基于馬爾科夫鏈模型的中越邊境地區土地利用變化模擬研究

陶春琛，許貴林，黃 樂

1.南寧師范大學自然資源與測繪學院，廣西 南寧 530001

2.南寧師范大學北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001

“一帶一路”倡議提出后，中越邊境地區迎來了更多的發展機會，政治、經濟、文化等方面的交流溝通[1]也越來越頻繁，進一步發展為國家的經濟活躍區域，土地利用方式及類型也隨之發生了變化。馬爾科夫鏈模型可以揭示土地利用的未來發展變化，國內外許多學者已從理論和時間角度對馬爾科夫鏈模型與土地利用變化進行了大量的研究，并給予了闡述與肯定。為了合理分析中越邊境的土地利用變化程度，科學預測土地使用規模和布局，研究小組選取中越邊境15 個縣（市、區）作為主要研究對象，分析其2010 年至2020 年的土地利用變化規律，并利用馬爾科夫鏈模型來預計算該區域未來一段時間內土地利用類型面積變化的模擬情況，以期為相關決策提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

研究區包括廣西的那坡縣、靖西市、大新縣、龍州縣、憑祥市、寧明縣、防城區、東興市，云南省的江城哈尼族彝族自治縣、綠春縣、金平縣、河口瑤族自治縣、馬關縣、麻栗坡縣、富寧縣共15 個縣（市、區），這些縣（市、區）位于我國南疆，均與越南接壤。廣西部分位于廣西西南部，北緯20°46′至23°25′，東經105°50′至108°22′之間，中越邊境線（廣西段）長達1 020 km；云南部分位于云南省南部，北緯21°19′至28°24′，東經97°37′至106°12′之間，中越邊境線（云南段）長1 354 km[2]。研究區地理位置特殊，地域跨度大，海拔從西北到東南逐漸降低，地形由山地向喀斯特地貌逐漸變化，邊境地區河流眾多，水力資源豐富。

研究區人口較多，2020 年人口總數已達443.12 萬人。據統計，2015 年末，研究區地區生產總值達1 268.04 億元，其中第一產業產值為284.72 億元，第二產業產值為361.88 億元，第三產業產值為621.44 億元。由此可見，研究區發展狀況良好，第三產業占地區生產總值比例最高。

1.2 數據來源

主要數據來源為中國科學地理科學與研究所、中國科學院資源環境科學數據中心資源環境數據平臺中的中國土地利用遙感監測數據的Landsat8 TM 遙感影像，其空間分辨率為1 000 m×1 000 m，分別選擇2010年、2015年、2020 年的影像數據，以及中國省級、地市級、縣級行政邊界數據。

統計數據主要來源于對應年份的《廣西統計年鑒》《云南統計年鑒》和各縣（市、區）的社會經濟基本情況表等。

2 研究方法

2.1 土地利用類型數量變化

土地利用變化幅度指標反映各類土地在總量上的變化狀況[3]，其模型如下：

式（1）中，Ua表示研究初期某類土地面積，Ub代表研究末期某類土地面積。

2.2 土地利用類型轉移矩陣

土地利用轉移矩陣簡潔明了地體現了研究初期與研究末期各用地類型之間相互轉入和轉出的動態過程[4]，其數學表達式為：

式（2）中，Sij表示土地利用類型的面積轉移變化量，其中i表示研究初期，j表示研究末期；n表示土地利用類型數目。

2.3 馬爾科夫鏈模型

馬爾科夫鏈模型是用來預測時間發生概率的方法，通過研究不同狀態的初始概率及狀態之間的轉變頻率，推演出變化趨勢，從而達到預測的目的。在土地利用變化研究中，可以將土地利用變化過程視為馬爾科夫過程，將某一時刻的土地利用類型對應馬爾科夫過程中的可能狀態。土地利用的變化只與其前一時刻的土地利用類型相關，土地利用類型之間相互轉換的面積數量或比例即為狀態轉移概率。因此，可以利用如下公式對土地利用變化進行預測[5]：

式（3）中，S（t）、S（t+1）分別是t、t+1 時刻的系統狀態，Pij是狀態轉移概率矩陣[6]。

狀態轉移概率矩陣是研究土地利用變化的關鍵，確定狀態轉移矩陣Pij的數學公式的一般表達式為[7]：

式（4）中，n表示土地利用類型的數量，Pij表示土地利用類型i轉化類型的概率，Pij具有如下性質：

（1）0 ≤Pij≤1，即各元素都為正，且介于0 到1 之間。

3 數據處理與結果

3.1 土地利用類型變化分析

研究小組利用ArcGIS 10.2 軟件對數據進行處理，得到2010 年、2015 年、2020 年研究區的土地利用現狀數據。結果表明，在2010 年至2020 年間，研究區內陸區域的主要土地利用類型為林地，主要分布在海拔較低的地區；城鎮用地多分布于中越邊境（廣西段）；未利用地較少，較多分布在中越邊境（云南段）海拔較高處，表現出中越邊境經濟發展受到海拔高度的影響。

根據土地利用數量變化模型，研究小組以土地利用現狀數據為基礎數據，按照LUCC 分類體系進行分類[8]，得到2010 年至2020 年研究區的土地利用類型變化數量表，如表1 所示。因海洋面積較小，故這次研究中不做討論。

在2010 年至2020 年間，研究區旱地、灌木林、其他林地、水域、城鎮用地及其他建設用地都保持著明顯的增長趨勢。其中，其他建設用地面積增長幅度最大，其次為旱地，表現出近年來研究區建設用地面積在不斷擴大，同時經濟快速發展，政府的公共設施投入也在逐漸增加，城市建設趨勢穩步上升。研究區包括廣西、云南兩地的偏遠縣，多數縣（市、區）受地理位置、地形地貌的影響，經濟發展比較困難，受自然地理環境制約明顯。

旱地面積在2010 年至2015 年間減少，卻在2015 年至2020 年間呈增長趨勢。研究小組分析，2003 年國家實施退耕還林政策后，林地面積逐漸增加；2015 年后，城鎮建設占用林地、耕地，毀林、種果樹甘蔗等現象明顯，導致了旱地面積的增長。另外，水田面積也有所減少，表現為2010 年至2015 年間研究區的耕地未得到有效的保護。

通過對比可以看出，在2010 年、2015 年、2020 年，研究區土地利用中的水田、有林地、疏林地及農村居民點在明顯減少，而其他林地、水域與其他建設用地明顯在增加，表現出“大幅減少，大幅增加”的趨勢。這也反映出在經濟快速發展的背景下，研究區中小城鎮的土地利用擴張較為明顯。

表1 研究區土地利用類型變化數量表 單位：km2

3.2 土地利用類型轉移矩陣

研究小組利用ArcGIS 10.2 軟件，將2010 年和2020 年分類后的兩幅影像進行空間疊加運算，顯示出研究區這10 年間各土地利用類型轉移面積的數量，以尋找土地利用類型的變換過程和時空演變規律[9]。結果表明，2010 年至2020 年間主要發生變化的土地利用類型為耕地、林地、草地與建設用地（見表2）。

耕地類型中的水田、旱地轉向灌木林的面積占比最大，顯示了研究區2010 年至2020 年間實施退耕還林政策的有效成果，耕地類型向林地的轉換擴大了山林樹木資源，減少了水土流失。

林地向耕地類型面積的轉換也較大，反映了這10 年間人們對于邊境地區的土地開發利用情況。研究區平均海拔超過1 000 m，大山較多。研究小組推測，由于亂砍濫伐、陡坡墾植等現象，局部地區的土地利用不盡合理，導致森林面貌、生態環境遭到破壞。

有1 748 km2草地與灌木林發生了相互轉換，主要是因為退耕還林、生態修復等政策項目的實施，研究區各縣（市、區）根據自身的資源及特點，調整了土地規劃造成的。耕地、林地及草地合計有222 km2轉向了水域，表現出研究區興修了結合發電、防洪灌溉等功能的綜合利用大型樞紐工程，為人民生活、經濟發展提供了便利。

一般情況下，建設用地表現為不可逆現象，但農村居民點有97 km2轉向了耕地，有82 km2轉向了林地，說明研究區中多數農村居民向城鎮遷移，人口逐漸向城鎮聚集，有可能出現了農村居民點丟空的現象。未利用地占地面積較小，沒有發生流轉現象。

2010 年至2020 年間，研究區得益于國家退耕還林、生態修復等政策的實施，土地利用類型轉變現象較為活躍。另外，為滿足城市的發展與擴張，研究區土地主要流向建設用地。

3.3 土地利用變化預測

為了驗證馬爾科夫鏈模型在土地利用變化預測中的可行性，研究小組選擇了2010 年各地類土地利用面積為基數，以10 年為一個步長，將得到的模擬結果與2020 年研究區各個地類的實際面積進行了比較，結果如表3 所示。

表2 2010 年至2020 年間土地利用變化面積變化轉移矩陣表 單位：km2

由表3 可見，利用馬爾科夫鏈模型模擬預測2020 年中越邊境土地利用變化的結果與實際變化相差不大。其中有林地面積、灌木林面積相差較大，是由于自然與人為因素影響的不定性造成的。結果表明，在沒有較大政策變動的影響下，用馬爾科夫鏈模型來預測未來土地利用類型變化是可行的。

基于馬爾科夫鏈模型，研究小組對2030 年研究區土地利用情況的土地利用面積及變化比例進行預測，結果如表4 所示。

從表4 可看出，2030 年研究區的土地利用變化中，耕地、林地、建設用地類型依舊是土地利用變化的核心類型，未來耕地與林地的數量會保持減少的趨勢，這意味著可供開發的耕地資源已經枯竭；建設用地面積不斷增加，標示著未來一個時期內耕地退化將成為土地退化的主要方式，并且伴隨著城市的發展進一步占用生態用地的空間[10]，生態系統穩定性將有可能遭到破壞。2022 年，隨著我國生態系統退化問題的日益凸顯，我國以生態文明建設為戰略平臺，在環境保護領域的污染修復治理和農、林、水、自然保護等領域的生態工程建設都逐漸從理論走向實踐，并取得了一定的實際成效。從預測結果來看，研究區亟需加大政策實施力度，落實抓好保護耕地的任務。

表3 研究區馬爾科夫鏈模型預測土地利用變化檢驗表 單位：km2

表4 研究區2010 至2030 年間土地利用情況、土地利用面積比重及變化比例比較表

4 建 議

中越邊境地區由于地理位置特殊，在發展城鎮時，應結合邊境各個地區的地方政策以及現實情況，從鄉村到城鎮、耕地到建設用地、邊境生態紅線等方方面面制訂合理的國土規劃內容，合理安排農業用地、建設用地、生態用地規模，應時刻關注國界間道路、河道等整治問題，加強邊境土地生態保護，提高土地質量，合理劃分用地區域，提高土地利用的效率程度，嚴抓違法使用土地行為，確保我國自然資源的安全。相關地區應嚴格控制建設用地的規模，保障耕地的基本量，合理控制城市擴張規模，保障經濟社會的穩定發展和城市建設的可持續發展。

5 結 語

研究小組深入分析了2010 年至2020 年間中越邊境15 個縣（市、區）的土地利用變化規律，分析研究區土地利用類型面積之間相互轉換情況，并利用馬爾科夫鏈模型預測2030 年研究區的土地利用變化趨勢。研究結果表明：（1）馬爾科夫鏈模型在沒有較大國家政策變化的影響下，預測其研究區未來土地的利用情況具有科學性，能夠為土地利用總體規劃與改善土地利用結構提供有效依據；（2）未來一段時期內，耕地退化有可能成為研究區土地退化的主要方式，相關部門要持續落實抓好保護耕地的任務，保障土地資源的可持續發展。