基于CA-Markov模型的大连开发区土地利用动态变化

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(辽宁师范大学 a.地理科学学院;b.海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029)

土地利用/覆盖变化是研究一个区域内土地资源利用方式的直接反映[1,2],可从空间变化与数量变化进行研究,常见方法主要有CLUE-S模型[3]、FLUS模型[4]、系统动力学模型[5]、CA模型[6]、Markov模型[7]等。CA-Markov模型具有CA模型模拟土地利用在空间变化上的准确性和Markov模型模拟土地利用变化在时间上的长期预测优势[8],可从空间与时间两方面来模拟土地利用的变化情况,近年被学者广泛应用[9-11]。如荆延德等、陈爱玲等、李贤江等、王会军等分别利用CA-Markov模型对白马河流域、秦淮河流域、天津滨海新区以及大连金州区的土地利用空间格局进行了动态模拟和预测[12-15],取得了令人满意的效果。

本文选取大连经济技术开发区2000年、2007年、2014年3期遥感影像数据,利用GIS和RS技术制作不同年份的土地利用空间分布图,全面系统分析其变化规律。通过Markov模型计算出土地利用状态转移矩阵,利用CA-Markov模型预测研究区2021年的土地利用分布情况,对研究区未来的土地资源和生态环境的可持续发展具有重要的参考价值，为未来规划设计提供科学指导和理论依据。

1 区域概况与数据来源

大连经济技术开发区(简称“大连开发区”)地处辽东半岛的南端,是辽宁省沿海经济带新兴产业的核心聚集区，地理坐标为38°56′43″—39°12′30″N、121°41′30″—122°9′45″E。大连开发区是经国务院批准设立的我国首个国家级开发区,被人们誉为“神州第一开发区”,是连接我国东北与东北亚的枢纽和海陆空贸易集散地,目前已发展成为综合性的新城区。该区域近年来取得了快速发展,其土地利用格局变化较大，具有较高的研究意义与研究价值，可为其他区域提供借鉴。

研究数据主要来源于地理空间数据云,选用了三期多光谱遥感影像,分别为2000年9月17日与2007年9月21日Landsat 5 TM影像、2014年9月8日Landsat 8 OLI影像。为了后期处理方便,选择云层覆盖度小于5%。选择的遥感影像处理软件为ENVI5.1,对获取的3期影像分别进行几何校正、融合、裁剪等前期预处理。

根据《土地利用现状分类GB-T21010-2007》,与开发区实际状况相结合,将部分地类进行归并建立分类体系,最终确定研究区土地利用类别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和其他用地6个大类。通过波段合成并结合Google Earth对地物进行准确判别,在ENVI中建立训练样本，通过最大似然法进行监督分类，并进行主要/次要分析、聚类分析等分类后处理，去除小斑块影响，同时在ENVI Classic中对部分混合错分漏分的像元进行手动编辑，提高影像的解译精度,最终形成开发区不同年份的土地利用分类图。其他数据包括大连开发区的矢量底图,采用的投影坐标系为WGS-84-UTM-51N。

2 研究方法

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能揭示出不同土地利用类型之间相互转移的内在规律,可对转移变化进行定量描述,反映出由于人类活动而对土地利用变化方向的引导作用,是一种分析土地利用格局动态变化的常用方法,能较好地揭示土地利用格局的时空演化过程[12],其数学表达形式为:

S11S12…S1nS21S22…S2nS31S32…S3nSn1Sn2…Snn

(1)

式中,n为土地利用类型的个数,该研究中取值为6;Sij为土地利用类型从初期i转换为末期j的转移面积或转移概率,即转移面积矩阵或转移概率矩阵,研究中采用前者对大连市经济技术开发区土地利用类型转移变化进行分析,矩阵对角线上的值表示土地利用类型从初期到末期没有发生变化的面积或概率。

2.2 土地利用变化趋势的预测方法

土地利用结构变化主要体现在数量结构变化和空间结构变化两方面,CA-Markov模型是基于区域过去的土地利用结构变化的一般规律,预测区域未来土地利用结构的变化趋势。具体步骤主要为:①在ArcGIS中将土地利用栅格数据转换为ASCII码导入IDRISI中,从而转换为IDRISI可以识别的数据格式,并通过RECLASS功能对转换后的土地利用图像进行重分类,土地利用类型属性采用整形代码。②基于Markov模型,将2000年和2007年两个阶段的土地利用图依次进行叠加,比例误差设为0.15,生成6幅未来每类用地可能转换为第n(n=1,2,…,6)类用地的空间概率图和2000—2007年转移面积矩阵与转移概率矩阵,本次研究中所用到的转移适宜性图像集则为该空间概率图组。③本次研究中采用5×5的CA滤波器,首先以2007年该区域的土地利用图为起始年份数据,循环次数为7来模拟2014年的土地利用状态,并与2014年的实际遥感解译图像进行精度对比,然后以2014年的土地利用图为起始年份数据,循环次数设为7来模拟2021年该区域的土地利用状态。

3 实例论证

3.1 2000—2014年开发区土地利用转移特征

通过对大连开发区2000年、2007年和2014年的遥感影像进行解译(图1),并结合IDRISI的CROSSTAB功能生成开发区不同年份土地利用转移矩阵(表1—3),分析该区域的土地利用结构的变化(表4)。结果表明:2000—2014年,14年间开发区的建设用地面积显著增加,共增加了8452.89hm2,且2000—2007年增加幅度比2007—2014年增加幅度更大,建设用地主要由草地、水域、耕地和林地转化而来,转移面积分别为4659.03hm2、2524.23hm2、1472.49hm2和861.48hm2,2014年建设用地面积为17484.39hm2，开发区的高速发展和快速城市化导致建设用地面积大规模扩张，加剧了土地资源压力;水域面积不断减少,2000—2007年减少面积为1559.16hm2,2007—2014年减少面积为956.16hm2,水域面积主要向建设用地和其他用地转移，到2014年水域面积占比为1.58%，需加强对水域的保护力度;耕地面积不断减少,且减少速度加快,主要转向草地和建设用地,转移面积分别为3263.94hm2和1472.49hm2,2014年耕地面积为3817.26hm2,占开发区总面积的9.57%;草地面积呈先减少后增加,但总体上仍处于下降趋势,草地主要向建设用地和林地转移;林地面积主要向草地和建设用地转移,但同时也由草地、建设用地和耕地转入,所以变化不大，可见在城市发展过程中对绿地的保护做得比较到位;其他用地主要向建设用地转移了505.17hm2,最终面积为608.94hm2，但所占比重较小，对开发区的影响不大。

图1 2000年、2007年和2014年大连开发区土地利用空间分布

表1 2000—2007年大连开发区土地利用转移矩阵(hm2)

表2 2007—2014年大连开发区土地利用转移矩阵(hm2)

表3 2000—2014年大连开发区土地利用转移矩阵(hm2)

表4 2000—2014年大连开发区土地利用数据变化情况

3.2 开发区2021年土地利用模拟结果

为了验证CA-Markov模型预测土地利用动态变化的准确性,首先以2000年和2007年两期土地利用数据为基础,在IDRISI中通过Markov模型得到转移面积矩阵和空间概率图组,通过CA-Markov模型得到开发区2014年的土地利用空间分布图;然后运用CROSSTAB工具,对2014年开发区的实际遥感解译图像和土地利用空间分布模拟图进行叠加分析,计算得到模拟结果的Kappa指数为0.76,说明模拟精度较高;最后以2014年的土地利用数据为基础,预测年份间隔为7,利用2000—2007年的土地利用转移面积矩阵和空间概率图组进行CA-Markov模型预测,得到2021年的开发区土地利用空间分布图(图2)。

图2 2021年大连开发区土地利用空间分布

通过对模拟结果进行分析可知(表5),大连开发区内建设用地面积会持续增加,模拟期内建设用地面积增加了1411.83hm2,占到开发区土地总面积的47.37%，未来开发区土地利用压力将进一步加大，必须提前做好相关应对措施;水域面积由2014年的629.10hm2骤减到376.47hm2,最终仅占到研究区土地总面积的0.94%,这意味着在未来七年可能仍然存在对水域的占用情况。因此，地方政府要严格贯彻执行《围填海管控办法》,积极响应国家号召，保护海洋生态环境的可持续发展,促进建设用地集约开发利用。草地、林地、耕地面积均有小幅度的减少,最终占比分别为24.50%、17.13%和8.25%,其他用地面积有所增加,为720.45hm2,占比为1.81%。

表5 2021年大连开发区土地利用情况

4 结论与讨论

本文以大连经济技术开发区2000年、2007年和2014年土地利用现状为研究的基础数据,通过转移矩阵从土地利用的面积变化和转移方向方面由浅入深地分析了研究区2000—2014年土地利用的变化情况,同时在2014年模拟结果与实际解译结果精度验证一致性程度较高的情况下模拟了2021年土地利用格局情况。

结果表明，14年间开发区内建设用地急剧增加,主要由草地、水域和耕地转化而来,所占比重从2000年的22.64%增加到2014年的43.83%;耕地面积和水域面积持续减少,2014年减少面积分别为3817.26hm2和629.10 hm2,占研究区总面积的9.57%和1.58%。究其原因，主要是伴随着城市建设本身的发展要求,建设用地需求急速增加,填海造陆导致水域面积大幅减少,耕地的后备资源匮乏加剧了耕地数量的减少。草地面积在后期有所增加,林地面积先增加后减少,其他用地面积变化不明显。

大连市开发区2021年土地利用模拟结果表明,未来土地利用类型以建设用地、草地和林地为主,面积分别为18896.22hm2、9772.56hm2和6833.88hm2。其中,建设用地面积最大,占研究区土地总面积的47.37%;水域面积从2014年的629.10hm2减少为376.47hm2,变化剧烈;耕地和其他用地面积也呈减少趋势,面积分别为3291.84hm2和720.45hm2,占比为8.25%和1.81%。

由此可见,大连市开发区仍处于不断的发展建设之中,建设用地不断扩张，土地覆盖的变化具有一定的复杂性，研究时仅根据2000—2007年所在时段确定的转移面积矩阵来预测未来七年的土地利用变化情况，具有一定的局限性，不一定能够真实反映将来土地利用类型的变化，因此有必要根据研究区域的实际情况进行一定调整，使预测结果更加准确[13]。在今后的研究中可以尝试着添加限制因素，比如交通道路、地形坡度等不同因素的共同作用下，未来土地利用类型会发生怎样的变化。