神經網絡支持下的烏魯木齊市土地利用格局及其模擬

尹慧慧，毋兆鵬，王珊珊，王娟娟

（新疆師范大學地理科學與旅游學院/新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，烏魯木齊 830054）

作為人類生存和發展的基本要素，土地資源能為人類的生活和生產提供基本保障。土地利用變化是人類活動與自然資源進行物質和能量交換的重要途徑，在一定程度上，既能反映社會經濟的發展又能直接影響生態環境的變化。

隨著社會經濟和城鎮化的快速發展，大規模的人類活動將加大土地利用的開發，導致土地供需矛盾突出。土地利用/覆被變化（Land use/cover change，LUCC）的研究已成為眾多學者關注的焦點問題［1］。目前國內外學者對土地利用變化的研究內容，主要涉及土地利用的時空演變［2］、驅動力及驅動機制［3，4］、生態環境效應［5-8］及情景模擬與預測［9-13］等方面。從研究區選擇來看，主要集中于人口密集、經濟繁榮、濕潤、半濕潤和半干旱區，而對生態脆弱的干旱區綠洲城市土地利用變化的研究相對薄弱。

烏魯木齊市位于西北干旱區，屬于典型河谷綠洲城市，是絲綢之路經濟帶的核心區，是開展對外經濟文化交流的重要門戶。在工業現代化過程中，由于其地形條件及水土資源空間分布不平衡，已無法按照“以水定地”的原則實現耕地占補平衡，適宜城市建設發展的空間與周邊耕地和基本農田分布高度重疊，導致土地利用在布局上頻頻掣肘［14］。在此背景下，以烏魯木齊市為研究區，主要分析2000—2018 年土地利用變化時空特征，設置3 種情景模擬預測2035 年土地利用發展趨勢，為土地利用規劃、可持續發展與資源管理統籌決策提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 研究區概況

烏魯木齊市深處大陸腹地，遠離海洋，屬中溫帶半干旱大陸性氣候區。地勢由東南向西北降低，分為山地、山間盆地與丘陵、平原3 個梯級，市區平均海拔800 m；降水稀少，蒸發強烈，四季分布不均。現轄7 區1 縣，總面積1.42×104km2（圖1）。

圖1 研究區概況

1.2 數據來源與處理

主要選取的影像數據分別是2000 年和2010 年的 Landsat5 TM，2018 年的 Landsat8 OLI 影像，成像時間均為當年8 月，影像云量小于5%，影像數據均來源于地理空間數據云。在完成輻射定標、大氣糾正、幾何糾正等常規處理的基礎上，結合研究區和研究目標，采用最大似然監督分類法將土地類型分為草地、建設用地、耕地、林地、水體、未利用地。分類結果與Google 影像對比驗證，總體精度均在89%以上。

2 研究方法

2.1 單一土地利用動態度

分析2000—2018 年研究區土地利用類型演變特征及某一土地利用類型在一定研究時段內變化速率，采用單一土地利用動態度表示［15］（式1）。

式中，R表示某一土地利用類型在研究期間的變化速率，Ua、Ub分別表示同時期內土地利用類型初期、末期的面積，T為期限。

2.2 土地利用預測

FLUS 模型是基于神經網絡算法（ANN）處理各土地利用類型之間相互轉化過程中復雜性與不確定性的一種預測模型［16，17］，由自適應慣性系數、發展概率和鄰域因子構成。在模擬過程中為了使各類用地的數量能符合實際需求特征，通過在迭代中采用自適應慣性系數來合理調整土地利用類型之間的預期需求和實際分配差異（式2）。

考慮坡度、高程、距道路距離、距城市中心距離、距水體距離及人口數量等驅動因子影響，通過計算各用地總體轉換概率，確定土地利用轉換類型，獲取土地利用類型的適宜性概率（式3）和鄰域影響因子（式4）。

式中，t為迭代次數為 像 元p在 迭 代 次數t時轉化為地類k的總概率；sp(p,k,t)為神經網絡輸出的適宜性概率；scc→k為地類c轉化為地類k的成本；1-scc→k為轉換的難易程度為鄰域作用；為在t-1 次迭代中N×N的界面上地類k的數量，本研究N=7，ωk為不同用地類型的鄰域作用強度不同而設定的權重。

鄰域因子參數∈（0，1），其值越接近1，表示該用地類型擴張能力越強。參考前人研究［18］并考慮研究區各地類特征對各鄰域因子參數進行賦值（表1）。

表1 鄰域因子參數

2.3 土地利用情景設置

結合研究區當前的自然資源環境和社會經濟因素對土地利用設置3 種情景進行2035 年模擬預測（表2）。

表2 情景模擬轉換成本矩陣

自然發展情景（情景1）。結合研究區實際情況和土地利用發展狀況，對所有土地利用類型不設轉化限制進行預測。

基本保護情景（情景2）。在自然發展情景1 基礎上，適當控制城市用地發展速度即限制將建設用地轉換為其他地類，其他地類之間可相互轉換。

生態保護發展情景（情景3）。參考《烏魯木齊市土地利用總體規劃（2006—2020 年）》確定的自然保護區、水源保護區和永久基本農田，將具有重要生態保護作用的林地、草地設定為不可轉出區域，但可彼此互轉；水體設定為不可轉出區域。

2.4 土地利用模擬精度驗證

以2010 年實際土地利用類型為基期，模擬2018年土地利用類型，并將模擬結果與實際2018 年土地利用對比，計算得出總體精度為0.95，Kappa 系數為0.91，FOM（Figure of Merit）值為0.70，模擬結果與真實土地利用情況呈現出較好的一致性（圖2）。

圖2 2018 年土地利用模擬結果對比

3 結果與分析

3.1 土地利用時空格局變化

在空間上，2000—2018 年建設用地由中心向四周擴大，向北部發展最為明顯。受此影響，建設用地東、西部的草地和北部的耕地面積大量減少，在東部與南部山區，林地面積明顯增加，但水體面積增加僅出現在研究區北部（圖3）。

圖3 研究區土地利用分類

2000—2018 年研究區各地類面積表現為“三增三減”的變化特征（表3）。其中，建設用地、林地和水體面積呈逐年遞增的趨勢，面積分別增加了495.54、69.90、29.29 km2，動態變化度分別為7.79%、0.43%、1.11%；草地、耕地和未利用地面積處于逐年遞減趨勢，減少面積分別為157.72、179.34和239.67 km2，動態變化度分別為0.11%、1.02%、0.35%。

表3 2000—2018 年土地利用類型面積變化

對2000—2018 年土地利用類型間轉移情況進行分析，結果表明，研究區總體土地利用類型面積轉移，最明顯的是草地向未利用地轉移，共計轉移435.40 km2。其次，林地轉為草地、未利用地轉為草地及草地轉為耕地的面積，分別為277.60、200.60 和215.82 km（2圖4）。

圖4 各時段土地利用類型轉移面積

其中，2000—2010 年，土地利用面積轉移數量表現為草地向未利用地＞林地向草地＞草地向耕地＞未利用地向草地，分別為 403.45、265.67、227.84 和218.59 km2，表明該時期草地受到一定程度的破壞。2010—2018 年，土地利用面積轉移數量表現為草地轉為耕地＞草地轉為未利用地＞草地轉為建設用地＞林地轉為草地＞未利用地轉為草地，分別為77.05、57.51、39.90、23.25 和 3.99 km2。其中，草地向未利用地面積的轉移下降明顯，而向建設用地的轉移由2000—2010 年的20.97 km2增長至2010—2018年的39.90 km2，說明建設用地的擴張一部分是在犧牲草地面積的基礎上發展的。

3.2 土地利用格局預測

為了土地利用在未來發展中科學合理的規劃與布局，運用FLUS 模型分情景對研究區進行2035 年模擬預測（圖5）。結果表明，耕地面積變化較大的區域主要分布在頭屯河區、米東區及烏魯木齊縣。建設用地面積變化較大區域主要分布在新市區、頭屯河區、米東區。

圖5 研究區2035 年土地利用變化預測

在自然發展情景下，2018—2035 年土地利用類型間轉移情況分析結果表明，轉移面積位于前四的是草地向耕地、未利用地向草地、草地向未利用地和草地向建設用地，分別為 105.26、84.10、35.97 和31.31 km（2圖6）。從空間分布格局來看，建設用地面積變化明顯區域主要分布在頭屯河區、新市區及米東區，耕地面積變化明顯區域主要分布在頭屯河區和新市區，這些區域地勢平坦，適宜城市建設和區域經濟發展。

圖6 3 種情景土地利用類型轉移面積

在基本保護情景下，轉移面積位于前四的是草地向建設用地、耕地和未利用地的轉移，林地向草地的轉移，分別為 59.91、48.81、31.34 和 26.61 km2。從空間分布格局來看，建設用地面積變化明顯區域主要分布在頭屯河區和米東區，耕地面積變化區域與建設用地變化區域相對應，這一趨勢符合烏魯木齊市“南控、北擴、先西延、后東進”的城市發展戰略。

在生態保護情景下，土地利用類型間轉移面積位于前二位的是未利用地向草地、林地向草地，分別為36.83和25.34 km2。從空間分布上來看，林地面積變化明顯區域主要分布在達坂城區與烏魯木齊縣。

4 驅動因素分析

4.1 自然因素

降水和氣溫的變化直接影響區域徑流和土地覆被的特征，氣候數據表明，近18 年的年均氣溫上升趨勢不顯著，降水量卻呈上升趨勢（圖7）。參考2017 年《新疆統計年鑒》，烏魯木齊市地表水資源量為11.70×108m3，其中第一產業用水占比54.09%，第二產業用水占比16.87%，第三產業用水占比3.02%，居民生活用水占16.16%，生態環境用水量占9.86%。按照目前水資源利用情況，唐宏等［19］、李韌等［20］研究結果表明如果肆意擴大建設用地面積，2030 年流域內會將出現用水緊張局面。

圖7 研究區年均氣溫與降水變化

4.2 人文因素

人口在土地利用變化過程中是最具有影響的人文因素。近18 年，研究區城市人口數量從2000 年的164.38 萬人增長至2018 年的222.26 萬人，年均增長率為1.96%。與此相對應，國內生產總值從2000 年275 億元增長至 2018 年的 3 099.37 億元，年均增長率為57.06%（圖8）。人口的膨脹與經濟迅猛發展必然會引起耕地與建設用地面積的變化。從國內生產總值來看，第一產業所占比重相對穩定；第二產業比重有所下降，降幅為14.3 個百分點；第三產業比重呈增長趨勢，增幅為14.9 個百分點，表明各產業在不斷發展的同時，土地利用類型也在變化。

圖8 研究區人文因素變化

5 小結

人類社會活動受到地形地質條件、自然資源和社會經濟等諸多因素的影響，科學合理規劃土地利用是干旱區綠洲城市發展首要考慮的問題。2000—2018 年，隨著經濟的快速發展，烏魯木齊市土地利用類型面積的變化各不相同。為滿足研究區的發展需要，草地、耕地及未利用地呈逐年遞減趨勢，耕地與草地在西北部面積明顯減少，林地、水體、建設用地呈逐年遞增的趨勢，建設用地面積在北部遞增顯著。由此可見，土地利用類型的變更勢必引起社會經濟在區域的發展方向。研究期間，烏魯木齊市始終以服務型經濟為重點發展產業，大量的產業集中區聚集在中心城區周邊，對建設用地、耕地的需求增多，就會通過掠奪其他土地類型（如草地、耕地等）來滿足發展需要，從而使得建設用地擴張顯著。但自《烏魯木齊市城市總體規劃（2011—2020 年）》實施以來，城市用地符合“南控、北擴、先西延、后東進”的空間布局，建設用地及耕地擴張受到限制。由此可見，人類對土地資源的改造是土地類型更替變化的主要誘因。

在多情景模擬預測中，對基本保護情景與生態保護情景轉換規則的設置是結合烏魯木齊市發展戰略要求，“南控”是指南山風景區及水資源保護區發展受限，因此草地、林地及水體這三者之間可相互轉化，設置代碼為1；“北擴”指北部沖洪積扇綠洲，是拓展建設用地、耕地發展的必然選擇，因此草地可以向建設用地、耕地轉化，設置代碼為1，而水資源是稀缺資源，不能轉化為建設用地、未利用地，設置代碼為0；“西延、東進”均是在生態保護基礎上進行發展的，因此，草地、耕地、林地、水體及建設用地不能轉化為未利用地，設置代碼為0。在上述規則設置下，模擬預測結果對調控未來土地利用生態保護具有一定指導作用。尤其是，對于主要分布在烏魯木齊縣及達坂城區的天然牧場以及森林、河流和灘涂等新增核心生態用地，更應注意避免人類活動對其占用，一旦被破壞，很難重建起原有的生態體系，同時影響未來生態屏障建設。

2000—2018 年烏魯木齊市土地利用類型面積呈“三增三減”的變化特征，其中，建設用地面積增長動態變化度最大，為7.79%，耕地面積減少動態度最大，為1.02%。2000—2018 年，土地利用類型轉移最明顯的是草地向未利用地、林地向草地及草地向耕地的轉換，面積分別為 435.40、277.60 和 215.82 km2。自然發展情景下，草地轉為耕地面積最多，為105.26 km2，其次是未利用地轉為草地、草地轉為未利用地和草地轉為建設用地。基本保護情景下，草地轉為建設用地面積最多，為59.91 km2，其次是草地轉為耕地、草地轉為未利用地和林地轉為草地。生態保護情景下，未利用地和林地面積均向草地轉移，分別為 36.83 和 25.34 km2。

運用FLUS 模型預測研究區2035 年土地利用發展趨勢，選取自然和人文等驅動因子，最大程度地保證模型的精確度。由于面對多個復雜因素，對生物和地質環境等因素未能充分考慮，FLUS 模型的模擬結果準確性仍然存在一定的局限。