基于CA-Markov模型的阿克苏地区土地利用变化研究及预测

摘要 ［目的］通过分析和预测阿克苏地区20年间的土地利用变化和未来土地利用趋势，总结阿克苏各地类的变化数量、方向和趋势。［方法］以2000、2010和2020年的GlobeLand 30数据为基础，运用土地利用动态度、土地转移矩阵和土地利用变化图谱分析阿克苏地区2000—2020年的土地利用变化；基于2020年的阿克苏地区土地利用现状，结合CA-Markov模型对阿克苏地区土地利用进行预测。［结果］2000—2010年灌木地、水体和林地动态度较大；2010—2020年湿地、人造地表和耕地动态度较大；裸地和草地在2000—2020年持续大面积减少，耕地、人造地表和水体持续增加。2000—2020年耕地主要的来源为裸地和草地；人造地表的最大来源为耕地；裸地和草地持续转出为其他地类。2000—2020年5种图谱变化模式中稳定型占绝对优势，持续变化型和反复变化型则很少。2020—2030年研究区土地利用基本延续2010—2020年土地利用演变趋势，人造地表大量增加且主要来源为耕地，裸地、草地和林地进一步减少。［结论］该研究为阿克苏地区土地空间规划制定提供参考。

关键词 土地利用变化；GlobeLand 30；CA-Markov模型；预测；阿克苏地区

中图分类号 F 301.24  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）21-0074-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.21.019

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research and Prediction of Land Use Change in Aksu Region Based on CA-Markov Model

LI Yu-fei， ZHANG Yong-fu， ZHAO Yu et al

（College of Resources and Environmental Sciences， Key Laboratory of Oasis Ecology， Ministry of Education， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830017）

Abstract ［Objective］By analyzing and predicting the changes in land use and future land use trends in Aksu Region in the past 20 years， summarizing the number， direction and trend of changes in Aksu Region.［Method］Based on the GlobeLand 30 data in 2000， 2010 and 2020， the land use change in Aksu Region from 2000 to 2020 was analyzed by using land use dynamics， land transfer matrix and land use change map.Based on the status of land use in Aksu in 2020， combined with the CA-Markov model， the land use in Aksu Region was predicted.［Result］From 2000 to 2010， the dynamic degree of shrubland， water body and forest was relatively large;from 2010 to 2020， the dynamic degree of wetland， man-made surface and cultivated land was relatively large;bare land and grassland continued to decrease in a large area from 2000 to 2020， arable land， man-made surface and water body continue to increase.From 2000 to 2020， the main sources of arable land were bare land and grassland;the largest source of artificial ground was arable land;bare land and grassland continue to be transferred to other land types.From 2000 to 2020， the stable type had an absolute advantage among the five patterns of atlas change;the continuous and repeated changes were rare. The land use in the study area from 2020 to 2030 basically continued the evolution trend of land use from 2010 to 2020. The man-made surface had increased greatly and the main source was cultivated land， and the bare land， grassland and forest had further reduced.［Conclusion］The study provides reference for the formulation of land and space planning in Aksu area.

Key words Land use change;GlobeLand 30;CA-Markov model;Prediction;Aksu Region

土地利用和覆被变化是全球环境变化和可持续发展的重要组成部分，在全球物质循环和能量流动中起着关键作用，因此通过研究土地利用变化的规律，利用模型拟合并预测区域土地利用变化趋势对于合理开发利用土地资源、促进区域可持续发展具有重要意义［1-2］。近几十年来全球土地覆被发生了剧烈变化，人类活动对土地覆被变化的影响成为“人类世”最为显著的特征之一［3］。

目前研究我国不同尺度、不同时间的土地利用/土地覆被的成果相当丰硕，如刘纪远等［4］用人机交互解译Landsat 8 OLI、GF-2等遥感卫星图像，运用土地利用动态度、年变化率指标，综合分析全国和全国五大区域2010—2015年土地利用变化的时空特征；王小伦等［5］运用GlobeLand 30全球土地覆被数据集，分析吉林省西部2000—2020年土地利用变化，并用CA-Markov模型对2030年土地利用进行预测；陈军等［6-7］基于GlobeLand 30数据分析全球建设用地和耕地的变化。

土地利用模拟方面也已形成很多有效的模型，如Logistic模型、Markov模型和CA模型等存在一定局限［8-10］。CA-Markov模型综合CA模型模拟复杂空间动态变化的能力和Markov模型长期预测的优点，不仅提高土地利用变化预测精度，又较好地模拟土地利用格局的空间过程［11-13］。

阿克苏各县市多集中分布于干旱区绿洲，不仅面临生态环境如干旱缺水、土地盐碱化、沙尘天气多、草场退化等问题，随着阿克苏地区人类活动的加剧，同样面临建设用地需求增大而占用优质耕地、低效土地利用等问题。脆弱的生态环境与用地需求增长的矛盾日益突出，各级人民政府作为土地管理部门，为实现区域可持续发展，贯彻五大发展理念，积极寻找对策，如划定三条红线、退耕还林还草还林等，制定科学合理的国土空间规划来促进生态文明建设。笔者以2000、2010和2020年的GlobeLand 30数据为基础，运用土地利用动态度、土地转移矩阵和土地利用变化图谱

分析阿克苏地区2000—2020年土地利用变化，并预测未来2020—2030年土地利用变化的趋势，以期为阿克苏地区土地空间规划提供参考，对该地区土地资源的开发和利用有积极作用。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

阿克苏地区位于新疆维吾尔自治区西南部，包括阿克苏地区的“七县二市”及兵团第一师阿拉尔市，地处天山南麓、塔里木盆地北缘，总面积约13.14万km2，地理坐标为78°01′～84°05′E、39°27′～42°38′N。阿克苏地区为暖温带大陆干旱性气候，气候干燥，蒸发量大，降水稀少，北部为众多山峰；中部为山麓砾质扇形地、冲积平原区、戈壁、绿洲相间；南部是塔克拉玛干沙漠［14］。 2019年末，阿克苏地区常住总人口为309.04万。阿克苏地区城市多集中分布于绿洲及流域，是连接库尔勒、喀什、伊宁的枢纽，地理位置十分重要。研究区如图1所示。

1.2 数据来源及预处理

地表覆盖数据来源于30 m全球地表覆盖数据GlobeLand 30（http：//www.globallandcover.com）。GlobeLand 30数据共包括10个一级类型，分别是耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川。由于阿克苏地区不涉及苔原，故下文没有苔原统计数据。该研究采用2000、2010和2020年的GlobeLand 30产品数据2000LC030、2010LC030和2020LC030；阿克苏地区永久基本农田、沟渠和道路数据来源于各县市自然资源局；DEM数据来源于地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn）。

对3期GlobeLand 30数据镶嵌和裁剪，提取阿克苏地区2000、2010、2020年土地利用数据；提取各县市的永久基本农田、沟渠和道路数据，并转为栅格数据；统一以上数据的空间参考系、范围和空间、精度。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用动态度。

土地利用动态可以揭示地类的综合变化率，客观地表示全部地类之间变化速度情况，反映区域土地利用变化的强烈程度［15-16］。土地利用动态度为正值，说明在研究时间段该地类面积在增加；土地利用动态度为负值，说明在研究时间段该地类面积在减少；土地利用动态度的绝对值越大，说明该土地利用类型的变化速度越快［17］。

（1）单一土地利用动态度可定量描述区域一定时期内某种土地利用类型的变化速度。该值越大，说明该类型变化越快。其公式如下：

D=Sb-SaSa×1T×100%（1）

式中，D为土地利用某类型动态度，Sa为初始年土地利用类型面积，Sb为终止年土地利用类型面积，T为初始年到终止年的时间间隔。

（2）综合土地利用动态度反映了研究区在一定时期内土地利用总体类型的变化，反映了社会经济发展对区域土地利用变化的综合影响。其公式如下：

LC= ni=1ΔLUi-j2 ni=1LUi×1T×100%（2）

式中，LC为综合土地利用动态度，LUi为研究初期第i类土地的面积，ΔLUi-j为某一时间段第i类土地转化为j类土地的面积绝对值，T为时间尺度。

1.3.2 土地利用转移矩阵。

土地利用转移矩阵以矩阵的形式列出前后两期土地利用变化类型的转移面积，可以详细地展现出不同类型之间的相互转换关系［18-19］。其公式如下：

Lij=

L11…L1n

Ln1…Lnn（3）