基于CA-Markov模型的大連開發區土地利用動態變化

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(遼寧師范大學 a.地理科學學院;b.海洋經濟與可持續發展研究中心,遼寧 大連 116029)

土地利用/覆蓋變化是研究一個區域內土地資源利用方式的直接反映[1,2],可從空間變化與數量變化進行研究,常見方法主要有CLUE-S模型[3]、FLUS模型[4]、系統動力學模型[5]、CA模型[6]、Markov模型[7]等。CA-Markov模型具有CA模型模擬土地利用在空間變化上的準確性和Markov模型模擬土地利用變化在時間上的長期預測優勢[8],可從空間與時間兩方面來模擬土地利用的變化情況,近年被學者廣泛應用[9-11]。如荊延德等、陳愛玲等、李賢江等、王會軍等分別利用CA-Markov模型對白馬河流域、秦淮河流域、天津濱海新區以及大連金州區的土地利用空間格局進行了動態模擬和預測[12-15],取得了令人滿意的效果。

本文選取大連經濟技術開發區2000年、2007年、2014年3期遙感影像數據,利用GIS和RS技術制作不同年份的土地利用空間分布圖,全面系統分析其變化規律。通過Markov模型計算出土地利用狀態轉移矩陣,利用CA-Markov模型預測研究區2021年的土地利用分布情況,對研究區未來的土地資源和生態環境的可持續發展具有重要的參考價值，為未來規劃設計提供科學指導和理論依據。

1 區域概況與數據來源

大連經濟技術開發區(簡稱“大連開發區”)地處遼東半島的南端,是遼寧省沿海經濟帶新興產業的核心聚集區，地理坐標為38°56′43″—39°12′30″N、121°41′30″—122°9′45″E。大連開發區是經國務院批準設立的我國首個國家級開發區,被人們譽為“神州第一開發區”,是連接我國東北與東北亞的樞紐和海陸空貿易集散地,目前已發展成為綜合性的新城區。該區域近年來取得了快速發展,其土地利用格局變化較大，具有較高的研究意義與研究價值，可為其他區域提供借鑒。

研究數據主要來源于地理空間數據云,選用了三期多光譜遙感影像,分別為2000年9月17日與2007年9月21日Landsat 5 TM影像、2014年9月8日Landsat 8 OLI影像。為了后期處理方便,選擇云層覆蓋度小于5%。選擇的遙感影像處理軟件為ENVI5.1,對獲取的3期影像分別進行幾何校正、融合、裁剪等前期預處理。

根據《土地利用現狀分類GB-T21010-2007》,與開發區實際狀況相結合,將部分地類進行歸并建立分類體系,最終確定研究區土地利用類別為耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地6個大類。通過波段合成并結合Google Earth對地物進行準確判別,在ENVI中建立訓練樣本，通過最大似然法進行監督分類，并進行主要/次要分析、聚類分析等分類后處理，去除小斑塊影響，同時在ENVI Classic中對部分混合錯分漏分的像元進行手動編輯，提高影像的解譯精度,最終形成開發區不同年份的土地利用分類圖。其他數據包括大連開發區的矢量底圖,采用的投影坐標系為WGS-84-UTM-51N。

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能揭示出不同土地利用類型之間相互轉移的內在規律,可對轉移變化進行定量描述,反映出由于人類活動而對土地利用變化方向的引導作用,是一種分析土地利用格局動態變化的常用方法,能較好地揭示土地利用格局的時空演化過程[12],其數學表達形式為:

S11S12…S1nS21S22…S2nS31S32…S3nSn1Sn2…Snn

(1)

式中,n為土地利用類型的個數,該研究中取值為6;Sij為土地利用類型從初期i轉換為末期j的轉移面積或轉移概率,即轉移面積矩陣或轉移概率矩陣,研究中采用前者對大連市經濟技術開發區土地利用類型轉移變化進行分析,矩陣對角線上的值表示土地利用類型從初期到末期沒有發生變化的面積或概率。

2.2 土地利用變化趨勢的預測方法

土地利用結構變化主要體現在數量結構變化和空間結構變化兩方面,CA-Markov模型是基于區域過去的土地利用結構變化的一般規律,預測區域未來土地利用結構的變化趨勢。具體步驟主要為:①在ArcGIS中將土地利用柵格數據轉換為ASCII碼導入IDRISI中,從而轉換為IDRISI可以識別的數據格式,并通過RECLASS功能對轉換后的土地利用圖像進行重分類,土地利用類型屬性采用整形代碼。②基于Markov模型,將2000年和2007年兩個階段的土地利用圖依次進行疊加,比例誤差設為0.15,生成6幅未來每類用地可能轉換為第n(n=1,2,…,6)類用地的空間概率圖和2000—2007年轉移面積矩陣與轉移概率矩陣,本次研究中所用到的轉移適宜性圖像集則為該空間概率圖組。③本次研究中采用5×5的CA濾波器,首先以2007年該區域的土地利用圖為起始年份數據,循環次數為7來模擬2014年的土地利用狀態,并與2014年的實際遙感解譯圖像進行精度對比,然后以2014年的土地利用圖為起始年份數據,循環次數設為7來模擬2021年該區域的土地利用狀態。

3 實例論證

3.1 2000—2014年開發區土地利用轉移特征

通過對大連開發區2000年、2007年和2014年的遙感影像進行解譯(圖1),并結合IDRISI的CROSSTAB功能生成開發區不同年份土地利用轉移矩陣(表1—3),分析該區域的土地利用結構的變化(表4)。結果表明:2000—2014年,14年間開發區的建設用地面積顯著增加,共增加了8452.89hm2,且2000—2007年增加幅度比2007—2014年增加幅度更大,建設用地主要由草地、水域、耕地和林地轉化而來,轉移面積分別為4659.03hm2、2524.23hm2、1472.49hm2和861.48hm2,2014年建設用地面積為17484.39hm2，開發區的高速發展和快速城市化導致建設用地面積大規模擴張，加劇了土地資源壓力;水域面積不斷減少,2000—2007年減少面積為1559.16hm2,2007—2014年減少面積為956.16hm2,水域面積主要向建設用地和其他用地轉移，到2014年水域面積占比為1.58%，需加強對水域的保護力度;耕地面積不斷減少,且減少速度加快,主要轉向草地和建設用地,轉移面積分別為3263.94hm2和1472.49hm2,2014年耕地面積為3817.26hm2,占開發區總面積的9.57%;草地面積呈先減少后增加,但總體上仍處于下降趨勢,草地主要向建設用地和林地轉移;林地面積主要向草地和建設用地轉移,但同時也由草地、建設用地和耕地轉入,所以變化不大，可見在城市發展過程中對綠地的保護做得比較到位;其他用地主要向建設用地轉移了505.17hm2,最終面積為608.94hm2，但所占比重較小，對開發區的影響不大。

圖1 2000年、2007年和2014年大連開發區土地利用空間分布

表1 2000—2007年大連開發區土地利用轉移矩陣(hm2)

表2 2007—2014年大連開發區土地利用轉移矩陣(hm2)

表3 2000—2014年大連開發區土地利用轉移矩陣(hm2)

表4 2000—2014年大連開發區土地利用數據變化情況

3.2 開發區2021年土地利用模擬結果

為了驗證CA-Markov模型預測土地利用動態變化的準確性,首先以2000年和2007年兩期土地利用數據為基礎,在IDRISI中通過Markov模型得到轉移面積矩陣和空間概率圖組,通過CA-Markov模型得到開發區2014年的土地利用空間分布圖;然后運用CROSSTAB工具,對2014年開發區的實際遙感解譯圖像和土地利用空間分布模擬圖進行疊加分析,計算得到模擬結果的Kappa指數為0.76,說明模擬精度較高;最后以2014年的土地利用數據為基礎,預測年份間隔為7,利用2000—2007年的土地利用轉移面積矩陣和空間概率圖組進行CA-Markov模型預測,得到2021年的開發區土地利用空間分布圖(圖2)。

圖2 2021年大連開發區土地利用空間分布

通過對模擬結果進行分析可知(表5),大連開發區內建設用地面積會持續增加,模擬期內建設用地面積增加了1411.83hm2,占到開發區土地總面積的47.37%，未來開發區土地利用壓力將進一步加大，必須提前做好相關應對措施;水域面積由2014年的629.10hm2驟減到376.47hm2,最終僅占到研究區土地總面積的0.94%,這意味著在未來七年可能仍然存在對水域的占用情況。因此，地方政府要嚴格貫徹執行《圍填海管控辦法》,積極響應國家號召，保護海洋生態環境的可持續發展,促進建設用地集約開發利用。草地、林地、耕地面積均有小幅度的減少,最終占比分別為24.50%、17.13%和8.25%,其他用地面積有所增加,為720.45hm2,占比為1.81%。

表5 2021年大連開發區土地利用情況

4 結論與討論

本文以大連經濟技術開發區2000年、2007年和2014年土地利用現狀為研究的基礎數據,通過轉移矩陣從土地利用的面積變化和轉移方向方面由淺入深地分析了研究區2000—2014年土地利用的變化情況,同時在2014年模擬結果與實際解譯結果精度驗證一致性程度較高的情況下模擬了2021年土地利用格局情況。

結果表明，14年間開發區內建設用地急劇增加,主要由草地、水域和耕地轉化而來,所占比重從2000年的22.64%增加到2014年的43.83%;耕地面積和水域面積持續減少,2014年減少面積分別為3817.26hm2和629.10 hm2,占研究區總面積的9.57%和1.58%。究其原因，主要是伴隨著城市建設本身的發展要求,建設用地需求急速增加,填海造陸導致水域面積大幅減少,耕地的后備資源匱乏加劇了耕地數量的減少。草地面積在后期有所增加,林地面積先增加后減少,其他用地面積變化不明顯。

大連市開發區2021年土地利用模擬結果表明,未來土地利用類型以建設用地、草地和林地為主,面積分別為18896.22hm2、9772.56hm2和6833.88hm2。其中,建設用地面積最大,占研究區土地總面積的47.37%;水域面積從2014年的629.10hm2減少為376.47hm2,變化劇烈;耕地和其他用地面積也呈減少趨勢,面積分別為3291.84hm2和720.45hm2,占比為8.25%和1.81%。

由此可見,大連市開發區仍處于不斷的發展建設之中,建設用地不斷擴張，土地覆蓋的變化具有一定的復雜性，研究時僅根據2000—2007年所在時段確定的轉移面積矩陣來預測未來七年的土地利用變化情況，具有一定的局限性，不一定能夠真實反映將來土地利用類型的變化，因此有必要根據研究區域的實際情況進行一定調整，使預測結果更加準確[13]。在今后的研究中可以嘗試著添加限制因素，比如交通道路、地形坡度等不同因素的共同作用下，未來土地利用類型會發生怎樣的變化。