基于馬爾科夫模型的五指山市林地景觀預測研究

賴雨歡，程玉娜，鄧必平

(1.江西省贛州市林業技術推廣站，江西 贛州 341000；2.江西省贛州市白塔水上木材檢查站，江西 贛州 341000；3.江西省贛州市林業科學研究所，江西 贛州 341000)

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基于馬爾科夫模型的五指山市林地景觀預測研究

賴雨歡1，程玉娜2，鄧必平3

(1.江西省贛州市林業技術推廣站，江西 贛州 341000；2.江西省贛州市白塔水上木材檢查站，江西 贛州 341000；3.江西省贛州市林業科學研究所，江西 贛州 341000)

為了解五指山市林地景觀的結構組成，掌握各類景觀動態變化趨勢，借助RS、GIS技術，利用馬爾科夫模型模擬和預測了五指山市林地景觀變化。結果表明：林地景觀總面積逐年減少，其中針葉類、硬闊類、竹林類、灌木經濟林類、闊葉混交林五種景觀表現為逐年減少，軟闊類、喬木經濟林類、其他灌木類三種景觀呈現逐年增加的趨勢；五指山市各林地景觀類型面積的大小排序為：闊葉混交林>喬木經濟林類 >硬闊類>針葉類>軟闊類>竹林類>灌木經濟林類>其它灌木類。為今后五指山市林地景觀的規劃及管理決策提供借鑒，為五指山市的環境保護提供參考。

馬爾科夫；林地景觀；五指山市

1　引言

近年來，隨著“3S”技術的發展，利用轉移概率矩陣進行預測的馬爾科夫模型已經得到廣泛的應用[1]。馬爾科夫過程是一種“無后效性”的特殊隨機運動過程[2～4]，這對研究景觀動態演變較為合適。本文通過運用馬爾科夫模型，對五指山市林地景觀動態模擬及預測,定量的分析林地與非林地之間及各林地景觀類型內部之間的演變特點,為五指山市林地景觀的保護、利用提供依據,為城市景觀規劃及長遠發展提供借鑒。

2　材料與方法

2.1研究區概況

五指山市位于海南島中南部五指山腹地，全市土地面積169萬多畝，林地面積約占總面積的90%，其中有林地面積147萬多畝，森林覆蓋率約為86%。主要的林地景觀類型為：有林地、灌木林地，其中有林地景觀類型包括：闊葉混交林、經濟林類、闊葉類、針葉類等種類。

2.2數據來源與處理

本研究采用五指山市1998年、2003年、2007年3個時期的遙感影像作為主要數據源。同時，結合五指山市1∶10000地形圖，2009年森林資源二類調查數據，以及1993年、2003年、2008年森林資源一類調查數據，以及五指山市相應時期的統計年鑒等相關資料。本次數據預處理是利用遙感軟件ERDAS IMAGINE9.2和地理信息系統軟件ArcGIS10.0來完成的。

3　五指山市林地景觀動態模擬和預測

3.1構建初始狀態矩陣

以1998年、2003年間隔5年的景觀類型面積轉化量作為一步調，進行模擬和預測，在ArGIS10.0中利用相交原理，對兩期數據進行相交處理，得到各景觀類型的轉化情況。將1997～2003年某景觀類型與其它景觀類型相互轉化的面積占原來該景觀類型面積的百分比作為平均轉化率，建立9種景觀類型的初始轉移概率矩陣見表1。

表1　1998～2003年五指山市景觀類型初始轉移矩陣

3.2動態模擬和預測

將1998年五指山市用地類型面積的初始狀態矩陣及1998年至2003年五指山市景觀類型初始轉移矩陣輸入Matlab中，求出2003年各景觀類型面積預測矩陣為：P(2003)=[3248.463，8249.917，3022.001，65695.987，254.002，21418.201，152.274，99.133，11073.589]。同理可得， 2003年、2007年間隔4年為一步調的景觀類型面積轉化量，模擬和預測的轉移狀態矩陣，繼而算出2007年五指山市各類景觀面積預測值，對比2007年五指山市各景觀類型面積的真實值，得到步調為4年的模擬精度。通過對比兩轉移矩陣預測精度，發現以步調為5年及4年為時間間隔作為轉移矩陣模擬預測時，不同的景觀類型面積預測精度大小各不相同，為了使預測值與真實值更為接近，取各景觀類型預測值與真實值相對誤差較小的年平均變化量的加權值作為預測轉移變化量，從新調整轉移矩陣。以5年間隔為一個單位作為步調預測[5，6]，從而得出五指山市各景觀類型的調整轉移矩陣Pij′。

Pij′=[0.99598，0.00000，0.00000，0.00188，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00214;

0.00000，0.99239，0.00017，0.00122，0.00000，0.00096，0.00000，0.00000，0.00526;

0.00000，0.00173，0.91293，0.00196，0.00000，0.00010，0.00000，0.00000，0.08329;

0.00014，0.00030，0.00016，0.99485，0.00001，0.00150，0.00000，0.00000，0.00304;

0.00000，0.00369，0.03373，0.00000，0.92884，0.00000，0.00000，0.00000，0.03373;

0.00000，0.00000，0.00005，0.00181，0.00002，0.98673，0.00000，0.00000，0.01139;

0.00000，0.00000，0.00000，0.00282，0.00000，0.00000，0.98784，0.00000，0.00934;

0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，1.00000，0.00000;

0.00032，0.00179，0.00072，0.01063，0.00034，0.02622，0.00005，0.00004，0.95989;]

再利用Matlab編程，得出近30年內的五指山市各景觀類型面積，見表2。

表2　五指山市各時期景觀面積預測　hm2

4　結果與分析

通過比較1998年與2007年五指山市各林地景觀面積知，在此間隔內，闊葉混交林、軟闊類、硬闊類、針葉類四種景觀面積變化相對較大，其中，闊葉混交林面積增加了2217.62 hm2、軟闊類面積增加了690.79 hm2、硬闊類面積增加了682.81 hm2、針葉類面積增加了468.61 hm2(圖1)。

圖11998～2027年五指山市各景觀類型面積變化趨勢

由表2可知，近30年內，五指山市林地景觀總面積逐漸減少，非林景觀面積逐漸增加，這種變化趨勢的出現主要是受人類活動的影響，隨著人口的急劇增加及經濟的快速發展，人們對于土地的開發利用程度不斷加劇，在重視經濟效益的同時，卻忽略了生態效益，從而導致林地面積減小，林地生存受到威脅。在今后的發展中應受到重視，需采取一定的改善措施，以確保五指山市今后生態文明的健康發展；通過觀察圖1知，在預測年限內：針葉類、硬闊類、竹林類、灌木經濟林類、闊葉混交林五種林地景觀面積表現為逐年減少的現象，而軟闊類、喬木經濟林類、其他灌木類三種林地景觀類型面積呈現出逐年增加的趨勢，但總體而言，各林地景觀類型沒有發生變化，這表明五指山市林地景觀的結構發生了變化，而組成沒有改變；1998～2027年近30年間，五指山市各林地景觀類型面積(公頃)的大小排序為：闊葉混交林>喬木經濟林類 >硬闊類>針葉類>軟闊類>竹林類>灌木經濟林類>其它灌木類，這表明五指山市主要的林地景觀類型的主次位置沒有發生變化，因闊葉混交林面積明顯高于其他林地類型面積，說明闊葉混交林為該市主要的林地景觀類型。

[1]Cabral P.Markov processes in modeling land use and land cover changes in Sintra-Cascais，Portugal[J].Dyna-colombia，2009，76(158)：191～198.

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[3]賀伯勝.馬爾科夫預測模型及其實證分析[J].中南財經政法大學學報，2002(2)：132～135.

[4]劉瓊，歐名豪，彭曉英，等.基于馬爾科夫過程的區域土地利用結構預測研究—以江蘇省昆山市為例[J].南京農業大學學報，2005，28(3)：107～112.

[5]肖翔，李揚帆，朱曉東.基于土地利用驅動力的馬爾科夫模型及其應用[J].土壤，2011，43 (5)： 822～827.

[6]郭篤發.利用馬爾科夫過程預測黃河三角洲新生濕地土地利用/覆被格局的變化[J].土壤，2006，38(6)：42～47.

2016-07-13

賴雨歡(1981—)，男，工程師，主要從事林業技術推廣工作。

TU986

A

1674-9944(2016)15-0183-03