基于马尔科夫模型的吐鲁番市土地覆被动态变化研究

何宝忠, 高敏华, 赵军安

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 绿洲生态教育部重点实验室, 乌鲁木齐 830046)

基于马尔科夫模型的吐鲁番市土地覆被动态变化研究

何宝忠1,2, 高敏华1,2, 赵军安1

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 绿洲生态教育部重点实验室, 乌鲁木齐 830046)

以吐鲁番市1990年TM影像解译数据和2005年、2011年的土地利用图为数据源，通过建立马尔科夫模型来预测该地区土地覆被变化情况。马尔科夫模型的预测精度与模拟步长密切相关，因此，首先以1990年为基础年，基于不同的模拟步长，预测2005年的各地类面积，并与其实际面积相比较，找出最佳模拟步长。其次，用该最佳步长预测2011年以后的土地覆被变化，由此分析该地区土地利用程度和土地利用空间变化动态度。研究表明：(1) 未利用地和草地相互转换数量较大；(2) 2005年后耕地减少较为迅速，供需矛盾日益突出，基本没有实现耕地占补平衡；(3) 在21年间水体减少近6 000 hm2，很可能与全球气候变暖有关；(4) 由于建设用地和园地的变化而使得土地利用程度逐年提高，说明经济的发展是土地覆被变化的重要因素；(5) 人为因素是土地覆被变化的主要原因，人们正采取越来越有力的手段影响着土地覆被变化。基于上述结论，文章提出了相应建议。

土地覆被; 马尔科夫模型; 土地利用程度; 空间变化动态度

自从1986年国际科学理事会提出国际地圈与生物圈计划(IGBP)和全球变化人文计划(IHDP)于1995年共同拟定并发表了《土地利用/土地覆被变化科学研究计划》以来,世界各国广泛开展了对LUCC的研究。诸多研究均表明：土地质量退化、空气污染、水质恶化等生态环境问题的出现总是与不合理的土地利用联系在一起，而土地利用合理往往会促使区域生态环境向适应人类需求的良性方向发展[1]。国内外有很多基于区域尺度的LUCC研究取得了很多成果[2-5]，其能够在时间和空间上较好地反映出研究区域生态环境变化，为区域生态、经济的可持续发展提供重要的理论依据[6]，基于RS、GIS技术在LUCC方面研究的应用也颇多[7]，吐鲁番市十分特殊的自然环境与交通枢纽战略地位、丰富的矿产资源和旅游资源使得研究吐鲁番市土地覆被时间序列变化尤其重要。以前已有过研究吐鲁番市土地利用或土地覆被的内容,但研究方法和侧重点不同[8-10]，这些研究内容较少地预测了吐鲁番市未来土地覆被的发展变化，加之以前很多文献应用马尔科夫模型对模拟的步长考虑较少，只是单纯的以1年或以抵达年为预测步长[11-13],这直接影响到了预测的精度，因此本文采用1990—2011年较长地数据序列和利用马尔科夫模型求得的最优模拟步长来研究和预测吐鲁番市土地覆被变化，并分析吐鲁番市土地利用程度和土地利用空间变化动态度，考虑到单一土地利用动态度和综合土地利用动态度的缺点，引入单一土地覆被空间变化动态度和综合土地覆被空间变化动态度[14]。

1 研究区概况

吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区东部，地处天山中东部主峰博格达山南麓，吐鲁番盆地中心。东西宽90 km，南北长262 km，地势南北高，中间低。地理坐标：东经88°29′28″—89°54′33″，北纬42°15′10″—43°35′，土地总面积13 589 km2。东临哈密，西、南与巴音郭楞蒙古自治州的和静、和硕、尉犁、若羌县毗连，北隔天山与乌鲁木齐市及昌吉回族自治州的奇台、吉木萨尔、木垒县相接。距新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市183 km。吐鲁番属于典型的大陆性暖温带荒漠气候，日照充足，热量丰富但又极端干燥，降雨稀少且大风频繁，故有“火洲”、“风库”之称，自然环境十分特殊。国家“一主两翼”大煤运铁路线和西气东输二线的投入运营，交通枢纽战略地位更加突出。旅游资源极为丰富，是享誉世界的优秀旅游胜地。

2 数据来源与研究方法

2.1基于现状土地利用图和遥感影像的土地利用变化转移矩阵

采用获得的1990年吐鲁番市TM影像和2005年、2011年土地利用现状图,运用ENVI来对1990年的影像进行几何校正、裁剪、辐射校正、波段合成、影像解译等操作步骤，在影像解译时依据《土地利用现状调查技术规程》解译为耕地、园地、有林地、草地、水体、建设用地、未利用地、裸地、沙地、盐碱地、灌木林、坑塘水面、永久性冰雪、内陆滩涂14类，为了讨论方便，经过在ArcGIS中进行后期处理,把相关地类融合为耕地、园地、林地、草地、建设用地、水体、未利用地7大类。经过影像解译精度评估,Kappa系数为80.34%，解译效果较好。把影像解译结果转为矢量格式数据导入到ArcGIS软件中进一步对误判的地物进行属性修正，获得1990年土地利用图，结合2005年和2011年土地利用现状图，导出土地利用转移矩阵(见表1、表2、表3)。

表1 吐鲁番市1990年、2005年、2011年土地覆被类型面积变化状况 hm2

注:表中()中数字表示为该地类占该年土地总面积的百分比。

由表2和表3得出，在1990—2005年间草地和未利用地互转面积较大，草地有33 518.59 hm2变为未利用地，未利用地有23 612.19 hm2变为草地，草地在此期间减少了4 965.8 hm2，主要是由于该地区气候和缺水的原因引起的，未利用地的转入和转出面积都大于50 000 hm2，转出与转入面积分别为51 977.99，51 860.78 hm2。林地在此期间有所增加，主要是为防风固沙、水土保持的需要而植树造林的结果。耕地与园地在此期间转出的面积小于转入的面积，面积都有所增加，分别为4 030.38，3 443.97 hm2，主要是由未利用地转化而来，分别为6 127.18，5 416.78 hm2，说明耕地与园地的增加主要是由开荒而来。建设用地在这15 a间增加3 012.39 hm2，到2005年达10 412.60 hm2，主要是由未利用地、耕地、园地转变而来，分别为2 499.62，1 012.34，964.89 hm2，在此期间由于土地整理项目和富民安居工程的实施等原因使得建设用地主要转出为园地、未利用地和耕地，其比例分别为11.69%，8.2%，4.52%。

水体在此期间是所有地类中减少面积最多的利用类型，达6 561.30 hm2，主要是因为北部博格达峰的永久性冰雪大面积减少，使得33.57%的水体变为了草地，达到6 459.56 hm2，其次13.55%变为了未利用地，达到2 607.77 hm2，这很可能与全球变暖的气候变化密切相关。

表2 吐鲁番市1990-2005年土地利用转移矩阵 hm2

注：表中() 中的数字表示该行土地覆被类型转变为该列土地覆被类型的百分数。下同。

表3 吐鲁番市2005-2011年土地利用转移矩阵 hm2

表3中各地类的变化趋势与表2的变化趋势基本相同，只是从总体上看未利用地和耕地面积分别减少了18 646.83，766.37 hm2，耕地供需矛盾日益突出，随着城市化进程的不断加快,现有耕地已在较大程度上不能满足日益增长的各项建设和农民增收的需要[15]，而其他地类面积均有所增加，增幅最大的是草地和建设用地，分别为10 532.7，4 365.78 hm2，主要是2005—2011年有很多新建项目加之富民安居工程的实施，使得未利用地进一步开发，并占用了近300 hm2耕地，还有就是在在近几年实施“退粮还经”战略的影响下[15]，大量的耕地转化成以葡萄种植为主的园地,同时对未利用地开垦也会导致园地面积的大幅增加。

从表1—3可以得出这两期各地类面积排在前4位的都是未利用地、草地、林地和园地。从减幅和增幅来看未利用地连续减少，连续增加的是建设用地、林地和园地，先增后减的是耕地，先减后增的是水体面积，但是从表1可以得出建设用地的增幅最为迅速。1990年、2005年和2011年耕地面积分别约16 506.26，20 536.64，19 770.26 hm2，呈现先增后减的趋势，由表3可知主要是耕地15.09%转变为园地的结果，因此土地管理部门应制定相应措施实现耕地的占补平衡。在1990—2005年15 a的变化面积是146 601.97 hm2，但2005—2011年变化面积就达到了50 521.6 hm2，可见吐鲁番市的经济迅速发展，人们对土地的利用程度不断增加。

由以上讨论可以得出在2005年之前土地利用变化比较平缓，2005年之后土地利用变化比较剧烈，未利用地和草地互转比例较大，永久性冰雪面积减少的面积超过6 000 hm2，建设用地面积增加迅速,说明全球气候变化和人类活动是影响土地覆被变化的重要因素。

2.2 吐鲁番市的马尔科夫模型

3 基于不同步长模型模拟结果与分析

由于马尔科夫模型受到自然、经济、政策等因素的影响使得预测结果会出现误差，不同的模拟步长也会有不同的模拟精度[16]，由以上讨论中得出2005年后土地利用变化发生剧烈变化，因此以2011年为基准年来进行模拟是适当的，为了消除这些因素的影响，分别以1990年为基准年，2005年为抵达年分别以1年、3年、5年为模拟步长得出2005年预测结果，然后与2005年实际数据进行比较找出最优的模拟步长，再以2011年为基准年，用2005—2011年转移矩阵的转移概率为转移概率矩阵，比较得出最优模拟步长来预测2011年后的土地覆被变化。

3.1 初始状态矩阵的建立

以1990年的各土地覆被类型所占土地总面积的百分比作为初始状态概率构成初始状态矩阵(见表1)。

3.2 转移概率矩阵和最优模拟步长的确定

以该市1990—2005年的数据得到的转移矩阵作为Markov模型中的转移概率矩阵(见表2)，分别以1年、3年和5年为模拟步长对吐鲁番市土地覆被变化进行模拟，模拟结果见下表4。

不同模拟步长与2005年土地利用实际面积比较误差见表5。

表4 Markov Chain模型的不同步长模拟下吐鲁番市土地覆被变化 万hm2

表5 不同步长模拟下吐鲁番市2005年土地利用模拟值与实际面积比较误差

由表4和表5可以得出，1990—2005年对于吐鲁番市的土地覆被变化而言，模拟的步长越接近15年模拟的效果越好，即草地、耕地、建设用地、林地、水体、未利用地、园地的模拟值越接近2005年实测值。模拟步长1年、3年、5年的各个地类相对误差均是1年>3年>5年，从相对误差可以得出模拟的效果从高到底排列为：未利用地>草地>园地>林地>建设用地>耕地>水体，除对水体模拟的误差达9%左右误差较大外(这可能是解译的误差引起的与模型本身的精度或许没有关系)，其它地类的模拟误差都在3%以下，可见用马尔科夫模型预测吐鲁番市土地覆被变化效果是较好的。

由以上讨论可知，对于吐鲁番市而言，模拟步长越接近所达之年模拟精度越高，因此选择以2011年为基准年，以n=6年为模拟步长来进行土地覆被变化预测，即以2005年各土地类型面积比例为初始概率矩阵(见表1)，以2005—2011年的土地转移频数为土地利用转移概率矩阵(见表3)，预测结果见表6。

表6 土地覆被类型预测结果 hm2

由表6可以得出:(1)农用地中，耕地面积整体上逐年减少，且减幅较小，由2011年的19 770.26 hm2减少到2023年的19 218.64 hm2，说明耕地供需矛盾日益突出。园地和林地面积逐年增加分别从2011年的23 814.11，27 194.67 hm2增加到2023年的24 597.10，32 669.75 hm2。(2) 建设用地逐年增加,从2011年的14 778.38 hm2增加到2029年的21 698.14 hm2。(3) 水体面积也是逐年增加，且增幅较大，从2011年的13 302.42 hm2增加到2023年的14 467.39 hm2，水体面积在增加说明吐鲁番市进行的一系列水利工程中起到了很好的作用。(4) 未利用地面积逐年减少，并且减少的面积特别大，由预测结果来看2011—2023年未利用地将减少33 970.23 hm2，这其中减少面积肯定有许多转变为采矿用地，这与吐鲁番市矿产资源丰富密切相关，也刺激了该地区经济的发展。由此得出很可能是一系列土地整理和复垦项目的确起到了作用，使得吐鲁番市水体、林地和草地的面积都有所增加。

4 土地利用程度变化的时空特征分析

4.1 吐鲁番市土地利用程度分析

土地利用程度主要反映了土地利用的广度和深度，不仅反映了土地利用中土地本身的自然属性，同时也反映了人类因素和自然环境因素的综合效应[18]。采用刘纪远[19]提出的土地利用程度的综合分析方法，将土地利用程度按照土地自然综合体在社会因素影响下的自然平衡分为4级，并赋予分级指数(见表7)，得出吐鲁番市土地利用程度定量表达式。

表7 土地利用程度分级赋值

土地利用程度综合指数计算公式为[18]：

式中：Lj——研究区域土地利用程度综合指数；Ai——研究域内第i级土地利用程度分级指数；Ci——研究区域内第i级土地利用程度分级面积百分比；n——土地利用程度分级数。

土地利用程度变化量Lb-a和变化率R，计算公式为：

(1)

(2)

式中：Lb——b时间的区域土地利用程度综合指数；La——a时间的区域土地利用程度综合指数；Ai——第i级的土地利用程度分级指数；Cib——某区域b时间第i级土地利用程度面积百分比；Cia——某区域a时间第i级土地利用程度面积百分比。

土地利用程度及其变化量和变化率可定量地揭示该范围土地利用的综合水平和变化趋势，如果Lb-a>0或R>0，则区域土地利用处于发展期，否则处于调整期或衰退期[18]。根据表7和以上两式得出吐鲁番市不同时期土地利用程度综合指数，土地利用程度变化量和变化率。

经计算，可以得出1990—2011年土地利用程度综合指数呈连续上升趋势，从1990年的131.09上升到2011年的134.06；土地利用程度变化量从1990—2005年的0.997上升到2005—2011年的1.977，1990—2011年为2.974；土地利用程度变化率从1990—2005的0.007 6上升到2005—2011年的0.015 0，1990—2011年为0.022 7。说明人们对吐鲁番的土地利用程度不断加深，利用区域更加广泛，主要是由于经济发展而使得很多以前没有利用的土地现在正在利用，以前利用的土地其利用的程度更深更细，期间许多建设项目落户该地区，城区面积和居民点面积也不断增加，只是居民点越来越集中，为了更好地利用土地，有些村庄集体搬迁合为一整体。

4.2 吐鲁番市土地利用空间变化动态度

存在单一土地利用动态度和综合土地利用动态度，应用它们的缺点在于出现地类面积增减变化的抵消,这样在一定程度上掩盖了土地覆被变化的实际情况，不能够反映出土地覆被类型的空间变化[14]，因此引入单一土地覆被空间变化动态度和综合土地覆被空间变化动态度。

单一土地覆被空间变化动态度，其表达式为：

(3)

综合土地覆被空间变化动态度，其表达式为：

(4)

单一土地覆被空间变化动态度和综合土地覆盖空间变化动态度体现了土地覆被变化在空间上的变化速度[14]。以1990—2005年土地利用转移面积和2005—2011年土地利用转移面积计算吐鲁番市土地覆被空间变化动态度，见表8。

表8 不同时段吐鲁番市土地覆被空间变化动态度 %

从表8可以得出:

(1) 1990—2005年间空间动态变化度最大的是耕地和林地，其次是园地、建设用地、水体、草地、未利用地，分别为11.6%，11.58%，7.57%，6.42%，4.16%，1.85%，0.7%，在此期间耕地、林地、园地、建设用地空间变化动态度最大主要是因为期间人们垦荒和建设用地占用其它地类的结果。2005—2011年间土地覆盖类型空间变化动态度最大的是建设用地，其次是耕地、园地、林地、水体、草地、未利用地，分别为11.33%、9.37%，7.96%，7.28%，1.86%，1.34%，0.62%，可见该时期随着城市化水平的提高、城镇建设的发展引起了建设用地空间变化动态度的加大。

这两期都是未利用地空间变化动态度为最小，这并不是说未利用地变化最小，从总体上看未利用地在这三期中每一期变化的面积都超过了30 000 hm2，均为各地类最高，主要是因为未利用地占到了吐鲁番市总面积的70%以上，基数太大所以空间变化动态度相对最小，所以所有地类的空间变化动态度都是相对而言的。

(2) 比较前后两个阶段，2005—2011年除了建设用地和园地空间变化动态度大于前一个时期外，其它地类均小于前一个时期，由此可以得出主要是由于建设用地和园地的变化造成了后一时期的土地利用综合程度指数总的趋势是逐年升高，说明这两个时期建设用地和园地与其他地类相互之间的转移比较活跃，这主要是由于园地种植的主要是葡萄，是一大经济产业，而使得许多其它地类转变为了园地，再者由于城市规划、耕地占补平衡、经济快速发展等原因使得许多其他地类转变为了建设用地。

(3) 综合前两个阶段，1990—2011年期间土地覆盖类型空间变化动态度变化最大的是林地，其次是耕地、建设用地、园地、水体、草地、未利用地，其实耕地和水体主要反映的是1990—2005年时期的变化，主要是开荒和全球气候变暖的结果；建设用地和园地主要反映的是2005—2011年时期的变化，说明随着城镇化水平的提高和经济发展的需要，建设用地和园地空间变化动态度加大；而未利用地和林地主要反映的是1990—2011年整个时期的变化，期间由于环境保护的需要，许多未利用地转变为了林地而用来防风固沙、水土保持，未利用地与其他地类相互转变十分频繁。

通过以上分析得出：人为因素是土地覆盖变化的主要原因；看空间变化动态度时一定要看它的基数面积值，值最小的也可能是绝对数量变化最大的；人们正采取越来越有力的手段改变着土地利用结构。

5 结论与建议

5.1 结 论

(1) 从面积上看，1990—2011年吐鲁番市面积最大的是未利用地、草地、林地、园地，其它地类各年面积排名稍有不同。耕地面积2005—2011年面积减少了766.37 hm2，耕地供需矛盾日益突出。

(2) 从面积转移矩阵中可以得出，2005年之前土地覆被变化比较平缓，2005年之后土地覆被变化比较剧烈，1990—2005年15年间才变化146 601.97 hm2，而2005—2011年6年之间就变化了50 521.60 hm2；1990—2011年未利用地和草地互转数量较大，未利用地转变为其它地类面积较大，其它地类转变为未利用地面积较少；水体在1990—2005年间面积大幅减少近6 000 hm2，主要是由于北部博格达峰永久性冰雪的减少，这很可能与全球气候变暖密切相关；建设用地面积增加迅速。

(3) 对于吐鲁番市而言，马尔科夫模型的预测步长越接近于抵达年，那么对各个地类的预测误差越小，除对水体模拟的误差达9%左右，误差较大外，其它地类的模拟误差都在3%以下，不过这可能与对1990年影像解译的误差有关，而与模型本身的精度关系不大，可见用马尔科夫模型模拟吐鲁番市土地覆被变化效果是较好的。

(4) 从预测结果来看，农用地中，耕地逐年减少，说明照现在的情况发展下去，离现在提出的保护耕地的目标是背道而驰的；园地逐年增加，这与为了发展经济而使得许多耕地转变为了园地密切相关。建设用地逐年增加，从2011年的14 778.38 hm2增加到2023年的21 698.14 hm2。水体也是逐年增加且增幅较大，从2011年的13 302.42 hm2增加到2023年的14 467.39 hm2。未利用地逐年减少，并且减少的面积特别大，由预测结果来看，2011—2023年未利用地将减少33 970.23 hm2，这减少的面积肯定有很多转变为了采矿用地，这与吐鲁番市矿产资源丰富密切相关。

(5) 从吐鲁番市土地利用程度分析得出，1990—2011年间人们对土地利用程度不断加深，土地利用程度综合指数从1990年的131.09上到2011年的134.06。

(6) 吐鲁番市土地覆被空间变化动态度方面可知，1990—2005年期间耕地、林地、园地的空间变化动态度最大，主要是该期间垦荒、经济发展和从生态方面需要而植树造林的结果。2005—2011年间土地覆盖类型空间变化动态度最大的是建设用地，可见该地区城市化水平不断提高。主要是由于2005—2011年建设用地和园地的变化造成了1990—2011年的土地利用综合程度指数总的趋势是逐年升高的，说明经济的发展是土地覆被变化的重要因素。耕地、水体主要反映的是1990—2005年的变化，主要是开荒和全球气候变暖的结果；建设用地和园地主要反映的是2005—2011年时期的变化；未利用地和林地主要反映的是1990—2011年整个时期的变化，期间由于环境保护的需要许多未利用地转变为了林地而用来防风固沙、水土保持，未利用地与其他地类相互转变频繁。

综合以上结论可以得出人为因素是土地覆被变化的主要原因，人们正采取越来越有力的手段改变着土地利用结构。

5.2 建 议

严格制定保护耕地的措施，实现耕地的占补平衡；加大对未利用地的开发，吐鲁番市有近70%的未利用地,加上在未利用地上有很多旅游资源，可在生态旅游方面多做规划，解决该地区一些土地资源过度开发和退化的问题；适当减少工矿企业的发展，多发展生态产业，因为过多的工矿产业会增多CO2的排放，使得全球气候变暖的效应更加突出，以遏制吐鲁番市北部博格达峰永久性冰雪面积减少的速度。

由于缺少2000年之前十分详细的资料，因此根据相关资料对吐鲁番市土地覆被变化的原因只是做了一些定性的解释，如果资料充足，最好可对该地区土地覆被变化的驱动因素做一些定量的研究，如用主成分分析法、典型相关分析法等。这有待以后改进、完善；由于马尔科夫模预测的对象要求其保持某一固定的转移概率，要求预测对象的变化过程是平稳的，并且不能综合考虑政策的改变等因素的影响，但实际上土地覆被的变化会因诸多自然或人为因素的影响而随时间有所变化，是该模型的局限所在，有待进一步完善。

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DynamicChangesofLandCoverBasedonMarkovModelinTurpanCity

HE Bao-zhong1,2, GAO Min-hua1,2, ZHAO Jun-an1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.KeylaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,Urumqi830046,China)

The land-cover data obtained from the TM remote sensing images of 1990 as well as land-use map of 2005, 2011 were used in Turpan to set up a Markov model for predicting changes of land-cover. Given the accuracy of prediction in Markov model is closely related to its simulated step, therefore, firstly, 1990 was taken as initial year to predict various areas of land-cover on different classes in 2005, and the optimal simulated step was found out by comparing the minimum difference between the simulate and actual areas of land-cover. Secondly, the changes of land-cover in 2011 was predicted by taking the optimal simulated step in Markov model, then the land use degree and land use space change dynamic were analyzed based on this. Results could be summarized as: (1) the areas of transform between unutilized land and grassland are enormous; (2) the cultivated land decreased quickly since 2005, which indicated that the contradiction between supplement and demand was being increased, and also meant that the balance of the cultivated occupation and supplement had not implemented; (3) nearly 6 000 hectares of water disappeared in 21 years which was largely probably associated with global warming; (4) because the change of construction land and garden plot made the land use degree increase year by year, it exhibited that the development of economy was an important factor resulting in the changes of land cover; (5) anthropic factor was a major reason which led to the changes of land-cover, people were taking more and more powerful means to affect the land cover change. Therefore, some appropriate proposals were also offered according to the above results.

land cover; Markov model; land use degree; dynamic space change

2013-11-25

：2013-12-26

国家自然科学基金项目“吐鲁番绿洲人与自然耦合系统变化的驱动与适应机制研究”(41271168)。

何宝忠(1989—),男,重庆市梁平县人,在读硕士,主要从事遥感和土地利用研究。E-mail:hbz108@163.com

高敏华(1963—),男,新疆乌鲁木齐市人,副教授,硕士生导师,主要从事土地资源评价及土地利用规划。E-mail:mh_gao@163.com

F301.24

：A

：1005-3409(2014)05-0041-08