基于CA-Markov模型的云南省德宏州土地利用變化和預測研究*

施成超，周英，劉瀅，張龍，宋鈺紅,2

(1.西南林業(yè)大學 園林園藝學院，云南 昆明 650224；2.國家林草局西南風景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224)

土地利用/覆被變化(land use/cover change,LUCC)是自然、社會以及人類活動等諸多因素共同作用在地球表面的結(jié)果，是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分[1]。LUCC一定程度上揭示了人類活動對自然環(huán)境的影響，對地表輻射、水氣交換、水文資源等有著重大影響，不合理的土地利用/覆被變化可能會給生態(tài)系統(tǒng)服務帶來潛在風險[2-4]。

LUCC受到越來越多的關(guān)注，研究方法由最初單一的數(shù)理統(tǒng)計逐步向建立模型轉(zhuǎn)變，由于CA-Markov模型模擬精度高、空間表達性能良好，該模型在長遠期土地時空格局變化預測中使用較多[6]。景觀格局是指景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置[7]。它既是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，同時又是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果[8-9]。近年來，有不少學者用CA-Markov模型對土地利用類型進行模擬研究[10-11]，但結(jié)合景觀格局對預測模型進行分析的研究較少，用之于研究云南省德宏州的土地利用格局演變的則更是鮮有報道。

德宏州是南方古絲綢之路的要塞，是中緬出入境門戶的節(jié)點。在經(jīng)濟發(fā)展、人口增長、城市化快速發(fā)展的背景下，德宏州的景觀格局發(fā)生較大變化，出現(xiàn)耕地侵占、林地減少、生物多樣性急劇減少等情況?；诖耍狙芯吭贕lobeLand30數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS、IDRISI和Fragstats分析2000—2010年和2010—2020年、2020—2030年的LUCC，利用模型擬合并預測區(qū)域土地利用變化趨勢，分析其景觀格局及其變化動態(tài)，為區(qū)域政策制定和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

德宏傣族景頗族自治州位于云南省的西南部(97°31′～98°43′E、23°50′～25°20′N)，東和東北與保山市的龍陵、騰沖兩縣相鄰，南、西和西北與緬甸聯(lián)邦接壤，國境線長503.8 km。全州東西橫跨122 km，南北縱跨170 km[12]，總面積約11 526 km2；轄芒市、瑞麗市、隴川縣、梁河縣、盈江縣等3縣兩市。德宏州首府駐芒市，距省會昆明649 km，空中直線距427 km[13]。根據(jù)第七次人口普查數(shù)據(jù)，截至2020年11月1日零時，德宏傣族景頗族自治州常住人口為1 315 709人，有傣、景頗、漢、傈僳、阿昌、德昂等民族[14]。由于人口的不斷增加，一些林地被開發(fā)為耕地，濕地與水體轉(zhuǎn)換為農(nóng)田，人造地表面積在不斷增加，致使各種地類的面積和分布發(fā)生明顯變化。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

數(shù)據(jù)源采用2000年、2010年與2020年的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，來源于GlobeLand30數(shù)據(jù)集(www．globallandcover．com)；影像選取是在云量較少的前提下，擇優(yōu)選擇數(shù)據(jù)生產(chǎn)基準年或更新年度年±2 a內(nèi)植被生長季的多光譜影像。所使用的分類影像主要是30 m多光譜影像，包括美國陸地資源衛(wèi)星(Landsat)的TM5、ETM+、OLI多光譜影像和中國環(huán)境減災衛(wèi)星(HJ-1)多光譜影像，2020年版數(shù)據(jù)還使用了16 m分辨率高分一號(GF-1)多光譜影像。經(jīng)同濟大學和中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院檢驗，GlobeLand30 V2010數(shù)據(jù)的總體精度為83.50%，Kappa系數(shù)0.78，GlobeLand30 V2020數(shù)據(jù)的總體精度為85.72%，Kappa系數(shù)0.82[15]。通過ArcGIS對數(shù)據(jù)進行重分類、幾何校正、影像裁剪等預處理，能滿足研究需求。

2.2 土地利用變化動態(tài)度

在一定時間范圍內(nèi)，采用某種土地利用在數(shù)量上的動態(tài)變化，來分析某種地類變化情況和總體土地利用的動態(tài)變化[16]。其數(shù)學公式如下。

式中：K為研究區(qū)某種土地利用類型的變化動態(tài)度；Ub、Ua為研究末期和初期某種土地利用類型的面積；t為研究時長間隔。

2.3 LUCC轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣包括：(1)某一研究時段內(nèi)由一種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愅恋乩妙愋偷拿娣e，即轉(zhuǎn)出的面積；(2)某一研究時段內(nèi)由其他類土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)榇祟愅恋乩妙愋偷拿娣e，即轉(zhuǎn)入面積?？梢杂猛恋乩棉D(zhuǎn)移面積來表示[17]。其數(shù)學公式可描述為，

式中：S為土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣；n分別代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型。

2.4 CA-Markov模型構(gòu)建

IDRISI軟件中的CA-Markov模型(元胞自動機-馬爾可夫模型)已廣泛應用于LUCC模擬研究。土地利用模擬中的元胞自動機(CA)具有考慮空間結(jié)構(gòu)和鄰里狀態(tài)生成過渡潛力圖的優(yōu)勢，而馬爾可夫鏈分析可以提供基于時間變化的LUCC過渡區(qū)矩陣。通過對系統(tǒng)不同狀態(tài)的初始概率以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率來確定各狀態(tài)將來各個時刻的變化趨勢[18]。模擬流程如下：

(1)數(shù)據(jù)準備 通過ArcGIS完成土地利用數(shù)據(jù)的合并、裁剪、調(diào)整坐標系和分辨率等，應用Conversion Tools將柵格轉(zhuǎn)換為IDRISI可識別的數(shù)據(jù)。

(2)獲取轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用模擬中的元胞自動機(CA)具有考慮空間結(jié)構(gòu)和鄰里狀態(tài)生成過渡潛力圖的優(yōu)勢，而馬爾可夫鏈分析可以提供基于時間變化的LUCC過渡區(qū)矩陣。以基準年的土地利用數(shù)據(jù)，設置誤差參數(shù)和間隔年，得到2000—2010年和2010—2020年的轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用類型轉(zhuǎn)換概率。

(3)建立適宜性圖集 基于轉(zhuǎn)移矩陣和土地利用類型轉(zhuǎn)換概率，在CA-Markov模型中以此作為規(guī)則進行運算，綜合考慮各地類在演變過程中的適宜性情況以及元胞鄰域之間的效應，最后將各地類的適應性圖像制成圖集。

(4)CA濾波器及循環(huán)次數(shù) 在模型設置階段，設置元胞自動機循環(huán)次數(shù)為10 a，使用5 m×5 m鄰域結(jié)構(gòu)的濾波器，來預測土地利用狀態(tài)。

2.5 模型精度檢驗

模型的精度采用Kappa系數(shù)來衡量，通過IDRISI下GIS Analysis中的CROSSTAB工具可以計算Kappa系數(shù)，在同一運算規(guī)則下，當實際年度的土地利用數(shù)據(jù)和模擬預測數(shù)據(jù)計算得出的Kappa系數(shù)大于0.75時，說明模擬結(jié)果與實際狀況的一致性強，可信度高。其表達式為如下。

式中：k為誤差精度；xp,i為地類i的預測面積；xr,i為地類i的實際面積。

2.6 景觀格局指數(shù)

為了進一步研究每種土地利用類型的變化，進行部分景觀指標的計算。用景觀指數(shù)描述景觀格局及變化，建立格局與景觀過程之間的聯(lián)系，是景觀生態(tài)學最常用的定量化研究方法[19]。基于前人的研究[20-25]，在斑塊類型層級景觀格局指數(shù)上選用斑塊所占景觀面積比(PLAND/%)、斑塊密度(PD/個·km2)、最大斑塊面積指數(shù)(LPI/%)和聚合度指數(shù)(AI/%)4個指標進行分析。在景觀層級景觀格局指數(shù)上選取用斑塊數(shù)量(NP/個)、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)4個指標分析研究區(qū)景觀整體變化特征。各景觀指數(shù)的生態(tài)學意義見文獻[26]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用類型變化特征

3.1.1 土地利用類型時空分布

ArcGIS中，從GlobeLand30數(shù)據(jù)集中提取2000—2020年各地類的面積數(shù)據(jù)，分析得到德宏洲LUCC空間格局變化(圖1)、土地利用/覆被類型面積變化見(表1)。可以看出，林地的面積占比最大，占德宏州總面積的60%以上，雖在2000—2010年間有所減少，但2020年又恢復到原有面積；耕地占比第2，耕地包括旱地和水田，面積占比保持在25%左右，20 a來呈先增加后減少的動態(tài)變化；草地的面積占比呈不斷下降的變化動態(tài)，由2000年的9.67%減少至2020年的8.9%；灌木地的面積也呈下降的變化動態(tài)，單一動態(tài)度從-0.25%減少至-0.17%；人造地表的面積占比在持續(xù)增加，是研究區(qū)動態(tài)變化最大的地類；水體的面積占比呈先減少后增加的態(tài)勢，20 a來面積比例從0.5%增加到0.68%；濕地的面積占比最小，保持在0.01%左右，呈先減少后增加的變化態(tài)勢。

表1 2000—2020年德宏州土地利用/覆被類型動態(tài)變化Tab.1 Dynamic change of land use/coverage in Dehong Prefecture from 2000 to 2020

圖1 德宏州2000—2020年土地利用類型分布注：審圖號為GS2020(4814)號Fig.1 Distribution of land use types of De Hong prefecture from 2000 to 2020

3.1.2 土地利用類型變化

2000—2020年德宏州LUCC類型轉(zhuǎn)移矩陣見表2～表3。

表2 德宏州2000—2010年LUCC矩陣Tab.2 LUCC matrix of De Hong Prefecture from 2000 to 2010 km2

表3 德宏州2010—2020年LUCC矩陣Tab.3 LUCC matrix of De Hong Prefecture from 2010 to 2020 km2

由表2可知，在2000—2010年期間，除濕地、人造地表面積外，德宏州不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移相對穩(wěn)定。從轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入總量上分析，耕地在2000年時面積為2 700.48 km2，在2010年時面積為2 794.53 km2，耕地總面積增加3.48%，增加量為94.05 km2；林地轉(zhuǎn)出、轉(zhuǎn)入主要對象為耕地、草地和灌木林地，其總面積在2000年時為6 822.16 km2，2010年時為6 758.48 km2，總面積減少0.93%，減少-63.68 km2，說明林地存在被開墾或流失的情況；草地、灌木林地、水體都有不同程度的減少，其減少比例分別為4.63%、2.54%、11.26%，減少面積分別為50.02、9.64、6.25 km2；濕地的面積由2000年的1.61 km2減少至2010年的0.8 km2，面積減少50.31%，主要轉(zhuǎn)移為耕地；人造地表面積增加28.87%，增加面積36.34 km2，主要由耕地轉(zhuǎn)移而來。

由表3可知，在2010—2020年期間，德宏州不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移相對2000—2010年期間較為活躍。耕地、草地、灌木林地的面積在減少，其中耕地減少的面積最多，為83.61 km2，主要轉(zhuǎn)出為林地和草地，轉(zhuǎn)移面積分別為126.27、71.37 km2；同時，也有林地和草地轉(zhuǎn)入的情況，轉(zhuǎn)入面積為277.66、41.48 km2。林地、濕地、水體和人造地表的面積在持續(xù)增加，增加值分別為61.68、0.65、26.56、36.75 km2；有36.98 km2的耕地轉(zhuǎn)換為人造地表，濕地面積基本恢復到2000年的面積，主要由水體和耕地轉(zhuǎn)換而來。

3.2 2030年土地利用/覆被預測

在模擬德宏州2030年土地利用/覆被預測前，首先對仿真模型進行了精度測試，在IDRISI軟件中導入2000—2010年LUCC地圖，將循環(huán)次數(shù)設置為10年，應用標準的5×5鄰接過濾器，得到2020年的LUCC模擬地圖。將結(jié)果與2020年的實際地圖進行比較，kappa系數(shù)的值為0.87，kappa系數(shù)大于0.75，表明一致性程度很高。再以2010年和2020年數(shù)據(jù)，設置同樣的循環(huán)次數(shù)和鄰接過濾器，預測得到2030年LUCC模擬地圖(圖2)。通過ArcGIS和Excel分析得到2020—2030年的LUCC矩陣，見表4。

圖2 2030年土地利用預測結(jié)果注：審圖號為GS2020(4814)號Fig.2 Land use prediction results in 2030

表4 德宏州2020—2030年LUCC矩陣Tab.4 LUCC matrix of De Hong Prefecture from 2020 to 2030 km2

在2020—2030年間(預測)，耕地、林地面積減少量分別為233.88、546.44 km2，其余地類的面積都表現(xiàn)為增加，其中：草地面積增加382.37 km2，主要來源于林地退化，預測10 a間將有414.59 km2的林地(約占2030年草地總面積的1/3)轉(zhuǎn)移為草地，除去草地轉(zhuǎn)出為林地的面積，由林地轉(zhuǎn)移為草地的面積約占2030年草地增加面積的86%；灌木林地增加275.56 km2，主要由林地轉(zhuǎn)入，減去草地轉(zhuǎn)出為灌木林地面積，林地轉(zhuǎn)入灌木林地面積約占2030年灌木林地面積的一半；濕地面積變化不大，僅增加0.87 km2，主要由水體轉(zhuǎn)換而來；水體面積增加49.77 km2，主要由林地、草地和耕地轉(zhuǎn)入；人造地表的面積增加71.73 km2，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)入。

3.3 景觀格局特征

3.3.1 不同土地利用類型景觀格局指數(shù)差異

由2000—2030年德宏州不同土地利用類型景觀格局指數(shù)變化(表5)可知：(1)斑塊所占景觀面積(PLAND)林地的占比最高，保持在56%～61%之間，灌木林地和草地略有增高趨勢，林地和耕地呈下降趨勢，其余地類PLAND值較小且基本不變。(2)斑塊密度(PD)灌木地的最大，草地的次之，其次是林地的，濕地的最小。各景觀類型斑塊密度總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，峰值多出現(xiàn)在2020年，說明2000—2020年間斑塊趨于破碎化；預測2030年破碎化程度減弱，意味著未來土地得到進一步集約利用。(3)最大斑塊面積指數(shù)(LPI)林地的最大，且呈減小的趨勢，說明林地是德宏州的優(yōu)勢景觀類型且呈逐漸減弱的趨勢。(4)聚合度指數(shù)(AI)耕地的最大，表現(xiàn)較為平穩(wěn)；濕地、林地次之，人造地表呈現(xiàn)波動式變化，峰值出現(xiàn)在2000年；水體呈增加的趨勢，預計到2030年草地和灌木地的聚合度指數(shù)達到峰值。

表5 各年度景觀類型斑塊類型層級景觀格局指數(shù)Tab.5 Landscape pattern index of patch types in different years

3.3.2 景觀水平上景觀格局指數(shù)分析

由2000—2030年德宏州景觀水平上景觀格局指數(shù)(表6)可知，研究區(qū)總斑塊數(shù)量(NP)在2010—2030年間呈下降趨勢，總斑塊數(shù)由187 095個減少至101 519個，一定程度上反映了德宏州景觀的破碎化程度在降低，同時表明研究區(qū)的生物多樣性在下降；面積加權(quán)平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)呈持續(xù)下降趨勢，由91.030 9降至37.055 9，表明斑塊的邊緣形狀趨向于規(guī)律簡單；香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻性指數(shù)(SHEI)呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，表明2000—2030年間景觀豐富度增加，原有優(yōu)勢地類對景觀控制作用逐漸降低，景觀逐漸呈多元化發(fā)展，各斑塊類型在景觀中有逐漸均勻分布的趨勢。

表6 各年度景觀水平上景觀格局指數(shù)Tab.6 Landscape pattern indices at landscape level in different years

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

在城市化進程不斷加快的背景下，土地利用/覆被變化和預測研究一直是國內(nèi)外研究的重點。相較以往研究[27]，采用GlobeLand30數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更加高效和便捷，利用土地利用變化動態(tài)度分析、LUCC轉(zhuǎn)移矩陣、CA-Markov模型構(gòu)建、景觀格局指數(shù)分析等方法進行綜合研究，有助于把握德宏州的土地利用情況，為未來德宏州景觀格局優(yōu)化提供參考。根據(jù)席梅竹等[28]、王小倫等[18]的研究可知，受相關(guān)驅(qū)動因素影響，土地利用/覆被變化的過程極為復雜。本研究是在既有的土地利用政策不變的前提下進行模擬預測和景觀格局分析的，在未來研究中應結(jié)合政策等相關(guān)驅(qū)動因素，以使研究結(jié)果更具科學性和實效性。

德宏州屬于南亞熱帶低緯度季風氣候，降水豐沛，光質(zhì)好，熱量充足，總體為濕熱氣候，目前生態(tài)狀況良好，但林地面積減少、人造地表面積增加的變化趨勢不容忽視。首先，在國土空間規(guī)劃背景下，相關(guān)部門應完善“多規(guī)合一”的國土空間規(guī)劃體系建設，從全要素空間資源綜合治理的角度，強化國土空間用途管控；其次，注重整體統(tǒng)籌，以生態(tài)保護紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和生態(tài)環(huán)境準入清單“三線一單”為抓手，以保護林地為重點工作，推進森林植被修復，抓好重點區(qū)域綜合治理，推進山水田林湖草的綜合治理；最后，因地制宜、以問題為導向，實施耕地保護制度，加強廢棄地、城鎮(zhèn)低效等人造地表的改造和再利用，強化農(nóng)村閑置土地復墾復耕，控制城鄉(xiāng)建設用地規(guī)模，節(jié)約集約地利用土地。

4.2 結(jié)論

基于2000—2020年GlobeLand30數(shù)據(jù)集，利用CA-Markov模擬預測德宏州2030年土地利用狀況，研究2000—2030年土地利用變化情況和景觀格局變化特征，得出如下結(jié)論。

(1)林地是德宏州的主要土地利用類型，近20 a來，其林地呈先減少后增加的變化特征。耕地面積占比第二，呈先增加后減少的變化特征。草地、灌木林地呈減少的變化特征，濕地面積呈先減少后增加的變化特征，水體和人造地表面積呈增加的變化特征?？傮w上生態(tài)狀況較好，主要得益于濕地保護政策的實施和人們生態(tài)環(huán)境保護意識的加強。

(2)預計在2020—2030年期間，林地仍是德宏州的主要土地利用類型，草地、灌木林地、濕地和水體面積將會增加，耕地和林地面積將減少，持續(xù)增加的人造地表面積主要由耕地轉(zhuǎn)化而來，在未來10 a(2020—2030年)土地利用變化將比前20 a更加迅猛。

(3)林地是德宏州的優(yōu)勢景觀類型，人造地表主要沿主城區(qū)邊緣擴張，表現(xiàn)得越來越規(guī)則，破碎度和異質(zhì)性降低。各區(qū)縣中心以及其周邊的破碎度、聚集度、景觀格局空間結(jié)構(gòu)的復雜程度均高于其他區(qū)域。