基于GIS技术和CA-Markov模型的乌鲁木齐地区土地利用变化与预测研究

郝应龙,李崇博,王拓,安永刚

（新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐830000）

土地利用变化是研究一个区域内土地资源利用方式的直接反映，已成为全球研究热点之一[1-2]。目前，我国第三次土地调查，对土地利用动态变化的研究在总结过去土地利用特点基础上，预测未来土地利用现状，对改进土地利用结构和规划等具理论和实践意义。目前土地利用变化模拟预测研究中最常用的方法主要有侧重时间维度分析的Markov模型和侧重空间维度分析的CA模型等。CA-Markov模型综合了CA模型模拟空间变化能力和Markov模型时间维度分析优势，近年来被广泛用于城市扩张、土地利用变化等方面的模拟研究[3-6]。如刘淑燕等、黄晓磊等、雷浩川等、李志明等分别利用CA-Markov模型对黄土丘陵区、天津市、青海湖流域、哈尔滨市土地利用空间格局进行了动态模拟和预测[3-6]，均取得良好效果。

本文以1989年、2016年2期乌鲁木齐地区土地利用变化数据，运用GIS分析功能，基于CA-Markov预测模型，对乌鲁木齐地区土地利用类型变化和模拟进行研究，预测乌鲁木齐地区未来土地利用类型的变化，对该地区土地利用总体规划制定、管理具重要意义。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

研究区地处天山北麓、准噶尔盆地南缘，主要包括乌鲁木齐市及周边地区，包含天山区、沙依巴克区、新市区、水磨沟区、头屯河区、米东区、达坂城区、乌鲁木齐县的一部分。地理坐标：东经87°15′35″～87°49′19″，北纬43°34′03″～44°11′15″。研究区地势起伏大，山地面积大，总体地势南部、东部高，中部、北部低。随着国民经济的快速发展和改革开放的不断深入，乌鲁木齐正逐步发展成一个开放性的现代化城市。

1.2 数据来源

本次研究选取1989年8月18日Landsat5 TM 30 m和2016年9月21日Landsat8 OLI 15m、2016年8月Spot5 2.5 m分辨率遥感影像作为土地利用变化信息提取的基础数据。按“数据预处理-人工目视解译检查修正”的操作步骤进行解译。解译过程按照最新国家统一标准《土地利用现状分类标准》(GBT 21010-2007)，将研究区土地利用类型分为8个一级类：耕地、园地、林地、草地、城镇及工矿用地、交通运输地、水域及水利设施用地、其他土地。

2 研究方法

2.1 CA模型

元胞自动机（CA）模型是一种时间、空间、状态都离散的动力系统，其模型可用下式表示[7]：

式中：P为元胞有限、离散的状态集合；T、T+1为不同时刻；N为元胞的邻域；f为局部空间的元胞转化规则。

2.2 Markov模型

马尔柯夫（Markov）模型是基于Markov过程理论形成的预测事件发生概率的一种方法，常用于无后效性特征地理事件的预测[8]。土地利用变化研究中，土地利用类型动态变化具马尔柯夫过程的性质：①一定区域内不同地物类型具相互转化的可能；②各类地物之间转化过程有一些难以用函数关系准确描述的事件。土地利用类型之间相互转换的比例及面积数量即为Markov模型中的状态转移概率，可用如下公式表示：

式中：Qij为状态转移概率举证，可由下式表示

式中：n为土地利用类型。

2.3 CA-Markov预测模型

据CA模型和Markov模型特点，将二者相互结合，在土地利用栅格图中，每一个像元就是一个元胞，每个元胞的土地利用类型即为元胞状态[3]。具体预测过程如下：①计算土地转移矩阵：采用5×5的元胞滤波器，CA循环次数取27（1989与2016的差值），将1989年和2016年土地利用遥感解译数据进行叠置分析，利用Markov模型计算土地利用类型转移矩阵和转移概率矩阵，作为转换规则；②建立适宜性图集：选取DEM、社会经济因素（人口密度、GDP等）、水资源、距离因素等进行土地利用适宜性评价，建立适宜性图集；③预测模拟：以1989年和2016年乌鲁木齐地区土地利用类型变化为基础，将模拟的2016年土地利用类型与2016年真实值比较，调整参数，检验模型，然后以2016年的数据为基础，对2043年土地利用类型进行预测。

2.4 土地利用动态度

土地利用动态度可定量描述区域一定时间范围内某种土地利用类型变化速度，对比较土地利用变化区域差异和预测未来土地利用变化趋势具有积极的作用[9]。计算表达式为：

式中：R为研究时段内某一种土地利用类型变化率；Wa、Wb分别为研究期初和末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段长。

3 土地利用动态变化分析

3.1 土地利用类型面积变化

对1989年、2016年两个时相的遥感解译结果进行统计（图1），得出1989—2016年乌鲁木齐地区土地利用变化情况统计分析表（表1）。 从图1，表1可看出，1989—2016年总体变化情况较稳定，城镇及工矿用地、交通运输地面积有较明显增加，增加量分别为267.10 km2、34.36 km2；耕地、园地、林地、草地、水域及水利设施用地、其他土地等面积呈减少态势，减少量分别为41.91 km2、6.80 km2、3.84 km2、231.08 km2、13.77 km2、4.06 km2。这意味着耕地、园地、林地、草地、水域及水利设施用地、其他土地有向其他地表类型转化趋势。

从动态变化情况可看出，1989—2016年土地变化过程中，交通运输地年变化率最大，为6.27%，城镇及工矿用地次之，为3.17%，次为水域及水利设施用地、草地、园地、耕地、其他土地、林地，动态度分别为-0.93%、-0.90%、-0.49%、-0.34%、-0.23%、-0.14%。说明乌鲁木齐地区土地利用变化与人类活动的影响密不可分。

3.2 土地利用类型转移特征分析

为进一步了解乌鲁木齐地区土地利用类型相互转化过程。我们利用土地利用转移矩阵定量表示1989年和2016年两个时期不同土地利用类型之间相互转移关系，通过空间计算工具获得1989—2016年各地类之间的互相转化情况（表2）。

图1 乌鲁木齐地区土地利用遥感解译图Fig.1 The Remote sensing interpretation map of Land Use in Urumqi Region

表1 1989—2016年乌鲁木齐市土地利用分类变化统计表Table 1 The classificcation change of land use in Urumqi Region,1989—2016

表2 1989-2016年土地利用类型转移矩阵Table 2 The transfer matrix of land use in Urumqi Region,1989—2016 单位：/km2

由表2看出，除各地类不变面积外（不变面积由下划线表示），各地类都发生了不同情况转移，其中：①耕地。1989—2016年，由耕地转变为其他地类面积共62.17 km2，主要转移成城镇及工矿用地、交通运输地，少部分转移为草地、林地、水域及水利设施用地和其他土地。在此期间，由其他地类转变为耕地的面积一共有20.26 km2，主要来源为草地、水域及水利设施用地和其他土地；②园地。1989—2016年，由园地转变为其他地类面积共7.02 km2，主要转移成城镇及工矿用地和交通运输地，少部分转移为林地、水域及水利设施用地和其他土地。在此期间，由其他地类转变为园地的面积一共有0.22 km2，主要来源为草地和耕地；③林地。1989—2016年，由林地转移为其他地类的面积一共有16.13 km2，主要转移到城镇及工矿用地和交通运输地；由其他地类转为林地的面积一共有12.29 km2，主要转入源为草地；④草地。1989—2016年，草地变化情况较广泛，由草地转移为其他地类面积达236.76 km2，主要转移到耕地、林地、城镇及工矿用地、交通运输地、水域及水利设施用地和其他土地。由其他地类转为草地面积为5.68 km2，主要转入源为耕地、水域及水利设施用地和其他土地；⑤城镇及工矿用地。1989—2016年，由城镇及工矿用地转为其他地类的变化较少，一共只有1.35 km2，分别有1.07 km2转为交通运输地，0.15 km2转为耕地，0.11 km2转为水域及水利设施用地。其他地类转为城镇及工矿用地转入面积较大，达到268.45 km2，且转入源广泛，分别有48.83 km2的耕地、5.15 km2的园地、14.51 km2的林地、162.97 km2的草地、0.36 km2的交通运输地、21.92 km2的水域及水利设施用地、14.71 km2的其他土地转为城镇及工矿用地；⑥交通运输地。1989—2016年，由交通运输地转为其他地类的变化较少，只有0.17 km2转为草地，0.36 km2转为城镇及工矿用地。由其他地类转为交通运输地面积较大，达到34.9 km2，主要来源为耕地、草地，少部分来源为园地、林地、城镇及工矿用地、水域及水利设施用地和其他土地；⑦水域及水利设施用地。1989—2016年，由水域及水利设施用地转移为其他地类的面积一共有31.58 km2，主要转移成耕地、草地、城镇及工矿用地、交通运输地和其他土地，少部分转移为林地。在此期间，由其他地类转变为水域及水利设施用地的面积一共有17.81 km2，主要来源为耕地、草地和其他土地，少部分来源于园地、城镇及工矿用地；⑧其他用地。1989—2016年，由其他用地转为其他地类的面积一共有20.31 km2，主要转移到耕地、草地、城镇及工矿用地、交通运输地和水域及水利设施用地。其他地类转为其他用地的面积一共有16.25 km2，主要转入源为耕地、草地和水域及水利设施用地，少量为园地。

图2 2043年乌鲁木齐地区土地利用类型预测图Fig.2 The Forecast map of Land Use Types in Urumqi Region in 2043（图例同图1）

表3 2016—2043年乌鲁木齐地区土地利用分类变化统计表Table 3 The classificcation change of land use in Urumqi Region,2016-2043

4 基于CA-Markov模型的土地利用变化趋势预测

4.1 CA-Markov模型预测精度检验

为检验CA-Markov模型预测土地利用变化的精确度，本文以1989年、2016年的土地利用变化数据作为基础数据，模拟2016年乌鲁木齐地区的土地利用分类图，并与真实值进行精度分析，其数量精度和空间精度均达到88%以上，符合精度标准，与实际较接近，可用该模型对未来乌鲁木齐地区土地利用变化趋势进行预测。

4.2 乌鲁木齐地区2043年土地利用预测

运用通过精度验证的CA-Markov模型对乌鲁木齐地区2043年土地利用类型进行预测，预测结果见图2。对2043年的土地利用预测结果和2016年土地利用类型进行统计分析，得出2016—2043年乌鲁木齐地区土地利用变化情况统计分析表（表3）。

从图2和表3可以看出，2016—2043年，乌鲁木齐地区土地利用变化明显，城镇及工矿用地和交通运输地面积继续增加，耕地及草地面积继续缩小，但变化速率变缓。可见2016—2043年间，乌鲁木齐地区城市市化建设依旧迅速发展，采用CA-Markov模型预测的土地利用类型变化结果与乌鲁木齐市城市规划实行“南控北扩，东延西进”的空间发展规划一致。同时也说明如政府不对土地利用进行管理和合理规划，区内的生态环境质量将恶化。

5 结论

（1）本文运用CA-Markov模型对乌鲁木齐地区土地利用类型变化模拟预测进行了尝试，通过研究1989年到2016年的土地利用变化，预测了2043年乌鲁木齐地区土地利用情况，结果表明，2016—2043年乌鲁木齐地区土地利用变化依旧明显，城镇及工矿用地和交通运输地面积继续增加，耕地及草地面积继续缩小，预测结果可为乌鲁木齐地区土地资源的合理利用、管理、规划及生态保护提供科学依据和技术支持。

（2）CA-Markov模型的预测结果较好地反映了乌鲁木齐地区的土地利用类型动态变化情况。但本次模拟研究中未将地面塌陷区、未来政府的规划意向等因素考虑在内，模拟预测结果是基于乌鲁木齐地区土地利用变化趋势保持不变的前提下，模拟结果可能存在一定误差，有待在今后实践中进一步检验。