基于CA-Markov模型的天津市土地利用时空变化模拟研究

邓雅文，林 耕，曾穗平

（天津城建大学 建筑学院，天津300384）

土地利用变化是生态、社会和政策等多因素综合作用下的结果，随着城市化和工业化的进程不断加速，深入研究土地利用变化特征并模拟预测未来的变化趋势是十分重要的.因此，提升城市土地利用效率，推进城镇建设高水平发展是当前国土空间优化的有效途径，且运用科学技术模拟和预测地类变化过程是国土空间规划编制的重要基础.当前，有以下模型（见表1）可运用于土地利用变化的预测和分析中，单一模型均有其优缺点，不同模型之间的耦合建立较为常用.其中CA-Markov模型高效地集合了CA模型的空间预测技术与Markov模型的长时间序列预测模拟的优点，有助于提高研究的精确性，能够更准确地预测土地利用变化，在目前的土地动态预测中应用较广.相关研究有国外的泰国华欣海滨城市[1]、埃塞俄比亚的Andassa河流域[2]、印度拉敦市[3]；国内研究聚焦于珠江三角洲地区[4]、黄土丘陵区[5]、河西走廊[6]、黑河流域[7]和新疆奎屯河流域[8]等.

表1 土地利用变化预测与分析模型

运用CA-Markov耦合模型研究和预测天津市土地利用时空变化便于理解大城市发展的趋势，对于了解研究区的土地利用非线性特征有理论意义.同时，研究基于该模型对把握未来大城市土地利用的变化趋势，改进土地利用的结构与规划，解决目前大城市土地利用相关问题具有实践意义.当前社会对于土地利用时空变化的模拟预测大多集中于两期较大尺度的预测或从整体区域规划的角度研究土地利用数据[9]，再进行预测，且精度评价上多为单一kappa系数评价，使得结果不够准确.因此，文章选取三个时期的土地利用变化情况，利用CA-Markov耦合模型模拟近二十年土地利用动态变化情况，并以扩展的kappa系数为精度评价方法，使得研究和预测结果更加准确.根据研究可在一定程度上理解天津市的土地利用变化情况，并针对预测后可能出现的问题提出相关策略，为类似大城市的土地利用发展提供科学的理论支撑与依据[10].

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

天津市作为中国北方最大的沿海开放城市，2005—2019年城市化率从75.73%提高到83.48%，迅速发展的城市化对于用地资源的需求量逐渐增加，这使得农业用地迅速减少.从2005—2018年，天津市农业用地从7 075 km2减少到6 894.41 km2（见图1），耕地面积在2011年到2012年变化速率达到最快，减少最多，整体呈现“急剧下降—趋于平缓”的走势；建设用地在2012—2013增长速率较快，整体为“增长—下降—缓慢增长—趋于稳定”的趋势.与此同时，耕地土壤也受到了不同程度的污染，限制了天津的社会经济发展.为了提高发展速度，获得较大的发展机遇，天津市各类用地利用类型相互转换频繁，人地矛盾渐渐凸显.

图1 2011—2018年天津市城乡建设用地数据

根据天津市统计年鉴数据资料显示，2005—2018年，天津市农业人口（见图2）从376.91万人减少到321.30万人，城市人口从564.2万人增加至760.33万人，2015年前后农业人口急剧下降，城镇人口明显上升，城市化率显著提升，表明天津市人口聚集现象明显，城市化进程发展速度快.

图2 2011—2018年天津市城乡人口数据

1.2 数据来源

本文所用1995年、2005年和2015年天津土地利用现状数据来源于地理空间数据云平台（http：//www,gscloud.cn）.根据土地利用2015年的一级分类标准，将天津市用地类型划分为9类用地：耕地、草地、水域、林地、未利用地、城镇居住用地、农村居民点、其他建设用地.研究所得到的研究区数据为矢量数据，转为栅格数据之后将每期土地利用数据栅格像元大小、坐标系、投影以及空间范围调为一致，在Arcgis中转为ascii文件导入IDRISI软件.

2 研究方法

本文研究方法（见图3）基于地理信息数据和社会经济数据，通过多时段分析和多种技术方法得出天津市三期土地利用文件，并运用CA-Markov模型模拟近20年土地利用时空变化，提炼对比得出天津市三期城市扩展方式，各类用地时空变化特征.

图3 研究方法

2.1 土地利用动态度

土地利用动态度能够定量描述某一区域的土地利用面积变化数量、速度以及差异情况[11]，其表达式如下

其中：U表示某一土地利用类型占地面积；a、b为研究开始与结束的时间节点；T为总时间.

2.2 元胞自动机（CA）

CA是拥有时间空间运算技术的网络动态系统模型，有时空状态都呈离散形式并且元胞的影响都为局部的特征[12]，该技术运用于模拟Arcgis中复杂的时空演化过程.CA模拟系统由状态、领域、元胞和转换规则构成，一般运用5×5的摩尔领域作为滤波器，遵循中心元胞状态转换影响与距离为反比的转换规则.CA的转换规则中每一个元胞都基于局部的规则进行转换，其模型转换式为

式中：f为局部空间的元胞转化规则；S为元胞有限、离散状态的几何；t、t+1为不同时间点；N为元胞的相邻区域.但是往往对土地利用变化带来影响的因素都是非线性的，只运用CA局部的转换规则较难对城市发展进行精准预测.

2.3 Markov模型

Markov是一个随机系统，必须遵循两个条件：一是系统在任意时间点都可以用有限的状态之一来定义描述；二是，系统无后效性，在某一个阶段的状态只要确定之后，之后的演变都不再受之前的各种因素影响.土地利用变化预测符合马尔可夫链的条件，具有Markov性，不同地类之间相互转换的比例就为状态转移概率，利用这个概率就可建立Markov模型，公式如下

式中：Pij（i，j=1，2，…，n）代表时间循环周期中地类从i转为j的转移概率；P为各地类转移概率矩阵；n为用地类型的数量；St、St+1为t时间点与t+1时间点用地状态.Markov链所进行的全局约束是时间的函数，能够有效合理地模拟长时间序列土地利用类型数量的变化.

2.4 CA-Markov模型

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模拟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[13]，能够保证土地利用转变为目前现存的土地地类，而非完全碎金生成与分布，CA-Markov有助于提高该预测的精度.通过CA-Markov模块预测研究对象未来发展趋势与土地利用布局，主要步骤为如下.

（1）在Arcgis中将处理好的矢量文件转为栅格文件，运用面转栅格功能将栅格文件转为ASCII文本，之后再运用IDRISI软件中的ARCRASTER模块将ASCII文件转为.rst格式文件，之后对转换之后的数据进行RECLASS重分类处理.

（2）运用IDRISI软件中的Markov模块，处理获得1995—2005年，2005—2015年转移面积矩阵，之中转移面积矩阵作为转换规则参与运算；之后运用Decision Wizard模块进行城乡工矿居民用地、与耕地的适宜性图运算，以高程、坡度、道路通达性为影响因子形成适应性图，与转移面积矩阵图一起形成适宜性图集，参与CA-Markov运算过程.

（3）将CA的循环次数设置为10次，在IDRISI软件集成的CA-Markov模块中，将元胞自动机迭代次数设为10，预测2015年土地利用格局；之后与2015年的实际土地利用进行对比，进行精度检验，若符合要求，进行研究区2025年土地利用格局预测.

2.5 模拟精度验证

常用的精度验证方法有传统的kappa系数检验、随机检验法、全数检验法与扩展的kappa系数检验[14]等.国外著名教授提出一种更为准确的拓展kappa指数，包含4种扩展的kappa指数，为：kstandard，简称标准kappa指数，用来评价综合变化信息；kno，简称随机kappa指数，用来评价土地利用综合信息变化klocation，简称位置kappa指数，运用扩展的kappa指数能够得出2个时间点之间的动态变化情况，使得综合评价模型在土地利用格局模拟中精度更加准确.

本文采用扩展的kappa系数对研究区2015年的模拟数据与实际数据进行精度验证，进而得出CAMarkov模型在模拟天津市土地利用格局中的准确性与适用性，如符合要求，能够更好地模拟2025年天津市土地利用格局情况.

3 结果与分析

3.1 1995—2015年天津市用地变化

研究从通过ArcGis10.2分析获取的天津市3期土地利用变化信息（见图4）中可以得出：1995—2015年城镇居住用地面积（见表2）从533.55 km2增加到1 153.35 km2，增加量为619.80 km2，20年来城镇居住用地发展迅速，增长率由50.65%上升到116.16%，天津城市化发展进程推进速度快；农村居民点用地从871.62 km2增加到1 089.05 km2，增加量为217.43 km2，2005—2015年农村居民点增长率高于1995—2005年15个百分点，2005年之后城乡居住用地增长速度逐步加快.其他建设用地为先减少后增加的变化特征，主要变化集中于滨海新区，2005年，滨海新区被写入“十一五”规划并纳入国家发展战略，成为国家重点支持开发开放的国家级新区.2005年后滨海新区通过填海造陆等举措，在渤海沿岸扩建建设用地，带动了区域内的经济发展以及与中心城区的沟通交流.其他用地均有不同程度减少，变化剧烈程度呈现“水域＞草地＞林地＞耕地”的特征（见表3），草地、林地等生态用地的减少，可能带来不同程度的生态问题，如水资源短缺，空气污染严重等.

图4 天津市1995—2015年土地利用变化

表2 天津市1995—2015年土地利用面积

表3 天津市1995—2015年土地利用变化面积、变化率

3.2 2015年天津市土地利用格局模拟

3.2.1 土地利用转移概率矩阵

利用CA-Markov可得天津市1995—2005年和2005—2015年地类转移概率矩阵（见表4-5）.

表4 天津市1995—2005年土地利用转移概率

通过分析得出的土地利用转移概率等信息，1995—2015年20年内城镇用地、农村居民点出现持续增加的趋势，主要来源于耕地、草地和水域.从转换频繁程度来看，天津市各类用地转换频繁，其中城乡建设用地面积增加明显，其他用地都以转出为主，土地利用转换主要存在于城市中部以及西南沿海地区.从发展区域来看，滨海新区的创建对于天津城市发展有一定的积极影响，在2005—2015年影响尤为明显，随着轻轨，津滨大道等交通设施的发展，天津中心城区与滨海新区逐渐连为一体.从整体来看，天津城市扩展方式为中心城区着重发展，市郊区以中心城区为原点放射性发展，城市化进程速度较快.其空间扩张形式为摊饼式发展为主，放射式低密度蔓延.

1995—2015年期间，城镇用地、农村居民点和耕地是天津市土地利用的主要3种类型，三种用地占天津市整体用地的78.10%.20年间天津市城镇用地和农村居民点用地面积逐年递增，但除了城市中心以及西南部用地以外，农村居民点多呈离散式分布，郊区区域发展较快但闲置率高，整体区域的结构与用地布局有待调整；耕地面积变化整体上是负向变化，部分转化为建设用地，变化面积为-34.79 km2.

3.2.2 2015年天津市土地利用适宜性图集

利用MCE方法构建部分土地利用适宜性图集（见图5）作为CA的补充转换规则，这里以城镇用地为例，制城镇用地第一至二期土地利用适宜图.在保护生态水源的基础上，选择以水域为限制条件，选择坡度、高程、道路通达性为约束因子，运用模糊隶属度函数中的J型递减函数，运用AHP方法得出各项权重，最后得出城镇用地适宜性图.从中可以看出，城镇用地主要分布于中部地区与东南部滨海新区部分，天津北部高程、坡度变化较大地区较不适宜居住.适宜性图集中的像素范围值为0~255，0表示不合适建设该地类，255表示高度合适.

图5 天津市第一、二期适宜性图集

3.2.3 2015年天津市土地利用变化模拟

基于CA-Markov耦合模型，以天津市2005年二期土地利用图为基础图（见图6），结合适宜性图集进行预测，将元胞迭代次数设置为10 a，可得2015年模拟土地利用图（见图7）；并通过IDRISI软件中的VADLIDATE模块将2015年预测用地与实际用地进行精度检验，VALIDATE结果得出扩展的4种kappa系数分别为：kno=0.838 2；kstandard=0.833 4；klocation=0.829 5，klocationstrata=0.829 5；kappa系数=0.831 4.数据表示2015年天津市土地利用模拟结果与2015年天津市实际土地利用情况一致性较高，预测结果较好，可以用于后续的预测.

图6 天津市2015年土地利用类型

图7 天津市2025年土地预测类型

表5 天津市2005—2015年土地利用转移概率

3.3 2025年天津市用地格局预测

根据CA-Markov模型模拟预测结果（见表6）可以得出2025年研究区内各类用地面积与占比，多项数据与2015年天津市土地利用数据比较可得：除城镇用地、农村居民点、其他建设用地和水域有不同程度的增长，其他用地类型出现了各种程度的负向变化.城镇用地变化量为433.94 km2，单一土地利用动态度为3.76%，是增加面积最多的用地类型，若不考虑其他政策因素，天津的城镇化发展还将会继续快速推进；农村居民点用地面积增长98.56 km2，乡村居民点出现融合集中发展趋势.根据研究可知，若不考虑政策影响，2015—2025年天津还将进一步扩大城乡建设用地.预测得2015—2025年内，耕地面积转出程度较高，这将增加天津耕地资源压力，可能带来环境恶化等影响，因为建设用地具有不可逆性，政府应适当进行合理规划防止天津市城乡建设用地无序发展.

表6 2015—2025年天津市土地利用变化情况

2015—2025年天津市土地利用预测状况大致上与1995—2015年天津市变化情况一致，说明CAMarkov模型能够较好地预测土地利用变化趋势.

4结论

本文基于CA-Markov耦合模型对天津市2015年土地利用进行模拟，且拓展kappa系数达到良好标准，可以确定转移矩阵和用地适宜性图集约束控制和转换规则，以预测2025年天津市土地利用情况.

（1）1995—2015年间天津市城镇化发展迅速，土地利用变化显著，城镇用地面积从533.55 km2增加到1 153.35 km2，增长率由50.65%上升到116.16%；农村居民点用地从871.62 km2增加到1 089.05 km2，天津城市化发展迅速；其他用地均有不同程度减少，变化剧烈程度呈现“水域＞草地＞林地＞耕地”的特征.天津城市扩展方式为中心城区着重发展，市郊区以中心城区为原点放射性发展，城市化进程速度较快，其空间扩张形式为摊饼式发展为主，放射式低密度蔓延.

（2）运用2015年实际数据与预测数据进行对比，得出CA-Markov模型模拟程度较好，利用扩展的kappa指数进行精度检验，可以从多个评价维度全面分析模拟结果的优劣，降低潜在误差对结果的影响.2015年天津市用地模拟与实际2015年解译土地利用情况较为一致，预测结果良好，可以用于后续的2025年土地利用预测.

（3）预测2015—2025年间城乡建设用地与耕地之间转化量较大，耕地、林地、草地用地的不断减少将会带来水土流失，生态失调.随着国家生态文明改革进程的不断推进，城市的发展应该更加关注人为活动对自然空间产生的影响[15].从天津市近二十年土地利用变化情况分析，随着中心城区的城市化发展，以及滨海新区填海造陆等工程，城乡居住以及建设用地大幅度增加，城乡流动明显.而由土地利用变化图和CA-Markov预测可得，2025年农用地将明显减少，这种变化有违基本农田的保护政策.

天津市留存定量的农业用地和农村景观不仅仅是由于生态保护红线的控制，也应该是研究区城乡融合发展的路径，无论从生态、社会、经济多个角度，农村都应该是需要保留合理引导发展的区域.科学划定“生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界”三条控制势在必行[16].科学系统地划定三条控制线，能够有效地调整好“三生”空间之间的格局关系.生态保护红线应将把生态功能极重要、生态极敏感脆弱的区域、经过评估虽然不能确定但还是具有潜在生态价值的自然保护地区域纳入生态红线范围内.城镇开发边界应以城镇开发现状为基础，进行资源环境承载力的评价、国土开发适应性评价等，以此为依据，进行城镇发展定位等研究，提出主要发展方向和空间布局[17].永久基本农田的划定应在严守耕地红线的基础上，将达到质量要求的耕地依法划入.

未来规划研究应秉持环境就是生产力的绿色发展观念，从始至终将保护自然环境作为经济发展内在因素和内生动力，处理好城市化发展与生态安全之间的关系[18].当城镇化水平达到一定程度时，粗放的发展方式将会转变为存量发展发挥资源的综合效能的发展模式[19].但是本研究中没有将经济政策等因素考虑在内，对于天津市2015—2025年的土地利用的模拟结果是基于天津市整体的土地利用变化趋势相对不变的前提下，进行可能的预测，得出的结论有待于在今后的实践中进一步考量.