基于CA-Markov模型的温江区土地利用格局变化预测

杨　渺，方自力，王　蒙，谢　强,刘　姝

(1.四川省环境保护科学研究院，成都　610000；2.中科院生态环境研究中心，北京　100085)

· 生态环境 ·

基于CA-Markov模型的温江区土地利用格局变化预测

杨渺1,2，方自力1，王蒙1，谢强1,刘姝1

(1.四川省环境保护科学研究院，成都610000；2.中科院生态环境研究中心，北京100085)

土地利用/覆被变化(Land use and Land cover Change，LUCC) 对于社会、经济和环境的变化有着重要影响。及时把握土地利用及其变化状况，预测其变化趋势对于环境保护和人类社会发展有着重要的意义。利用CA-Markov模型预测了2020年温江区土地利用格局变化，结果表明：2008年～2013年，成都市温江区耕地、园地转出面积占所有转出面积的43.96%。2013年～2020年，则占所有转出面积的64.70%。2008年、2013年流失的耕地面积主要是转化成了城市建设用地，而2013年、2020年新增耕地面积也主要由城市和农村建设用地转换而来，不同的是2013年耕地面积来源中城市建设用地面积较大，而2020年耕地来源构成中，有相当部分来自农村建设用地。在耕地面积的占补平衡过程中，传统耕地流失，而低质量用地类型转化为耕地，耕地质量问题应受到关注。总体来说，2008年～2020年期间，温江区处于城市建设高速发展时期，耕地、园地等自然半自然生态系统面积减少，城市建设、交通等人工构筑物面积增加。2013年～2020年，温江区城市建设用地预计将有358.43hm2转变为裸地，说明旧城改造仍在不断进行。林地在提高环境质量，改善生态服务功能过程中起着重要作用。温江区林地面积在2008年～2013年、2013年～2020年两个时期不断增加，且有相当部分来自裸地和城市建设用地，说明温江城市化过程中生态环境保护和城市绿地景观建设得到了重视。在城市化过程中做好中长期城市发展规划，合理布局自然、人工景观，对构建到“城在园中”和“园在城中”的山水田园城市格局，具有重要意义。

CA-Markov;土地利用;格局;预测

土地利用/覆被变化(Land use and Land cover Change，LUCC) 对于社会、经济和环境的变化有着重要影响，是全球和区域生态安全的主要影响因素。及时把握土地利用及其变化状况，预测其变化趋势对于环境保护和人类社会发展有着重要的意义。如何准确地模拟LUCC，是当前LUCC研究中的核心科学问题[1,4]。目前看来，LUCC模型是深入了解LUCC成因、过程，预测未来发展变化趋势的重要手段[2]。当前也已经开发出了各种模型用于LUCC研究，其中，CA-Markov是目前土地利用格局预测模拟中最常用的方法，广泛用于LUCC建模。马尔科夫(Markov)模型与元胞自动机(CA)模型均为时间离散、状态离散的动力学模型[2], CA 模型具有模拟复杂系统空间变化的能力[3], Markov 模型具有长期预测的优势[4]，CA-Markov 耦合模型则将两者有机结合,发挥了Markov和CA模型的优点，具有既可进行长期预测, 又可有效地模拟复杂系统的空间变化[5]。

LUCC是一个相当复杂的现象与过程,它既受自然因素的制约。在一定地域上又受社会、经济、技术等因素的强烈影响,具有明显的综合性和地域性[6]。成都市温江区地处成都市中心区正西16km处，是周边区市县辐射交汇中心。目前温江区处于工业化、城镇化的加速发展期，建设用地需求明显，耕地和基本农田保护、生态环境建设与非农业建设的矛盾更加突出。利用CA-Markov模型，对温江区土地利用演化进行动态模拟与预测，探讨温江区土地利用时空变化规律，为温江区土地资源动态监测与实时管理提供新的方法思路和技术途径，为温江区的土地空间发展战略决策提供一定的参考价值与理论依据。

1　区域概况与数据来源

1.1区域概况

成都市温江区地处四川盆地的西部，位于北纬30°36′～30°52′，东经103°41′～103°55′，幅员面积277km2。属亚热温润气候，热量丰富，阳光充足，雨量充沛，雨热同步组合，四季分明。温江区为平坝农业区，自然植被较少，以人工园林植被以及花卉苗木为主。耕地、居民点及工矿用地为主要土地类型。2012年末全区常住人口46.1万人，城镇化率64.0%。

1.2数据来源

以SPOT影像为数据源，选择2008年和2013年2 个时期的影像数据。收集温江区规划图件(2006-2020)如：基本农田规划、土地利用规划、交通规划、绿地规划；收集各类保护区划文件：如名胜古迹、饮用水源保护区等(温江不存在自然保护区、森林公园)；收集温江区土壤类型图，道路、河流，以及DEM等基本地理信息数据。

对收集到的多源数据和2期土地利用数据进行纠正和坐标配准，完成多源数据融合，用于土地利用适宜性分析。

2　预测过程

2.1影像解译

依据我国土地利用现状分类系统，结合研究区

图1　2008年、2013年土地利用类型解译图Fig.1　Land use in 2008 & 2013

土地利用现状和土地资源特点，采用非监督分类与目视判读相结合的综合解译方法，对该区的卫星遥感影像进行土地利用解译(解译精度85%)，把温江区土地利用分为耕地、园地、水域、林地、城市建设、农村建设、交通，以及裸地，共8类。形成2008年、2013年2 期土地利用分布图，见图1。

2.2Markov链分析

首先，用Markov过程计算2008年～2013年间各土地利用类型要素之间的转移面积矩阵，表1。

表1　温江区土地利用转移面积矩阵

2.3土地利用适宜性评价

其次，选取自然因素、DEM、距离因素和社会经济因素，通过模糊分类、线性加权的方法完成土地利用适宜性评价，制定各土地利用类型的适宜性图集,图2。

图2　各土地利用类型适宜性图集Fig.2　The suitability of each land use types

2.4模型预测及精度检验

假设2013年～2020年温江区各类土地利用变化趋势与2008年～2013年期间相同，分别以2008年、2013年为模拟起始年，以CA-Markov模型预测2013年、2020年土地利用(图3)分布格局[5, 7]。以2013年土地利用类型解译图为参照，利用预测的2013年土地利用类型进行精度验证，结果表明总体模拟精度95.2%，Kappa系数0.92，说明预测精度较好，各土地利用分类精度见表2。

表2　土地利用分类精度

图3　温江区2020年土地利用预测Fig.3　Land use forecast figure in 2020

3　结果与分析

3.1温江区土地利用净变化分析

2008年～2013年，温江区主要转出的地类是耕地、园地。5年期间，温江区耕地面积减少了408.47hm2，园地面积减少了191.70hm2，分别占2008年耕地、园地面积的6.03%和2.02%；由于其它地类转入，面积增加最多的地类主要是城市建设用地，为546.91hm2，占2008年城市建设用地面积的11.01%。在土地利用变化趋势不变的情形下，2013年～2020年，预测温江区主要转出地类仍然是耕地、园地，7年期间耕地面积将减少733.62hm2，园地面积将减少1138.97hm2，分别占2013年耕地、园地面积的11.52%和12.26%；由于其它地类转入，面积增加最多的地类仍是城市建设用地，为1635.62hm2，占2008年城市建设用地面积的29.66%，见图4。

图4　温江区2008年～2020土地利用类型净增值(hm2)Fig.4　Land use type net change during 2008～2020(hm2)

3.2土地利用类型相互转换分析

3.2.1温江区2008年～2013年各土地利用类型相互转换

2008年～2013年时期，温江区土地利用/覆被发生转移的总面积为1712.58hm2，约为温江区土地利用总面积的6.32%，其中耕地、园地转出面积占所有转出面积的43.96%。2008年流失的耕地面积主要是转化成了城市建设用地，而2013年新增耕地面积也主要由城市和农村建设用地转换而来。园地有118.33hm2转换化为城市建设用地，也有较大面积转换为交通用地。温江区交通发展较快，2013年新增交通用地面积较大。新增林地有较大面积来自水域和裸地，根据2013年土地利用图，发现新增林地主要位于金马河河滩及沿岸。金马河河床宽阔，由于是泄洪河流，常年水量较少，河床裸露，经年裸露的河漫滩有利于藤本乃至灌木生长，次生林发展较快。各土地利用类型相互转化情况见表3。

表3　温江区2008年～2013年土地利用类型转移矩阵

3.2.2温江区2013年～2020年土地利用类型转换预测

2013年～2020年时期，温江区土地利用/覆被发生转移的总面积为2944.78hm2，约为温江区土地利用总面积的10.86%，其中耕地、园地转出面积占所有转出面积的64.70%。2013年后未来7年中，温江区城市发展仍将占用大量耕地(671.17hm2)、园地(967.67hm2)面积。城市建设用地将有358.43转变为裸地，说明旧城改造仍占不断进行。同2013年前五年类似，金马河将有部分水域转变为林地(灌木林)，表4。

表4　 温江区2013年～2020年土地利用类型面积转移矩阵

注：1.因多源数据融合过程中边界匹配需要，所分析国土面积比实际面积略低6km2左右。

4　讨　论

成都市温江区土地利用转换速度在未来几年有变快的趋势，土地利用/覆被发生转移的总面积占温江区土地利用总面积的比例，在2008年～2013年为6.32%，2013年～2020年则为10.86%，说明城市化进程在加快。

温江区土地利用主要是耕地、园地和建设用地之间的相互转换。2008年～2013年，温江区耕地、园地转出面积占所有转出面积的43.96%。2013年～2020年，则占所有转出面积的64.70%。2008年、2013年流失的耕地面积主要是转化成了城市建设用地。2013年、2020年新增耕地面积则主要由城市和农村建设用地转换而来。不同的是，2013年耕地面积来源中城市建设用地面积较大，而2020年耕地来源构成中，有相当部分来自农村建设用地。由于国土规划对城市发展边界的约束，今后温江区建设用地对耕地的侵占主要来自农村建设，对这一转变，应引起重视。另外，在耕地面积的占补平衡过程中，传统耕地流失，而低质量用地类型转化为耕地。未来在基本农田面积受到严格保护的同时，耕地质量问题也应受到关注。

2013年～2020年，温江区城市建设用地预计将有358.43转变为裸地，说明旧城改造仍在不断进行。林地在提高环境质量，改善生态服务功能过程中起着重要作用。温江区林地面积在2008年～2013年、2013年～2020年两个时期不断增加，且有相当部分来自裸地和城市建设用地，说明温江城市化过程中生态环境保护和城市绿地景观建设得到了重视。

总体来说，2008年～2020年期间，温江区处于城市建设高速发展时期，耕地、园地等自然半自然生态系统面积减少，城市建设、交通等人工构筑物面积增加。在城市化过程中做好中长期城市发展规划，合理布局自然、人工景观，对于构建到“城在园中”和“园在城中”的山水田园城市格局，具有重要意义。

[1]宇林军, 孙丹峰, 彭仲仁.基于局部化转换规则的元胞自动机土地利用模型[J]. 地理研究,2013, 32(4): 671-682.

[2]陈莹,尹义星,陈爽.典型流域土地利用/覆被变化预测及景观生态效应分析-以太湖上游西苕溪流域为例[J].长江流域资源与环境, 2009, 18(8):765-770.

[3]金小刚. 基于Matlab的元胞自动机的仿真设计[J]. 计算机仿真, 2002, 19(4): 27-30.

[4]曹雪, 罗平, 李满春. 基于扩展CA模型的土地利用变化时空模拟研究-以深圳市为例[J]. 资源科学, 2011, (33):127-133.

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The Prediction and Analysis of the Landuse Change Pattern in Wenjiang District Based on CA-Markov Model

YANG Miao1,2,FANG Zi-li1, WANG Meng1,XIE Qiang1,LIU Shu1

(1.SichuanResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Chengdu610041,China;2.ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China)

Land use and Land cover Change (LUCC) has important influence to the change of society, economic and environment. Thus, grasp the LUCC condition and its changes in time and predict its changing trend has important significance to the environment protection and human society development. This paper predicted the land use pattern changes in Wenjiang district by CA-Markov model, the results showed: transferred cultivated land and garden plot accounted for 43.96% of overall the transfer land during 2008 to 2013, whereas the value was 64.70% during 2013 to 2020. The decreased cultivated land was transfer to town construction in 2008 and 2013. The newly-increased cultivated land areas were mainly from the city and rural construction land in 2013 and 2020, but in 2013, it mainly came from town construction land, whereas in 2020, it was mainly come from rural construction land. Results suggested that even there exsited dynamic balances during the requisition and compensation of cultivated land, the traditional cultivated land loss, and low-quality land use type had transfered into cultivated land, and the quality of cultivated land should be concerned in the future. Overall, Wenjiang district was in period of rapid urbanization during 2008 to 2020, cultivated land, and garden land and other natural semi natural ecosystem area had reduced, artificial ecosystem such as urban construction, traffic area had increased. Above all, make Medium and long-term urban development planning, reasonable distribution natural and artificial landscape has played an important role in structuring landscape garden city pattern, just like “city in the garden” and “garden in the city ”.

CA-Markov; land use; pattern; predict

2014-10-30

杨渺(1976-)，男，山东定陶人，2007年毕业于四川农业大学森林培育专业，高级工程师，博士，现从事生态功能评估、区域规划与地理信息系统等方面研究工作。

方自力,fzili@163.com。

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1001-3644(2015)01-0065-06