基于GIS技術和CA-Markov模型的烏魯木齊地區土地利用變化與預測研究

郝應龍,李崇博,王拓,安永剛

（新疆維吾爾自治區地質調查院，新疆 烏魯木齊830000）

土地利用變化是研究一個區域內土地資源利用方式的直接反映，已成為全球研究熱點之一[1-2]。目前，我國第三次土地調查，對土地利用動態變化的研究在總結過去土地利用特點基礎上，預測未來土地利用現狀，對改進土地利用結構和規劃等具理論和實踐意義。目前土地利用變化模擬預測研究中最常用的方法主要有側重時間維度分析的Markov模型和側重空間維度分析的CA模型等。CA-Markov模型綜合了CA模型模擬空間變化能力和Markov模型時間維度分析優勢，近年來被廣泛用于城市擴張、土地利用變化等方面的模擬研究[3-6]。如劉淑燕等、黃曉磊等、雷浩川等、李志明等分別利用CA-Markov模型對黃土丘陵區、天津市、青海湖流域、哈爾濱市土地利用空間格局進行了動態模擬和預測[3-6]，均取得良好效果。

本文以1989年、2016年2期烏魯木齊地區土地利用變化數據，運用GIS分析功能，基于CA-Markov預測模型，對烏魯木齊地區土地利用類型變化和模擬進行研究，預測烏魯木齊地區未來土地利用類型的變化，對該地區土地利用總體規劃制定、管理具重要意義。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

研究區地處天山北麓、準噶爾盆地南緣，主要包括烏魯木齊市及周邊地區，包含天山區、沙依巴克區、新市區、水磨溝區、頭屯河區、米東區、達坂城區、烏魯木齊縣的一部分。地理坐標：東經87°15′35″～87°49′19″，北緯43°34′03″～44°11′15″。研究區地勢起伏大，山地面積大，總體地勢南部、東部高，中部、北部低。隨著國民經濟的快速發展和改革開放的不斷深入，烏魯木齊正逐步發展成一個開放性的現代化城市。

1.2 數據來源

本次研究選取1989年8月18日Landsat5 TM 30 m和2016年9月21日Landsat8 OLI 15m、2016年8月Spot5 2.5 m分辨率遙感影像作為土地利用變化信息提取的基礎數據。按“數據預處理-人工目視解譯檢查修正”的操作步驟進行解譯。解譯過程按照最新國家統一標準《土地利用現狀分類標準》(GBT 21010-2007)，將研究區土地利用類型分為8個一級類：耕地、園地、林地、草地、城鎮及工礦用地、交通運輸地、水域及水利設施用地、其他土地。

2 研究方法

2.1 CA模型

元胞自動機（CA）模型是一種時間、空間、狀態都離散的動力系統，其模型可用下式表示[7]：

式中：P為元胞有限、離散的狀態集合；T、T+1為不同時刻；N為元胞的鄰域；f為局部空間的元胞轉化規則。

2.2 Markov模型

馬爾柯夫（Markov）模型是基于Markov過程理論形成的預測事件發生概率的一種方法，常用于無后效性特征地理事件的預測[8]。土地利用變化研究中，土地利用類型動態變化具馬爾柯夫過程的性質：①一定區域內不同地物類型具相互轉化的可能；②各類地物之間轉化過程有一些難以用函數關系準確描述的事件。土地利用類型之間相互轉換的比例及面積數量即為Markov模型中的狀態轉移概率，可用如下公式表示：

式中：Qij為狀態轉移概率舉證，可由下式表示

式中：n為土地利用類型。

2.3 CA-Markov預測模型

據CA模型和Markov模型特點，將二者相互結合，在土地利用柵格圖中，每一個像元就是一個元胞，每個元胞的土地利用類型即為元胞狀態[3]。具體預測過程如下：①計算土地轉移矩陣：采用5×5的元胞濾波器，CA循環次數取27（1989與2016的差值），將1989年和2016年土地利用遙感解譯數據進行疊置分析，利用Markov模型計算土地利用類型轉移矩陣和轉移概率矩陣，作為轉換規則；②建立適宜性圖集：選取DEM、社會經濟因素（人口密度、GDP等）、水資源、距離因素等進行土地利用適宜性評價，建立適宜性圖集；③預測模擬：以1989年和2016年烏魯木齊地區土地利用類型變化為基礎，將模擬的2016年土地利用類型與2016年真實值比較，調整參數，檢驗模型，然后以2016年的數據為基礎，對2043年土地利用類型進行預測。

2.4 土地利用動態度

土地利用動態度可定量描述區域一定時間范圍內某種土地利用類型變化速度，對比較土地利用變化區域差異和預測未來土地利用變化趨勢具有積極的作用[9]。計算表達式為：

式中：R為研究時段內某一種土地利用類型變化率；Wa、Wb分別為研究期初和末某一種土地利用類型的數量；T為研究時段長。

3 土地利用動態變化分析

3.1 土地利用類型面積變化

對1989年、2016年兩個時相的遙感解譯結果進行統計（圖1），得出1989—2016年烏魯木齊地區土地利用變化情況統計分析表（表1）。 從圖1，表1可看出，1989—2016年總體變化情況較穩定，城鎮及工礦用地、交通運輸地面積有較明顯增加，增加量分別為267.10 km2、34.36 km2；耕地、園地、林地、草地、水域及水利設施用地、其他土地等面積呈減少態勢，減少量分別為41.91 km2、6.80 km2、3.84 km2、231.08 km2、13.77 km2、4.06 km2。這意味著耕地、園地、林地、草地、水域及水利設施用地、其他土地有向其他地表類型轉化趨勢。

從動態變化情況可看出，1989—2016年土地變化過程中，交通運輸地年變化率最大，為6.27%，城鎮及工礦用地次之，為3.17%，次為水域及水利設施用地、草地、園地、耕地、其他土地、林地，動態度分別為-0.93%、-0.90%、-0.49%、-0.34%、-0.23%、-0.14%。說明烏魯木齊地區土地利用變化與人類活動的影響密不可分。

3.2 土地利用類型轉移特征分析

為進一步了解烏魯木齊地區土地利用類型相互轉化過程。我們利用土地利用轉移矩陣定量表示1989年和2016年兩個時期不同土地利用類型之間相互轉移關系，通過空間計算工具獲得1989—2016年各地類之間的互相轉化情況（表2）。

圖1 烏魯木齊地區土地利用遙感解譯圖Fig.1 The Remote sensing interpretation map of Land Use in Urumqi Region

表1 1989—2016年烏魯木齊市土地利用分類變化統計表Table 1 The classificcation change of land use in Urumqi Region,1989—2016

表2 1989-2016年土地利用類型轉移矩陣Table 2 The transfer matrix of land use in Urumqi Region,1989—2016 單位：/km2

由表2看出，除各地類不變面積外（不變面積由下劃線表示），各地類都發生了不同情況轉移，其中：①耕地。1989—2016年，由耕地轉變為其他地類面積共62.17 km2，主要轉移成城鎮及工礦用地、交通運輸地，少部分轉移為草地、林地、水域及水利設施用地和其他土地。在此期間，由其他地類轉變為耕地的面積一共有20.26 km2，主要來源為草地、水域及水利設施用地和其他土地；②園地。1989—2016年，由園地轉變為其他地類面積共7.02 km2，主要轉移成城鎮及工礦用地和交通運輸地，少部分轉移為林地、水域及水利設施用地和其他土地。在此期間，由其他地類轉變為園地的面積一共有0.22 km2，主要來源為草地和耕地；③林地。1989—2016年，由林地轉移為其他地類的面積一共有16.13 km2，主要轉移到城鎮及工礦用地和交通運輸地；由其他地類轉為林地的面積一共有12.29 km2，主要轉入源為草地；④草地。1989—2016年，草地變化情況較廣泛，由草地轉移為其他地類面積達236.76 km2，主要轉移到耕地、林地、城鎮及工礦用地、交通運輸地、水域及水利設施用地和其他土地。由其他地類轉為草地面積為5.68 km2，主要轉入源為耕地、水域及水利設施用地和其他土地；⑤城鎮及工礦用地。1989—2016年，由城鎮及工礦用地轉為其他地類的變化較少，一共只有1.35 km2，分別有1.07 km2轉為交通運輸地，0.15 km2轉為耕地，0.11 km2轉為水域及水利設施用地。其他地類轉為城鎮及工礦用地轉入面積較大，達到268.45 km2，且轉入源廣泛，分別有48.83 km2的耕地、5.15 km2的園地、14.51 km2的林地、162.97 km2的草地、0.36 km2的交通運輸地、21.92 km2的水域及水利設施用地、14.71 km2的其他土地轉為城鎮及工礦用地；⑥交通運輸地。1989—2016年，由交通運輸地轉為其他地類的變化較少，只有0.17 km2轉為草地，0.36 km2轉為城鎮及工礦用地。由其他地類轉為交通運輸地面積較大，達到34.9 km2，主要來源為耕地、草地，少部分來源為園地、林地、城鎮及工礦用地、水域及水利設施用地和其他土地；⑦水域及水利設施用地。1989—2016年，由水域及水利設施用地轉移為其他地類的面積一共有31.58 km2，主要轉移成耕地、草地、城鎮及工礦用地、交通運輸地和其他土地，少部分轉移為林地。在此期間，由其他地類轉變為水域及水利設施用地的面積一共有17.81 km2，主要來源為耕地、草地和其他土地，少部分來源于園地、城鎮及工礦用地；⑧其他用地。1989—2016年，由其他用地轉為其他地類的面積一共有20.31 km2，主要轉移到耕地、草地、城鎮及工礦用地、交通運輸地和水域及水利設施用地。其他地類轉為其他用地的面積一共有16.25 km2，主要轉入源為耕地、草地和水域及水利設施用地，少量為園地。

圖2 2043年烏魯木齊地區土地利用類型預測圖Fig.2 The Forecast map of Land Use Types in Urumqi Region in 2043（圖例同圖1）

表3 2016—2043年烏魯木齊地區土地利用分類變化統計表Table 3 The classificcation change of land use in Urumqi Region,2016-2043

4 基于CA-Markov模型的土地利用變化趨勢預測

4.1 CA-Markov模型預測精度檢驗

為檢驗CA-Markov模型預測土地利用變化的精確度，本文以1989年、2016年的土地利用變化數據作為基礎數據，模擬2016年烏魯木齊地區的土地利用分類圖，并與真實值進行精度分析，其數量精度和空間精度均達到88%以上，符合精度標準，與實際較接近，可用該模型對未來烏魯木齊地區土地利用變化趨勢進行預測。

4.2 烏魯木齊地區2043年土地利用預測

運用通過精度驗證的CA-Markov模型對烏魯木齊地區2043年土地利用類型進行預測，預測結果見圖2。對2043年的土地利用預測結果和2016年土地利用類型進行統計分析，得出2016—2043年烏魯木齊地區土地利用變化情況統計分析表（表3）。

從圖2和表3可以看出，2016—2043年，烏魯木齊地區土地利用變化明顯，城鎮及工礦用地和交通運輸地面積繼續增加，耕地及草地面積繼續縮小，但變化速率變緩。可見2016—2043年間，烏魯木齊地區城市市化建設依舊迅速發展，采用CA-Markov模型預測的土地利用類型變化結果與烏魯木齊市城市規劃實行“南控北擴，東延西進”的空間發展規劃一致。同時也說明如政府不對土地利用進行管理和合理規劃，區內的生態環境質量將惡化。

5 結論

（1）本文運用CA-Markov模型對烏魯木齊地區土地利用類型變化模擬預測進行了嘗試，通過研究1989年到2016年的土地利用變化，預測了2043年烏魯木齊地區土地利用情況，結果表明，2016—2043年烏魯木齊地區土地利用變化依舊明顯，城鎮及工礦用地和交通運輸地面積繼續增加，耕地及草地面積繼續縮小，預測結果可為烏魯木齊地區土地資源的合理利用、管理、規劃及生態保護提供科學依據和技術支持。

（2）CA-Markov模型的預測結果較好地反映了烏魯木齊地區的土地利用類型動態變化情況。但本次模擬研究中未將地面塌陷區、未來政府的規劃意向等因素考慮在內，模擬預測結果是基于烏魯木齊地區土地利用變化趨勢保持不變的前提下，模擬結果可能存在一定誤差，有待在今后實踐中進一步檢驗。