基于CA-Markov 模型的云南自由贸易试验区土地利用和景观格局时空演变分析及模拟预测

2024-04-09刘文鹏宋志宏张扣强

国土与自然资源研究 2024年1期

刘文鹏，李博，宋志宏，张扣强

（云南财经大学，云南昆明 650000）

0 引言

土地是人类进行日常生活、生产的基础，土地利用是人类根据自身需要对土地进行方向性改造的过程。土地利用/覆被变化是全球变化的重要组成部分和主要原因，在全球土壤退化、食物安全、生物多样性和气候变化等关键问题的研究中发挥着非常重要作用，是全球变化研究的热点领域[1-3]。随着城市化的快速发展，人类社会活动加强，加剧了土地利用类型变化，进而影响土地利用景观格局变化[4]。借助“3S”技术和景观生态学方法，通过景观格局指数刻画不同景观类型特征，并对土地利用进行生态学方面的景观变化进行定量描述，深刻分析土地利用类型变化和土地利用景观格局时空演变特征[5-7]。

元胞自动机（CA）模型可以通过其强大的空间运算,对复杂系统的空间变化进行模拟[8]。马尔科夫（Markov）模型具有长期预测优势，被广泛应用于分析土地利用景观格局变化[9]。将两者优势结合起来构建的CA-Markov模型是土地利用变化预测最常用的方法之一[10]。

2019 年，为加快云南对外开放步伐，促进云南省与东南亚国家经贸合作，提高云南经济发展水平，中国政府设立了中国（云南）自由贸易试验区。本文以云南自贸区为研究对象，对2010-2020 年土地利用变化和景观格局进行分析，并利用CA-Markov 模型预测2025 年土地利用景观格局。为管控土地利用空间，加强土地生态管理，实施适应性开发提供支持。以便协调好云南自贸区内城镇化发展、人口增长、经济发展、环境改善与土地资源之间的关系，促进土地资源高效可持续利用，实现经济发展与土地资源节约集约利用，对云南自贸区的发展具有深远意义。

1 研究区概况

云南自贸区有三个片区，分别是昆明片区、红河片区、德宏片区，三个片区的定位和发展目标各不同。昆明片区主要打造特色空港经济区，努力建设面向南亚、东南亚，辐射西南城市群的商贸中心；红河片区主要打造中越经济交流区，打通中越经济发展新通道，大力发展对外型工业产品制造基地和经贸物流中心；德宏片区主要发展跨境经贸、打造中缅经济走廊①来自《国务院关于印发6 个新设自由贸易试验区总体方案的通知》。。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及预处理

本研究采用云南自贸区2010、2015、2020 年3期，坐标投影为GCS_WGS_1984，比例尺（72DPI）为1：10000，空间分辨率为4 m×4 m，来源于Google Earth的高分辨率卫星遥感影像。对基础卫星遥感影像数据进行波段融合、图像拼接、裁剪等预处理。

利用ArcGIS 10.6，采用中国科学院地理科学与资源研究所LUCC（土地利用/土地覆盖变化）分类体系[11]，通过人机互动目视解译法，采用交互式监督分类对遥感影像进行解译，并将云南自贸区内土地利用类型分为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地[12]，共六种土地利用类型。

对每期分类结果构建100 个随机采样点，利用混淆矩阵进行精度评价，得出如下表1 所示的Kappa 系数，三个片区的Kappa Coefficient 均在0.75～1 范围，表明分类结果和实际土地类别几乎一致，符合要求[13]。

表1 土地利用分类kappa 系数表

基础地理数据选取3 个空间变量：离道路距离（铁路、公路、高速公路）；2 个自然属性变量：DEM 高程（1：5000）和坡度矢量数据。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化

土地利用动态度K表示为某个时间段内，研究区内的某一种土地利用类型的数量变化[14]，用来衡量土地利用类型变化的幅度和速度。

土地利用转移矩阵Sij对区域内土地利用变化的结构特征以及各类用地变化的方向有着良好的刻画效果[15]。不仅反映研究期间各类型土地利用的数量情况，同时也反映出各类型土地的转移变化情况[16]。

2.2.2 景观指数的选取

为深层次研究自贸区土地利用变化类型，进一步探究景观格局时空演变规律，选取具有代表性的部分景观指标，计算景观指数[16]。本文结合自贸区实际情况，根据陈文波等[17]提出的景观指数分类系统，对发展基础较好的昆明片区，计算分析其单一斑块层级和整体景观层级的景观格局指数，红河片区、德宏片区仅采用整体景观层级的景观指数。各指标及其对应的生态意义见文献[18]。

2.2.3 CA-Markov 模型的构建

本文利用IDRIS 软件，借助CA-Markov 模型用于LUCC 模型研究。CA 与Markov 耦合模型，在基础Markov 模型之上加入了空间权重因素，不仅拥有CA模型复杂时空变化的能力，同时又具备Markov 模型长期进行预测的优点[19]，大大增加了模拟结果的科学性。

3 结果与分析

3.1 土地利用与时空演变

3.1.1 土地利用结构变化分析

从图1 至图3 可以看出，从2010-2020 年，各个片区的土地利用结构变化主要是建设用地增加、林地、耕地和未利用地减少，草地和水体基本保持不变。昆明片区的建设用地更加密集，红河片区新增建设用地主要沿着河流两侧，德宏片区是以牺牲耕地来增加建设用地。昆明片区和德宏片区主要由建设用地构成，红河片区主要由林地构成，建设用地面积较少，未来发展潜力巨大。

图1 昆明片区2010、2015、2020 年土地利用结构图

图2 德宏片区2010、2015、2020 年土地利用结构图

图3 红河片区2010、2015、2020 年土地利用结构图

3.1.2 土地利用面积变化分析

由表2 可得，三个片区建设用地均为正向增长，耕地、未利用地均为负向增长，林地、草地、水体先减少后增加。昆明片区与德宏片区主要用地类型为建设用地，而红河片区为林地，且其城镇化进程发展缓慢。昆明片区草地、水体基本处于稳定状态，而德宏片区、红河片区由于内部河流湖泊较多，水体变化幅度较大，呈现先增加后减少的趋势。2010-2020 年内，三个片区均呈现建设用地上涨，耕地大幅度减少的趋势，其中昆明片区和红河片区减少最多，耕地流失现象非常严重，进一步分析2025 年的土地利用情况，该趋势仍在持续。

表2 云南自贸区土地利用面积变化表

由表3 可得，从2010-2020 年，昆明片区内建设用地和草地面积增加，其中建设用地面积增加速度逐渐加快，说明昆明片区城镇发展速度较快，并呈现逐步上升的趋势。另外林地、水体、耕地和未利用地面积减少，其中林地减少幅度最小。红河片区建设用地和未利用地增加，其中建设用地变化幅度和变化速度最大，耕地和林地减少量和减少幅度最大。红河片区近十年城市发展速度较快，但伴随着牺牲林地和耕地来满足建设用地发展需求。德宏片区近十年前期建设用地发展最迅速，达到一定程度后，建设用地扩张速度减缓，使得水体、林地等生态用地得以增加，促进了德宏片区生态多样性的发展。

表3 云南自贸区土地利用/覆被类型动态变化

3.1.3 土地利用类型转移分析

由表4 可以看出，研究区在2010-2015 年的土地利用转移趋势为：建设用地扩展明显，耕地与裸地大幅度减少，草地与水体基本不变，符合基本城镇化发展初期趋势。在2010-2015 年，昆明片区建设用地主要来源为林地、耕地、未利用地。未利用地与建设用地大量转换，表明昆明进入高速发展时期，城市中大量进行拆除与重建工程。德宏片区各类用地流向均为建设用地，其中耕地、林地、未利用地最明显。水体与草体存在略微增长趋势，说明德宏在城镇化过程中较注重可持续发展。红河片区各类用地以林地变化最明显，红河城镇化主要是以开垦林地、侵蚀耕地为代价进行建设。红河湖泊较多，适宜发展湿地生态，促进生物多样性发展。

表4 2010-2015 年云南自贸区土地利用转移矩阵

由表5 可以看出，研究区在2015-2020 年土地利用转移趋势为：建设用地仍处于高速扩张阶段，其中红河片区最为显著，同时在扩张的同时，更加注重保护生态多样性和维持可持续发展。在2015-2020 年，昆明片区建设用地仍然保持增长，同时积极开发未利用地，保护和恢复湿地水体，在“退耕还草”政策的推动下，草地面积增多。德宏片区建设用地、林地、未利用地均存在轻微涨幅。表明德宏土地利用变化受“退耕还林”等政策的影响较大，耕地减少，林地增加，并加大力度保护瑞丽江及沿岸湿地景观风貌。红河片区建设用地出现激增情况，耕地、未利用地持续保持减少的趋势。建设用地、林地的主要来源是耕地与水体。

表5 2015-2020 年云南自由贸易实验区土地利用转移矩阵

3.2 土地利用模拟预测

3.2.1 土地利用结构预测

根据研究区2010、2015、2020 年三期的土地利用景观格局数据，预测2025 年土地利用景观格局。为检验CA-Markov 模型预测土地利用变化的精确度，选用2015 年各片区土地利用图模拟预测2020 年土地利用图，并与2020 年实际土地利用分类图进行对比，通过目视对照，相似度较高，并运用VALIDATE 模块检验精度，得出昆明片区kappa 系数0.846 1、红河片区0.785 2、德宏片区0.817 3，达到显著相关精度要求。再次运用CA-Markov 模型对研究区2025 年土地利用景观格局进行模拟演化，并以建设用地作为限制性因素，DEM、坡度、道路等因素作为发展性因子，制作适应性图集，最终得出研究区2025 年土地利用景观格局预测图。模拟预测结果如图4 所示。

图4 昆明片区、德宏片区和红河片区2025 年土地利用结构预测图

3.2.2 土地利用面积预测

由表6 可知，随着云南自贸区城镇化发展进一步推进，基础设施不断完善，土地资源开发程度逐渐增加，三个片区均出现未利用地、耕地减少的情况，其中主要流向均为建设用地。

表6 2020-2025 年云南自贸区土地利用转移矩阵

在2020-2025 年，昆明片区建设用地和林地的主要来源分别是未利用地和建设用地。德宏片区仅建设用地、林地表现为轻微增长，耕地、未利用地、水体、草地均有不同程度减少。建设用地主要来源是水体，其次是未利用地和草地。红河片区建设用地增长尤为明显，主要来源为林地、未利用地、水体。在保持城镇化推进的同时，水体、草地出现了增长的趋势，增加了红河当地的生态多样性与稳定性。

由桑基图5 可得，昆明片区与德宏片区城镇化较高的地区，建设用地均大部分来自未利用地开发，而红河片区城镇化较低的地区，建设用地主要来源于林地。并且三个片区总体趋势为其他土地利用类型流入建设用地，水体、耕地、林地流入其他土地利用类型。

图5 2020-2025 年昆明片区、德宏片区和红河片区土地利用转移矩阵桑基图

3.3 景观格局变化及预测分析

3.3.1 类型水平变化特征

计算昆明片区不同土地利用类型的景观指数，深入探究各景观类型的时空演化规律，全面分析2010-2025 年昆明片区的景观类型水平变化特征。由图6 可知：（1）在六类土地利用类型中，PLAND（斑块所占景观面积）建设用地占比最高，数值保持在49%～55%之间，占比最少的是草地和水体，耕地的占比逐渐减少。（2）对LPI（最大斑块指数）进行分析：昆明片区的各个用地类型景观中，LPI 最大的是建设用地，数值保持在46%～54%。其中，在2015-2025 年，耕地、林地的LPI 逐年递减，这表明耕地、林地的优势度正在逐渐丧失[20]。（3）对NP（斑块个数）、PD（斑块密度）、AI（聚集度指数）进行分析，PD 最小的是河流，较小的是建设用地和草地，但建设用地的PLAND 和AI 是所有用地类型里面最大的，这意味着，建设用地面积最广且发展聚集度高[21]；从2015-2025 年，耕地和林地的斑块密度、斑块个数都呈现下降的趋势，这表明，破碎化的形势严重。能够从中看出，建设用地面积的增加、城市的快速发展，是以消耗耕地、林地为代价的。（4）对LSI（景观形状指数）进行分析，在2015-2025 年这一段时间中，建设用地和未利用土地的景观形状指数都呈现出递减的趋势，从中可以看出，未利用土地、建设用地的形状都趋向规则化，集聚性较强，反映出的是未利用土地以及建设用地的开发更具有方向性。

图6 昆明片区各土地类型景观格局指数变化图

3.3.2 景观水平变化特征

根据景观指数生态学价值意义和城市地理学等学科知识，结合前人研究相关成果和表7，对研究区景观指数变化进行分析[22-24]。

表7 2010-2025 年云南自贸区景观指数表

昆明片区在2010-2020 年PD、NP 和LSI 不断减少，说明其景观破碎化度在不断下降，景观斑块分布趋向集聚，整体景观趋向简单化；而蔓延度指数近10年来，大致呈上升趋势，由此可以看出，昆明片区各斑块类型在整体景观中分布比较集中，且集中分布的是建设用地。2025 年模拟预测的结果与2020 年进行对比，PD 和NP 仍处于减少的状态，AI 的上升表明了其景观破碎化水平还在降低，整体景观朝向简单化发展，生物多样性减少[25]。

德宏片区从2010-2020 年AI 持续增长，NP 和PD在不断下降，表明了德宏片区破碎化程度的不断下降，各种景观类型之间的连通性逐渐加强，景观集聚程度高。2025 年模拟预测的结果与2020 年进行对比，LSI、SHDI（香农多样性指数）有所增加；而AI 和SHEI（香浓均匀度指数）有所降低，反映了后期德宏片区景观斑块形状不规则，趋向离散化和复杂化，景观破碎度明显提升。

红河片区从2010-2020 年，整体景观变化相对稳定。SHDI 和SHEI 呈现逐年下降的趋势，表明了红河片区景观斑块分布趋向均匀化，斑块类型丰富性减少，破碎度降低，生物多样性减少。LSI 先增大后减小，反映出了红河片区整体景观变化的复杂情况，斑块景观的分布由离散走向了集聚。2025 年模拟预测的结果与2020 年进行相比，NP 和SHDI 处于上升的趋势，再加上蔓延度指数的下降，说明景观内的优势斑块与景观整体的连通性降低，团聚程度减小、趋向分散、景观破碎化水平有着明显的提高。

4 结论与展望

4.1 结论

（1）从土地利用结构变化分析得出：云南自贸区各个片区的土地利用结构变化的总体趋势是建设用地增加，林地、耕地和未利用地减少，草地和水体基本保持不变。

（2）从土地利用结构转移分析得出：在研究期前期，建设用地以牺牲林地和耕地为代价，迅速增加，加速城镇化进程；在研究期后期，建设用地趋于饱和，加强对未利用地的开发，城镇化进程缓慢，并加大对林地、水体和草地的保护力度，重视生态文明建设，贯彻可持续发展理念。

（3）从景观指数分析得出：云南自贸区各个片区景观破碎化水平在不断下降，各个片区景观格局时空演变规律有着明显的差异。从景观水平来看，三个片区都呈现出的是，整体景观破碎度的逐渐降低，景观类型之间的连通性逐渐加强，景观集聚程度高，生物多样性减少。由此可以看出在城镇化发展过程中，在人类活动的影响下，区域景观自我调节能力增强，景观空间结构更加稳定。