基于CA-Markov模型的临汾市农村居住空间特征及预测

王跃飞 刘磊 张维亮

摘要 运用CA-Markov模型对临汾市农村居住空间进行特征分析和预测，选取2000—2018年4个时期的土地利用类型栅格图进行研究。结果显示，2000—2018年临汾市农村居住空间呈现中部和南部稠密、北部较稠密、西部和东部稀疏的趋势。2000—2010年临汾市土地变化不明显，不同土地转化较小;2010—2018年土地变化明显，耕地和农村居住空间相互转化较大，其余转化较小。研究区2026年农村居住空间预测以内部扩张为主，集中于中部的临汾盆地内，少部分东部地区扩张;仍呈现中部稠密、西部稀疏的趋势。

关键词 农村居住空间;土地变化;特征分析;预测;临汾市

中图分类号 F327  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2020）20-0210-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.20.056

Characteristics and Prediction of Rural Residential Space in Linfen City Based on CA-Markov Model

WANG Yue-fei1， LIU Lei2， ZHANG Wei-liang3

（1. School of Geography and Environmental Science， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi 041000;2.Institute of Political Science and Law， University of Chinese Academy of Social Sciences， Beijing 102488;3. School of Economics and Management， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi 041000）

Abstract The characteristics of rural residential space in Linfen City were analyzed and predicted using the digital raster graphics of land-use types in the four periods of 2000-2018 based on CA-Markov model. The results showed that from 2000 to 2018， the rural residential space of Linfen City was dense in the center and south， slightly dense in the north， and sparse in the west and east. From 2000 to 2010， the land change in Linfen City was not obvious， and the transformation of different lands was not significant. From 2010 to 2018， the land change was obvious， the mutual transformation between cultivated land and rural residential space was significant， and the other transformations were not obvious. The rural residential space in this research area in 2026 was predicted mainly to be internal expansion， which was concentrated in Linfen Basin in the center， and a small expansion in the east. Additionally， the rural residential space was still dense in the center and sparse in the west.

Key words Rural residential space;Land change;Characteristic analysis;Prediction;Linfen City

居住空間是人类生活的社会环境综合体，也是地理空间中人类活动最密集的区域。现阶段，居住空间的研究分为对空间内部结构的刻画和空间外部格局的宏观识别 [1-2]。快速发展的城镇化建设中，中国农村居住空间也相应发生变迁和转移 [3]。党的“十九大”依据乡村发展现状，提出建立健全城乡融合机制，坚持农业农村优先发展，实施乡村振兴战略，促进全面小康社会的建成。同时，2019年中央一号文件提出强化乡村规划引领，把加强规划管理作为乡村振兴的基础性工作，实现规划管理全覆盖，按照先规划后建设的原则，通盘考虑土地利用、产业发展、居民点建设、人居环境整治、生态保护和历史文化传承，注重保持乡土风貌，编制多规合一的实用性村庄规划，加强农村建房许可管理。2018年，中国城镇人口数为8.31×108人，乡村人口数为5.64×108人;城镇居民可支配收入为3.93×104元，农村居民可支配收入为1.46× 104元。2000—2018年，中国城镇人口占全国人口的比重从 36.22%增长至59.58%，而乡村人口占全国人口的比重从 63.18%下降至40.42%，城镇人口平均增长速度为3.4%，乡村人口平均增长速度为-2.0%;城镇居民可支配收入平均增长速度为8.4%，农村居民可支配收入平均增长速度为 8.0%，城乡收入比从2.74下降至2.69。中国城乡一体化发展虽速度快，但农村地区人口仍减少，收入较低，且部分乡村地区没有得到发展，影响农村居住空间的分化和重组。

目前，居住空间研究多从乡村聚落和城市扩张研究，选取西部黄土丘陵区、中部传统农区、南部丘陵山區、干旱绿洲区和东部经济发达区进行分析。朱晓翔等 [3]对国内乡村聚落进行综述，张磊等 [4]研究云南环洱海地区农村聚落空间分布变化及特征，余斌等 [5]对乡村生活空间研究进行分析并展望。同时，部分学者对不同区域乡村聚落空间格局特征及其影响因素进行研究 [6-9]。在城市扩展研究中，多对城市扩张演变特征和驱动机制进行分析 [9-12]。在马尔科夫模型的分析中，学者通过城市发展、土地覆盖监测等领域运用马尔科夫模型进行预测 [13-16]。

农村居住空间研究多集中在乡村聚落的空间分布和城市空间的扩张。农村居住空间的宏观演变和运用马尔科夫模型预测发展较少。乡村振兴战略下，亟需开展对农村居住空间的研究，以促进农村地区发展，提高农村人口幸福感。因此，笔者运用CA-Markov模型对农村居住空间进行特征分析和预测，选取2000—2018年4个时期的土地利用类型图，采用景观尺度对农村居住空间研究，揭示其农村居住空间发展规律和方向，为临汾市乡村振兴战略的发展提供科学 依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

临汾市位于山西省南部，是华夏民族的重要发祥地之一和黄河文明的摇篮，地理坐标为35°23′～ 36°57′N，110°22′～112°34′E。历史中，临汾有东临雷霍、西控河汾、南通秦蜀、北达幽并的交通要道之称。临汾市包括尧都区、侯马市、霍州市、曲沃县、翼城县、襄汾县、洪洞县、古县、安泽县、浮山县、吉县、乡宁县、大宁县、隰县、永和县、蒲县、汾西县。临汾市四周环山，东部为太岳山，南部为中条山，西部为吕梁山脉，中部为临汾盆地，地形呈“凹”字型。研究区地处半干旱半湿润季风气候区，温带大陆性气候显著，年平均降水量为756 mm。临汾市是华北平原重要的棉量生产基地和重工业基地。2017年市域GDP为1.32×10 11元，城镇人口为2.30×106人，乡村人口为2.18×106人，乡村人口与城镇人口比率差别小，乡村振兴战略下，农村农业建设至关重要，农村居住空间作为安居工程关系到国民经济发展。

1.2 数据来源

地理数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）;土地利用与土地覆盖数据 [17]为2000、2005、2010、2018年四时像已分类30 m栅格图，土地利用与土地覆盖数据依据最新《土地利用现状分类》GB/T 21010—2007对土地进行重分类，分类包括耕地、林地、草地、乡村居民地、城镇居民地、建设用地、未利用地、水域。社会经济数据来源于2019版《中国统计年鉴》、2018版《山西省统计年鉴》。

1.3 研究方法

Markov模型运用于预测事件发生的概率，一般用于具有无后效性特征地理事件的预测 [13]。土地利用变化中，土地利用类型之间相互转化面积或比重为土地转移概率，计算公式如下：

S （t+1）=p ij×S （t）（1）

式中，S （t）、S （t+1）分别表示t、t+1时刻的系统状态;p ij是状态转移概率矩阵，可表示为：

（2）

元胞自动机（CA）为时空计算能力的动力学模型，特点是时间、空间、状态的离散，模型表示为：

S （t+1）=f（S （t），N）（3）

式中，S是元胞有限、离散的状态集合，N是元胞邻域，t、t+1是不同时刻，f是局部空间元胞状态转换规则。

2 结果与分析

2.1 农村居住空间特征

通过对土地利用与土地覆盖数据重分类，提取临汾市遥感分类影像，获得农村居住空间景观，绘制乡村居住空间格局（图1），并以临汾市中心为地理坐标进行格局分析。2000—2018年农村居住空间格局未发生大的变化，农村地域位移较小，集中在中部临汾盆地;中部和南部稠密、北部较稠密、西部和东部稀疏。2000—2018年农村居住空间演变呈现扩张趋势与缩减趋势相对平衡，但扩张面积仍大于缩减面积，扩张面积为176.67 km2，缩减面积为 119.89 km2，东部、西部扩张明显，中部则扩张和缩减交替出现。2000—2005年研究区农村居住空间增幅0.55 km2，2005—2010年增幅0.24 km2，2010—2018年增幅55.99 km2。研究区农村居住空间2000—2010年增加幅度较慢，2010—

展较慢、农村地区人口增加较慢，2010—2018年临汾市农村经济发展较快，农村人口增长，农村居住空间不断扩张，而相应城市化进程加快，也使农村居住空间转变为城镇居住空间，从而影响农村居住空间的时空格局演变。研究区农村居住空间总体集中于中部，呈现外部分散、内部集聚的空间 特征。

2.2 农村居住空间土地识相变化

运用ArcGIS 10.4.1可视化表达技术，通过重分类将土地类型分为8类，分别为耕地、林地、草地、水体、未利用地、城镇居住、农村居住和建设用地。对2000、2005、2010、2018年临汾市土地时空变化进行比较，以研究农村居住空间的变化趋势。临汾市农村居住空

间2000—2018年面积逐年扩张，2000—2010年农村居住空

间面积占临汾市土地空间面积平均为1.89%，2010—2018年农村居住空间面积占临汾市土地空间面积平均为2.17%;自2010年后，临汾市农村居住空间发展较快（表1）。2000—2005年临汾市农村居住空间变化不明显（表2），有 0.008 1 km2的农村居住空间转换为耕地、0.002 7 km2的农村居住空间转换为草地和0.057 6 km2的农村居住空间转换为城镇居住空间，而0.613 8 km2的耕地和0.007 2 km2的水体转换为农村居住空间。2005—2010年研究区农村居住空间仍不明显（表3），有0.027 9 km2的农村居住空间转换为耕地、 1.530 9 km2的农村居住空间转换为城镇居住用地和  0.016 0 km2的农村居住空间转换成建设用地，而 1.809 0 km2的耕地转换为农村居住空间。2010—2018年研究区农村居住空间变化明显（表4），有95.817 6 km2的农村居住空间转换为耕地、0.343 8 km2的农村居住空间转换为林地、1.727 1 km2的农村居住空间转换为草地、0.812 7 km2的农村居住空间转换为水体、 16.053 3 km2的农村居住空间转换为城镇居住空间和 5.289 3 km2 的农村居住空间转换为建设用地间，而 154.015 2 km2的耕地、1.091 7 km2的林地、 14.552 1 km2的草地、1.196 1 km2的水体、0.044 1 km2的未利用地、1.309 5 km2的城镇居住空间和3.825 9 km2的建设用地转换为农村居住空间。临汾市农村居住空间变化源于农村地区经济发展和农村人口的增加，增加了住房的需求，因而需要相应的居住空间。研究区整体农村居住空间的识相变化受耕地和城镇居住用地的变化影响较大。

2.3 农村居住空间预测

以临汾市2010—2018年30 m分辨率土地利用影像为样本，通过CA-Markov模型，运用IDRISI Selva软件，考虑到软件预测以相同倍数年预测效果较好，预测2026年临汾市土地利用类型变化并绘制预测图（图2），以分析农村居住空间发展。2018—2026年农村居住空间格局仍未发生明显变化，农村地域位移较小，主要以内部扩张为主，集中于中部的临汾盆地内，东部地区和西部地区略有扩张，呈现中部稠密、西部稀疏的趋势。2018—2026年临汾市土地变化明显（表5），有2.875 7 km2的农村居住空间转换为耕地、0.088 1 km2的农村居住空间转换为林地、 2.794 4 km2的农村居住空间转换为草地、0.219 6 km2的农村居住空间转换为水体、14.243 4 km2的农村居住空间转换为城镇居住空间和0.150 6 km2的农村居住空间转换为建设用地间，而476.897 9 km2的耕地、1.514 0 km2的林地、 36.208 0 km2的草地、0.749 1 km2的水体、0.000 2 km2的未利用地、0.000 3 km2的城镇居住空间和1.079 2 km2的建设用地转换为农村居住空间。在2026年临汾市农村居住空间中，耕地变为农村居住空间变化最大，其余变化较小。源于未来中国对农村的扶持力度仍然很大，农村人口会继续增加，而未来农村建设也会转型高质量发展，不再是解决单纯的居住问题，会向宜居型发展，从而导致农村地区内部集聚

性加强，而农村扩张会随着城镇化建设而转变。综上所述，未来农村居住空间内部宜居性发展将加强，外部扩张向城镇发展。

3 结论与讨论

该研究对2000—2018年临汾市农村居住空间时空格局演变和土地类型变化进行探究，并运用IDRISI Selva软件，预测2026年研究区农村居住空间发展变化，结果表明，2000—2010年临汾市土地变化不明显，不同土地转化较小;2010—2018年研究区土地变化明显，耕地和农村居住空间相互转化较大，其余转化较小。

2000—2018年临汾市农村居住空间呈现中部和南部稠密、北部较稠密、西部和东部稀疏的趋势;研究区农村居住空间分布相对于城市分布较离散，呈现整体分散、内部集中的趋势。在预测2026年中，研究区农村居住空间主要以内部扩张为主，集中于中部的临汾盆地内，少部分东部地区和西部地区有扩张;未来总体仍呈现中部稠密、西部稀疏的趋势。未来农村居住空间内部向高质量和宜居性发展，外部逐渐向城镇发展。

该研究通过构建CA-Markov模型，探索临汾市农村居住空间特征并进行预测。农村居住空间实质是反映农村地区发展和农村人口幸福感，受研究区需要，选取相应土地利用类型数据进行研究。为充分认知农村居住空间发展，相应考虑社会经济数据。经济社会生态发展及区域因素时间尺度较完整，但研究以景观尺度为主，未对行政尺度研究，且受软件限制，预测局限在2026年，今后仍需向不同尺度和时期进行预测研究。

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