汉川市土地利用变化研究及预测

邵　娟　邓文胜　郝群会　陈　静

(湖北大学资源环境学院，湖北武汉　430062)

摘　要　根据汉川市2001年至2006年间的土地利用变更调查数据，本文采用土地利用类型动态度模型和马尔可夫模型分析法对研究区内土地利用变化状况进行了分析，并利用马尔可夫链方法和模型对未来的十年土地利用结构的变化趋势进行了预测。得出研究区内的耕地和未利用地的面积将持续减少，而林地将大面积的增加，居民点及工矿用地也会有所增加，其余用地类型的变化较小。最后提出在未来的城市发展过程中要保护土地资源，走可持续发展道路的建议。

关键词　土地利用/土地覆盖;土地利用动态度;马尔可夫模型

1　前言

土地利用/土地覆盖变化( Land use and Land cover change，简称L U CC)是目前全球变化研究的核心主题之一。土地利用、土地覆盖及相互之间的作用已经引起了地理学者长时间的关注［1］。土地利用是指土地的使用状况，土地的利用方式、结构、及地域分布和效益，既受自然条件的影响，又受各种社会、经济、技术条件的制约，社会生产方式对土地利用起着决定性作用，侧重于土地的社会属性;土地覆盖指地表自然形成的或者人为引起的覆盖状况，是地球表面植被覆盖物和人工覆盖物的总称，侧重于土地的自然属性。土地覆盖变化包括生物多样性、现实和潜在的生产力、土壤质量以及径流和沉积速度中的种种变化。由于当代的土地覆盖变化主要是人类对土地的利用造成的，土地利用的变化可能导致土地覆盖的加速变化，所以认识土地利用变化是了解土地覆盖变化的首要条件［2～3］。L U CC模型是深入了解土地利用覆盖变化复杂性的重要手段，可以对土地利用覆盖变化情况进行描述、解释、预测和制定对策［4］。本文从众多L U CC模型中选取了两种模型对研究区土地利用状况进行分析和预测。

2　研究区概况

汉川市位于湖北省中部偏东，孝感市南隅，汉水下游，属亚热带季风气候，平均气温16．1℃，年均降水量1200mm，日照充足，热量丰富，降水丰沛，雨热同步，气候温和，四季分明。其地理坐标:东经113°21'—113°57'，北纬30°23'—30°52'。东与武汉市毗邻，南邻仙桃，西邻天门，北与孝感市的应城、云梦、孝南接壤，境域东西长55．6km，南北宽53．3km，国土面积1 662．93km2。

汉川市地处江汉平原腹地，大部分地区地势平坦且较低洼，一般高程在海拔23～26m之间，由西向东平缓倾斜，属平原湖区。全市平原1285 km2，占总面积的77．4%;水面280 km2，占总面积的17%，山丘98 km2，占总面积的5．6%。刁汊湖区地势低洼，除在南部有少部分山丘外，整个地势西北高、东南低。由于汉江横贯全境，经洪水冲刷，地貌分区特征较为明显:东南部为陇岗残丘地区，间有大小不一的湖汊［5］［6］。

3　数据来源与研究方法

3．1　数据来源

该文采用的数据来源于汉川市国土资源局2001～2006年的土地利用现状变更资料及各年的统计年鉴。根据国土资源部公布的土地利用分类标准及当地的具体情况，将研究区的土地利用类型划分为耕地、园林、林地、其他农用地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水利设施用地和未利用地八大类。

3．2　研究方法

根据数据资料得到研究区土地变更的具体状况，再对得到的数据应用单一土地利用类型动态度模型进行土地利用动态变化和转移矩阵分析，最后利用马尔可夫模型对未来土地利用变化进行模拟和预测。

3．2．1　单一土地利用类型面积动态变化率

土地利用随时间的变化一方面体现在土地利用程度随时间变化上，另外一方面体现在土地利用类型变化的速率上。土地利用动态度是指单位时间内土地利用动态变化的速率，定量地描述了土地利用的变化速度，对预测未来土地利用变化趋势有积极的作用，它可以对单一土地利用类型动态度进行分析，也可以表示出综合土地利用动态度。单一土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，这里采用的就是单一土地利用类型的动态度［7］。具体的表达式如下:

式中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度; Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量; T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K的值就是该研究区内某种土地利用类型年变化率。

3．2．2　马尔可夫链模型

马尔可夫过程是指每次状态的转移都只与前一刻的状态有关，而与过去的状态无关，或者说是无后效性的状态转移过程［8］。它通过分析随机变量现时的运动状况来预见这些变量未来的运动状况［9］。土地利用类型之间可以相互转化的性质及难用函数关系描述出来的转化过程，决定了土地利用的动态变化过程具有马尔可夫过程所需的性质，因此，将马尔可夫模型应用到土地利用/覆盖变化预测是合适的。

马尔可夫过程模型如下:

其中，Pij(i，j= 0，1，…，N)为土地利用类型i转化为类型j的转移概率。转移概率的每一 项元素都有两个特点:①0≤Pij≤1，即各元素的值属于非负值，且范围在0和1之间;②= 1，即每一行里面的元素之和为1。

4　模型的应用与结果分析

4．1　单一土地利用类型的动态度模型应用与分析

根据土地利用动态度模型(1)，利用汉川市2001、2006年的土地利用变更数据，计算出了汉川市在研究时段内的各种土地利用类型面积及其变化率指数，如表1所示:

表1　2001～2006年汉川市土地利用类型年变化率指数表

由表1可知，在2001～2006年5年间，汉川市土地利用变化程度差别悬殊，范围在－0．002% ～13．547%之间。面积呈增长状态的是园地、林地、居民点及工矿用地和交通运输用地，分别增加了13．8hm2、1 548．53hm2、110．07hm2和4．55hm2，其中林地的变化最为明显，年变化率达到了13．547%，也是唯一一个面积年变化率超过10%的土地利用类型;园地、居民点及工矿用地和交通运输用地年变化率分别为0．574%、0．155%和0．099%。面积呈现减少状态的是耕地、其他农用地、水利设施和未利用地，分别减少了300．89hm2、51．73hm2、0．34hm2和1 324 hm2，水利设施的变化幅度是其中最小的，地类面积年变化率绝对值甚至小于0．1%，为－0．002%;未利用地减少的幅度最大，为－3．937%;耕地和其他农用地的年变化率分别为－0．074%和－0．035%。

4．2　马尔可夫链模型应用与分析

4．2．1　研究期内土地利用类型现状分析

由表2和图1可以看出:在研究期内，汉川市的土地利用结构没有发生变化，具有相对的稳定性，没有发生某一地类突然消失或突然出现的状况，始终保持着耕地、园林、林地、其他农用地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水利设施用地和未利用地八大类，这一现状是符合马尔可夫链模型的使用条件的。(www.xing528.com)

表2　2001～2006年汉川市土地利用类型面积统计表　单位:hm2

图1　2001～2006年汉川市土地利用类型变化图

4．2．2　土地利用类型转化分析

在马尔可夫链模型的应用过程中，最关键的步骤就是要确定转移概率矩阵。将当地各土地利用类型每年的土地利用变更数据汇总，可以得到研究时间段内各土地利用类型的转移的数量，即下面的面积转移矩阵(表3):

表3　2001～2006年汉川市土地利用类型面积转移矩阵　单位:hm2

由土地利用类型的面积转移矩阵可以进一步计算出这一时期各类型土地的相互转移率，即土地利用转移概率矩阵。例如计算耕地转移到其他地类的概率:由表3中的转移面积与研究起始年即2001年耕地的原有面积之比，得到耕地在该时间段内分别转移到其他地类的概率，且这些概率之和等于1，这也是符合马尔可夫链模型的要求的。依此类推，从而得到初始状态转移概率矩阵(表4)。

从表3、表4可以看出，在2001～2006年，耕地的转换频数是最大的，主要转化为林地和居民点及工矿用地，其次是其他农用地和园地，同时居民点及工矿用地也大面积的向耕地转化，未利用地、其他农用地和林地也是耕地增加的主要来源，但总体上，耕地还是呈减少的趋势;园地有少部分转化为居民点及工矿用地;林地少量转化为耕地和居民点及工矿用地，但同时耕地和其他农用地大面积转化为林地，是面积增加显著的用地类型;其他农用地转化为林地的面积较大;居民点及工矿用地主要转化成耕地，与耕地之间的互相转换比较频繁;交通运输和水利设施用地的变化较小;未利用地主要转化为耕地，是面积减少最大的用地类型。

表4　2001～2006年汉川市土地利用类型转移概率矩阵　单位:%

注:由于未利用地转化为居民点及工矿用地面积过小，故在计算未利用地的转化率时保留5位小数。

4．4．3　土地利用预测与结果分析

以汉川市2006年的各土地利用类型的面积作为初始向量，以2001～2006年各土地利用类型的转移概率矩阵作为初始转移概率矩阵，以5年为步长，再利用马尔可夫链模型中的基本方程公式(2)，预测2011年和2016年土地利用结构，其与2006年土地利用结构的比较如表5所示。

表5　2011年与2016年土地利用结构预测值及其与2006年现状值的比较　单位:hm2

从预测结果可以看出，耕地仍然持续减少，速度并没有明显的变化，且面积还是在八种土地利用类型中减少最大的，到2011年减少293．23hm2，2016年减少面积达到583．03hm2，这与城市化的扩张及建设用地规模的持续发展有着很密切的关系。同时面积减少的土地类型还有其他农用地和未利用地，到2016年时减少面积分别为103．55hm2和248．90hm2，水利设施只有微量的变化。林地依然是持续大面积的增加，2016年的增加面积已经达到2 960．67hm2，这与人们对周围环境的要求提高及环保意识的加强有很大关系，居民点与工矿用地面积增加215hm2，园地与交通运输用地也稍有增加，增加面积分别为9．54hm2和8．62hm2。

5　结论与讨论

(1)利用马尔可夫链模型来预测土地利用类型的变化是可行的。在有关的土地政策没有发生突然变化的情况下，利用马尔可夫过程来预测一定区域内各土地利用类型的变化是有一定的准确性的。为使模拟的结果更加具有可信度，对于受人为干扰较大的一些地类，可以根据具体的情况对其转移概率做一定调整。

(2)通过对汉川市2001～2006年各土地利用类型的现状及变化研究，发现汉川市土地利用的状况是:在未来的两个预测期内，即到2016年，园地、林地、居民点及工矿用地和交通运输用地将一直呈增长的趋势，而耕地、其他农用地、水利设施用地和未利用地则处于减少的状态。耕地与其他用地类型之间的转化是最频繁的，居民点及工矿用地和林地次之，但面积变化最大的是林地。但随着时间的推移，各用地类型之间的平均转换率会慢慢的降低，最后会达到一个平稳的状态。建设用地的不断扩张及耕地面积和未利用地面积的减少，会导致未来的后备土地资源出现不足，提醒人们在经济发展的同时，要保护土地资源，走区域可持续发展的道路。

参考文献

［1］Meyer，William B，Turner II，B．L．Land－use/Land－cover change: challenges for geographers［J］．Geo Journal，1996，39．3: 237－240．

［2］陈佑启，杨鹏．国际上土地利用/土地覆盖变化研究的新进展［J］．经济地理，2001，21(1):95－100．

［3］左大康．现代地理学辞典［M］．北京:商务印书馆．1990，585．

［4］摆万奇，赵士洞．土地利用和土地覆盖变化研究模型综述［J］．自然资源学报，1997，12(2):169－175．

［5］http://www．xz q h．org/q uhua/42hb/0984hc．htm行政区划网．

［6］汉川市2006年统计年鉴．

［7］王秀兰，包玉海．土地利用动态变化研究方法探讨［J］．地理科学进展，1999，18(1):81－87．

［8］刘艳丽，刘觉夫，谢昕．基于马尔可夫模型的地理信息系统研究［J］．华东交通大学学报，2006，23(2):67 －70．

［9］唐焕文，贺明峰．数学模型引论［M］．北京:高等教育出版社，2001．306－307．