基于GIS和CA-Markov模型的库伦旗土地利用变化分析

勿云他娜，苏根成，孙乌仁图雅

(内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

基于GIS和CA-Markov模型的库伦旗土地利用变化分析

勿云他娜，苏根成，孙乌仁图雅

(内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

以内蒙古通辽市库伦旗2009年Langsat-TM、2016年Landsat-ETM遥感影像为数据源,利用GIS软件解译提取该时期的土地利用现状数据，分析2009～2016年土地利用结构变化和转移特征，在此基础上借助CA-Markov模型，以2009～2016年土地利用转移概率矩阵为转移条件，构建土地利用适宜性图集，预测2016～2020年土地利用变化趋势。结果表明，2009～2016年，库伦旗土地利用变化明显，耕地和未利用地面积大量增加，主要来自草地和林地的转化。2016～2020年，库伦旗耕地和未利用地面积呈持续增加趋势，建设用地增长缓慢，草地、林地、水域面积呈减少趋势。需要优化调整土地利用结构，加强草地和林地保护，加大未利用地整治力度，促进区域生态环境可持续发展。

土地利用；预测分析；CA-Markov模型；库伦旗

1995年，“国际科学联合会”(LCSU)和“国际社会科学联合会”(LSSC)组织拟定的“土地利用/覆盖变化科学研究计划”开展以来，土地利用变化已成为国际性的重点研究内容，且愈来愈受到重视[1～3]。土地利用变化模型是深入了解土地利用变化过程、预测未来土地利用变化趋势的重要手段[3]。目前，国内外应用较广的土地利用变化预测模型有Markov模型、CA模型、Logistic模型、IMAGE模型、CLUE模型、GTR模型等[4]。CA-Markov模型是CA模型模拟复杂系统空间变化能力和Markov模型强大的定量化预测功能的有机结合，通过转化规则来决定变化状态，从而模拟复杂的空间变化程度[2]。笔者以内蒙古通辽市库伦旗2016年土地利用现状数据为初始状态，以2009～2016年土地利用转移概率矩阵作为转移条件，用2016年降雨量平均值、人口密度、DEM、坡度等驱动因子创建土地利用适宜性图集，预测 2016～2020年土地利用变化趋势，为合理利用研究区土地资源和改善区域生态环境提供参考依据。

1 研究区概况

库伦旗位于内蒙古通辽市西南部，东经121°09′～122°21′，北纬42°14′～43°14′，是通辽市下辖的一个旗，土地利用总面积为4729.2km2。库伦旗地处燕山北部山地向科尔沁沙地过渡地段，南部为土石浅山区，中部丘陵起伏，北部为沙丘地貌。海拔190～626.5m，属于大陆性季风气候，年均气温6.6℃，年均降水量400～450mm，无霜期140～150d。2009年，全旗总人口174031人，GDP为350199万元。2015年，全旗总人口179868人，GDP为685476万元。

2 研究方法

2.1数据来源与处理

数据来源于地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)提供的2009年Landsat4-5TM影像以及2016年Landsat8OLI-TIRS影像，影像日期7～8月份，云量均低于0.25%。用ENVI 4.8软件分别对2期遥感影像进行几何校正、光谱增强、影像镶嵌等数据预处理，在综合判读遥感影像的基础上解译提取2009年和2016年土地利用现状数据。根据库伦旗土地利用状况，将土地利用类型分为6种类型，即林地、草地、耕地、未利用土地、水域、建筑用地。林地主要以落叶阔叶林、灌木林为主，草地包括草甸草原、荒漠草原，未利用地包括沙地、沼泽、盐碱地，水域包括河流、湖泊等，建设用地包括城镇居民地、农村居民地、交通用地、工矿用地等。

2.2数据验证

借助ArcGis 10.1分别对研究区2009年、2016年土地利用现状图随机生成30个样点(图1和图2)，通过野外调查，参考Google Earth检验土地利用分类精度，经样点分布统计后发现，草地分类精度高于87.5%，林地分类精度高于89%，耕地分类精度高于90%，水域分类精度高于92%，未利用地分类精度高于92%，建设用地分类精度高于91%。2009年土地利用综合分类精度为92.5%，2016年土地利用综合分类精度为93%，分类结果满足后续研究需要。

图1 库伦旗2009年土地利用现状 图2 库伦旗2016年土地利用现状

2.3CA-Markov模型构建

在IDRISI 15软件的支持下，以2016年库伦旗土地利用现状数据为起始状态，用Markov模型生成2009～2016年土地利用转移概率矩阵并作为转移条件，用Logistic模型以2016年降雨量平均值、人口密度、DEM、坡度为驱动因子分析土地利用适宜性，生成土地利用适宜性图集，并将适宜值域标准化为0～255，根据适宜条件分为5个级别，作为后续CA-Markov模型中的CA转化规则，借助CA-Markov模型模拟2020年库伦旗土地利用空间分布格局，其Kappa系数为0.791。

3 结果与分析

3.12009～2016年土地利用变化分析

土地利用结构是评价土地资源合理利用的重要指标。由2009～2016年库伦旗土地利用结构变化(表1)可知，该地区主要土地利用类型为耕地和未利用地，2009年2种土地利用类型占土地利用总面积71.41%，2016年增加至87.66%，其中耕地面积比例由2009年的46.55%增加至2016年的53.17%，增加了325.69km2；未利用地面积比例由2009年的24.86%增加至34.49%，增加了455.21km2。

各土地利用类型的变化面积大小依次为草地>未利用地>耕地>林地>水域>建设用地，耕地、未利用地、建设用地面积均在增加，草地、林地、水域面积持续减少，说明生态用地(草地、林地、水域)呈恶化状态。草地减少面积最大(727.71km2)，变化率为-60.88%；林地面积减少40.95km2，变化率为-72.04%，说明林地减少速度最快；水域面积减少了12.74km2，变化率为-19.79%；建设用地变化不明显，增加0.5km2，增长率1.41%。

由于库伦旗自然环境脆弱，加之气候干旱，降雨量少造成未利用地面积不断增加，生态用地(草地、林地、水域)逐年减少，另一方面随着社会经济发展和人口不断增长，对耕地的需求量日益增加，大量草地和林地转变为耕地。因此，自然和人为因素是影响研究区土地利用方式的主要驱动力。

3.22009～2016年土地利用转移分析

利用ArcGIS 10.1分析工具的intersect功能和Excel统计软件，对研究区2009、2016年土地利用现状图进行叠加统计，获取2009～2016年库伦旗土地利用转移面积矩阵数据(表2)。由表2可知，草地和林地的转移量较大。草地转化为未利用地和耕地的变化最明显，分别为489.16km2和415.69km2，说明草地沙化和开垦现象较严重。从草地转入情况来看，有104.93km2耕地转化为草地，其次是有82.36km2未利用地转变为草地，存在部分低产量或不适宜耕作的农用地撂荒和未利用地转化为草地的现象。同时，耕地面积不断扩大，有1893.28km2耕地保持不变，其余耕地的主要来源为草地和未利用地(有124.82km2未利用地经过整治转变为耕地)。由于“塔敏查干沙漠”横贯库伦旗北部全境，未利用地面积较多，有953.31km2的未利用地保持不变，而草地和耕地为新增未利用地的主要来源。此外，有14.07km2耕地转变为建设用地，另有19.76km2建设用地通过整理农村居民点、复垦废弃居住用地等方式转变为耕地。林地转为耕地面积达45.76km2，占林地面积80%左右。

3.32016～2020年土地利用变化预测分析

2016～2020年库伦旗土地利用结构变化预测表如表3所示。由表3可知，2016～2020年土地利用变化趋势与2009～2016年土地利用变化基本保持一致。耕地、未利用地面积呈增长态势，分别增加44.73、76.42km2。建设用地变化不明显，呈缓慢增长趋势，增加面积为0.57km2。生态用地(草地、林地、水域)继续减少，减少面积分别为111.06、2.09、8.57km2，其中草地减少速率最快(23.75%)，生态环境呈进一步恶化态势，使可持续发展受到严峻挑战。2020年库伦旗土地利用预测图如图3所示。从图3可知，库伦旗土地利用分布状况具有明显的空间差异性，耕地广泛分布于研究区南部，是全旗粮食高产集聚区；未利用地集中在研究区北部，该区域沙地较多；建设用地主要集聚在经济水平较发达的城区和集镇地区，另有少量为农村居民用地；草地主要分布在研究区西北部，这与北部区域的畜牧业相农业结合的土地利用方式有密切关系；林地主要集聚在库伦旗小青沟旅游景区附近，其余地区分布较少，水域主要集中在研究区中部和南部，北部出现水资源缺乏现象。

表2 2009～2016年土地利用转移矩阵 km2

表3 2016～2020年库伦旗土地利用结构变化预测

4 结论与建议

4.1结论

图3 2020年库伦旗土地利用预测

1)耕地和未利用地是库伦旗土地利用空间分布格局中的主要部分，研究区南部以耕地为主，而未利用地主要分布于北部。2009～2016年间，耕地、未利用地、建设用地面积持续增加，草地、林地、水域面积减少。

2)2009～2016年库伦旗土地利用转移发生了较大的变化，草地和林地的转移量较多，突出表现在草地转化为未利用地和耕地，分别转出489.16km2和415.69km2，说明草地沙化和开垦现象较严重。此外，林地和水域面积减少，主要是由于气候干旱化、土地利用方式不合理等自然和人为因素共同作用所导致。

3)2016～2020年土地利用变化发展趋势与2009～2016年土地利用变化保持一致。2020年，耕地和未利用地面积比例将增加至90.6%，草地、林地、水域面积仅占8.74%，生态用地退化日趋严重。

4.2建议

1)要加强保护草地和林地意识，加大未利用地整治力度，严格控制生态用地恶化，促进土地资源合理利用。

2)在确保耕地数量和质量的同时，严格控制过度占用草地和林地，加大未利用地的整治力度，加强草地、林地、水域用地管理，通过建设人工草场、植树造林等措施扩大生态用地面积，合理调整土地利用方式，使生态治理、环境保护与农用地开发同步协调。

[1]李扬.国内外土地利用变化研究概述[J].安徽农学通报,2010,16(9):12～16,104.

[2]王菲,柴旭荣. CA-Markov模型在土地利用模拟研究中的应用[J].现代农业科技,2013,(2):227,235.

[3]黄秋昊,蔡运龙.国内几种土地利用变化模型述评[J].中国土地科学,2005,19(5):6.

[4]肖宜挺.基于CA-Markov模型的土地利用景观格局变化研究——以无湖市二山区为例[D].芜湖：安徽师范大学,2013.

[5]龚文峰,袁力,范文义.基于CA-Markov的哈尔滨市土地利用变化及预测[J].农业工程学报,2012,28(14):216～222.

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[9]张俊平,李净.基于CA-Markov模型的甘州区土地利用变化预测分析[J].中国农学通报,2017,33(4):105～110.

2017-04-17

国家自然科学基金项目(41161015)。

勿云他娜(1992-)，女，硕士生，研究方向为土地利用规划。通信作者：苏根成，sugc1128@sina.com。

[引著格式]勿云他娜，苏根成，孙乌仁图雅.基于GIS和CA-Markov模型的库伦旗土地利用变化分析[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(18)：79～82，85.

P301.2；P237

A

1673-1409(2017)18-0079-04

[编辑] 李启栋