基于遥感数据和数学模型的德州市土地利用动态变化研究

姜右锦，刘富刚，邸向红

（德州学院 资源环境与规划学院，山东 德州 253023）

基于遥感数据和数学模型的德州市土地利用动态变化研究

姜右锦，刘富刚，邸向红

（德州学院 资源环境与规划学院，山东 德州 253023）

基于遥感与GIS平台，利用土地利用动态度和土地利用转换指标模型，对德州市2005—2015年间土地利用时空特征进行定量分析.结果表明，近11年德州市土地利用变化前期速度较快，后期趋缓.在此基础上运用马尔科夫预测模型对该市未来15年土地利用演变趋势进行预测，显示2015年与实际基本符合，2030年耕地、未利用地将有所减少，城镇、农村居民点和独立工矿用地将逐年增加，草地和水体的面积变化不大.

土地利用；GIS；马尔科夫模型；德州市

土地利用变化是反映人类活动程度的重要因子，分析土地利用时空变化规律，是揭示人类活动程度的有效方法[1].近年来，利用空间信息技术研究土地利用时空动态变化规律及其驱动机制已成为城市遥感的热点，利用遥感手段监测土地利用动态变化已成为LUCC研究的主要手段之一[2-6].目前，我国快速发展的工业化和城镇化导致一些地区的土地利用状况也发生了显著变化.国内专家学者在借鉴国际研究方法的基础上，结合土地调查、利用规划及资源环境数据库等，针对不同的地域特点，现已广泛应用多种系统分析与数据统计方法从各个角度积极开展了土地利用遥感动态监测研究.这些研究主要集中在环渤海地区、长江三角洲和珠江三角洲等经济热点地区[7-10]，对长时间、小区域、快发展的土地利用时间序列数据和预测模型构建的研究相对较少，不合理的土地利用将会打破地区的生态平衡，影响区域的可持续发展，研究土地利用的变化及对土地进行预测分析具有极其重要的意义[11].以德州市为例，通过利用2005—2015年的Landsat TM影像数据，对11年间德州市土地利用变化信息进行提取和时空利用对比分析，定量说明土地利用结构变化的过程和趋势，从而为该区域的经济建设及城市发展提供决策依据.

1 研究区概况

德州市位于鲁西北平原，地处冀、鲁两省的交界处，北纬36°24'～38°0'，东经115°45'～117°24'.该地区属温带季风气候，四季分明，冷热干湿界限明，平均年降雨量522.3 mm.其地处黄河下游北岸，地势平坦.德州市是山东唯一进入京津冀一体化的城市，已融入京津冀一体化合作规划中.全市辖区面积10 356 hm2，人口586.19万人，2015年国民生产总值达2 750.94亿元，产业比例为10.3∶49.4∶40.3.德州经济迅速发展，城市规模及工业化进程加快，这将不可避免地导致土地利用结构发生相应的变化，开展土地利用动态演变研究，对加强土地利用规划和可持续发展，改善生态环境，合理有效地利用有限土地具有重要意义.

2 数据来源与方法

2.1 数据来源与处理

选取2005—2015年的Landsat TM多光谱图像为数据源.根据对影像的判读和土地利用现状图等资料，采用中国农业区划委员会1984年公布的土地利用分类标准，将德州市分为8种土地类型：耕地、林地、草地、水体、城镇、农村居民点、独立工矿和未利用地，基于时间序列整理德州市2005—2015年土地利用结构数据，结果见表1.

2.2 研究方法

以遥感和GIS为技术手段，同时辅助于地形图、文字资料和社会经济统计资料等，对2005—2010，2011—2015年2个不同时期区域土地利用变化数据进行单一土地利用类型动态度分析，包括变化的数量、趋势和方式等方面.并进一步运用马尔柯夫模型研究该区域土地利用类型转移矩阵变化.为确保建立的转移概率矩阵的准确度，以2005年为基期年，预测2015年的土地利用类型状况，并与实际统计数据作比较.同时，根据《土地利用现状调查技术规定》和德州市土地资源、社会经济条件的区域特点，从土地利用变化中寻找规律，对2020，2025和2030年土地利用进行有效的预测，并作出相应的土地规划调整.

2.2.1 土地利用动态度模型 土地利用动态度是对区域土地利用变化速度差异的反映，引入单一土地利用类型动态度（K），其表达式为

其中：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该土地类型的面积；T为研究时段.

2.2.2 土地利用类型马尔柯夫模型 利用马尔柯夫模型预测土地利用类型变化的原理是根据土地利用初始状态，得到近些年来土地利用类型可能达到的某些状态的概率，从而推断出土地利用系统在未来某一时刻可能所处的状态[12].马尔科夫模型应用的关键在于转移概率的确定，土地利用转移概率矩阵的数学表达式为，其中：Pij为第i种土地利用类型向第j种土地利用类型转移的概率，并且0≤Pij≤ 1，

本文马尔柯夫模型计算步长为5年，Pij计算公式为

其中：Pij为2005—2010年i型土地转移为j型的转移概率；Aij为i型土地转为j型的面积；Ai为i型土地在5年内转换的总面积.

计算转移概率矩阵的过程可以通过某一时段内土地利用类型年平均面积变化矩阵获得，再由该矩阵求出年平均土地利用类型的转移概率.可以揭示不同景观类型间的转移矩阵，从而更好地了解土地利用的时空演变过程[13].

3 2005—2015年土地利用变化结果与分析

3.1 土地利用的动态变化与分析

基于遥感数据（见表1）与公式（1），计算2005—2015年德州市单一土地利用动态度（见表2）.由表2可见，2005—2010年年变化率最大的土地利用类型为建设用地中的独立工矿用地，其变化率为0.320％，变化率比较大的还有未利用地、城镇、农村居民点，年变化率数分别为-0.249％，0.178％，0.137％.城市经济发展、人口急剧增长必将导致土地供需发生变化.

表2 德州市单一土地利用动态度 ％

2011—2015年独立工矿用地年变化率依旧最大，数值为0.820％，未利用地次之，年变化率为-0.329％，其变化较大是耕地和水体，其数值为-0.007％，0.056％，草地和农村居民点年变化率为负变化，分别为-0.018％和-0.031％.在此期间，德州市实行“两区同建”，着重点在于全域农村社区城镇化和产业化的整体推进和同步建设，将导致耕地及其他利用类型的相应变化.

总体上，2005—2015年耕地面积数量持续下降，但2011—2015年间减速明显放缓.11年间，林地面积为波动式变化，其中2005—2010年该用地类型面积缓慢减少，而2011—2015年快速增加.因绿化意识和节水意识的提高，2011—2015年草地面积数量减缓速度明显.由于城镇化的发展，使城镇面积迅速增加，农村居民点、独立工矿用地也将发生相应的变化，其中独立工矿用地面积数量急剧增速.

3.2 土地利用类型的转移情况与分析

应用ArcGIS软件对德州市土地利用数据进行统计和叠加分析，得到2005—2010年土地利用变化的转移矩阵（见表3）.由表3可见，大规模增长的农村居民点主要由耕地、林地、草地、水体和未利用地转换而来，转换量分别达到17 477.26，138.71，138.71，208.06，2 323.37 hm2.由此可知，农村居民点占用了大量的耕地、林地和水体.独立工矿用地的动态变化是通过占用耕地、水体和未利用地来实现的，分别为242.74，34.68和34.68 hm2.耕地的转移矩阵中，主要转向水体、城镇、农村居民点和独立工矿用地，这将是在该研究时段内耕地减少的主要方面.

表3 德州市2005—2010年土地利用类型转移矩阵 hm2

4 土地利用变化预测分析

4.1 建立并检验转移矩阵率矩阵

根据德州市2005—2015年土地利用状况，分别统计出2005，2010和2015年各类土地利用类型占总面积的百分比，结合德州市2005—2010年土地利用类型转移矩阵，计算出初始转移概率矩阵.以2005年为初始状态年，预测2015年土地利用类型状况，并与实际统计数据作比较（见表4）.由表4可见，各类用地的预测值与实际值误差均在3％以内，预测值与实际值差别最大的是农村居民点，其误差为2.319％；误差最小的是草地，仅为0.028％.分析误差产生原因主要是在这11年间德州市土地规划利用调整以及操作误差.因此，本文所建立的马尔科夫转移矩阵精度可用于预测.

表4 马尔科夫转移概率矩阵的检验（2015年）

4.2 规划目标年德州市土地利用变化趋势

将2005年各类土地利用类型面积比例作为初始矩阵，结合转移概率矩阵分别计算出目标年份2015，2020，2025和2030年各土地利用类型面积的比例（见图1）.由图1可见，德州市耕地面积自2016年后依然呈现逐渐减少的趋势，尤其是耕地被占用并转为非农建设用地.但在城镇化以及农村经济体制改革发展到一定程度后，非农建设用地的现象将会得到缓和；同时国家对耕地总量的动态平衡非常重视，将会采取一定的措施使减少的趋势变缓.林地、水体在一定时间增长后从2015年开始缓慢减少.草地持续一段时间增加后幅度缓慢减少，未利用地减小幅度不大.城镇、农村居民点和独立工矿用地面积明显增加.

依据2005—2015年土地利用变化的趋势，未来15年内土地利用变化的趋势是耕地和未利用地减少变化明显，耕地面积减少幅度最大，比例由2015年的75.80％下降到2030年69.14％.城镇、农村居民点和独立工矿用地将是逐年增加，农村居民点的增长比例最大，由2015年的15.88％上升到2030年的21.04％.草地和水体的变化速度增加之后，将持续较长一段时间，直到达到一种稳定的状态.在土地利用红线控制范围内，将各类型土地进行合理规划，稳定在动态平衡范围之内，使其形成一种城乡经济一体化的新土地利用格局.

图1 德州市2015—2030年土地利用变化预测

5 结束语

综上所述，研究区主要的土地利用类型为耕地、居民点、城镇与水体.总体上呈现变化速度较快但趋缓格局.耕地是该土地利用变化的主导类型，其驱动力主要来自城镇化建设与人口增长.利用马尔科夫预测未来土地利用变化的趋势，耕地和未利用地减少变化明显，草地和水体平缓增长，城镇用地保持平稳.在此情况下，需要加强耕地保护，减少城镇化建设对植被的占用，以促进土地的可持续，改善生态环境质量.

随着德州市京津冀一体化及新型城镇化建设加快，在各种自然、人为因素以及政策的影响下，必将会产生新的土地利用问题，如何做到人与生态和谐以及兼顾三产业的经济健康发展，必须做到土地利用的充分调整.因此，在今后研究中，要根据不同时间尺度带来的不同模拟结果进行分析，同时从社会、经济和生态环境变化的角度出发，对德州市土地利用变化的影响加以分析研究，促进区域土地资源的可持续利用，促进区域资源经济社会系统的健康发展.

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Research on dynamic change of land use in Dezhou City based on remote sensing data and mathematical model

JIANG You-jin，LIU Fu-gang，DI Xiang-hong

（School of Resources and Environment and Planning，Dezhou University，Dezhou 253023，China）

Based on remote sensing and GIS platform，the use of the land use dynamic degree，land use conversion index model，the space-time characteristics of land use of Dezhou 2005—2015.Quantitative analysis results show that the early stage of the Dezhou nearly 10 years of land use change fast，slow late.On the basis of using the Markov prediction model to the city over the next 15 years of land use evolution trend forecast，with basic conform to the actual display 2015，2030 land and unused land will be reduced，towns，rural residential areas and independent industrial and mining land will increase year by year，grassland and water area changed little.

land use；GIS；Markov model；Dezhou City

P285.2+3

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.12.013

2016-10-16

姜右锦（1995-），女，山东临沂人，在读本科生.E-mail：jiangyoujin2013@163.com

刘富刚（1964-），男，山东济阳人，教授，主要从事区域资源评价理论方面的研究.E-mail：dzxylfg@163.com

1007-9831（2016）12-0051-05