基于CA-Markov模型的彰武县土地利用变化研究

马云雷

阜新市彰武县自然资源事务服务中心 辽宁阜新 123000

1 模型原理及检核标准

1.1 元胞自动机理论

元胞自动机（Cellular automaton，CA）是一个具有离散和有限状态特征的元胞，在其构成的元胞空间中，按照一定的转化规则，在离散的时间维度上演化的动力学系统，其组成如图1所示。

1.2 CA-Markov模型

1987年，美国克拉克大学实验室提出基于IDRISI软件下的CA-Markov模型。CA-Markov模型不仅具有GIS系统所具备的功能，还具有图像处理功能，是两个功能板块有机结合，其功能模块高达200多块，能够从数量和空间两个方向进行模拟研究。

本文利用IDRISI软件中的CA-Markov模型对彰武县土地利用变化进行模拟，模拟的过程不仅包括了CA创建转化规则、CA创建滤波器、CA确定循环次数等，还包含了状态转移概率矩阵的计算、状态转移面积的计算、转移概率图的生成等。最终使两个模型的优势发挥到最佳，使其优势得到有机结合[1]。

2 基于CA-Markov模型的彰武县土地利用变化模拟

2.1 预测模型建立

（1）生成Markov转移矩阵。IDRISI软件所处理的数据格式与ArcGIS软件所处理的数据格式不同，前者数据格式必须是.rst格式的栅格数据，后者数据格式是.shp格式的矢量数据或.img等格式的栅格数据，因此需要将已有的.shp格式的矢量数据或.img格式的栅格数据转换为IDRISI软件所需的.Arst格式的栅格数据。

（2）生成适宜性图集。前面的规则制定为适宜性图集的制作提供理论依据，在IDRISI中则是通过MCE模块来实现。在MCE模块中通过加权线性合并法分别得到各地类适应性图，然后通过集合编辑器将适应性图按顺序排列，得到最后的土地利用转变适宜性图集。

2.2 2015年土地利用模拟及Kappa指数检验

模型所需要的数据都是有IDRISI软件中生成的，其中包括1990年、2000年和2015年土地利用现状图：1990～2000年和2000～2015年土地利用类型转移面积矩阵。利用这些数据，在CA-Markov模型中生成土地利用模拟预测图。

本文分为三期数据1990年、2000年和2015年土地利用现状图，由1990年和2000年土地利用现状图生成转移概率矩阵和转移面积矩阵，markovtransition-probabilities和markovtransitionareas；2000年土地利用现状图作为基础年份的土地利用数据；以十五年为模拟周期，即迭代次数为15；CA模拟的滤波器，在此选择5＊5的滤波器，打开CA-Markov模型，按上述所说的将参数调整好，然后运行即可。

本次实验在IDRISI软件的Validate模块的支持下，将CAMarkov模型预测模拟出来的2015年的彰武县土地利用状况图与遥感解译得到的2015年土地利用现状图进行对比分析，得到各个Kappa系数均大于80%，说明由CA-Markov模型模拟出的2015年土地利用状况图与遥感解译得到的2015年土地利用现状图具有较高的一致性，可信度高，模拟效果好。同时也表明用模型对未来的土地利用状况进行模拟预测是可行的[2]。

3 结语

基于彰武县1990年、2000年、2015年土地利用数据，通过CA-Markov模型对彰武县1990～2015年土地利用变化进行研究，并运用IDRIS软件中CROSSRAB模块，在空间上对2015年实际和预测的土地利用现状图做空间叠加分析；利用得到的Kappa指数来评定空间上模拟精度，并模拟和预测未来2025年彰武县土地利用变化情况，得出结论如下：

（1）1990～2015年，彰武县土地利用变化明显。1990～2015年，草地面积大量减少，林地、耕地面积大量增加，耕地、草地、林地三者之间的相互转化最为频繁，草地是林地、耕地的主要转入来源。

（2）总体规律上，呈现出以草地面积的缩减为代价，支撑其它各类土地利用类型扩张；同时，森林面积有所减少；水体湿地面积有所增加，其增加主要由草地和荒漠转换而来。在该时期，荒漠面积增加，主要是由于人口的持续增加，人类活动强度增大对草地生态系统造成了较大的压力。与其它各类土地利用类型扩张相比，彰武县1990～2000年间城镇扩张面积规模较小。这期间土地利用变化的主要驱动力来自于自然因素(气候的暖干化)和人类活动(人口的持续增长、经济快速发展)。2000～2015年彰武县草地被侵占的现象更为明显，面积缩减最多，是动态变化最为强烈的土地利用类型，草地转换成森林、农田和荒漠的比例较高。除此之外，森林面积有小幅度增加，荒漠转化为草地面积占比较高，水体湿地面积呈基本稳定的态势[3]。