基于灰色预测模型的昆仑山区土地利用时空变化研究

摘要 运用2000、2005、2010和2015年LUCC土地利用数据，采用土地利用动态度模型及土地利用转移矩阵，对处于昆仑山区的新疆和田地区16年来的土地利用变化情况进行分析，并运用灰色预测模型对未来2025、2030年和田地区土地利用类型进行预测。结果表明，近16年来和田地区为代表的昆仑山区土地利用处于快速变化时期。土地利用类型变化速度与幅度反映2000—2015年和田地区各类土地利用变化中耕地和建设用地面积增长较明显，分别增加了985、21 km2，其他各类用地面积都有不同程度的减少，减少最多的是草地，减少面积555 km2，其次是未利用地，减少面积398 km2。从土地利用动态度来看，2000—2015年耕地和建设用地单一动态度较大，其他地类单一动态度较小，表明在研究期间耕地和建设用地面积增长较快，其他地类面积都有不同程度减少。从土地利用转移方面来看，土地利用类型转移主要发生在2000—2005和2010—2015年，转移地类主要是发生在草地—耕地、未利用地—耕地和耕地—建设用地。土地利用转移空间变化主要表现在沿河流纵向分布，发生在人类聚居的绿洲区域及城市周边。利用灰色预测模型对2025和2030年和田地区土地利用类型进行预测，预测精度良好，表明和田地区2025和2030年耕地和建设用地面积呈不断增加，其他地类都有不同程度减少。

关键词 昆仑山区;和田地区;灰色预测模型;土地利用;时空变化

中图分类号 F 301.2  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）01-0070-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.019

Research on Spatio-temporal Changes of Land Use in Kunlun Mountains Based on GM Model—Taking Hotan Area as an Example

JIANG Yun-lu1，2，3，CAO Yue’e1，2，3，4，HE Zhong-fa1，2，3 et al

（1.College of Resources and Environmental Science， Xinjiang University， Urumqi，Xinjiang 830046;2.Institute of Arid Ecological Environment， Xinjiang University， Urumqi，Xinjiang 830046;3.Key Laboratory of Oasis Ecology， Ministry of Education， Urumqi，Xinjiang 830046;4.College of Environmental and Geographical Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234）

Abstract Based on the LUCC land use data of 2000， 2005， 2010 and 2015，the land use dynamics model and the land use transfer matrix were used to analyze the land use changes in the Hotan area of Xinjiang in the Kunlun Mountains for 16 years，and the gray prediction model was used to predict the land use types in Hotan area in the future 2025 and 2030.The results showed that in the past 16 years， land use in the Kunlun Mountains represented by the Hotan area had been in a period of rapid change.The change rate and extent of land use types reflected that the area of arable land and construction land had increased significantly during the various land use changes in Hotan from 2000 to 2015， increasing by 985 and 21 km2， respectively. The area of other types of land had decreased to varying degrees. The largest decrease was grassland， with a reduction of 555 km2， followed by unused land， with a reduction of 398 km2.From the perspective of land use dynamics， the single dynamics of cultivated land and construction land from 2000 to 2015 were relatively large， while the single dynamics of other land types were relatively small， which indicated that the area of cultivated land and construction land increased rapidly during the study period， and the area of other land types decreased to varying degrees.From the perspective of land use transfer， the transfer of land use types mainly occurred in 2000-2005 and 2010-2015， and the transferred land types mainly occurred in grassland-cultivated land， unused land-cultivated land and cultivated land-construction land.The spatial changes of land use transfer were mainly manifested in longitudinal distribution along rivers， occurring in oasis areas where humans live and around cities.The gray prediction model is used to predict the land use types of Hotan in 2025 and 2030， and the prediction accuracy is good. The results show that the area of arable land and construction land in Hotan will continue to increase in 2025 and 2030， and other land types will decrease to varying degrees.

Key words Kunlun Mountains;Hotan area;Gray prediction model;Land use;Spatial-temporal change

基金项目 国家青年基金项目（41601572）;中国科学院战略性先导科技专项（XAD20040400）。

作者简介 姜云璐（1997—），男，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向：人文地理与干旱区资源环境协调。通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事国土资源评价与国土空间规划研究。

收稿日期 2021-05-21;修回日期 2021-05-31

土地利用变化是指在各种驱动力作用下土地利用的目的和方式发生改变的体现，与人类活动密切相关[1-2]。土地利用/覆被变化（LUCC）是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式，与人类活动紧密相关。20世纪90年代以来LUCC已成为全球研究的核心课题之一[3]。近年来对于土地利用动态变化的研究，主要集中在时空分布及变化[4-8]、驱动力机制[8-15]及运用马尔科夫和灰色预测模型（GM模型）对土地利用变化进行预测等研究[16-20]。土地利用时空变化研究既能反映出研究区土地利用在时间序列上发生的变化，又可以直观反映空间变化的状况，对区域土地利用变化作出更详细的描述。新疆和田地区由于其特殊地理条件和历史原因，其生态环境对气候变化的响应及承受力具有较高的敏感性和脆弱性，因此，及时掌握该地区的LUCC变化，有效预测未来土地利用类型变化，对优化该区域土地利用模式，促进当地社会、经济和生态环境协调发展具有重要参考价值。

该研究对昆仑山区的典型干旱区绿洲即和田地区土地利用进行时空变化研究，同时运用灰色预测模型对和田地区2025、2030年土地利用类型进行预测，为未来土地资源优化配置及合理规划土地资源提供借鉴。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

和田地区位于新疆维吾尔自治区南隅，介于78°17′～82°38′E、36°52′～37°19′N。南部为喀喇昆仑山及昆仑山，北部为塔里木盆地，地势自南向北倾斜，呈南高北低、西高东低的格局。仅有小部分的绿洲分布在昆仑山和塔克拉玛干沙漠之间的内流河流域附近，海拔1 300～1 450 m。属暖带内陆荒漠型气候区，主要气候特点：四季分明、夏长秋短、冬不严寒，全年降水稀少蒸发量极大。春季、夏季多沙暴、浮尘天气，冬季少积雪，昼夜温差大，盛行西北风和西南风。年平均降水量为33.7 mm，且分布不均，年际变化大，一年中降水以5—7月份最多，约占总量的59%。年日照时数为2 602.2 h，可照时数为4 433.5 h，年平均日照百分率为59%。

1.2 数据来源

该研究所选2000、2005、2010、2015年4期数据来自中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/），根据研究区实际情况参考LUCC二级分类体系对数据进行分类，通过地统计分析方法获得土地利用转移矩阵及空间变化图。

1.3 研究方法

1.3.1 单一土地利用类型动态度。

土地利用动态变化的研究方法主要是土地利用动态变化模型的建立，土地利用变化主要体现在土地利用类型变化、土地利用程度变化及土地利用变化的区域差异方面[21]。

单一土地利用动态度可描述区域一定时期内某种土地利用类型的变化速度，它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势都有积极的作用[22]。

其表达式如下：

K=Ub-UaUa×1T×100%（1）

式中，K为研究期内研究区某一类土地类型动态度;Ua、Ub分别为研究初期和研究末期土地类型的面积;T为研究时段。当T的时段为年时，K值是该土地利用类型的年变化率。

1.3.2 综合土地利用动态度。

综合土地利用动态度反映某区域一段时期内土地利用变化的速度[23]。

其表达式如下：

LC=ni=1ΔLUi-j2ni=1LUi×1T×100%（2）

式中，LC表示该区域土地利用年变化率;ΔLUi-j表示研究时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值;LUi表示研究初期某一土地利用类型的面积;T的时段为年。

1.3.3 土地利用转移矩阵。

土地利用转移矩阵能够描述各种土地利用类型之间的转换情况，不仅可以反映研究初期和研究末期的土地利用类型结构，同时还可以反映研究时段内各类用地之间的相互转移变化情况，用来刻画区域土地利用变化方向以及研究期末各土地利用类型的来源及构成。转移矩阵中的变量可以为土地利用类型面积，也可以生成区域土地利用变化的转移概率矩阵，从而可以推测一些特定情境下区域土地利用的变化趋势[24]。其数学表达如下：

式中，Sij为研究期内土地利用状态;n表示研究区内土地利用类型数;i、j分别为转移前和转移后的土地利用类型。

1.3.4 灰色预测模型。

GM模型是对原始数据系列进行一阶累加生成，建立一阶线性微分方程模型，求得拟合曲线，从而对系统进行预测，过程如下[25]：

设x（0）为原始数据系列，对x（0）进行一次累加生成，得到一个生成序列x（1），由此可以建立白化形式的微分方程：

dX（1）dt+aX（1）=u（4）

用最小二乘法拟合得到参数a和u：

微分方程式（4）所对应的时间响应函数即为此次数列预测的基础公式，如下：

x（1）（k+1）=x（0）（1）-uae-ak+ua（8）

为提高GM（1，1）模型预测值的可靠度，采用后验差检验方法进行模型精度检验，后验差比值C和小误差概率P定义为：