基于CA-Markov的郧西县城关镇土地利用变化图谱的模拟及预测

唐宇佳，王 浩，李 禹，金 鑫

(1.湖北大学，湖北 武汉 430062；2.湖北一二规划设计有限公司，湖北 武汉 430062)

1 引言

目前，对LUCC课题的相关研究仍然很多[1～5]。在LUCC研究热潮中，一部分人认为土地变化不仅影响到生态、社会经济，而且也影响到了全球经济发展和生态保护[6，7]。众多学者研究成果表明：土地利用的时空变化的研究已经越来越重要，已然成为众多学者的首选研究课题。

自该研究热点研究以来，学者采用了动力学模型[8～10]、CLUE-S模型[11，12]、Dyna-CLUES模型[13～15]、人工神经网络模型(Artificial Neural Network，ANN)[16，17]和元胞自动机-马尔科夫链(CA-Markov)模型[18～21]等来模拟并预测土地利用的时空变化情况。系统动力学模型是通过系统论来研究土地变化的因素，但是其软件和GIS的空间分析功能融合并不好，使其作用没有完全发挥出来；CLUE-S模型可以对时间和空间进行双重模拟，但其系统中的参数主要来源于人主观设置，缺乏客观性和科学性；Dyna-CLUE模型是在CLUE、CLUE-S模型基础上发展而来，该模型综合了宏观和微观两个方面的，对多尺度的土地利用变化有很好的适用性；CA-Markov模型通过发挥Markov精确的预测能力和CA强大的空间模拟能力，将其两者结合来预测和模拟研究区土地利用变化趋势，既可以模拟空间变化，又可以预测其准确面积。相比其他模型，该模型克服了以往模型模拟空间能力的缺陷和预测精度问题。目前，学者常用CA-Markov模型来模拟和预测土地利用变化。

利用图谱变化来研究土地利用的时空变化逐渐受到广大学者的关注[22～25]。本文对城关镇9年土地变化情况进行图谱分析，然后通过CA-Markov模型来模拟及预测城关镇土地的时空变化，预测结果可以给国土和规划部门提供帮助。

郧西县城关镇地形以山地为主，植被、水流资源丰富，是国家新阶段扶贫开发重点县，南水北调中线工程水源保护区上游核心区。近几年，城市范围扩大，占用大量耕地，城区的发展对河流、植被等生态造成了不同程度上的破坏。如何合理布局建设用地，减少耕地占有量是解决这一问题的重中之重[26]。

本文将城关镇3年的土地现状矢量数据根据国家国土资源部的分类标准分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类，运用ArcGIS10.2对几种地类的空间布局和数量进行分析统计；选择CA-Markov模型模拟和预测郧西县城关镇2017年土地利用变化情况，并将其和实际2017年土地利用情况进行Kappa系数分析；结合土地转移矩阵和适宜性图集来模拟并预测城关镇2020年的土地变化情况。预测结果可以给国土和规划部门提供帮助。

2 研究区概况

郧西县城关镇地处郧西县东部，北与土门镇相邻，南与观音、河夹相邻。秦岭南坡汉水北岸，素有东西通“豫蜀”，南北连秦、楚之称(图1)。全镇版图面积127.83 km2，辖21个行政村、173个组、14个社区居委会、202个居民小组，总人口148612人，是郧西县的政治、经济、文化、旅游及商贸中心。2017年末，土地总面积约为127.83 km2，土地分类情况如下：①耕地及林地比例较大，占土地总面积的82.76%，面积分别为17.63 km2，88.17 km2；②建设用地面积为12.29 km2，占土地总面积的9.61%；③水域和草地占比相当，面积分别为2.12 km2和5.04 km2；④未利用地比例很小，只占0.09%，面积为0.11 km2。郧西作为南水北调核心水源区，保证水源区周边的生态环境至关重要，如何发挥“河长”的角色，破解河道管理、水环境整治中长期存在的困局，做到水系完整、河流畅通、水质良好、生物多样、岸线优美。如何采取有效措施保证“一江清水送北京”。此外，国家最近实施的精准扶贫政策工作已然拉起大幕，如何确保易地搬迁户能够种到好田，吃到无污染的蔬菜、粮食。如何合理安排布局安置房和保障房才能实现“真扶贫、扶真贫”的目的等一系列问题值得思考。

3 数据源及研究方法

3.1 数据来源及预处理

3.1.1 数据来源

本研究以城关镇2009、2013和2017年土地利用现状矢量数据和DEM数据作为主要数据源，其来源主要是国土规划部门。与城关镇相关部门有项目合作并签订了数据使用保密协议后才拿到数据。相比其他学者使用遥感影像解译得到的土地利用现状数据，直接使用土地利用现状矢量数据可以减少监督分类和人工目视解译时的误差，精度有所提高。

3.1.2 数据预处理

将3年的土地利用现状数据根据国土部门发布的土地分类标准进行划分，并提取出需要的地类，对其进行编号。在ArcGIS10.2中对各个地类面积进行统计；将收集到的DEM数据处理后提取相关坡度值。

图1 城关镇区域位置

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是通过计算研究期初始和末的土地面积变化来得出的矩阵，通过对矩阵的分析，能够研究各个地类在研究期内的变化情况。其表达式为：

(1)

式(1)中A表示各种地类的面积，n表示当前研究的地类，i表示研究初期地类，j表示研究期末地类。

3.2.2CA模型

研究某种地类在t+1时刻的地类情况，可通过研究其相邻单元细胞和自身t时刻地类来计算得到。结合土地转移矩阵可以计算出更复杂的土地变化情况。其表达式为：

S(t+1)=f(S(t),N)

(2)

式(2)中t和t+1为单元细胞所处的两个时刻；S为单元细胞的状态集合；f为单元细胞转化函数；N为相邻单元细胞。

3.2.3Markov模型

Markov土地利用变化模型是利用概率建立的一种随机型的时序模型，使用该模型的步骤如下：①根据3年土地利用现状数据推算出各种地类的转出和转入率，以此来构建土地利用变化转移矩阵；②统计预测初始年的土地利用情况；③通过IDRISI软件中的马尔科夫模型来预测2020年城关镇土地利用情况。表达式为：

S(t+1)=Pij·S(t)

(3)

(4)

3.2.4 CA-Markov模型

本文将CA和Markov模型进行集成，以2009年和2013年土地利用现状数据为基础，来模拟2017年土地利用情况，并计算其Kappa系数。在精度要求范围内，再以2017年为模拟初始年，将由驱动因子制成的适宜性图集和土地转移概率矩阵输入到模型中，来预测模拟2020年城关镇土地利用情况。具体的步骤如下。

(1)转移矩阵。将研究区3年的土地利用现状矢量数据转化为栅格形式，象元大小为100×100。时间周期设置为8a，比例系数设置为0.15，通过IDRISI软件的Markov模块来计算得到城关镇这8年间的土地利用转移概率矩阵。

(2)适宜图集。结合研究区实际情况和主要研究地类，把水域和建设用地设置为主要限制因子，将坡度、距离等设置为限制条件。将土地利用栅格图和限制条件、因子等参数输入到COLLETION EDIT模块中生成适宜性图集。

(3)CA滤波器。参考其他研究学者的研究成果并结合研究区实际情况，该研究采取5×5的滤波器。

(4)确定CA循环次数。本文以 2009年土地利用格局为起始年，CA循环次数设为7。

3.2.5 Kappa系数预测精度检验

为了验证CA-Markov模型预测精度，在分类的精度评价中，不同的精度评价方法有不同的划分标准。笔者主要采用IDRISI软件中CROSSTAB工具计算的overall Kappa系数来评价预测图和原始图之间的一致性。因此直接借用Cohen提出的Kappa系数分类评价标准。如表1所示。

4 结果分析

4.1 城关镇土地利用分析

4.1.1 2009～2017年城关镇土地利用变化分析

利用ArcGIS10.2统计得到城关镇三期土地利用面积如表2所示。其土地利用现状如图2所示。

表1 Kappa系数分类标准

表2 城关镇2009、2013和2017年土地利用变化

图2 城关镇2009、2013及2017年土地利用现状

由表2可知，2009～2017年城关镇耕地和林地减少较多，水域和建设用地增加较多。究其原因，南水北调工程水源区工程的完工，导致水域面积增加，易地扶贫搬迁导致建设用地增加。

从数字上分析，3年林地面积占比分别为69.03%、69.01%和68.97%，其面积呈现出减少趋势，原因是作为南水北调核心水源区，城关镇担任着保护好水源水质的重担，修建堤坝、防风、加固坝等工程均会占用林地。耕地面积由2009年的1787.70 hm2减少到2017年的1762.58 hm2，占比从13.99%减少到13.79%，面积减少25.12 hm2，占比减少0.2%。8a期间草地面积减少8.52 hm2，占比减少0.07%。由于蓄水量逐年增加，水域面积由2009年的212.75 hm2增加到2017年的214.91 hm2，占比增加0.02%。建设用地面积由2009年的1196.81 hm2增加到2017年的1228.87 hm2，增加了32.06 hm2。

4.1.2 2009～2017年城关镇土地利用变化图谱分析

根据式(2)，借助于ArcGIS10.2求出城关镇2009～2017年土地利用变化图谱如表3所示。

由表3可知，城关镇2009～2017年期间土地利用变化类型中，稳定变化型面积最大，其变化图斑为25756个，变化面积为18882.15 hm2，后期变化型次之，变化图斑为1307个，变化面积为160.3 hm2，持续性变化型面积最小，其变化图斑为17个，变化面积为0.19 hm2。2009～2017年城关镇土地利用变化面积由大到小排序为稳定型、后期型、前期型、反复型、持续型。

表3 城关镇2009～2017年土地利用变化图谱分析

4.1.3 2009～2017年城关镇土地利用流向分析

本节利用ArcGIS10.2空间分析工具计算土地利用转移矩阵，城关镇2009～2013年及2013～2017年的土地利用变化转移面积矩阵如表4、表5所示。

由表3、4可知，在2009～2013年城关镇土地利用转移面积矩阵中，转移面积最大的是水域向建设用地的转移，为84.03 hm2，其次是耕地向建设用地的转移，为15.27 hm2。究其原因是南水北调初期，堤坝等加固设施没有完善，再加上城市扩展所致。

表4 城关镇2009～2013年土地利用变化转移面积矩阵

表5 城关镇2013～2017年土地利用变化转移面积矩阵

4.2 城关镇土地利用演变模拟

4.2.1 城关镇土地利用转移概率矩阵

将三年的土地利用现状矢量数据加载到ArcGIS10.2软件中，计算出8年各个研究地类的转入率和转出率，然后根据式(3)(4)，得到2009～2013和2013～2017年土地利用转移概率矩阵，如表6，表7所示。

4.2.2 2017年城关镇土地利用适宜性图集准备

郧西县地处鄂西北，地形以山地为主，导致城关镇的建设只能以组团方式发展；自南水北调动工以来，核心水源区加固工程将建成并开始蓄水，该地区的耕地和林地急剧减少，水域及建设用地急剧增加。结合研究区实际情况和主要研究地类，把水域和建设用地设置为主要限制因子，将坡度、距离等设置为限制条件。选择基于布尔运算的MCE制作各地类适宜性图集。

4.2.3 2017年城关镇土地利用演变模拟

将2013年土地利用情况作为研究初年，将土地利用转移概率矩阵、各个参数和适宜性图集输入到CA-Markov模块中，循环次数设置为4，然后运行该模块得到2017年土地利用的空间布局。如图3。将模拟的城关镇2017年土地利用数据和实际2017年土地利用数据进行Kappa系数分析。分析统计表如表8所示。

由于城关镇地处山区，地形比较复杂，海拔较高，另外由于南水北调工程的影响和易地扶贫搬迁政策等因素决定了未来多年内该区域土地利用的供给情况和空

表6 2009～2013年土地利用变化转移概率矩阵

表7 2013～2017年土地利用变化转移概率矩阵

间分布情况。从表8可知，模拟的各个地类中林地、耕地和建设用地面积较大，这和实际的2017年城关镇土地分布情况是一致的。为了检验模拟精度，文章利用IDRISI软件中Kappa精度来检测模拟图和实际图之间的模拟精度，经统计，实际图和模拟图的Kappa精度为93%，证明了用该模型模拟城关镇土地利用变化是合适的。

图3 城关镇2017年土地利用现状模拟图及实际图

土地利用类型2017年实际土地利用结构2017年模拟土地利用结构面积对比面积/hm2占比/%面积/hm2占比/%面积差/hm2精度/%耕地1762.5813.791460.5811.6530294.57林地8816.6368.977947.6363.3986991.24草地504.233.94326.2326.0617893.56水域214.911.68237.9155.33-2394.78建设用地1228.879.613151.8725.14-192395.88未利用地11.020.0915.023.94-491.67

4.3 城关镇土地利用演变预测

根据Kappa系数可知模拟和实际的模拟精度值为93%，说明该模型在模拟和预测该区域的土地利用情况是合适的。将土地利用转移概率矩阵、各个参数和适宜性图集输入到CA-Markov模块中，循环次数设置为4，然后运行该模块得到2017年土地利用的空间布局。如图4和表9所示。

由表9可知，到2020年，城关镇土地利用继续呈现出耕地与林地的大量减少、水域与建设用地的迅速增加、以及草地与未利用地不明显变化等特点。耕地面积由2017年的1762.58 hm2减少到2020年的1678.58 hm2，所占百分比由13.79%下降到13.39%，面积减少84 hm2，占比减少0.4%。为了防止耕地无限制减少，政府应当严格执行耕地保护红线，牢牢保护好划定的永久基本农田，控制和阻止盲目开垦耕地的行为，以此促进该区域的生态环境的保护和改善。林地面积由2017年的8816.63 hm2减少到2020年的6781.63 hm2，所占百分比由68.97%下降到54.09%，面积减少2035 hm2，占比减少14.88%。林地的变化强度大于2009～2017年，林地是城关镇主要的用地类型，为了保护该区域的生态环境及社会经济的可持续发展，政府应严格控制林地的减少量。水域面积由2014年的214.91 hm2增加到2020年的456.91 hm2，所占百分比由1.68%上升到3.64%，面积增加242 hm2，占比增加1.96%。南水北调竣工以后，水源区不断蓄水使得该区域社会效益与经济效益都有一定程度的增加，但是由于水深增加，水流速度减慢，水域由一开始的自净化能力较强的天然河流变为生态环境功能及其脆弱的人工湖泊，干支流纳污能力减弱，水体富营养化严重。该区域应关注水体质量，避免水生态环境遭受破坏，污染水源。建设用地面积由2017年的1228.87 hm2增加到2020年的2346.87 hm2，所占百分比由9.61%上升到18.72%，面积增加1118 hm2，占比增加9.11%。该区域在制定土地利用总体规划时，应当严格控制建设用地的增加量，严格禁止一切违法建设行为。

图4 城关镇2020年土地利用现状预测

土地利用类型2017年解译数据2017年预测数据面积/hm2占比/%面积/hm2占比/%耕地1762.5813.791678.5813.39林地8816.6368.976781.6354.09草地504.233.94506.234.04水域214.911.68456.913.64建设用地1228.879.612346.8718.72未利用地11.020.0931.020.25

本文选择的研究区域具有一定的代表性，能够为该区域的国土规划部门提供一定的理论支撑。但由于选择的驱动因子不完整，选择的因子并不能够真实影响到土地利用变化情况。在以后的研究中应当根据实际情况选择具有说服力、具有真实性的因子。