“兩型社會”建設下的長沙市土地利用結(jié)構預測研究

范國兵

（湖南財政經(jīng)濟學院，湖南 長沙 410205）

1 引言

土地利用是人類活動對自然環(huán)境施加影響的顯著表現(xiàn)形式之一，把握土地利用結(jié)構，了解土地利用變化特征、預測未來土地利用結(jié)構的情況，有利于合理、高效的利用土地，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供重要決策.合理的土地利用結(jié)構能保證土地利用系統(tǒng)的良性循環(huán)，提高土地利用的綜合效益，促進區(qū)域國民經(jīng)濟各部門協(xié)調(diào)發(fā)展.因此，研究區(qū)域土地利用結(jié)構動態(tài)變化是研究一個地區(qū)自然資源和社會經(jīng)濟發(fā)展狀況的重要途徑[1].

土地結(jié)構預測是借助一定的數(shù)學模型和方法，定量的說明土地利用結(jié)構變化的趨勢和過程，從而為區(qū)域的土地利用規(guī)劃和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù).隨著2007年12月長株潭兩型社會的確立，該區(qū)域已經(jīng)成為研究的熱點.土地利用結(jié)構預測研究常用模型有Markov模型、GM（1，1）模型、多元回歸模型等[2]，其中 Markov模型理論根據(jù)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率預測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，適合于隨機性序列的預測，GM（1，1）灰色模型適用于較短時間內(nèi)數(shù)據(jù)較少、波動不大的系統(tǒng)對象.本文分別建立Markov模型、GM（1，1）模型，對長沙市未來幾年土地利用結(jié)構變化進行預測，并將預測結(jié)果相互驗證與對比分析，以提高預測精度與可信度.

2 研究區(qū)概況

湖南省省會長沙市，位于湘東一湘中偏北部，處湘江下游，地理坐標為：東經(jīng) 111°53′～114°15′，北緯27°51′～28°40′之間，位于長江三角洲城市群為核心的長三角經(jīng)濟圈和以珠三角為核心的珠三角經(jīng)濟圈的結(jié)合部，是長三角、珠三角向內(nèi)陸擴展的必經(jīng)之路，又位于上海、廣州、重慶、武漢四大全國性商貿(mào)中心的聚福交錯地帶，發(fā)揮著承東啟西、連南接北的樞紐作用，扼南北要沖，素有“荊豫唇齒，黔粵咽喉”之稱.東西最大跨度233km，南北最大距離90km，呈東西向長條形狀.轄芙蓉區(qū)、天心區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)、岳麓區(qū)、望城區(qū)、長沙縣、瀏陽市及寧鄉(xiāng)縣共六區(qū)三縣（市）.

截止到2010年年末，長沙市土地總面積1181962.71公頃，其中農(nóng)用地996395.78公頃，監(jiān)事會用地145066.79公頃，未利用地40500.14公頃，耕地289115.43公頃，園地21224.13，林地587750.50公頃，其它農(nóng)用地98305.52公頃，全市居民點及工礦用地125744.38公頃，其中城鎮(zhèn)用地32707.57公頃，農(nóng)村居民點用地79328.06公頃，獨立工礦用地11632.50公頃，交通用地10947.91公頃，水利設施用地8374.50公頃，未利用地40500.14公頃.

3 Markov預測模型

3.1 模型原理

Markov預測法是由原蘇聯(lián)數(shù)學家馬爾科夫（Markov）于20世紀初發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，分析隨機事件未來發(fā)展變化趨勢及可能結(jié)果，其預測對象的變化常受各種不確定因素的影響而帶有隨機性[4].土地利用結(jié)構Markov預測的原理是根據(jù)土地利用系統(tǒng)的初始狀態(tài)，推斷系統(tǒng)在某一時刻可能所處的狀態(tài)，Markov過程是一種特殊的隨機過程，即隨機過程X(t)在時刻(n+1)狀態(tài)的概率分布只與時刻n的狀態(tài)有關，而與n以前的狀態(tài)無關.運用Markov模型關鍵是確定土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)移概率矩陣，其數(shù)學表達式為：

其中pij表示研究時段內(nèi)土地利用類型i轉(zhuǎn)移為土地利用類型j的轉(zhuǎn)移概率；S(0)為預測初期土地利用狀態(tài)；S(k)為預測地類在t=k時刻的狀態(tài)；P為一步轉(zhuǎn)移概率矩陣；S(k+1)為預測地類在t=k+1時的狀態(tài)，即預測結(jié)果.

3.2 模型構建

根據(jù)長沙市2001-2005年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，將土地劃分為耕地、園地、林地、牧草地、居民點及工礦用地、交通用地、水域用地和未利用地，分別統(tǒng)計各類土地利用類型占總面積的百分比統(tǒng)計表[3]（表1），并計算出長沙市2001-2005年土地利用結(jié)構年均轉(zhuǎn)移概率矩陣（表2）.為了驗證轉(zhuǎn)移概率矩陣的精確性，以2005年的土地利用數(shù)據(jù)作為原始矩陣，預測2010年的土地利用結(jié)構狀況，并與實際值比較（見表3），由表3，實際值與預測值相對誤差基本控制在2%以內(nèi).因此，所建立的Markov轉(zhuǎn)移概率矩陣精度較高，可用于預測.

表1、表3反映出長沙市土地利用結(jié)構有一定的變化，但總體趨于穩(wěn)定.基本變化趨勢為：耕地、林地、園地、水域和未利用土地的面積逐年減少，而居民點及工礦用地、交通用地和草地面積不斷增加，比例上升.

表1 2001-2005年長沙市土地利用結(jié)構百分比

表2 長沙市2001-2005年土地利用結(jié)構年均轉(zhuǎn)移概率矩陣

表3 長沙市土地利用結(jié)構Markov模型預測

4 GM（1，1）灰色系統(tǒng)預測模型

GM（1，1）灰色系統(tǒng)模型預測方程為[4]：

式子中a為發(fā)展灰數(shù)，u為內(nèi)生控制灰數(shù).據(jù)此可以計算出所要計算的預測指標值為：

通過對模型進行后驗差檢驗來分析模型的可靠性，分別計算觀察數(shù)據(jù)離差s1、殘差離差s2、后驗比c及小誤差概率p：

根據(jù)后驗比c和小誤差概率p對模型進行診斷，當p>0.95和c<0.35時，認為模型可靠有效，可利用模型對系統(tǒng)進行預測.

根據(jù)長沙市2001～2005年土地利用變更數(shù)據(jù)，分別代入GM(1,1)模型公式(5)～(8)計算，結(jié)果如表4所示.由GM(1,1)模型預測結(jié)果得出各土地利用類型變化趨勢：耕地、園地、林地、未利用地將減少,而牧草地、及各建設用地呈增加趨勢.同時通過對該模型預測結(jié)果的診斷檢驗:c值均小于0.35,而p值大于0.95,說明該模型能較好地預測長沙土地利用結(jié)構變化情況.為了方便與Markov預測值進行比較,也分別計算出2013、2016年預測值.

表4 長沙市土地利用結(jié)構GM（1，1）模型預測

5 預測結(jié)果對比與修正

對比GM(1,1)與Markov模型預測結(jié)果，相對誤差基本控制在2%以內(nèi).同時兩種預測方法得出各地類變化趨勢一致,相應年份預測值吻合度較高,說明預測結(jié)果比較可信.一般來說，GM(1,1)模型用于短期預測較準確，而Markov用于中長期預測偏差較小.為使預測結(jié)果更準確，充分考慮兩種模型的特點，結(jié)合實地調(diào)查及專家咨詢確定兩種模型預測值在2013年和2016年的權重，GM(1,1)模型分別取0.6，0.4，Markov模型分別取0.4，0.6，然后利用加權平均法計算最終預測結(jié)果(表5).

表5 長沙市土地利用結(jié)構加權修正預測結(jié)果

6 結(jié)論

根據(jù)長沙市2001-2005年土地利用結(jié)構的平均轉(zhuǎn)移概率矩陣,應用Markov理論構建土地利用結(jié)構的預測模型，模擬并檢驗當前的土地利用結(jié)構,發(fā)現(xiàn)模擬值與實際值基本吻合，表明應用Markov鏈預測長沙市未來土地利用結(jié)構的變化是可行的.基于同一套數(shù)據(jù)，應用GM(1,1)模型預測長沙市土地利用變化情況,并通過后驗差檢驗保證了預測值的可信度.為減小預測偏差,最后采用加權平均值法計算預測結(jié)果.預測結(jié)果表明：未來長沙市的土地利用結(jié)構變化將呈現(xiàn)耕地、林地比例持續(xù)下降，城鎮(zhèn)建設用地比例持續(xù)上升的發(fā)展特征.這種發(fā)展趨勢反映出：一方面，隨著“兩型社會”建設的不斷推進，人口持續(xù)增加，經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化、工業(yè)化進程加快，加速了農(nóng)用地向非農(nóng)業(yè)建設用地的轉(zhuǎn)化，對城鎮(zhèn)建設用地的需求不斷增加；另一方面，面對社會經(jīng)濟驅(qū)動，用地需求主要是通過占用耕地、林地等來緩解的，這樣勢必加劇了非農(nóng)業(yè)建設用地與農(nóng)業(yè)用地的矛盾，也對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大的壓力，在一定程度上反映了農(nóng)業(yè)發(fā)展和非農(nóng)經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾，經(jīng)濟建設用地需求與耕地、生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾.

基于上述研究結(jié)論，長沙市應在“兩型社會”建設不斷推進的大背景下，緊緊圍繞“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的建設要求，制定合理的土地可持續(xù)利用政策，調(diào)整土地利用結(jié)構，合理布局.在保護耕地和生態(tài)環(huán)境的前提下，適當限制城鎮(zhèn)建設用地的擴展規(guī)模和速度，通過內(nèi)涵挖潛的方式，建立土地集約利用體制，提高土地資源的利用效率，從而實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟的健康發(fā)展.

〔1〕居玲華，等.基于Markov和GM(1,1)模型的土地利用結(jié)構預測 [J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究,2009，25(2):138-142.

〔2〕肖志坤.長沙市土地利用結(jié)構預測及其驅(qū)動力研究[J].水土保持通報，2012，32（2）：142-146.

〔3〕周子英，等.長沙市土地利用結(jié)構信息熵時空變化研究[J].經(jīng)濟地理,2012,32（4）：124-129

〔4〕徐建華.現(xiàn)代地理學中的數(shù)學方法[M].北京:高等教育出版社,2002.65-125.