾和政策因素進(jìn)行科學(xué)量化,融入到土地利用預(yù)測(cè)模型中,是未來(lái)土地利用預(yù)測(cè)的重要研究方向,可提高預(yù)測(cè)精度。尺度也是影響預(yù)測(cè)結(jié)果的一個(gè)主要因素,將尺度應(yīng)用到后續(xù)土地利用格局分析和預(yù)測(cè)也是一個(gè)重要研究方向。
本文彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足,利用長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究,揭示了瑪納斯土地利用演變特征和變化趨勢(shì)?;谘芯拷Y(jié)果和瑪納斯現(xiàn)存的問(wèn)題,建議應(yīng)在切實(shí)保護(hù)耕地的基礎(chǔ)上,有序開(kāi)展退耕還林工作,既保證了糧食安全又有利于提高瑪納斯的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展過(guò)程中,應(yīng)堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先原則,減少人為活動(dòng)對(duì)景觀生態(tài)的破壞(比如城市擴(kuò)張),合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)。落實(shí)耕地保護(hù)、加強(qiáng)約束建設(shè)用地?cái)U(kuò)張,提高土地利用效率,進(jìn)一步加強(qiáng)瑪納斯的生態(tài)安全。
通過(guò)對(duì)瑪納斯1992—2020 年土地利用格局變化特征進(jìn)行分析,對(duì)比LSTM 模型、MLP-ANN 模型、LR模型和CA-Markov模型精度,預(yù)測(cè)了2025年的土地利用變化。得出如下結(jié)論:
(1)瑪納斯1992—2020 年各土地利用類(lèi)型的面積變化為:未利用地>耕地>草地>建設(shè)用地>林地>水域。土地利用面積變化率最大的是建設(shè)用地(907.04%),然后是耕地(31.06%)和未利用地(-30.89%)。草地整體處于增加的狀態(tài),林地和水域整體處于減少狀態(tài)。耕地面積前期和中期的增加主要是未利用地的轉(zhuǎn)入。建設(shè)用地雖然占比較小,但逐漸侵占周邊的未利用地、耕地和草地面積。
(2)1992—2020 年耕地斑塊數(shù)量減少39.94%,整體破碎化程度逐步降低。林地和水域的景觀指數(shù)變化較為穩(wěn)定。草地的散布與并列指數(shù)上升,表明聚集度增加,斑塊數(shù)量減少19.44%,破碎度減弱。建設(shè)用地的景觀指數(shù)變化較為劇烈,面積增加907.04%,處于擴(kuò)張狀態(tài),景觀形狀不規(guī)則化并且破碎化程度加深。未利用地面積減少30.89%,斑塊數(shù)量增加24.37%,破碎化程度加強(qiáng),但是形狀逐漸規(guī)則化。
(3)以Kappa 系數(shù)來(lái)對(duì)比分析4 種土地利用預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。LSTM 模型的Kappa 系數(shù)較其他模型高,具有較好的預(yù)測(cè)效果。由LSTM 模型預(yù)測(cè)結(jié)果可知,2025 年土地利用類(lèi)型可能仍以耕地、草地和未利用地為主。