基于CA-Markov模型的臨汾市農村居住空間特征及預測

王躍飛 劉磊 張維亮

摘要 運用CA-Markov模型對臨汾市農村居住空間進行特征分析和預測，選取2000—2018年4個時期的土地利用類型柵格圖進行研究。結果顯示，2000—2018年臨汾市農村居住空間呈現中部和南部稠密、北部較稠密、西部和東部稀疏的趨勢。2000—2010年臨汾市土地變化不明顯，不同土地轉化較小;2010—2018年土地變化明顯，耕地和農村居住空間相互轉化較大，其余轉化較小。研究區2026年農村居住空間預測以內部擴張為主，集中于中部的臨汾盆地內，少部分東部地區擴張;仍呈現中部稠密、西部稀疏的趨勢。

關鍵詞 農村居住空間;土地變化;特征分析;預測;臨汾市

中圖分類號 F327? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2020）20-0210-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.056

Characteristics and Prediction of Rural Residential Space in Linfen City Based on CA-Markov Model

WANG Yue-fei1， LIU Lei2， ZHANG Wei-liang3

（1. School of Geography and Environmental Science， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi 041000;2.Institute of Political Science and Law， University of Chinese Academy of Social Sciences， Beijing 102488;3. School of Economics and Management， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi 041000）

Abstract The characteristics of rural residential space in Linfen City were analyzed and predicted using the digital raster graphics of land-use types in the four periods of 2000-2018 based on CA-Markov model. The results showed that from 2000 to 2018， the rural residential space of Linfen City was dense in the center and south， slightly dense in the north， and sparse in the west and east. From 2000 to 2010， the land change in Linfen City was not obvious， and the transformation of different lands was not significant. From 2010 to 2018， the land change was obvious， the mutual transformation between cultivated land and rural residential space was significant， and the other transformations were not obvious. The rural residential space in this research area in 2026 was predicted mainly to be internal expansion， which was concentrated in Linfen Basin in the center， and a small expansion in the east. Additionally， the rural residential space was still dense in the center and sparse in the west.

Key words Rural residential space;Land change;Characteristic analysis;Prediction;Linfen City

居住空間是人類生活的社會環境綜合體，也是地理空間中人類活動最密集的區域。現階段，居住空間的研究分為對空間內部結構的刻畫和空間外部格局的宏觀識別 [1-2]。快速發展的城鎮化建設中，中國農村居住空間也相應發生變遷和轉移 [3]。黨的“十九大”依據鄉村發展現狀，提出建立健全城鄉融合機制，堅持農業農村優先發展，實施鄉村振興戰略，促進全面小康社會的建成。同時，2019年中央一號文件提出強化鄉村規劃引領，把加強規劃管理作為鄉村振興的基礎性工作，實現規劃管理全覆蓋，按照先規劃后建設的原則，通盤考慮土地利用、產業發展、居民點建設、人居環境整治、生態保護和歷史文化傳承，注重保持鄉土風貌，編制多規合一的實用性村莊規劃，加強農村建房許可管理。2018年，中國城鎮人口數為8.31×108人，鄉村人口數為5.64×108人;城鎮居民可支配收入為3.93×104元，農村居民可支配收入為1.46× 104元。2000—2018年，中國城鎮人口占全國人口的比重從 36.22%增長至59.58%，而鄉村人口占全國人口的比重從 63.18%下降至40.42%，城鎮人口平均增長速度為3.4%，鄉村人口平均增長速度為-2.0%;城鎮居民可支配收入平均增長速度為8.4%，農村居民可支配收入平均增長速度為 8.0%，城鄉收入比從2.74下降至2.69。中國城鄉一體化發展雖速度快，但農村地區人口仍減少，收入較低，且部分鄉村地區沒有得到發展，影響農村居住空間的分化和重組。

目前，居住空間研究多從鄉村聚落和城市擴張研究，選取西部黃土丘陵區、中部傳統農區、南部丘陵山區、干旱綠洲區和東部經濟發達區進行分析。朱曉翔等 [3]對國內鄉村聚落進行綜述，張磊等 [4]研究云南環洱海地區農村聚落空間分布變化及特征，余斌等 [5]對鄉村生活空間研究進行分析并展望。同時，部分學者對不同區域鄉村聚落空間格局特征及其影響因素進行研究 [6-9]。在城市擴展研究中，多對城市擴張演變特征和驅動機制進行分析 [9-12]。在馬爾科夫模型的分析中，學者通過城市發展、土地覆蓋監測等領域運用馬爾科夫模型進行預測 [13-16]。

農村居住空間研究多集中在鄉村聚落的空間分布和城市空間的擴張。農村居住空間的宏觀演變和運用馬爾科夫模型預測發展較少。鄉村振興戰略下，亟需開展對農村居住空間的研究，以促進農村地區發展，提高農村人口幸福感。因此，筆者運用CA-Markov模型對農村居住空間進行特征分析和預測，選取2000—2018年4個時期的土地利用類型圖，采用景觀尺度對農村居住空間研究，揭示其農村居住空間發展規律和方向，為臨汾市鄉村振興戰略的發展提供科學 依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

臨汾市位于山西省南部，是華夏民族的重要發祥地之一和黃河文明的搖籃，地理坐標為35°23′～ 36°57′N，110°22′～112°34′E。歷史中，臨汾有東臨雷霍、西控河汾、南通秦蜀、北達幽并的交通要道之稱。臨汾市包括堯都區、侯馬市、霍州市、曲沃縣、翼城縣、襄汾縣、洪洞縣、古縣、安澤縣、浮山縣、吉縣、鄉寧縣、大寧縣、隰縣、永和縣、蒲縣、汾西縣。臨汾市四周環山，東部為太岳山，南部為中條山，西部為呂梁山脈，中部為臨汾盆地，地形呈“凹”字型。研究區地處半干旱半濕潤季風氣候區，溫帶大陸性氣候顯著，年平均降水量為756 mm。臨汾市是華北平原重要的棉量生產基地和重工業基地。2017年市域GDP為1.32×10 11元，城鎮人口為2.30×106人，鄉村人口為2.18×106人，鄉村人口與城鎮人口比率差別小，鄉村振興戰略下，農村農業建設至關重要，農村居住空間作為安居工程關系到國民經濟發展。

1.2 數據來源

地理數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）;土地利用與土地覆蓋數據 [17]為2000、2005、2010、2018年四時像已分類30 m柵格圖，土地利用與土地覆蓋數據依據最新《土地利用現狀分類》GB/T 21010—2007對土地進行重分類，分類包括耕地、林地、草地、鄉村居民地、城鎮居民地、建設用地、未利用地、水域。社會經濟數據來源于2019版《中國統計年鑒》、2018版《山西省統計年鑒》。

1.3 研究方法

Markov模型運用于預測事件發生的概率，一般用于具有無后效性特征地理事件的預測 [13]。土地利用變化中，土地利用類型之間相互轉化面積或比重為土地轉移概率，計算公式如下：

S （t+1）=p ij×S （t）（1）

式中，S （t）、S （t+1）分別表示t、t+1時刻的系統狀態;p ij是狀態轉移概率矩陣，可表示為：

（2）

元胞自動機（CA）為時空計算能力的動力學模型，特點是時間、空間、狀態的離散，模型表示為：

S （t+1）=f（S （t），N）（3）

式中，S是元胞有限、離散的狀態集合，N是元胞鄰域，t、t+1是不同時刻，f是局部空間元胞狀態轉換規則。

2 結果與分析

2.1 農村居住空間特征

通過對土地利用與土地覆蓋數據重分類，提取臨汾市遙感分類影像，獲得農村居住空間景觀，繪制鄉村居住空間格局（圖1），并以臨汾市中心為地理坐標進行格局分析。2000—2018年農村居住空間格局未發生大的變化，農村地域位移較小，集中在中部臨汾盆地;中部和南部稠密、北部較稠密、西部和東部稀疏。2000—2018年農村居住空間演變呈現擴張趨勢與縮減趨勢相對平衡，但擴張面積仍大于縮減面積，擴張面積為176.67 km2，縮減面積為 119.89 km2，東部、西部擴張明顯，中部則擴張和縮減交替出現。2000—2005年研究區農村居住空間增幅0.55 km2，2005—2010年增幅0.24 km2，2010—2018年增幅55.99 km2。研究區農村居住空間2000—2010年增加幅度較慢，2010—

展較慢、農村地區人口增加較慢，2010—2018年臨汾市農村經濟發展較快，農村人口增長，農村居住空間不斷擴張，而相應城市化進程加快，也使農村居住空間轉變為城鎮居住空間，從而影響農村居住空間的時空格局演變。研究區農村居住空間總體集中于中部，呈現外部分散、內部集聚的空間 特征。

2.2 農村居住空間土地識相變化

運用ArcGIS 10.4.1可視化表達技術，通過重分類將土地類型分為8類，分別為耕地、林地、草地、水體、未利用地、城鎮居住、農村居住和建設用地。對2000、2005、2010、2018年臨汾市土地時空變化進行比較，以研究農村居住空間的變化趨勢。臨汾市農村居住空

間2000—2018年面積逐年擴張，2000—2010年農村居住空

間面積占臨汾市土地空間面積平均為1.89%，2010—2018年農村居住空間面積占臨汾市土地空間面積平均為2.17%;自2010年后，臨汾市農村居住空間發展較快（表1）。2000—2005年臨汾市農村居住空間變化不明顯（表2），有 0.008 1 km2的農村居住空間轉換為耕地、0.002 7 km2的農村居住空間轉換為草地和0.057 6 km2的農村居住空間轉換為城鎮居住空間，而0.613 8 km2的耕地和0.007 2 km2的水體轉換為農村居住空間。2005—2010年研究區農村居住空間仍不明顯（表3），有0.027 9 km2的農村居住空間轉換為耕地、 1.530 9 km2的農村居住空間轉換為城鎮居住用地和? 0.016 0 km2的農村居住空間轉換成建設用地，而 1.809 0 km2的耕地轉換為農村居住空間。2010—2018年研究區農村居住空間變化明顯（表4），有95.817 6 km2的農村居住空間轉換為耕地、0.343 8 km2的農村居住空間轉換為林地、1.727 1 km2的農村居住空間轉換為草地、0.812 7 km2的農村居住空間轉換為水體、 16.053 3 km2的農村居住空間轉換為城鎮居住空間和 5.289 3 km2 的農村居住空間轉換為建設用地間，而 154.015 2 km2的耕地、1.091 7 km2的林地、 14.552 1 km2的草地、1.196 1 km2的水體、0.044 1 km2的未利用地、1.309 5 km2的城鎮居住空間和3.825 9 km2的建設用地轉換為農村居住空間。臨汾市農村居住空間變化源于農村地區經濟發展和農村人口的增加，增加了住房的需求，因而需要相應的居住空間。研究區整體農村居住空間的識相變化受耕地和城鎮居住用地的變化影響較大。

2.3 農村居住空間預測

以臨汾市2010—2018年30 m分辨率土地利用影像為樣本，通過CA-Markov模型，運用IDRISI Selva軟件，考慮到軟件預測以相同倍數年預測效果較好，預測2026年臨汾市土地利用類型變化并繪制預測圖（圖2），以分析農村居住空間發展。2018—2026年農村居住空間格局仍未發生明顯變化，農村地域位移較小，主要以內部擴張為主，集中于中部的臨汾盆地內，東部地區和西部地區略有擴張，呈現中部稠密、西部稀疏的趨勢。2018—2026年臨汾市土地變化明顯（表5），有2.875 7 km2的農村居住空間轉換為耕地、0.088 1 km2的農村居住空間轉換為林地、 2.794 4 km2的農村居住空間轉換為草地、0.219 6 km2的農村居住空間轉換為水體、14.243 4 km2的農村居住空間轉換為城鎮居住空間和0.150 6 km2的農村居住空間轉換為建設用地間，而476.897 9 km2的耕地、1.514 0 km2的林地、 36.208 0 km2的草地、0.749 1 km2的水體、0.000 2 km2的未利用地、0.000 3 km2的城鎮居住空間和1.079 2 km2的建設用地轉換為農村居住空間。在2026年臨汾市農村居住空間中，耕地變為農村居住空間變化最大，其余變化較小。源于未來中國對農村的扶持力度仍然很大，農村人口會繼續增加，而未來農村建設也會轉型高質量發展，不再是解決單純的居住問題，會向宜居型發展，從而導致農村地區內部集聚

性加強，而農村擴張會隨著城鎮化建設而轉變。綜上所述，未來農村居住空間內部宜居性發展將加強，外部擴張向城鎮發展。

3 結論與討論

該研究對2000—2018年臨汾市農村居住空間時空格局演變和土地類型變化進行探究，并運用IDRISI Selva軟件，預測2026年研究區農村居住空間發展變化，結果表明，2000—2010年臨汾市土地變化不明顯，不同土地轉化較小;2010—2018年研究區土地變化明顯，耕地和農村居住空間相互轉化較大，其余轉化較小。

2000—2018年臨汾市農村居住空間呈現中部和南部稠密、北部較稠密、西部和東部稀疏的趨勢;研究區農村居住空間分布相對于城市分布較離散，呈現整體分散、內部集中的趨勢。在預測2026年中，研究區農村居住空間主要以內部擴張為主，集中于中部的臨汾盆地內，少部分東部地區和西部地區有擴張;未來總體仍呈現中部稠密、西部稀疏的趨勢。未來農村居住空間內部向高質量和宜居性發展，外部逐漸向城鎮發展。

該研究通過構建CA-Markov模型，探索臨汾市農村居住空間特征并進行預測。農村居住空間實質是反映農村地區發展和農村人口幸福感，受研究區需要，選取相應土地利用類型數據進行研究。為充分認知農村居住空間發展，相應考慮社會經濟數據。經濟社會生態發展及區域因素時間尺度較完整，但研究以景觀尺度為主，未對行政尺度研究，且受軟件限制，預測局限在2026年，今后仍需向不同尺度和時期進行預測研究。

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