高标准粮田区鹤壁市土地利用情景模拟预测研究

田洁玫， 陈 杰

(1.郑州大学公共管理学院，郑州 450001； 2.郑州大学水利与环境学院，郑州 450001)

0 引言

河南省是国家重要的粮食生产区，也肩负着实现耕地保护与农业现代化的重担，2008年的《国家粮食战略工程河南核心区建设规划纲要》中占河南省鹤壁市总面积约70%的浚县、淇县2县均位列在内； 2012年出台的《河南省人民政府关于建设高标准粮田的指导意见》中将鹤壁市作为典型示范区，这使得鹤壁市耕地受到政策保护。为了提升河南省的工业化、城镇化水平，2011年出台了《国务院关于支持河南省加快建设中原经济区的指导意见》。鹤壁市作为中原经济区“一核、四轴、两带”中“沿京广发展轴”上的重要一环，承担着北接京津、沟通南北产业和城镇密集带的重要作用。中原经济区建设中出现的建设用地扩张会不可避免的对耕地造成影响，如何在未来的土地利用中满足保证粮食安全与实现中部崛起的双重要求是目前的关注热点。

鹤壁市作为高标准粮田区的代表，在1993—2013年间发生了多种土地利用类型变化，这些变化会对未来土地利用产生影响，不同的发展模式也必然会产生不同结果。国内外学者对于土地利用变化模拟的研究主要是通过对土地利用格局、结构及过程的概括而进行的[1-3]。土地利用模拟中常用的模型有土地利用转化及其效应模型(conversion of land use and its effects model，CLUE)、元胞自动机模型(cellular automata，CA)以及智能体模型(agent-based model，ABM)等。近年来CA模型的发展日益成熟，Clarke等提出CA改良模型进行土地利用变化模拟研究[4]，随后又提出了主要运用于中等尺度的SLEUTH模型[5]； 张显峰等建立了LESP模型，在虚拟环境下模拟土地利用变化情况[6]。元胞自动机-马尔科夫模型(Cellular Automata Markov，CA-Markov)在CA原有模型基础上增加了马尔可夫链，可以提高预测模型结果的精确度，适用性与实用性较突出。

本文基于鹤壁市1993年、2003年和2013年3期遥感影像进行1993—2013年间土地利用动态变化分析，并将1993—2003年作为情景Ⅰ、2003—2013年作为情景Ⅱ，使用CA-Markov模型揭示了鹤壁市2023年土地利用的不同预测结果，以期为今后以耕地保护与经济建设为主题的高标准粮田区土地利用优化配置以及各项利用规划提供参考依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

鹤壁市位于河南省北部，处于E113°59′～114°44′，N35°26′～36°3′之间，是太行山东麓向华北平原的过渡地带，地势西高东低； 属暖温带半湿润型季风气候带，适宜农业种植，历史上就是粮食盛产地，其粮食播种面积比重居全河南省第一，粮食单产和复种指数也高于其他地区，是河南省高标准粮田建设试点区[7]。近年来，鹤壁市城镇人口增加迅猛，目前城镇化率已高达52.8%，经济发展态势良好。鹤壁市北距首都北京市475 km，南距省会郑州市110 km，国家西气东输工程、南水北调工程傍城区而过。鹤壁市下辖2县(淇县、浚县)3区(淇滨区、山城区、鹤山区)，位置如图1所示。

图1 鹤壁市位置示意图Fig.1 Location map of Hebi City

1.2 数据来源及处理

鹤壁市中心所在经纬度为(E114.17°，N35.9°)。采用Landsat5 TM,Landsat7 ETM+以及Landsat8 OLI-TIRS卫星数据，条带号为124/35，均来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站。使用ENVI 软件对遥感数据进行了归一化处理、假彩色合成、图像配准、裁剪与增强。按照Anderson在1976年针对遥感调查数据确定的土地利用分类系统[8]，结合当地实况将研究区划分为耕地、林地、建设用地、水域和未利用地5大类土地利用类型。采用非监督分类与监督分类相结合的方法，最终建立了研究区土地利用空间数据库。经过混淆矩阵检验，各地类的解译精度均高于85%。利用ArcGIS软件统计得出3个年份的地类面积(表1)。

表1鹤壁市3期土地利用类型面积

Tab.1LandusetypeareaofHebiCityin3years(km2)

其他数据包括： 地形地貌数据(鹤壁市30 m分辨率数字地形图)、矢量数据(鹤壁市行政区划图、鹤壁市土地利用现状图)及其他统计年鉴数据(鹤壁市统计年鉴、中国国土资源公报、河南省统计年鉴、鹤壁市年鉴、鹤壁市土壤志和鹤壁市城市总体规划等)。

2 研究方法

2.1 CA-Markov模型

CA-Markov模型在世界范围内被广泛运用于土地利用/覆被变化(Land use/ cover change，LUCC)研究。陈龙泉通过对Markov-CA模型的研究，认为其模拟预测效果比单纯Markov模型强[9]； 肖明等对该模型的运用也证明其可信度较高[10]； Adhikari等运用该模型对印度政策干预下LUCC进行了预测[11]； Kityuttachai也用该模型研究了泰国海滨城市的土地利用变化情况[12]。

本研究基于CA-Markov模型的鹤壁市土地利用情景模拟预测是在ArcGIS及IDRISI软件中进行的。先对栅格数据进行100×100的重分类，将其转为ASCII格式并导入IDRISI； 再使用IDRISI中的Markov模块计算1993—2003年以及2003—2013年的转移面积和与转移概率矩阵； 考虑到MCE或Logistic法均存在较大的主观性[13]，本研究采用Markov模块自动生成的.rgf文件作为转变适宜性图像集，并在运算中采用5×5的CA滤波器，以10为CA循环次数的基数。

2.2 模型精度检验

对CA-Markov模型模拟预测的效果通常使用数量精度以及Kappa指数进行检验，数量精度的计算属于全数检验方法，它可以检验到参与模拟的每个单元，具有较高的可信度。其方法是以预测图与解译图的相交栅格数为被除数，以预测图的模拟结果栅格数为除数，其数量精度值越大则表示模拟精度越高。Kappa指数在评价两幅图像一致性的研究中被广泛应用，其数值大小与模拟效果的好坏成正比： 当该系数在(0.8～1]区间时，则模拟效果最佳； 当该系数在(0.6～0.8]区间时，则模拟效果显著； 在(0.4～0.6]区间时表示效果适中； 在(0～0.4]区间时则表示效果弱或很差[14-15]。

3 结果与分析

3.1 发展情景设定分析

根据中原经济区“三化”协调发展河南省协同创新中心对“三化”协调发展历史过程的总结，可以将鹤壁市1993—2013年间分为2个发展阶段，即1993—2003年和2003—2013年[16]

1993—2003年间，随着1994年河南省贯彻农村土地使用权流转机制，推动农业劳动力转向非农就业，在农村实行适度规模经营[17]，流转后耕地破碎化程度减小，该时期鹤壁市耕地有所增加。随着南巡讲话和十四大会议召开，鹤壁市的总体发展与市场经济和改革开放趋势相符，工业化成为其“抓住时机，发展自己”的重点，而鹤壁的电力工业基础建设也成为鹤壁市工业化进程中的重中之重； 另一方面，1994年中原城市群战略的提出，使得全河南省城镇都积极联体成片，鹤壁市处于重要的节点处，城镇化建设更是突飞猛进。

2003—2013年间，2004年《关于推进农业现代化建设的意见》中强调继续推进农村土地承包经营权流转，促进工业反哺农业，农业产业化发展。2008年河南省粮食生产核心区建设以及其后2012年的高标准粮田建设，都强调将粮食生产用地和粮食产量稳定在一定水平。2003年后，河南省的工业化与城镇化发展均进入高速增长时期。2006年鹤壁市成为河南省7个城乡一体化试点，使得鹤壁市农村基础设施建设也不断加强； 2012年中原经济区建设的启动促使鹤壁市城市规模不断扩大。工业化以重工业为主导，鹤壁市成为最大的镁制品生产中心。

受到工业化、城镇化、农业现代化的各项影响，鹤壁市过去20 a间土地利用也会有不同特征，分别计算土地扩张速度、扩张强度以及动态度，即

(1)

(2)

(3)

式中：V为扩张速度；R为扩张强度；K为扩张动态度；U为某区域的地类面积；i为初期；j为末期；T为时间间隔；A为土地总面积。计算结果见表2。

表2 鹤壁市2个阶段土地利用变化对比表Tab.2 Land use change phase comparison of Hebi City

从表2可见，1993—2003年间土地利用呈现建设用地扩张速度、强度以及扩张变化量均低于2003—2013年间，而耕地扩张速度、强度以及扩张变化量均高于2003—2013年间的情况。依据两阶段中鹤壁市土地利用的不同特征，可将这2个阶段的土地利用模式分别作为不同的发展情景对未来进行模拟预测，并依据预测结果分析哪种情景更有利于高标准粮田区土地可持续利用。

3.2 2013年土地利用模拟预测

以2003年为预测起始年，以Markov模块中生成的1993年土地利用类型转变为2003年土地利用类型可能性的转变适宜性图像集为依据，间隔迭代设为10 a,对2013年的土地利用情况进行预测。通过CROSSTAB模块可同时将模拟结果与解译结果进行栅格差值运算，得到检验交叉表，并计算数量精度[18]，结果如表3。

表3 鹤壁市2013年预测结果模拟精度Tab.3 Simulation accuracy of Hebi City in 2013

分析可知，水域的数量精度为70.131%，Kappa指数为0.699，相对较低，但其模拟效果仍处于显著状态； 其他各地类及总体的数量精度均较高，且Kappa指数均高于0.81，这种高模拟精度的情况具有不变地类占比大而高估模型能力的可能性，但相关研究已表明该精度存在较高可信度。由此项检验可知，使用CA-Markov模型可以得出达到模拟效果的鹤壁市未来土地利用预测图件和数据。

3.3 基于两种发展情景的模拟预测

依据上文分析，可将1993—2003年的发展模式作为情景Ⅰ，以2003年作为起始年，1993—2003年的Markov转移矩阵和适宜性图像集，迭代间隔为20 a。同理，可将2003—2013年的发展模式作为情景Ⅱ，使用2013年作为起始期，2003—2013年的Markov转移矩阵和适宜性图像集，迭代间隔10 a。2种发展情景可分别模拟出鹤壁市2023年的土地利用图，如图2所示。

(a) 情景Ⅰ (b) 情景Ⅱ

图2两种发展情景下模拟的2023年鹤壁市土地利用图

Fig.2LandusemapofHebiCityin2023undertwoscenariosofdevelopment

3.3.1 预测结果的数量变化比较分析

将模拟结果导入ArcGIS软件，统计计算得出鹤壁市2023年2种情景模式下的土地利用类型面积，结果汇总见表4。

表4 鹤壁市2023年土地利用类型面积及比例汇总表Tab.4 Land use type area and proportion of Hebi City in 2023

由表4可知，总体上鹤壁市的耕地仍属于主导地类，2种情景下2023年耕地面积比例均超过55%，这是鹤壁市作为高标准粮田示范区的优势所在。情景Ⅰ中的耕地面积比例明显高于情景Ⅱ，说明情景Ⅰ中以耕地保护为主，然而情景Ⅰ中耕地面积比情景Ⅱ多54.180 km2，情景Ⅱ的建设用地却比情景Ⅰ多108.689 km2，大量增加的建设用地是中原经济区建设的必然结果，这说明情景Ⅱ在少量占用耕地的情况下，建设用地发展迅猛，且以对未利用地的开发为主(情景Ⅰ的未利用地持有面积是情景Ⅱ的两倍)，这一情况符合中原经济区建设及工业化发展的普遍要求。对于林地和水域而言，情景Ⅱ的各项所占面积均高于情景Ⅰ，说明基于情景Ⅱ的发展模式下鹤壁市未来林地及水域用地持续增加，这符合鹤壁市盘石头水库建设的实际情况，也符合目前政府提倡“绿色化”发展的生态及环境保护立场[19]。

3.3.2 预测结果的空间变化比较分析

将2种情景下的2023年鹤壁市土地利用图与各自的初始土地利用图(2003年、2013年)使用Image Calculator模块进行处理，以模拟图像为被减数，以初始图像为减数，得到2种情景模式下的2023年鹤壁市土地利用空间发展比较图，如图3所示。图呈增加中数字为正的区域表明模拟图像在初始图像基础上趋势。

(a) 情景Ⅰ (b) 情景Ⅱ

图32023年鹤壁市土地利用空间发展比较图

Fig.3ComparisonoflandusespatialdevelopmentofHebiCityin2023

情景Ⅰ中2023年鹤壁市土地利用增加的部位集中在图件的北部，且以西北部为主； 从细节上看，建设用地主要围绕着淇滨区、山城区以及浚县主城区进行外扩； 未利用地也有西扩趋势，符合鹤壁市西部山区环境保护的要求。情景Ⅱ中2023年鹤壁市土地利用增加部分较之情景Ⅰ更为全方位，增加部分以西部为主，兼顾东部； 且围绕着淇滨区(鹤壁市区)与淇县练成一片中央核心区，西北部的山城区与鹤山区也逐步形成一体，与东部淇县照相呼应。

依据《鹤壁市城市总体规划(2007—2020)》，鹤壁市未来城市发展空间结构以淇滨区为中心，以山城区、淇县县城、浚县县城为次中心，依托快速路和区域主干公路，构建“一轴、三区、四级”的市域城镇空间结构，并逐渐从“一心(淇滨区)三星(山城区、淇县、浚县)”向 “一核(鹤淇一体化)双星(山城鹤山一体化、浚县)”过渡。由此可见，情景Ⅱ的空间变化态势更符合鹤壁市的城市总体规划。

3.3.3 预测结果的景观格局比较分析

在Patch Grid扩展模块中将2种情景下的2023年鹤壁市土地利用图进行处理，研究2种情景模式下的2023年鹤壁市土地利用的景观格局情况。使用的景观指数有： ①面积加权的平均形状因子(area weighted mean shape index，AWMSI)反映景观中各斑块的变异性，其数值随着斑块形状不规则程度的增加而增大； ②香农多样性指数(Shannon’s diversity index，SHDI),反映景观复杂性和变异性，其值越小破碎度越低； ③香农均度指数(Shannon’s evenness index，SHEI),反映分布均匀程度，数值在0～1之间，趋于0是说明景观优势性明显； ④平均斑块大小(mean patch size，MPS)与斑块个数(number of patches，NUMP)组合可反映景观空间格局[20]。结果见表5。

表5 鹤壁市2023年土地利用类型景观指数表Tab.5 Landscape index of land use type of Hebi city in 2023

由表5可知，就AWMSI指标而言，情景Ⅱ<情景Ⅰ，说明情景Ⅱ中的斑块形状更加规则。SHDI与SHEI指标数值均很小，说明2种情景下2023年鹤壁市的土地利用景观破碎度均呈现较低状态，景观分布均匀并且优势性明显。但从MPS与NUMP指标的数值可以看出，相比而言情景Ⅰ下2023年的斑块尺寸略小，而斑块个数偏多，这说明情景Ⅱ的斑块集聚度高且内部连续性强。

4 结论

1)鹤壁市作为高标准粮田示范区，其未来土地利用应符合河南省实现“三化”(即工业化、城镇化与农业现代化)的协调发展战略。按照情景Ⅱ模式进行土地利用规划和建设可以在建设用地满足工业化与城镇化的基础上，使得耕地持续集聚并不断满足农业现代化要求，最终实现高标准粮田建设目标。

2)绿色可持续化是未来高标准粮田建设的内在目标，发展应坚持走“不以牺牲农业和粮食、生态和环境为代价”的道路。按照情景Ⅱ模式未来林地及水域用地面积增加，更加符合目前绿色化发展要求。

3)使用数量精度及Kappa指数对CA-Markov模型的模拟精度进行测算是目前的常用方法。鹤壁市处于高标准粮田建设区，受自身土地禀赋、耕地保护政策以及政府规划的影响，地类变动并不十分剧烈。这种不变地类占比大的现象存在着高估模型能力的可能性，因此该问题今后可在具有不同特点的其他区域作进一步的分析研究。

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