基于CA-Markov模型的黃土高原土地利用模擬預(yù)測(cè)

李凱，張北贏

（江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

土地利用/覆被變化（Land use and land cover change，LUCC）是人與自然相互作用的直接體現(xiàn)，目前已成為全球變化研究的重要內(nèi)容［1］。LUCC的研究主要體現(xiàn)在時(shí)空特征分析、驅(qū)動(dòng)力分析和環(huán)境效應(yīng)三個(gè)方面，通過(guò)對(duì)土地利用/覆被變化與人類驅(qū)動(dòng)力、全球環(huán)境變化之間相互作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)，建立LUCC模型，從而預(yù)測(cè)土地利用/覆被變化，評(píng)估生態(tài)環(huán)境變化，為區(qū)域土地資源利用、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)［2-4］。

目前用于土地利用變化模擬預(yù)測(cè)的模型很多，如CLUE-S［5］、Logistic回歸模型［6］、灰色模型［7］、元胞自動(dòng)機(jī)模型［8］、多智能體系統(tǒng)［9］等。CA-Markov模型結(jié)合了元胞自動(dòng)機(jī)的空間運(yùn)算能力和馬爾科夫長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，可以有效模擬預(yù)測(cè)土地利用類型的空間格局變化過(guò)程，同時(shí)具有較高的模擬預(yù)測(cè)精度。目前被廣泛用于土地利用變化模擬預(yù)測(cè)方面的研究，并取得了很多研究成果。例如，靳含等［10］基于CA-Markov模型模擬了多時(shí)間跨度下瑪納斯河流域四道河子鎮(zhèn)的土地利用變化；許小娟等［11］結(jié)合CAMarkov模型和MCE法分析了多種情景下江蘇沿海土地類型動(dòng)態(tài)變化；黃康等［12］運(yùn)用CA-Markov和In-VEST模型對(duì)福州新區(qū)生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析土地利用變化對(duì)生境產(chǎn)生的影響。

黃土高原土質(zhì)疏松、降水多集中于夏季，過(guò)度放牧及亂墾濫伐等多種原因?qū)е略搮^(qū)水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱。已有研究表明，該區(qū)生態(tài)環(huán)境退化的主要原因是人類不合理的開(kāi)發(fā)利用；因此自20世紀(jì)中期以來(lái)，開(kāi)展了大量水土保持措施以及退耕還林還草、自然林保護(hù)等生態(tài)工程建設(shè)［13，14］。改善該區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)，對(duì)于生態(tài)環(huán)境具有重要意義。因此本研究基于CA-Markov模型結(jié)合研究區(qū)不同時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)，分析黃土高原土地利用變化特征并預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用格局，為該區(qū)土地利用規(guī)劃、生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原指黃土覆蓋的高原主體及其北部鄰接地區(qū)，是中國(guó)四大高原之一?？臻g范圍上包括太行山以西、日月山—賀蘭山以東、秦嶺以北、陰山以南的廣大區(qū)域，行政區(qū)劃單元包括山西、陜西、河南、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古等七省區(qū)，總面積約為62萬(wàn)km2［15］。該地區(qū)位于干旱半干旱氣候向半濕潤(rùn)氣候的過(guò)渡區(qū)，植被類型與水熱要素的相關(guān)性很強(qiáng)且限制性因素較多。隨著人口的增多以及不合理的土地利用、陡坡開(kāi)墾、植被破壞等原因，導(dǎo)致該區(qū)植被覆蓋率降低，造成強(qiáng)烈的水土流失，加速生態(tài)環(huán)境惡化進(jìn)程［16］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中采用的土地利用數(shù)據(jù)來(lái)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.cn/），分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)集以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過(guò)人工目視解譯生成。本文利用2005、2010、2015年的數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS對(duì)土地利用類型進(jìn)行重分類，最終得到研究區(qū)域耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種土地利用類型。

1.3 CA-Markov模型

1.3.1 CA模型元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular automata，CA）模型的研究于20世紀(jì)40年代開(kāi)始，CA模型是一種時(shí)間、空間和狀態(tài)均離散的動(dòng)力學(xué)模型。該模型具有強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力，采用離散的空間單元進(jìn)行模擬，通過(guò)每個(gè)空間單元的相互作用刻畫出土地變化的過(guò)程，是一類基于系統(tǒng)演化微觀規(guī)則并適合復(fù)雜系統(tǒng)模擬的工具［8，17］。CA模型主要由元胞、狀態(tài)、鄰域和轉(zhuǎn)換規(guī)則4個(gè)基本要素組成：

式（1）中，S表示元胞有限的、離散的狀態(tài)集合；t和t+1表示不同時(shí)刻；N表示元胞的鄰域；f表示局部空間的轉(zhuǎn)化規(guī)則。

1.3.2 Markov模型Markov模型是俄國(guó)數(shù)學(xué)家安德烈·馬爾科夫提出的一種基于馬爾科夫鏈隨機(jī)過(guò)程理論，常用于模擬預(yù)測(cè)無(wú)后效性特征的地理事件的發(fā)生概率。即在事件轉(zhuǎn)移過(guò)程中，事件將來(lái)的狀態(tài)只與現(xiàn)在的狀態(tài)有關(guān)，而與過(guò)去的狀態(tài)無(wú)關(guān)。因此在土地利用變化趨勢(shì)的研究中，可以將土地利用類型變化的過(guò)程看作Markov過(guò)程的“可能狀態(tài)”，土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的面積或比例即為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率［18］，可表示為：

式（2）中，St和St+1分別表示t和t+1時(shí)刻的土地利用狀態(tài)，Pij表示i類土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)閖類土地利用類型的轉(zhuǎn)移概率，可表述為：

式（3）中，n表示土地利用類型，同時(shí)滿足0≤Pij＜1且

1.3.3 CA-Markov預(yù)測(cè)模型CA模型具有較強(qiáng)的空間計(jì)算能力，但僅局限于處理元胞之間的相互作用；Markov模型能夠用于預(yù)測(cè)土地利用類型在一定時(shí)期內(nèi)的數(shù)量變化，但不能處理空間格局的變化。CA-Markov模型綜合了兩種模型的特點(diǎn)，結(jié)合CA處理復(fù)雜系統(tǒng)在空間上變化的能力和Markov在預(yù)測(cè)土地?cái)?shù)量上的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用類型在空間和時(shí)間兩個(gè)方面的動(dòng)態(tài)演變預(yù)測(cè)。本研究利用IDRISI軟件中的Markov和CA-Markov模塊建立土地利用類型的轉(zhuǎn)移面積矩陣和轉(zhuǎn)移概率矩陣，基于轉(zhuǎn)移面積矩陣和轉(zhuǎn)移概率矩陣制定未來(lái)土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用類型變化的模擬預(yù)測(cè)。

在利用CA-Markov模型對(duì)土地利用類型模擬預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)采取等間隔預(yù)測(cè)，即研究初期、末期和預(yù)測(cè)期之間的間隔年份應(yīng)保持一致［19］。因此本研究以2005年和2010年土地利用現(xiàn)狀預(yù)測(cè)2015年土地利用格局，然后與2015年實(shí)際土地利用格局對(duì)比，驗(yàn)證CA-Markov模型的有效性；再以2005年和2015年實(shí)際土地利用現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)2025年的土地利用格局。

1.4 精度檢驗(yàn)

Kappa系數(shù)可以檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性程度，常用于檢驗(yàn)預(yù)測(cè)土地利用變化的精度、遙感影像解譯等研究［20］。Kappa系數(shù)的計(jì)算公式表示為：

式（4）中，Po表示正確模擬的概率；Pc表示模擬預(yù)測(cè)的概率；Pp表示理想模擬概率。Kappa系數(shù)的計(jì)算結(jié)果介于［-1，1］，當(dāng)0.6＜Kappa≤0.8時(shí)，表明具有顯著一致性；當(dāng)0.8＜Kappa≤1時(shí)，表明一致性最好［19］。

1.5 土地利用動(dòng)態(tài)度模型

土地利用的數(shù)量變化可以用土地利用動(dòng)態(tài)度表示，單一土地利用動(dòng)態(tài)度常用于表示某研究區(qū)內(nèi)某種土地類型在一定時(shí)間內(nèi)的變化特征［21］，公式如下：

式（5）中，K表示研究時(shí)段內(nèi)單一土地利用動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別表示研究期初和研究期末的某一土地利用類型的面積；T表示研究時(shí)段長(zhǎng)度。當(dāng)T設(shè)定為年時(shí)，K的值即為研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型的年變化率。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用演變特征

2.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)及變化特征通過(guò)ArcGIS對(duì)研究區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，黃土高原2005、2010、2015年的6類一級(jí)土地利用類型見(jiàn)圖1，3期土地利用結(jié)構(gòu)變化情況見(jiàn)表1。

圖1 黃土高原2005、2010、2015年土地利用分布

表1 黃土高原2005—2015年土地利用結(jié)構(gòu)變化情況

結(jié)合圖1和表1可知，黃土高原主要土地利用類型為草地和耕地，3個(gè)研究時(shí)段的草地和耕地之和均超過(guò)總體面積70%；耕地主要分布于陜西、山西、甘肅和寧夏等省區(qū)，草地主要分布于內(nèi)蒙古、甘肅和青海等省區(qū)。林地面積在2005—2015年期間總體保持在15%左右，變化較小且主要分布于黃土高原東南部和西部地區(qū)。水域所占總面積比例最小，主要分布于黃河流域及其支流沿線。建設(shè)用地主要分布于各省區(qū)的大中小城市，總體占比在逐漸增加；未利用地主要分布于西北部的內(nèi)蒙古境內(nèi)，總體面積占比呈逐漸減小的趨勢(shì)。

表1列出了黃土高原2005—2015年3期土地利用類型的面積變化、百分比及其單一土地利用動(dòng)態(tài)度。具有較高單一動(dòng)態(tài)度的土地利用類型表明其面積變化較大，從表1可以看出建設(shè)用地在2005—2015年單一動(dòng)態(tài)度最大，達(dá)2.52%/a，主要原因可能是城市化進(jìn)程加快；水域的單一動(dòng)態(tài)度變化次之。面積減小的土地利用類型中，未利用地表現(xiàn)最為明顯；耕地和林地的面積也有所減少但總體變化較小。

2.1.2 土地利用空間轉(zhuǎn)移特征通過(guò)建立土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣分析土地利用空間轉(zhuǎn)移特征，黃土高原不同階段的土地利用轉(zhuǎn)化趨勢(shì)見(jiàn)表2。從整個(gè)階段來(lái)看，黃土高原在2005—2015年期間，各類土地利用類型轉(zhuǎn)出面積表現(xiàn)為耕地＞草地＞未利用地＞林地＞水域＞建設(shè)用地。轉(zhuǎn)出面積中耕地最多，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；其次是草地，有1 380 km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；再次為未利用地，主要轉(zhuǎn)為草地；其他幾類土地利用類型轉(zhuǎn)出面積相對(duì)較少。轉(zhuǎn)入面積中建設(shè)用地增加較多，約有4 200 km2其他地類轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，其中以耕地和草地為主；草地在轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的同時(shí)，未利用地轉(zhuǎn)為草地較為顯著，轉(zhuǎn)入面積為1 317 km2；水域面積總體變動(dòng)較小，轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入面積相差不多。

分階段來(lái)看，2005—2010年各地類轉(zhuǎn)出面積表現(xiàn)為耕地＞未利用地＞草地＞水域＞林地＞建設(shè)用地。耕地多轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、草地和建設(shè)用地，未利用地大部分轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，?55 km2。轉(zhuǎn)入面積以草地最多，主要由耕地和未利用地轉(zhuǎn)變而來(lái)；未利用地轉(zhuǎn)入最少。2010—2015年各地類轉(zhuǎn)出面積表現(xiàn)為草地＞耕地＞未利用地＞林地＞水域＞建設(shè)用地。草地和耕地主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)入面積為3 053 km2；未利用地轉(zhuǎn)為各種其他用地，其中又以草地居多。

結(jié)合表1表2數(shù)據(jù)可知，2005—2015年期間，黃土高原土地利用面積增加的有林地、水域和建設(shè)用地，其中以建設(shè)用地增加最多，為4 018 km2；林地和水域分別增加了518 km2和211 km2。面積減少的有耕地、草地和未利用地，耕地和草地共減少2 796 km2；未利用地減少1 951 km2。

表2 黃土高原2005—2015年土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)

2.2.1 預(yù)測(cè)精度檢驗(yàn)基于CA-Markov模型，以土地利用面積、概率轉(zhuǎn)移矩陣和2005年、2010年土地利用類型圖為輸入要素，驗(yàn)證模型的精度。以2005年土地利用類型分布為基礎(chǔ)年份，設(shè)置迭代次數(shù)為5和10，預(yù)測(cè)得到2010年和2015年土地利用類型情況。利用IDRISI軟件的Crosstab模塊驗(yàn)證CA-Markov預(yù)測(cè)模型的精度，得到各類土地模擬Kappa數(shù)據(jù)（表3），研究區(qū)2010年實(shí)測(cè)圖與模擬圖的總體Kappa系數(shù)為0.923 5，2015年實(shí)測(cè)圖與模擬圖的總體Kappa系數(shù)為0.914 2。模擬結(jié)果表明，CA-Markov模型精度較高，可用于黃土高原未來(lái)土地利用格局的模擬預(yù)測(cè)。

表3 黃土高原2010年和2015年土地利用類型模擬Kappa系數(shù)

2.2.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析在模型精度達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，以2015年實(shí)際土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于2005—2015年的土地利用概率轉(zhuǎn)移矩陣，迭代10次，預(yù)測(cè)得到2025年黃土高原土地利用格局。各類土地利用類型的面積及其百分比見(jiàn)表4，2015—2025年耕地、林地、草地和未利用地減少，水域和建設(shè)用地增加。結(jié)合表1中2005—2015年土地利用變化可以看出，2015—2025年總體上保持了2005—2015年的土地利用變化趨勢(shì)，耕地、草地和未利用地減少，水域和建設(shè)用地增加。值得注意的是林地面積的減少，沒(méi)有保持2005—2015年增加的趨勢(shì)，可能是由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，不合理的土地開(kāi)發(fā)導(dǎo)致。同時(shí)通過(guò)對(duì)比兩個(gè)時(shí)段的動(dòng)態(tài)度可以看出，2015—2025年的動(dòng)態(tài)度相比2005—2015年變化較大，可能是由于模擬過(guò)程未能考慮高程、坡度等自然因素和人為因素的影響。

表4 黃土高原2015—2025年土地利用變化

3 討論

1）土地利用/土地覆被變化（LUCC）是目前資源環(huán)境等相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)，對(duì)土地資源的開(kāi)發(fā)利用是一個(gè)綜合自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)諸要素的復(fù)雜過(guò)程，受到諸多方面條件的影響和制約［22］。隨著3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及各種應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和利用，使得土地利用數(shù)據(jù)獲取的精度與準(zhǔn)確度越來(lái)越高。但對(duì)于LUCC的研究不能僅依賴于3S技術(shù)，研究過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注重傳統(tǒng)方法與新技術(shù)的結(jié)合，例如野外考察、實(shí)地訪問(wèn)等傳統(tǒng)方法［23］。

2）黃土高原氣候干旱、水土流失嚴(yán)重，加之長(zhǎng)期過(guò)度的人類活動(dòng)，該區(qū)成為生態(tài)環(huán)境極為脆弱和敏感的地區(qū)［24］。就2005—2015年而言，黃土高原地區(qū)耕地減少、草地退化，建設(shè)用地和水域開(kāi)發(fā)較多，人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響較大。基于CA-Markov模型預(yù)測(cè)黃土高原土地利用格局，雖然結(jié)果顯示2005—2015年與2015—2025年的總體變化趨勢(shì)相似，但各種土地利用類型的變化較大，耕地、林地和草地有較大幅度減少，建設(shè)用地大幅度擴(kuò)張，預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)有的政策相違背。文中對(duì)于2025年的土地利用預(yù)測(cè)是基于2005—2015年的轉(zhuǎn)移概率矩陣，其預(yù)測(cè)過(guò)程具有一定的合理性，但土地利用的變化是一個(gè)多要素綜合作用的結(jié)果。因此，本文預(yù)測(cè)的結(jié)果可以對(duì)未來(lái)黃土高原土地規(guī)劃提供借鑒，以便更合理的實(shí)施相關(guān)的土地開(kāi)發(fā)政策。

3）隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程逐漸加快，出現(xiàn)了耕地非農(nóng)化、非糧化、破碎化等問(wèn)題，耕地面積的數(shù)量在不斷減少，質(zhì)量下降嚴(yán)重［25］。城鎮(zhèn)規(guī)模和數(shù)量也在逐漸擴(kuò)大和增加，更多的土地和耕地資源被用于開(kāi)發(fā)建設(shè)用地。因此，在未來(lái)的土地利用規(guī)劃中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)政府宏觀調(diào)控，健全耕地保護(hù)政策，科學(xué)合理地規(guī)劃建設(shè)用地；合理開(kāi)展土地整治工作，對(duì)黃土高原的沙地、退化草地等進(jìn)行有針對(duì)性的整治與開(kāi)發(fā)。

4 小結(jié)

本文基于黃土高原2005、2010、2015年3期土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用動(dòng)態(tài)度模型定量分析2005—2015年黃土高原土地利用變化特征，并采用CA-Markov模型預(yù)測(cè)2025年土地利用格局，主要結(jié)論如下。

1）黃土高原在2005—2015年土地利用類型以耕地、林地和草地為主，水域面積相對(duì)較為穩(wěn)定，建設(shè)用地在逐漸增加，未利用地在逐漸減少。10年間土地變化程度最劇烈的為建設(shè)用地，最穩(wěn)定的為草地。

2）從土地利用空間轉(zhuǎn)移特征來(lái)看，2005—2015年耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，其次為林地和草地；草地主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；未利用地主要轉(zhuǎn)化為草地；林地、水域和建設(shè)用地轉(zhuǎn)出較少。

3）從模擬預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，黃土高原的耕地和草地將在2025年大面積減少；水域和建設(shè)用地大面積增加；林地和未利用地有所減少，但總體較為穩(wěn)定。

本研究基于黃土高原2005—2015年土地利用數(shù)據(jù)，從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度等角度出發(fā)，分析黃土高原土地利用的時(shí)空變化特征；并結(jié)合CA-Markov預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化，以期為黃土高原土地利用規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論支持。本研究雖然分析了黃土高原土地利用變化特征，但同時(shí)也存在一些不足，尤其是在預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用類型過(guò)程中。文中在預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化趨勢(shì)時(shí)，主要以研究區(qū)歷史土地利用數(shù)據(jù)為依據(jù)，以歷史土地利用轉(zhuǎn)移矩陣為轉(zhuǎn)換規(guī)則，未能考慮自然和人為等因素對(duì)土地利用變化的影響。因此在未來(lái)的研究工作中，運(yùn)用CA-Markov模型時(shí)應(yīng)當(dāng)基于研究區(qū)自身特點(diǎn)，考慮高程、坡度等自然因素以及公路、鐵路等人為因素對(duì)土地利用的影響，建立土地利用適宜性圖集；另一方面可以適當(dāng)參考當(dāng)?shù)氐囊恍┩恋乩谜撸琰S土高原地區(qū)的退耕還林還草等政策，可以在考慮轉(zhuǎn)移概率中進(jìn)一步細(xì)化研究工作。