王 炎 鄧文彬

（新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，改變了城市原有的規(guī)劃布局，在土地利用格局發(fā)生巨大變化的同時，也出現(xiàn)了人地關(guān)系緊張、資源環(huán)境矛盾突出、生態(tài)系統(tǒng)受損等問題，土地利用∕覆蓋變化（land use∕cover change，LUCC）逐漸成為土地資源利用的重點研究方向［1］。目前土地利用變化的熱點研究主要集中在土地利用變化規(guī)律及驅(qū)動機制的探索［2］、預(yù)測未來土地利用變化狀況［3］、劃分“三區(qū)三線”［4］、劃分城鎮(zhèn)開發(fā)邊界［5］等方面。眾多學(xué)者采用了一系列土地利用建模方法來模擬和預(yù)測城市的動態(tài)，如地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)模型、CLUE-S 模型、FLUS 模型等。LUCC 預(yù)測模型經(jīng)過不斷發(fā)展，已不再局限于單一的數(shù)量預(yù)測或空間預(yù)測，而是向耦合模型發(fā)展，集成了各模型的優(yōu)勢進行土地利用的模擬預(yù)測。

馬爾科夫模型在數(shù)量預(yù)測方面有著較高的精度［6］，元胞自動機（Cellular Automata，CA）模型則可以有效地模擬復(fù)雜的地理過程，實現(xiàn)對土地利用變化的深度刻畫，被廣泛應(yīng)用于城市擴張過程中的空間模擬研究［7］，但大部分土地利用CA 模型是在規(guī)則像元上進行構(gòu)建，很少有基于斑塊為對象構(gòu)建［8］。以斑塊為基本單元進行土地利用模擬，能夠更真實地表達城市地塊空間實體及其屬性。斑塊級土地利用模擬模型（PLUS）［9］可用于挖掘和識別土地擴張的驅(qū)動因素，并預(yù)測模擬景觀格局的動態(tài)演化，實現(xiàn)對多種土地利用類型的斑塊時空動態(tài)模擬。PLUS 模型在土地利用格局模擬研究中逐漸得到更多應(yīng)用［10］，與現(xiàn)有的模型相比，PLUS 模型可以預(yù)測模擬獲得更高的精度和更相似的景觀［11-12］。

本研究在分析烏魯木齊近20 年土地利用變化特征的基礎(chǔ)上，利用以往土地利用變化的發(fā)展規(guī)律，挖掘土地利用演化的驅(qū)動機制，通過耦合Markov-PLUS 模型預(yù)測模擬烏魯木齊2030 年在自然發(fā)展、耕地保護、生態(tài)保護三種情景下的土地利用格局，為區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護、土地集約化利用和國土空間規(guī)劃編制提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊位于亞歐大陸腹地，天山中段北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，位于東經(jīng)86°37‘33“～88°58’24”，北緯42°45‘32“～45°00’00”。烏魯木齊市區(qū)三面環(huán)山，地勢起伏懸殊，分布有山地、盆地、丘陵、沙漠等地貌類型，整體地勢由東南向西北降低（見圖1）。研究區(qū)處于中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，四季分配不均，冬夏季節(jié)時間長，寒暑變化劇烈，全年氣候干旱少雨，晝夜溫度差異大。烏魯木齊分布著46 條短且分散的內(nèi)陸河，構(gòu)成5 大水系，降水和冰雪融水是其主要的補給來源。烏魯木齊市下轄7 區(qū)、1縣，全市面積1.38 萬km2，常住人口405 萬。烏魯木齊區(qū)位優(yōu)勢明顯，烏魯木齊地窩堡機場是聯(lián)結(jié)亞歐的重要國際航空通道，烏魯木齊火車站是全疆鐵路的樞紐中心，市域內(nèi)公路、城市道路四通八達，并運營一條地鐵線路。

圖1 研究區(qū)示意

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究使用的土地利用數(shù)據(jù)選用自中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院劉良云團隊發(fā)布的全球30米地表覆蓋精細分類產(chǎn)品（GLC-FCS30，https：∕∕data.casearth.cn∕），結(jié)合烏魯木齊市土地利用狀況，將其重新分為耕地、林地、草地、水體、建筑用地、未利用地六類用地。行政區(qū)劃和水系數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（https：∕∕www.webmap.cn∕）的1：100 萬公眾版基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：∕∕www.gscloud.cn∕）獲取，分辨率為30 m，坡度信息利用ArcGIS 的表面分析工具進行提??；年平均氣溫數(shù)據(jù)來源為高分辨率山地環(huán)境制圖計劃發(fā)布的《中國30 米分辨率溫度數(shù)據(jù)集》；道路數(shù)據(jù)來自O(shè)penStreetMap 網(wǎng)站（https：∕∕www.openstreetmap.org）；學(xué)校、醫(yī)院、公交站、火車站等POI數(shù)據(jù)利用高德地圖（https：∕∕ditu.amap.com∕）提供的API 獲取。采用歐氏距離、核密度分析等方法進行空間分析獲得驅(qū)動因子數(shù)據(jù)。本研究所采用的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_zone_45N，圖幅尺寸為5 870×7 705像元，分辨率為30 m。

2 研究方法

2.1 土地利用動態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣

單一土地利用動態(tài)度用來定量分析研究區(qū)域特定時間段內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量變化的速度，計算公式為式（1）。

式中：K表示在T研究時段內(nèi)某地類的單一動態(tài)度，Ua、Ub分別為研究時段初期、末期該地類的面積。K絕對值越大，表明這種地類變化程度越劇烈。

綜合土地利用動態(tài)度用來表征研究區(qū)特定時間段內(nèi)總體土地利用數(shù)量變化快慢的情況，計算公式為式（2）。

式中：LUi是研究時段初期i類土地的面積，?LUi-j表示研究期間i向j（i≠j）地類轉(zhuǎn)化的面積。

轉(zhuǎn)移矩陣是表示在研究時段內(nèi)各種土地利用類型之間轉(zhuǎn)入和流出的面積，直觀展示了各種用地類型的轉(zhuǎn)移方向，從而能更好地理解其時空變化過程，計算公式為式（3）。

式中：Sij表示研究期內(nèi)i轉(zhuǎn)化為j土地類型的面積，n為土地類型數(shù)。

2.2 PLUS模型及其模擬過程

PLUS 模型包含基于土地擴張分析策略的轉(zhuǎn)化規(guī)則挖掘框架（LEAS）和基于多類型隨機斑塊種子機制的CA 模型（CARS）兩個模塊。模型通過比對兩期土地利用圖像，從土地利用數(shù)據(jù)的后期數(shù)據(jù)提取變化區(qū)域。根據(jù)研究區(qū)實際情況和數(shù)據(jù)可獲取性、時效性，選取13 個驅(qū)動因素：高程、坡度、年均溫度、距道路的距離、距火車站的距離、距高速路口的距離、距飛機場的距離、距區(qū)縣中心的距離、距政府的距離、距離河流水系的距離、學(xué)校的密度、醫(yī)院的密度、公交站的密度。驅(qū)動因素與土地利用數(shù)據(jù)保持相同的數(shù)據(jù)格式、投影坐標(biāo)系和行列數(shù)。運用LEAS 模塊從土地利用擴張部分隨機選取采樣點，根據(jù)各用地類型分別進行訓(xùn)練，采用隨機森林分類算法挖掘各類土地的擴張和驅(qū)動因素，從而得到各類用地的變化概率及驅(qū)動因子在該時段對各類用地擴張的貢獻率。

模型采用基于閾值下降的多類型隨機斑塊種子機制模擬多種土地利用類型的斑塊演化，該機制基于統(tǒng)計模擬算法和土地鄰域效應(yīng)在各地類的發(fā)展概率面上產(chǎn)生變化的種子，種子可以生成新的土地利用類型，并成長為一組具有相同土地利用類型的單元格形成的新斑塊。為控制各種土地利用類型的斑塊生長，使其隨著迭代過程被逐步制約，迭代過程中采用閾值遞減規(guī)則，最后用多目標(biāo)優(yōu)化方法生成可持續(xù)的土地利用情景。未來土地利用數(shù)量由Markov 模型預(yù)測，它是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和發(fā)展擴張的趨勢預(yù)測未來發(fā)展的常用方法，可以通過兩期土地利用數(shù)據(jù)生成土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，計算出研究區(qū)域內(nèi)土地利用變化轉(zhuǎn)移概率，在此基礎(chǔ)上預(yù)測研究區(qū)未來各土地利用類型的數(shù)量。從總體精度、kappa系數(shù)、Fom（Figure of Merit）系數(shù)三個角度驗證模擬的精度。

3 分析

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用變化面積分析。2000—2020年土地利用面積占比如圖2 所示。2020 年土地利用面積從大到小依次排列為草地、未利用地、林地、建設(shè)用地、耕地、水體。烏魯木齊市草地、未利用地在土地利用中占主導(dǎo)地位，兩類土地面積總和占全市面積80%以上，水體始終是占地面積最小的地類。烏魯木齊市天然牧草地分布面積廣闊，主要位于烏魯木齊縣和達坂城區(qū)的山地區(qū)域。未利用地主要分布在烏魯木齊北部的古爾班通古特沙漠和達坂城區(qū)南部。水體面積始終在2%以下，這是由于烏魯木齊地處中溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，降雨少蒸發(fā)強。

圖2 土地利用面積占比

圖3 多情景預(yù)測空間示意

3.1.2 土地利用動態(tài)度分析。2000—2020 年土地利用動態(tài)度見表1。由表1可知，變化劇烈程度從強到弱依次是建設(shè)用地3.536%、耕地-1.772%、水體1.601%、林地1.583%、草地-0.483%、未利用地0.350%。建設(shè)用地20年間面積增加28 310.67 hm2，但是后10 年（2.401%）變化速度低于前10 年（3.767%）；耕地和草地面積持續(xù)減少，耕地退減速度較快，草地土地利用動態(tài)度雖只有-0.483%，但由于其覆蓋面積大，衰減面積達62 687.79 hm2，草地是面積變化最大的用地類型；水體與林地前10 年與后10 年變化顯著，水體雖為面積最小的地類，但其變化速度較快，且在2010—2020 年（2.382%）間的變化速度遠遠大于2000—2010 年（0.663%），林地則是2010—2020 年（0.796%）變化速度遠遠小于2000—2010 年（2.194%）；未利用地面積變化較大，但單一動態(tài)度數(shù)值最小，變化最慢。綜合動態(tài)度方面，2000—2010 年與2010—2020 年綜合土地利用動態(tài)度由0.722%增至0.750%，變化速度相差不大。

表1 2000—2020年土地利用動態(tài)度單位：%

3.1.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。2000—2020 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見表2。由表2 可知，2000—2020年草地轉(zhuǎn)出比重最大，轉(zhuǎn)出面積為14 8691.79 hm2，大部分草地轉(zhuǎn)出為未利用地，轉(zhuǎn)為未利用地的面積占草地總轉(zhuǎn)出面積的58%；未利用地與耕地轉(zhuǎn)出面積相當(dāng)，未利用地轉(zhuǎn)出面積61 101.54 hm2，約75%的未利用地轉(zhuǎn)為草地，耕地轉(zhuǎn)出面積54 150.84 hm2，63%轉(zhuǎn)為草地，18%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；水體轉(zhuǎn)出面積最小，水資源作為烏魯木齊緊缺資源，其本身面積小，流轉(zhuǎn)程度低。

表2 2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣單位：hm2

3.2 土地利用預(yù)測模擬

3.2.1 多情景模擬參數(shù)設(shè)置。利用Markov 模型預(yù)測自然發(fā)展、耕地保護、生態(tài)保護三種不同情景下烏魯木齊市2030 年土地利用情況（見表3）。其中自然發(fā)展情景以烏魯木齊過去10年間（2010—2020 年）的土地利用發(fā)展?fàn)顩r為基礎(chǔ)，根據(jù)其轉(zhuǎn)移概率矩陣，以2020 年為基期預(yù)測2030 年各類型土地利用的面積和空間分布情況；耕地保護情景中，設(shè)置耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移減少50%，向林地、草地轉(zhuǎn)化概率降低15%；生態(tài)保護情景中，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移減少40%，向草地和林地的轉(zhuǎn)移概率降低10%，林地、草地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移降低50%，建設(shè)用地向林地、草地的轉(zhuǎn)化概率增加20%，未利用地向草地轉(zhuǎn)化概率增加30%，限制水域向其他用地轉(zhuǎn)化。

表3 多情景土地利用柵格數(shù)量預(yù)測

3.2.2 多情景模擬結(jié)果。在自然發(fā)展、耕地保護、生態(tài)保護三種發(fā)展情景下，綜合土地利用動態(tài)度由0.750%分別下降至0.197%、0.173%、0.107%，說明烏魯木齊這個時期的發(fā)展趨于穩(wěn)定，各地類變化小。三種發(fā)展情景中，林地、水體、建設(shè)用地、未利用地面積均保持增長趨勢，草地面積則不斷衰減，但衰減幅度有所變化，因草地面積基數(shù)最大，草地也是面積變化最大的地類。耕地面積在耕地保護情景中不斷增長，在自然發(fā)展和生態(tài)保護情境中則處于面積不斷減少的狀態(tài)。林地、建設(shè)用地、未利用地面積雖不斷增加，但土地動態(tài)度始終低于2010—2020年，水體在生態(tài)保護情景中的土地利用動態(tài)度則大于之前10年。

自然發(fā)展情景中，草地面積持續(xù)縮減，主要轉(zhuǎn)化為未利用地和建設(shè)用地，建設(shè)用地增長12 490.02 hm2，建設(shè)用地主要由草地轉(zhuǎn)入；耕地保護情景，耕地面積增加10 861.65 hm2，土地利用動態(tài)度由-1.404%增長至1.908%，耕地主要由草地轉(zhuǎn)化而成，水體和建設(shè)用地增長緩慢，土地利用動態(tài)度均有大幅降低，水體面積僅增長433.08 hm2，建設(shè)用地面積增長1 730.52 hm2；生態(tài)保護情景中，水體面積增長7 468.11 hm2，林地面積增長5 274.72 hm2，草地、耕地較自然發(fā)展情景退化減慢，說明生態(tài)保護取得成效。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

研究區(qū)內(nèi)草地、未利用地占主導(dǎo)地位，未利用地、草地之間相互轉(zhuǎn)換頻繁。由于研究區(qū)水體面積占比始終保持最低，耕地、草地面積逐年減少，林地、建設(shè)用地面積持續(xù)增加。土地綜合利用動態(tài)度呈現(xiàn)上升的趨勢，各土地利用類型變化劇烈程度呈現(xiàn)較大差異：建設(shè)用地>耕地>水體>林地>草地>未利用地。建設(shè)用地變化速率大，但是建設(shè)用地的快速擴張主要在前10 年。耕地的土地利用動態(tài)度出現(xiàn)負數(shù)，這表示耕地面積一直在退減，但是數(shù)值減小表明退減速率變慢，一系列保護耕地措施取得成效。水體作為烏魯木齊較為匱乏的資源，流轉(zhuǎn)程度低，加上一系列統(tǒng)籌水資源、水生態(tài)、水環(huán)境治理措施，水體面積不斷增長。

本研究耦合了Markov 模型與PLUS 模型，分析在各驅(qū)動因子作用下的土地變化發(fā)展概率，并預(yù)測模擬三種情景下土地利用類型的數(shù)量及空間分布變化特征。2030年土地利用多情景模擬結(jié)果顯示，自然發(fā)展情景下，草地面積將持續(xù)減少，主要轉(zhuǎn)換為未利用地和建設(shè)用地；耕地保護情景中，耕地面積將大幅增長，土地利用動態(tài)度由負轉(zhuǎn)正，建設(shè)用地面積持續(xù)保持增長趨勢，但其擴張受到約束，土地利用動態(tài)度將大幅減??；生態(tài)保護情景下，草地退減面積將大幅降低，林地、水體面積將持續(xù)增長，反映出未來流域等生態(tài)系統(tǒng)的保護成效。

4.2 討論

本研究將Markov 模型、CA 模型與基于土地擴張分析策略的規(guī)則挖掘框架緊密聯(lián)系在一起，共同構(gòu)成Markov-PLUS 模型，模型的訓(xùn)練過程可以直接提供驅(qū)動力的貢獻定量信息。選取驅(qū)動因子時，只涉及自然、交通等因素，由于數(shù)據(jù)獲取的難度，沒有加入政策規(guī)劃的影響，后續(xù)研究應(yīng)收集區(qū)域規(guī)劃政策并對其定量表達后，加入驅(qū)動因子挖掘框架，使模擬結(jié)果更具科學(xué)性。經(jīng)濟發(fā)展驅(qū)動城鎮(zhèn)的快速發(fā)展，城市不斷向外圍擴張，也在一定程度上破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)。在今后的發(fā)展規(guī)劃中，應(yīng)保護基本農(nóng)田，積極建設(shè)自然保護區(qū)，統(tǒng)籌推進區(qū)域山水田林湖草沙一體化綜合治理。