3條控制線約束下的哈密市土地利用變化分析及預(yù)測(cè)研究

馬瑞云 張永福

摘要 [目的]掌握哈密市土地利用動(dòng)態(tài)變化情況，為當(dāng)?shù)氐耐恋刭Y源合理開發(fā)與發(fā)展規(guī)劃提供參考。[方法]基于2010—2020年共3期土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，整合耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、未利用地6種土地利用類型，在IDRISI中，以基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、生態(tài)保護(hù)紅線、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界3條控制線作為主要約束條件，使用CA-Markov模型對(duì)哈密市土地利用類型的空間分布與時(shí)空變化進(jìn)行分析，并對(duì)2025年哈密市土地利用情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。[結(jié)果]2010—2020年哈密市耕地、林地、水體、建設(shè)用地面積增加，草地、未利用地面積減少;各地類之間互相轉(zhuǎn)化，其中建設(shè)用地與水體變化幅度大，變化速率較快;CA-Markov預(yù)測(cè)模型精度為0.813 4，結(jié)果能夠揭示哈密市土地利用時(shí)空演變趨勢(shì)。[結(jié)論]在3條控制線約束下得到的預(yù)測(cè)結(jié)果證明2015—2025年變化趨勢(shì)與2010—2020年的變化趨勢(shì)基本一致，該方法預(yù)測(cè)得到的結(jié)果可為哈密市土地資源利用管理提供一定的科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞 土地利用變化;三條控制線;CA-Markov模型;哈密市

中圖分類號(hào) F 301.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）23-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.23.021

Analysis and Prediction of Land Use Change in Hami City under the Constraints of Three Control Lines

MA Rui-yun1，2， ZHANG Yong-fu1，2

（1.College of Resources and Environment Science， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046; 2. Key Laboratory of Oasis Ecology， Ministry of Education， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046）

Abstract [Objective] To grasp the dynamic changes of land use in Hami City and provide references for the rational development and development planning of local land resources.[Method] Based on the three periods of land use data from 2010 to 2020， combined with regional characteristics， six land use types of cultivated land， forest land， grassland， water area， construction land and unused land were integrated. In IDRISI， three control lines of basic farmland protection area， ecological protection red line and urban development boundary were taken as the main constraints， the spatial distribution and temporal and spatial change of land use types in Hami City were analyzed by CA-Markov model， and the land use situation in Hami City in 2025 was predicted.[Result] From 2010 to 2020， the area of arable land， forest land， water area， and construction land in Hami City increased， while the area of grassland and unused land decreased; there were mutual transformations among various types， among which construction land and water area changed greatly and the rate of change was rapid; the accuracy of Markov prediction model is 0.813 4， and the results could reveal the spatial-temporal evolution trend of land use in Hami City.[Conclusion] The prediction results obtained under the constraints of the three control lines proved that the change trend from 2015 to 2025 was basically the same as the change trend from 2010 to 2020. The results predicted by this method could provide a certain degree of science reference for land resource utilization and management in Hami City.

Key words Land use change;Three control lines;CA-Markov model;Hami City

作者簡(jiǎn)介 馬瑞云（1994—），男，新疆塔城人，碩士研究生，研究方向：國(guó)土資源管理信息技術(shù)。通信作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事國(guó)土資源評(píng)價(jià)方向的研究。

收稿日期 2021-03-09;修回日期 2021-04-07

土地資源作為人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，研究土地利用覆被變化（Land use cover change，LUCC）能讓我們更好地理解地表的物質(zhì)循環(huán)與社會(huì)發(fā)展的規(guī)律[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)土地資源的需求量日益增長(zhǎng)，20世紀(jì)90年代后，全球環(huán)境變化與經(jīng)濟(jì)等研究領(lǐng)域逐漸加強(qiáng)了對(duì)LUCC的研究，國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）和全球變化人文因素計(jì)劃（IHDP）發(fā)布與推廣了一系列的科學(xué)研究計(jì)劃，LUCC成為近20余年全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)之一[2]。許多學(xué)者分別對(duì)不同區(qū)域大小與不同研究方法進(jìn)行了研究，以了解不同研究區(qū)域使用不同研究方法的差異與實(shí)際土地利用變化的過程及其變化方向的耦合程度[3-6]。如郝景瑩[7]從“土地利用/土地覆蓋變化”的含義及研究?jī)?nèi)容出發(fā)，概括分析了土地利用變化模型的建立方法，闡述了各類模型的內(nèi)涵及在土地利用變化研究中的意義;范澤孟等[8]通過對(duì)LUCC模型使用趨勢(shì)的研究，對(duì)LUCC與其主要驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系在局地、區(qū)域和全球尺度上的動(dòng)態(tài)和后果有了更好的理解;楊國(guó)清等[9]利用馬爾科夫元胞自動(dòng)機(jī)從斑塊和景觀2個(gè)層次對(duì)廣州景觀格局指數(shù)變化進(jìn)行了研究;Sang等[10]對(duì)城鎮(zhèn)與農(nóng)村2個(gè)層次使用了CA-Markov模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，驗(yàn)證了多層次的CA-Markov模型能夠提升預(yù)測(cè)精度;楊春霞等[11]對(duì)三江平原土地利用變化與驅(qū)動(dòng)力的研究表明，國(guó)家政策與市場(chǎng)對(duì)土地利用格局變化有不可忽視的作用。

哈密市位于新疆東部，與甘肅省接壤，是新疆與內(nèi)地交流的咽喉之道。隨著哈密市成為新疆能源開發(fā)與西電東送的重要節(jié)點(diǎn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使哈密市土地利用發(fā)生了較明顯的變化。為了落實(shí)國(guó)家“綠水青山就是金山銀山”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)哈密市區(qū)域內(nèi)的土地利用變化進(jìn)行分析并通過3條控制線約束預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，有助于了解區(qū)域內(nèi)土地利用變化情況。但目前關(guān)于哈密市的土地利用變化研究均未將“三線”作為CA-Markov土地利用變化預(yù)測(cè)中的限制因素，預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)法與當(dāng)?shù)貙?shí)際相結(jié)合。筆者獲取哈密市2010—2020年共3期LUCC數(shù)據(jù)、哈密市基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)、哈密市最新劃定生態(tài)保護(hù)紅線、哈密市城鎮(zhèn)開發(fā)邊界數(shù)據(jù)，使用地理信息系統(tǒng)（GIS）并結(jié)合地理學(xué)數(shù)學(xué)方法，對(duì)2010—2020年哈密市土地利用變化進(jìn)行分析，并利用CA-Markov模型結(jié)合哈密市“三線”對(duì)其2025年土地利用情況進(jìn)行模擬研究，以期對(duì)哈密市土地利用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行合理分析預(yù)測(cè)，為哈密市國(guó)土空間規(guī)劃等相關(guān)土地利用應(yīng)用提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

哈密市位于91°06′33″～96°23′00″E、40°52′47″～45°05′33″N，位于新疆維吾爾自治區(qū)最東端，東與甘肅省酒泉市相鄰，是新疆與祖國(guó)內(nèi)地連接的咽喉，哈密市下轄伊州區(qū)、巴里坤哈薩克族自治縣、伊吾縣（圖1）。哈密市屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，干燥少雨，晴天多，年平均氣溫9.8 ℃，年降水量33.8 mm，年均日照3 358 h[12]，2019年末戶籍人口55.76萬(wàn)，地區(qū)生產(chǎn)總值約604.82億元。哈密市礦產(chǎn)資源豐富，煤、鐵、銅、鎳、黃金、鹽、芒硝、石材等礦產(chǎn)儲(chǔ)量與品位位居新疆前列，是新疆資源經(jīng)濟(jì)的重要中心。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

該研究中，土地利用數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.com），2010、2015、2020年3年的土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為30 m，路網(wǎng)水系數(shù)據(jù)來自O(shè)pen Street Map（https：//www.openstreetmap.org/），哈密市基本農(nóng)田保護(hù)圖斑、哈密市城鎮(zhèn)開發(fā)邊界、哈密市第3次全國(guó)土地調(diào)查數(shù)據(jù)來源于哈密市自然資源局，哈密市最新生態(tài)紅線劃定結(jié)果數(shù)據(jù)來源于哈密市生態(tài)環(huán)境局。中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的土地利用數(shù)據(jù)是以美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat系列遙感影像作為主要信息源，利用人機(jī)交互的方法進(jìn)行目視解譯，建成的多時(shí)期LUCC數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)在LUCC研究中應(yīng)用廣泛，將2020年數(shù)據(jù)與哈密市第3次全國(guó)土地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，精度可達(dá)85%以上，可信度較高。

1.3 研究方法

為了科學(xué)準(zhǔn)確研究哈密市土地利用時(shí)空演變及預(yù)測(cè)未來土地利用狀況，擬采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，土地利用動(dòng)態(tài)度對(duì)哈密市當(dāng)前土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，利用CA-Markov進(jìn)行“三線”約束下的哈密市2025年土地利用情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來源于對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與轉(zhuǎn)移狀態(tài)的量化描述，能夠直觀地反映土地利用類變化的轉(zhuǎn)化數(shù)量、結(jié)構(gòu)特征與轉(zhuǎn)移方向，其數(shù)學(xué)形式如下：

Sij=

S11…S1n

Sn1…Snn

式中，Sij為研究初期i類土地利用類型到研究末期轉(zhuǎn)為j類土地利用類型的面積，n為土地利用類型。轉(zhuǎn)移矩陣的每行數(shù)值總和表示研究初期該土地利用類型的總面積，代表該土地類型的轉(zhuǎn)移去向和大小;每列數(shù)值總和表示研究末期該土地類型的總面積，包括該土地類型的所有轉(zhuǎn)入類型及大小[4]。

1.3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度。土地利用動(dòng)態(tài)度模型分為單一動(dòng)態(tài)度（K）和綜合動(dòng)態(tài)度（LC），可定性和定量地描述土地利用的變化速率[13]。該研究主要使用 K 來衡量某種具體土地利用類型在一定時(shí)間內(nèi)的變化速度和幅度。計(jì)算公式如下：

K=Ubi-UaiUai×1T×100%

式中，Uai、Ubi分別為研究初期和研究末期土地利用類型 i 的面積，km2;T為研究時(shí)長(zhǎng)。

1.3.3 CA-Markov耦合模型。CA和Markov是時(shí)間、空間及狀態(tài)均呈離散特征的動(dòng)力學(xué)模型，其中CA模型能夠較好地對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)空模擬，Markov模型可實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)量上的增加，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)土地覆蓋時(shí)空演化規(guī)律[14]，綜合利用CA和Markov模型可實(shí)現(xiàn)模擬和預(yù)測(cè)未來土地覆蓋變化的目的，模型計(jì)算公式如下：

CA模型計(jì)算原理：

S″t+1=（Ud，S″t，Nt，f）

式中，S″t+1、S″t分別為t+1、t時(shí)刻的元胞狀態(tài)，Ud為d維的網(wǎng)格單元，Nt為t時(shí)刻鄰居的狀態(tài)組合，f為轉(zhuǎn)換規(guī)則。

Markov模型計(jì)算原理：

St+1=Pij×St

式中，St、St+1分別為t、t+1時(shí)刻地表土地覆蓋的狀態(tài)，Pij為某狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

該研究中使用CA-Markov模型，借助IDRIDSI軟件，以2010和2015年土地利用分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)2020年土地利用情況并與2020年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型預(yù)測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證，最終以2015、2020年2期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將哈密市基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、哈密市生態(tài)保護(hù)紅線作為限制建設(shè)用地變化的區(qū)域、將城鎮(zhèn)開發(fā)邊界作為建設(shè)用地可擴(kuò)展區(qū)域，在IDRISI軟件中對(duì)2025年哈密市土地利用類型進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)預(yù)測(cè)的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，使用ENVI軟件獲得Kappa值。

2 結(jié)果與分析

2.1 2010—2020年土地利用空間分布

通過土地利用變化數(shù)據(jù)分類得到2010、2015、2020年各地類面積，如圖2所示。由圖2可知，處于干旱區(qū)半干旱區(qū)的哈密市未利用地分類最廣，主要是荒漠與稀疏草地構(gòu)成的未利用地，其中伊州區(qū)南部未利用地面積最廣;建設(shè)用地主要集中在伊州區(qū)、巴里坤哈薩克自治縣、伊吾縣縣城的鄉(xiāng)鎮(zhèn)與廣布的礦場(chǎng);耕地主要分布在伊州區(qū)、巴里坤哈薩克自治縣、伊吾縣縣城周邊;林地主要分布在天山山脈;水域主要集中在天山山脈冰川與伊吾—巴里坤盆地的主要湖庫(kù)。

2.2 土地利用面積比例分析

哈密市土地利用類型面積情況如表1所示，哈密市2010—2020年期間土地利用面積占比最大的是未利用地，這與哈密市位于干旱及半干旱區(qū)有關(guān)，建設(shè)用地、耕地以建成區(qū)中心向外圍依次擴(kuò)散;林地、草地分布在天山山脈與建成區(qū)外圍。其中，未利用地、草地面積最大，為106 657.24、27 811.41 km2，分別占哈密市總面積的77.73%、20.27% 。2010、2015、2020年期間哈密市各用地類型面積與綜合占比趨勢(shì)變化不大。其中建設(shè)用地的面積占比雖小，但增長(zhǎng)幅度很大，總體的建設(shè)用地、耕地、林地、水體面積增加，另一方面未利用地與草地面積逐年減少。

2.3 土地類型變化分析

使用IDRISI軟件得到哈密市2010—2020年土地利用變化矩陣（表2）。對(duì)表2進(jìn)行分析得到各地類之間轉(zhuǎn)化的內(nèi)在聯(lián)系。其中，建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積最多，為492.73 km2，主要由未利用地、草地、耕地轉(zhuǎn)入，面積分別為375.88、67.31、45.61 km2;草地面積轉(zhuǎn)出面積排在未利用地轉(zhuǎn)出面積之后，為162.36 km2，但草地轉(zhuǎn)入面積為139.08 km2，因此總體轉(zhuǎn)出量不大;耕地、林地、水體轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積基本均衡;未利用地轉(zhuǎn)出面積最大，為513.76 km2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地與草地?？傮w而言，哈密市土地利用變化內(nèi)部基本均衡，2010—2020年土地利用總體變化情況較為穩(wěn)定。

2.4 土地變化速率分析

根據(jù)土地利用年際變化率公式計(jì)算出哈密市2010—2020年年均土地利用變化速率見表3。表3表明，哈密市建設(shè)用地在2010—2020年間變化速率較大，2010—2015年間年均增長(zhǎng)15.99%，2015—2020年增速有所放緩，但仍屬于增速較快的地類，年均增長(zhǎng)達(dá)7.66%;值得注意的是哈密市耕地在2010—2015年經(jīng)歷了新增土地開發(fā)量大于退耕還林量的緩慢增長(zhǎng)階段，又經(jīng)歷了2015—2020年僅有退耕還林還草無(wú)新開發(fā)耕地的緩慢減少階段，這一結(jié)果與當(dāng)?shù)刈匀毁Y源部門提供的耕地面積變化數(shù)據(jù)基本一致，耕地總體在2010—2020年間維持了穩(wěn)定;林地草地經(jīng)歷了先減少后增多的趨勢(shì)，總體變化不大;未利用地變化面積最大，但因哈密市內(nèi)未利用地面積占行政區(qū)面積的77%以上，所以未利用地面積總體變化速率不大;水體因哈密市新建多座水庫(kù)與河道，總體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

2.5 三線約束下的CA-Markov模型對(duì)未來土地利用類型的模擬預(yù)測(cè)

使用CA-Markov模型對(duì)2020年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，精度達(dá)0.813 4，能比較真實(shí)預(yù)測(cè)出土地利用的實(shí)際變化情況（圖3）。將圖中實(shí)際2020年土地利用數(shù)據(jù)圖像與2020年模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，2020年預(yù)測(cè)土地利用類型在總體細(xì)節(jié)上與2020年沒有較明顯的差異，其原因是哈密市3個(gè)主要建設(shè)區(qū)的發(fā)展基本與其原建設(shè)用地相連，其他地類變化幅度不大，但總體分布與實(shí)際地類分布較為一致，因此可以運(yùn)用CA-Markov模型對(duì)哈密市2025年土地利用類型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。由圖3可知，2025年哈密市土地利用分類情況如下：耕地1 819.28 km2、林地497.55 km2、草地27 812.01 km2、水體284.03 km2、建設(shè)用地1 019.31 km2、未利用地105 786.59 km2，與2010—2020年變化趨勢(shì)基本相同。

3 結(jié)論

對(duì)哈密市2010—2020年土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行演變綜合分析與2025年土地利用情況進(jìn)行預(yù)測(cè)可知：

（1）與2010年相比，2020年哈密市耕地、林地、水體、建設(shè)用地面積增加，具體增加到1 743.63、486.55、240.75、807.74 km2;草地、未利用地面積減少，減少到27 789.25、106 150.85 km2。

（2）從空間格局變化的轉(zhuǎn)移矩陣中可看出，2010—2020年間建設(shè)用地與水體面積轉(zhuǎn)入量明顯大于轉(zhuǎn)出量，其中建設(shè)用地轉(zhuǎn)入492.73 km2，轉(zhuǎn)出9.65 km2;水體轉(zhuǎn)入41.12 km2，轉(zhuǎn)出2.92 km2。耕地與林地變化面積不大，均為轉(zhuǎn)入量大于轉(zhuǎn)出量的地塊，其中耕地轉(zhuǎn)入111.96 km2，轉(zhuǎn)出107.92 km2;林地轉(zhuǎn)入11.00 km2，轉(zhuǎn)出7.11 km2。未利用地與草地均為轉(zhuǎn)出量大于轉(zhuǎn)入量的用地類型，其中未利用用地轉(zhuǎn)入8.63 km2，轉(zhuǎn)出513.76 km2;草地轉(zhuǎn)入139.08 km2，轉(zhuǎn)出162.36 km2。在2010—2020年期間，各地類變化幅度與變化率相對(duì)比較穩(wěn)定，變化率與變化幅度相對(duì)較大的是建設(shè)用地與水體，變化幅度為148.79%、18.86%，年均變化率為14.88%、1.89%。

（3）在哈密市生態(tài)紅線、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的約束下，CA-Markov模型在該次土地利用類型模擬預(yù)測(cè)中精度為0.813 4，可以較準(zhǔn)確的對(duì)未來土地利用的空間分布與數(shù)量范圍進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地面積增加，分別增至1 819.28、497.55、27 812.01、284.03、1 019.31 km2，未利用地長(zhǎng)期呈減少趨勢(shì)，2025年預(yù)測(cè)面積為105 786.59 km2。

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