基于CA-Markov模型的雞西市建設(shè)用地動態(tài)變化分析與模擬

葉 欣, 管海棠, 于薇薇, 丁遠(yuǎn)志, 呂利娜

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

煤炭資源型城市的發(fā)展依托于煤炭,伴隨著資源的分散式分布特征,依礦而建的城市用地往往呈現(xiàn)不規(guī)則的空間格局[1],導(dǎo)致土地資源分配不合理,土地浪費嚴(yán)重?？茖W(xué)合理地分析城市空間格局演變特征,對煤炭資源型城市可持續(xù)健康發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義和科學(xué)價值。

采用時空土地利用/土地覆蓋變化模型模擬城市空間格局演變過程是當(dāng)前的研究熱點[2]。元胞自動機(jī)(Cellular automata,CA)是一種動態(tài)性較強(qiáng)的系統(tǒng)模型,在空間、時間、狀態(tài)上較離散[3],可模擬土地變化過程。傳統(tǒng)CA一般不考慮全局因素,時間度量標(biāo)準(zhǔn)和地理意義不明確,制約模型的可解釋性[4]。CA-Markov模型結(jié)合Markov模型的時間維度分析優(yōu)勢和CA模型的空間模擬能力[5],可有效模擬土地空間動態(tài)變化。

筆者以雞西市為例,基于遙感和地理信息等技術(shù)手段,利用研究區(qū)土地利用分類信息,分析雞西市的用地結(jié)構(gòu)變化并預(yù)測城市未來的建設(shè)用地格局變化,從而為城市土地利用資源分配提供參考依據(jù)[6]。

1 研究區(qū)概況

1.1 概況

雞西市位于黑龍江省東南部(圖1),與俄羅斯隔水相望,與牡丹江、七臺河、雙鴨山均有接壤。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of study area

雞西市有6個市轄區(qū)、2個縣級市、1個縣共9個管轄地,文中的研究區(qū)域為6個市轄區(qū),分別是雞冠區(qū)、恒山區(qū)、滴道區(qū)、梨樹區(qū)、城子河區(qū)、麻山區(qū),面積達(dá) 2 137 km2。地理位置為東經(jīng)130°23′24″～131°5′30″,北緯44°57′12″～45°28′55。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究采用的數(shù)據(jù)有2010年、2015年、2020年Landsat系列遙感影像(2010年數(shù)據(jù)來自Landsat-5、2015年和2020年數(shù)據(jù)來自Landsat-8)、雞西市數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM,來源為地理空間數(shù)據(jù)云),經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、影像拼接等處理后,通過人機(jī)交互目視解譯的方法,參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)及劉紀(jì)遠(yuǎn)等對土地利用的分類標(biāo)準(zhǔn),將雞西市土地利用類型分為城市建設(shè)用地、耕地、林地、草地、水域、未利用地6種土地類型,分類數(shù)據(jù)的分辨率為30 m×30 m,如圖2所示。

圖2 雞西市2010—2020年土地利用類型分布Fig.2 Distribution of land use types of Jixi city from 2010 to 2020

2 研究方法

2.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度是固定時期內(nèi)各個地類的變化情況,這種變化趨勢可能影響未來土地的利用情況[6]。計算公式為

(1)

式中:Sa——研究初期種土地利用類型的面積;

Sb——研究末期某種土地利用類型的面積;

t——時間間隔。

2.2 LUCC轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用(Land Use/Cover Change,LUCC)轉(zhuǎn)移矩陣是單位時間內(nèi)不同土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化的過程,可反映出土地轉(zhuǎn)移前后不同用地類型的面積[7-10]。計算公式為

(2)

式中:U——轉(zhuǎn)移面積;

i——時間間隔前的土地利用類型;

j——時間間隔后的土地利用類型;

Uij——i土地類型轉(zhuǎn)為j土地類型的面積。

2.3 CA-Markov模型

運(yùn)用IDRISI17.0軟件構(gòu)件CA-Markov模型,以2015年土地利用分類數(shù)據(jù)和2010—2015年的轉(zhuǎn)換規(guī)則,應(yīng)用CA-Markov模型對2020年研究區(qū)土地利用分類現(xiàn)狀進(jìn)行模擬[11-13]。運(yùn)用真實的2020年土地利用分類數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行精度檢驗,以此驗證模型精度。然后對城市擴(kuò)張精度進(jìn)行計算,當(dāng)模擬結(jié)果達(dá)到一定精度時,確定模型參數(shù)并構(gòu)建研究區(qū)預(yù)測模型,預(yù)測出2025年研究區(qū)的土地利用狀況以及城市擴(kuò)張情況[14-15]。

3 土地利用動態(tài)變化分析

3.1 土地利用類型

通過ArcGIS10.6統(tǒng)計分析功能,計算2010、2015、2020年3期土地類型面積數(shù)據(jù)(表1)。由表1可以看出,林地面積占比最大,占雞西市總面積的50%以上,10年來呈現(xiàn)先下降后上升的變化特征;耕地面積占比保持在34%左右,面積占比保持相對穩(wěn)定,單一動態(tài)度為0.23%;建設(shè)用地面積占比處于持續(xù)上升的狀態(tài),是研究區(qū)面積增長率最高的土地類型,但近十年的增長速率有所下降,單一動態(tài)度從4.43%下降到0.77%;草地面積呈先上升后下降的態(tài)勢,2010—2015年面積增長7.88 km2,2015—2020年單一動態(tài)度下降至17.49%;未利用地是面積占比最少的土地類型,面積呈下降的發(fā)展趨勢。

表1 2010—2020年雞西市土地利用/覆被類型動態(tài)變化

3.2 LUCC矩陣分析

文中運(yùn)用ArcGIS10.6的空間分析和區(qū)域制表統(tǒng)計分析功能,分別計算出2010—2015、2015—2020年的LUCC矩陣,結(jié)果如表2、3所示。由表2、3可知,2010—2015年,雞西市土地利用面積保持增長趨勢的用地類型分別為耕地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。其中,建設(shè)用地面積增長幅度最大,增長量為45.02 km2,主要來自耕地和林地;其次耕地增長量為15.78 km2,主要來自林地,盡管兩種類型之間存在相互轉(zhuǎn)換,但耕地的轉(zhuǎn)出量遠(yuǎn)小于林地。水域和未利用地由于其本身面積較小,總體變化程度不明顯。2015—2020年間,耕地面積繼續(xù)增加,但相較于2010—2015年增加量明顯下降,增長態(tài)勢更趨于平穩(wěn)。建設(shè)用地增長量為7.78 km2,耕地仍然是其主要來源。林地由2010—2015年的下降趨勢轉(zhuǎn)換為當(dāng)前的上升趨勢,且2015—2020年的增長量明顯高于其他土地利用類型。草地轉(zhuǎn)出量明顯增加,轉(zhuǎn)入耕地和林地的量基本持平。

表2 雞西市2010—2015年LUCC矩陣

表3 雞西市2015—2020年LUCC矩陣

雞西市作為典型的煤炭資源型城市,城市發(fā)展?fàn)顩r與煤炭資源產(chǎn)業(yè)緊密相關(guān),城市建設(shè)大多是依礦而建[1]。2010—2015年雞西市處于發(fā)展成熟期,雞西市煤炭資源相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)推動能力呈穩(wěn)步增長狀態(tài),從數(shù)據(jù)中可以看出,2010—2015年城市增長速率較快,符合當(dāng)時雞西市發(fā)展?fàn)顟B(tài)。且該時期雞西市大力實施農(nóng)田保護(hù)政策,耕地面積大幅增加,說明當(dāng)前對耕地和基本農(nóng)田的保護(hù)起到了一定的成效,土地集約利用發(fā)展得到重視。從2015—2020年的數(shù)據(jù)來看,城市建設(shè)用地擴(kuò)張依然十分明顯,但隨著雞西市煤炭產(chǎn)量下降,總體經(jīng)濟(jì)增長速度減緩,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)面臨轉(zhuǎn)型,所以相較上一個發(fā)展周期城市建設(shè)用地擴(kuò)張速度也有所減緩。耕地面積增長曲線趨于平穩(wěn),耕地保護(hù)效果維持良好,說明雞西市耕地保護(hù)政策在一定程度上取得了成效。

3.3 建設(shè)用地時空變化分析

從建設(shè)用地的空間位置變化上來看(圖3),2010—2015年雞西市的建設(shè)用地擴(kuò)張情況主要發(fā)生在雞冠區(qū)、城子河區(qū)、滴道區(qū)。

圖3 研究區(qū)城市用地擴(kuò)張空間分布Fig.3 Spatial distribution of urban land expansion in research area

自然因素是影響雞西市空間格局變化的因素之一,雞冠區(qū)、城子河區(qū)地勢較平坦,是城市發(fā)展的理想環(huán)境,相較于地形起伏大的地區(qū)更利于用地擴(kuò)張。同時,結(jié)果反映出的雞西市擴(kuò)張情況與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r及政策導(dǎo)向相符,雞西市在2012年提出打造“四區(qū)一縣”主城區(qū)規(guī)劃,發(fā)展“四區(qū)一縣”在地域上緊密相連,實現(xiàn)了擴(kuò)大主城區(qū)規(guī)模的目標(biāo);園區(qū)建設(shè)促進(jìn)用地擴(kuò)張,該時段研究區(qū)煤炭行業(yè)處于成熟階段,伴隨著市場需求增多與煤炭相關(guān)的產(chǎn)業(yè)園區(qū)逐漸出現(xiàn),增加了對城市用地的需求,如該時期雞冠區(qū)的煤化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)、雞西產(chǎn)業(yè)園區(qū)、雞西煤機(jī)產(chǎn)業(yè)園區(qū)[1]以及政府規(guī)劃的雞冠新區(qū)都位于西南部,使得雞冠區(qū)建設(shè)用地向西南方向發(fā)展;位于雞西市西側(cè)的平崗煤礦、穆棱煤礦和盛和煤礦的進(jìn)一步開發(fā),也促進(jìn)了城子河區(qū)、滴道區(qū)建設(shè)用地向西南方向擴(kuò)張?？傊?在煤炭產(chǎn)業(yè)及規(guī)劃的引導(dǎo)下,雞西市的擴(kuò)張方向以西南為主,且建設(shè)用地逐漸聚攏。

2015—2020年雞冠區(qū)、城子河區(qū)、滴道區(qū)、梨樹區(qū)發(fā)展迅速。該時段研究區(qū)煤炭行業(yè)逐漸衰退,市場需求降低,相較于2010—2015年城市用地的需求降低,但經(jīng)濟(jì)發(fā)展提速的同時用地需求仍存在不同程度的增加。穆棱河處于雞冠區(qū)與城子河區(qū)的交界處,雞冠區(qū)和城子河區(qū)的建設(shè)用地從建成區(qū)邊緣向穆棱河方向發(fā)展,滴道區(qū)、梨樹區(qū)建設(shè)用地的發(fā)展方向依然同2010—2015年一致。該時段雞西市完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的力度加大,城市的發(fā)展對土地利用提出了更高的要求。該時期穆棱河生態(tài)環(huán)境得到綜合治理,穆棱河眾興大橋、團(tuán)結(jié)高速公路互通橋等工程竣工通車,穆棱河周邊基礎(chǔ)設(shè)施更加完善,能夠充分發(fā)揮交通驅(qū)動力對城市擴(kuò)張的引導(dǎo)性作用;同時雞西市在穆棱河周邊發(fā)展“四新經(jīng)濟(jì)”,促使主城區(qū)朝穆棱河方向發(fā)展,且雞西市土地利用粗放發(fā)展模式得到改善,建設(shè)用地集約化程度不斷加強(qiáng)。

4 土地利用模擬及預(yù)測

4.1 CA-Markov模擬結(jié)果評價

文中采用在IDRISI17.0軟件中實現(xiàn)CA-Markov模型進(jìn)行模擬。首先,利用2010和2015年土地利用數(shù)據(jù),設(shè)置誤差參數(shù)為0.15、間隔年為5 a,得到2010—2015年的轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用類型轉(zhuǎn)換概率;然后設(shè)置迭代次數(shù)為5次、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的5×5鄰接過濾器,以2015年為基準(zhǔn),得到2020年的土地利用變化模擬結(jié)果(圖4)。與2020年真實數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,Kappa系數(shù)為0.80,該值大于0.75,表示一致性程度很高。

對模擬結(jié)果進(jìn)行土地類型重新分類,得到2020年城市格局圖(圖5a),與真實城市格局(圖5b)進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)整體城市擴(kuò)張趨勢相似,但在東北區(qū)域的雞冠區(qū)與城子河區(qū)交界處以及西南區(qū)域的梨樹區(qū)存在一定差異。采用“點對點”的方式進(jìn)行精度驗證,得出城市擴(kuò)張模擬的準(zhǔn)確率為0.92,能夠滿足研究需要。

圖5 模擬結(jié)果對比Fig.5 Comparison of simulation results

4.2 預(yù)測結(jié)果分析

利用2015—2020年土地利用分類數(shù)據(jù),預(yù)測2025年LUCC模擬結(jié)果(圖6),并計算出2020—2025年的LUCC矩陣(表4)。結(jié)果顯示,除耕地面積減少了116.67 km2之外,其他土地類型面積均呈現(xiàn)上升趨勢,其中林地面積增長最多為88.65 km2,且主要來源于耕地退化;而城市建設(shè)用地將持續(xù)以侵占耕地和林地為主,但侵占的速率有所下降。

表4 模擬雞西市2020—2025年LUCC矩陣

圖6 2025年土地利用預(yù)測結(jié)果Fig.6 Land use prediction results in 2025

從城市建設(shè)用地擴(kuò)張的空間位置變化(圖7)上來看,未來五年研究區(qū)建設(shè)用地仍呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張的趨勢。具體來說,滴道區(qū)以向東擴(kuò)張為主,城子河區(qū)和雞冠區(qū)通過內(nèi)部填充實現(xiàn)建設(shè)用地的擴(kuò)張,這三個地區(qū)通過對耕地的侵占,呈現(xiàn)出進(jìn)一步集中的趨勢;城市東部恒山區(qū)將通過侵占林地的方式,逐漸往主城區(qū)方向發(fā)展;此外,其他地區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張趨勢相對比較松散。

圖7 雞西市2020—2025年建設(shè)用地擴(kuò)張空間格局Fig.7 Spatial pattern of construction land expansion in Jixi city from 2020 to 2025

這些變化與未來城市發(fā)展規(guī)劃政策相符,雞西市“十四五”規(guī)劃指出,加強(qiáng)恒山石墨產(chǎn)業(yè)園區(qū)配套設(shè)施建設(shè);加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和雞冠產(chǎn)業(yè)園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);建設(shè)城子河礦業(yè)博物館來發(fā)展地域文化且加快城子河區(qū)文化娛樂中心建設(shè);在各區(qū)縣打造特色商圈并發(fā)展倉儲物流。上述發(fā)展規(guī)劃皆體現(xiàn)了用地需求。在提升城市承載力方面,“十四五”期間,以雞冠區(qū)為中心,以城子河區(qū)為重點,以恒山區(qū)、滴道區(qū)為兩翼,實施北聯(lián)、南拓、東進(jìn)、西躍發(fā)展戰(zhàn)略,拉開中心城區(qū)發(fā)展框架,拓展城市發(fā)展空間,推動城市區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展,實現(xiàn)穆棱河兩岸共同繁榮。

5 結(jié) 論

(1)在研究期間,盡管雞西市的建設(shè)用地面積持續(xù)增長,但增長速率由2010—2015年的45.02 km2下降到了7.78 km2,城市環(huán)繞著穆棱河不斷集中擴(kuò)張,形成了以雞冠區(qū)、城子河區(qū)和滴道區(qū)為主的發(fā)展中心,城市的粗放式擴(kuò)張逐漸得到改善。

(2)采用CA-Markov模型模擬了雞西市2020年的城市建設(shè)用地空間格局,與真實城市格局進(jìn)行比較后,模擬精度達(dá)到了0.92,反映出該模型能夠有效應(yīng)用于本文研究。

(3)預(yù)測出雞西市2025年的城市擴(kuò)張情景,結(jié)果顯示耕地和林地將繼續(xù)成為建設(shè)用地的主要侵占土地類型,且城市不斷聚集,集約化程度將進(jìn)一步加強(qiáng)。

(4)建設(shè)用地變化主要受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、市場需求和自然情況的影響,國家政策在一定程度上也影響著城市發(fā)展的方向。