基于CA-Markov模型的鸡西市建设用地动态变化分析与模拟

叶 欣, 管海棠, 于薇薇, 丁远志, 吕利娜

(黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)

0 引 言

煤炭资源型城市的发展依托于煤炭,伴随着资源的分散式分布特征,依矿而建的城市用地往往呈现不规则的空间格局[1],导致土地资源分配不合理,土地浪费严重。科学合理地分析城市空间格局演变特征,对煤炭资源型城市可持续健康发展具有重要的指导意义和科学价值。

采用时空土地利用/土地覆盖变化模型模拟城市空间格局演变过程是当前的研究热点[2]。元胞自动机(Cellular automata,CA)是一种动态性较强的系统模型,在空间、时间、状态上较离散[3],可模拟土地变化过程。传统CA一般不考虑全局因素,时间度量标准和地理意义不明确,制约模型的可解释性[4]。CA-Markov模型结合Markov模型的时间维度分析优势和CA模型的空间模拟能力[5],可有效模拟土地空间动态变化。

笔者以鸡西市为例,基于遥感和地理信息等技术手段,利用研究区土地利用分类信息,分析鸡西市的用地结构变化并预测城市未来的建设用地格局变化,从而为城市土地利用资源分配提供参考依据[6]。

1 研究区概况

1.1 概况

鸡西市位于黑龙江省东南部(图1),与俄罗斯隔水相望,与牡丹江、七台河、双鸭山均有接壤。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of study area

鸡西市有6个市辖区、2个县级市、1个县共9个管辖地,文中的研究区域为6个市辖区,分别是鸡冠区、恒山区、滴道区、梨树区、城子河区、麻山区,面积达 2 137 km2。地理位置为东经130°23′24″～131°5′30″,北纬44°57′12″～45°28′55。

1.2 数据来源

该研究采用的数据有2010年、2015年、2020年Landsat系列遥感影像(2010年数据来自Landsat-5、2015年和2020年数据来自Landsat-8)、鸡西市数字高程数据(DEM,来源为地理空间数据云),经过辐射定标、大气校正、影像拼接等处理后,通过人机交互目视解译的方法,参考《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)及刘纪远等对土地利用的分类标准,将鸡西市土地利用类型分为城市建设用地、耕地、林地、草地、水域、未利用地6种土地类型,分类数据的分辨率为30 m×30 m,如图2所示。

图2 鸡西市2010—2020年土地利用类型分布Fig.2 Distribution of land use types of Jixi city from 2010 to 2020

2 研究方法

2.1 土地利用动态度

土地利用动态度是固定时期内各个地类的变化情况,这种变化趋势可能影响未来土地的利用情况[6]。计算公式为

(1)

式中:Sa——研究初期种土地利用类型的面积;

Sb——研究末期某种土地利用类型的面积;

t——时间间隔。

2.2 LUCC转移矩阵

土地利用(Land Use/Cover Change,LUCC)转移矩阵是单位时间内不同土地利用类型的相互转化的过程,可反映出土地转移前后不同用地类型的面积[7-10]。计算公式为

(2)

式中:U——转移面积;

i——时间间隔前的土地利用类型;

j——时间间隔后的土地利用类型;

Uij——i土地类型转为j土地类型的面积。

2.3 CA-Markov模型

运用IDRISI17.0软件构件CA-Markov模型,以2015年土地利用分类数据和2010—2015年的转换规则,应用CA-Markov模型对2020年研究区土地利用分类现状进行模拟[11-13]。运用真实的2020年土地利用分类数据对模拟结果进行精度检验,以此验证模型精度。然后对城市扩张精度进行计算,当模拟结果达到一定精度时,确定模型参数并构建研究区预测模型,预测出2025年研究区的土地利用状况以及城市扩张情况[14-15]。

3 土地利用动态变化分析

3.1 土地利用类型

通过ArcGIS10.6统计分析功能,计算2010、2015、2020年3期土地类型面积数据(表1)。由表1可以看出,林地面积占比最大,占鸡西市总面积的50%以上,10年来呈现先下降后上升的变化特征;耕地面积占比保持在34%左右,面积占比保持相对稳定,单一动态度为0.23%;建设用地面积占比处于持续上升的状态,是研究区面积增长率最高的土地类型,但近十年的增长速率有所下降,单一动态度从4.43%下降到0.77%;草地面积呈先上升后下降的态势,2010—2015年面积增长7.88 km2,2015—2020年单一动态度下降至17.49%;未利用地是面积占比最少的土地类型,面积呈下降的发展趋势。

表1 2010—2020年鸡西市土地利用/覆被类型动态变化

3.2 LUCC矩阵分析

文中运用ArcGIS10.6的空间分析和区域制表统计分析功能,分别计算出2010—2015、2015—2020年的LUCC矩阵,结果如表2、3所示。由表2、3可知,2010—2015年,鸡西市土地利用面积保持增长趋势的用地类型分别为耕地、草地、水域、建设用地、未利用地。其中,建设用地面积增长幅度最大,增长量为45.02 km2,主要来自耕地和林地;其次耕地增长量为15.78 km2,主要来自林地,尽管两种类型之间存在相互转换,但耕地的转出量远小于林地。水域和未利用地由于其本身面积较小,总体变化程度不明显。2015—2020年间,耕地面积继续增加,但相较于2010—2015年增加量明显下降,增长态势更趋于平稳。建设用地增长量为7.78 km2,耕地仍然是其主要来源。林地由2010—2015年的下降趋势转换为当前的上升趋势,且2015—2020年的增长量明显高于其他土地利用类型。草地转出量明显增加,转入耕地和林地的量基本持平。

表2 鸡西市2010—2015年LUCC矩阵

表3 鸡西市2015—2020年LUCC矩阵

鸡西市作为典型的煤炭资源型城市,城市发展状况与煤炭资源产业紧密相关,城市建设大多是依矿而建[1]。2010—2015年鸡西市处于发展成熟期,鸡西市煤炭资源相关产业规模和经济推动能力呈稳步增长状态,从数据中可以看出,2010—2015年城市增长速率较快,符合当时鸡西市发展状态。且该时期鸡西市大力实施农田保护政策,耕地面积大幅增加,说明当前对耕地和基本农田的保护起到了一定的成效,土地集约利用发展得到重视。从2015—2020年的数据来看,城市建设用地扩张依然十分明显,但随着鸡西市煤炭产量下降,总体经济增长速度减缓,产业结构面临转型,所以相较上一个发展周期城市建设用地扩张速度也有所减缓。耕地面积增长曲线趋于平稳,耕地保护效果维持良好,说明鸡西市耕地保护政策在一定程度上取得了成效。

3.3 建设用地时空变化分析

从建设用地的空间位置变化上来看(图3),2010—2015年鸡西市的建设用地扩张情况主要发生在鸡冠区、城子河区、滴道区。

图3 研究区城市用地扩张空间分布Fig.3 Spatial distribution of urban land expansion in research area

自然因素是影响鸡西市空间格局变化的因素之一,鸡冠区、城子河区地势较平坦,是城市发展的理想环境,相较于地形起伏大的地区更利于用地扩张。同时,结果反映出的鸡西市扩张情况与地区经济发展状况及政策导向相符,鸡西市在2012年提出打造“四区一县”主城区规划,发展“四区一县”在地域上紧密相连,实现了扩大主城区规模的目标;园区建设促进用地扩张,该时段研究区煤炭行业处于成熟阶段,伴随着市场需求增多与煤炭相关的产业园区逐渐出现,增加了对城市用地的需求,如该时期鸡冠区的煤化工产业园区、鸡西产业园区、鸡西煤机产业园区[1]以及政府规划的鸡冠新区都位于西南部,使得鸡冠区建设用地向西南方向发展;位于鸡西市西侧的平岗煤矿、穆棱煤矿和盛和煤矿的进一步开发,也促进了城子河区、滴道区建设用地向西南方向扩张。总之,在煤炭产业及规划的引导下,鸡西市的扩张方向以西南为主,且建设用地逐渐聚拢。

2015—2020年鸡冠区、城子河区、滴道区、梨树区发展迅速。该时段研究区煤炭行业逐渐衰退,市场需求降低,相较于2010—2015年城市用地的需求降低,但经济发展提速的同时用地需求仍存在不同程度的增加。穆棱河处于鸡冠区与城子河区的交界处,鸡冠区和城子河区的建设用地从建成区边缘向穆棱河方向发展,滴道区、梨树区建设用地的发展方向依然同2010—2015年一致。该时段鸡西市完善基础设施建设的力度加大,城市的发展对土地利用提出了更高的要求。该时期穆棱河生态环境得到综合治理,穆棱河众兴大桥、团结高速公路互通桥等工程竣工通车,穆棱河周边基础设施更加完善,能够充分发挥交通驱动力对城市扩张的引导性作用;同时鸡西市在穆棱河周边发展“四新经济”,促使主城区朝穆棱河方向发展,且鸡西市土地利用粗放发展模式得到改善,建设用地集约化程度不断加强。

4 土地利用模拟及预测

4.1 CA-Markov模拟结果评价

文中采用在IDRISI17.0软件中实现CA-Markov模型进行模拟。首先,利用2010和2015年土地利用数据,设置误差参数为0.15、间隔年为5 a,得到2010—2015年的转移矩阵和土地利用类型转换概率;然后设置迭代次数为5次、应用标准的5×5邻接过滤器,以2015年为基准,得到2020年的土地利用变化模拟结果(图4)。与2020年真实数据进行比较,Kappa系数为0.80,该值大于0.75,表示一致性程度很高。

对模拟结果进行土地类型重新分类,得到2020年城市格局图(图5a),与真实城市格局(图5b)进行比较,可以发现整体城市扩张趋势相似,但在东北区域的鸡冠区与城子河区交界处以及西南区域的梨树区存在一定差异。采用“点对点”的方式进行精度验证,得出城市扩张模拟的准确率为0.92,能够满足研究需要。

图5 模拟结果对比Fig.5 Comparison of simulation results

4.2 预测结果分析

利用2015—2020年土地利用分类数据,预测2025年LUCC模拟结果(图6),并计算出2020—2025年的LUCC矩阵(表4)。结果显示,除耕地面积减少了116.67 km2之外,其他土地类型面积均呈现上升趋势,其中林地面积增长最多为88.65 km2,且主要来源于耕地退化;而城市建设用地将持续以侵占耕地和林地为主,但侵占的速率有所下降。

表4 模拟鸡西市2020—2025年LUCC矩阵

图6 2025年土地利用预测结果Fig.6 Land use prediction results in 2025

从城市建设用地扩张的空间位置变化(图7)上来看,未来五年研究区建设用地仍呈现持续扩张的趋势。具体来说,滴道区以向东扩张为主,城子河区和鸡冠区通过内部填充实现建设用地的扩张,这三个地区通过对耕地的侵占,呈现出进一步集中的趋势;城市东部恒山区将通过侵占林地的方式,逐渐往主城区方向发展;此外,其他地区建设用地扩张趋势相对比较松散。

图7 鸡西市2020—2025年建设用地扩张空间格局Fig.7 Spatial pattern of construction land expansion in Jixi city from 2020 to 2025

这些变化与未来城市发展规划政策相符,鸡西市“十四五”规划指出,加强恒山石墨产业园区配套设施建设;加强经济开发区和鸡冠产业园基础设施建设;建设城子河矿业博物馆来发展地域文化且加快城子河区文化娱乐中心建设;在各区县打造特色商圈并发展仓储物流。上述发展规划皆体现了用地需求。在提升城市承载力方面,“十四五”期间,以鸡冠区为中心,以城子河区为重点,以恒山区、滴道区为两翼,实施北联、南拓、东进、西跃发展战略,拉开中心城区发展框架,拓展城市发展空间,推动城市区域协调发展,实现穆棱河两岸共同繁荣。

5 结 论

(1)在研究期间,尽管鸡西市的建设用地面积持续增长,但增长速率由2010—2015年的45.02 km2下降到了7.78 km2,城市环绕着穆棱河不断集中扩张,形成了以鸡冠区、城子河区和滴道区为主的发展中心,城市的粗放式扩张逐渐得到改善。

(2)采用CA-Markov模型模拟了鸡西市2020年的城市建设用地空间格局,与真实城市格局进行比较后,模拟精度达到了0.92,反映出该模型能够有效应用于本文研究。

(3)预测出鸡西市2025年的城市扩张情景,结果显示耕地和林地将继续成为建设用地的主要侵占土地类型,且城市不断聚集,集约化程度将进一步加强。

(4)建设用地变化主要受经济发展、市场需求和自然情况的影响,国家政策在一定程度上也影响着城市发展的方向。