耿愛玉, 王 寧,3, 于 格**, 江文勝, 王 尚

(1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 3. 山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司, 山東 濟(jì)南 250013)

土地是人類活動(dòng)的承載體,土地利用是人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式,同時(shí)也是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)行為與自然生態(tài)過程交互和鏈接的紐帶[1]。目前的土地利用特點(diǎn)之一是具有動(dòng)態(tài)變化性,但是相對于其他自然要素及其利用活動(dòng)而言,土地利用的動(dòng)態(tài)變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)聯(lián)性相對較強(qiáng),也就是說,土地利用的變化除了遵循綜合自然地理規(guī)律之外[2],還受到區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及政府政策的影響,而這又將在一定程度上對政府宏觀決策產(chǎn)生一定的反饋?zhàn)饔?。因此對土地利用進(jìn)行合理預(yù)測,對多規(guī)合一背景下的區(qū)域土地資源的合理配置以及未來區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而言,具有一定的理論和實(shí)踐意義。

為了有效模擬土地利用的變化過程,可以以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),在對過去土地利用變化(LUCC)進(jìn)行描述、解譯和分析的同時(shí),了解其變化趨勢,并對未來LUCC進(jìn)行預(yù)測[3]。目前,研究LUCC的主要模型分為數(shù)量模型(如灰色預(yù)測模型、馬爾科夫模型和回歸分析模型等)、空間模型(如元胞自動(dòng)機(jī)模型、CLUE-S模型和GEOMOD模型等)和耦合模型三類(如Logistic-CA模型、CA-Markov模型和Logistic-CA-Markov模型等)[4-6]。相比較而言,耦合模型因結(jié)合了數(shù)量模型和空間模型的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[7]。其中,CA-Markov模型可以綜合馬爾科夫模型對長時(shí)間序列的預(yù)測和元胞自動(dòng)機(jī)基于空間關(guān)系和規(guī)則動(dòng)力學(xué)模擬的優(yōu)點(diǎn),不僅具有馬爾科夫模型量化預(yù)測的能力,可以精確地模擬LUCC未來變化情況,同時(shí)還具有元胞自動(dòng)機(jī)模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的能力,空間變化的表達(dá)效果良好[8-11]。CA-Markov模型能提高模擬預(yù)測的精度,有效減少人為因素的干擾,被認(rèn)為是一種更強(qiáng)大、更有效的建模技術(shù)[12-14]。

膠州灣國家級海洋公園位于山東省青島市膠州灣中北部,地處山東半島南岸的西部,瀕臨南黃海西部,是青島市重點(diǎn)保護(hù)的生態(tài)核心區(qū),同時(shí)又是重要的海洋和河口濕地分布區(qū)。對于保護(hù)海灣而言,控制陸源是一種非常重要的思路和模式,可以有效遏制膠州灣水質(zhì)惡化[15]。盡管青島市對于點(diǎn)源污染物控制已經(jīng)取得較好的成果,但土地利用方式及其承載的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)仍會(huì)對環(huán)境造成不同強(qiáng)度的非點(diǎn)源污染,而這將對城市陸源排放產(chǎn)生重要的影響[16-18]。對于膠州灣國家級海洋公園而言,其周邊地區(qū)涉及青島市市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)、城陽區(qū)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、膠州市、黃島區(qū)7個(gè)區(qū)(市),不同行政區(qū)和開發(fā)區(qū)具有差異化的城市建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃[19-24]。盡管不同區(qū)(市)的發(fā)展規(guī)劃具有一定差異性,其均為青島市城市化發(fā)展的重要區(qū)域,因此在未來一段時(shí)間內(nèi),膠州灣國家級海洋公園周邊地區(qū)的土地利用方式也發(fā)生一定程度的變化,對膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)進(jìn)行土地利用預(yù)測研究,在某種程度上具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

綜上所述,本研究以青島膠州灣國家級海洋公園周邊地區(qū)為研究區(qū),利用CA-Markov模型,對該地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行解譯和分析,分析過去十年土地利用變化趨勢,預(yù)測未來三十年土地利用變化的狀態(tài),以期為膠州灣國家級海洋公園周邊地區(qū)的發(fā)展及海洋保護(hù)提供一定的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

膠州灣國家級海洋公園位于120°00′E—120°24′E、35°02′N—36°24′N之間,地處山東半島南岸的西部,處于溫帶季風(fēng)性氣候區(qū),年均氣溫12.2 ℃,年均降雨量為680.5 mm。膠州灣海洋公園內(nèi)的濕地是山東半島南部最大的海灣河口濕地,被列為國家重要濕地。其中,河口海灣濕地面積1 439.77 hm2,占濕地總面積的5.2%,其主要分布在大沽河口、洋河口、墨水河口、白沙河口等區(qū)域,海洋濕地面積1 171.7 hm2,占濕地總面積的4.2%,主要分布在膠州灣北部區(qū)域。

1.2 CA-Markov模型

1.2.1 馬爾科夫模型 馬爾科夫(Markov)模型是一種預(yù)測事件發(fā)生概率的模型,其特性(即預(yù)測過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移只與當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān),并不取決于過去的狀態(tài))使其非常適用于土地利用變化的預(yù)測。應(yīng)用狀態(tài)不斷演變的過程進(jìn)行建模,依據(jù)其性質(zhì)和條件概率,得到Markov模型的計(jì)算公式如下:

Sn=S(n-1)×Pij。

(1)

式中:S(n)、S(n-1)分別為n和n-1 時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài);Pij為狀態(tài)概率矩陣。

1.2.2 元胞自動(dòng)機(jī)模型 元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散的時(shí)空動(dòng)力學(xué)模型。在元胞空間中,每一個(gè)元胞在各自有限的狀態(tài)內(nèi),按照局部特征的狀態(tài)改變規(guī)則進(jìn)行時(shí)空的同步更新,這些規(guī)則相互作用生成動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)。CA 模型可用下式表示:

S(t+1)=f(S(t),N)。

(2)

式中:S表示元胞有限、離散的狀態(tài)集合;t、t+1表示不同時(shí)刻;N表示元胞的鄰域;f表示局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

1.2.3 CA-Markov模型 CA-Markov模型是將CA和Markov兩個(gè)模型結(jié)合起來,考慮CA模型模擬空間變化并且利用馬爾科夫模型提供的LUCC轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行長時(shí)間預(yù)測。在土地利用的柵格圖像中,一個(gè)柵格視作一個(gè)元胞,元胞的土地利用類型為元胞的狀態(tài)。模型在GIS和IDRISI軟件的支持下,通過初始概率和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率計(jì)算未來時(shí)刻的LUCC情況。模擬預(yù)測過程如下:

首先,通過ArcGIS軟件提取分析、投影變換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等過程以處理和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。其次,通過IDRISI軟件構(gòu)建馬爾科夫矩陣,以間隔年份期間各土地利用類型的轉(zhuǎn)換面積為基礎(chǔ),獲取土地類型轉(zhuǎn)移概率矩陣和一系列條件概率圖像。第三,綜合考慮各土地利用類型在演變過程中的適宜性情況以及元胞鄰域之間的效應(yīng),建立適宜性圖集,同時(shí)將其作為CA規(guī)則的一部分,參與CA-Markov模型的模擬預(yù)測運(yùn)算。最后,構(gòu)造CA濾波器,使創(chuàng)建具有顯著空間影響的權(quán)重因子作用于元胞,以確定元胞的不同狀態(tài)。本研究采用5×5的濾波器,并且確定CA循環(huán)次數(shù)取5 a,以預(yù)測未來土地利用狀態(tài)。

但是此處需要說明的是,由于CA-Markov模型是一種概率統(tǒng)計(jì)模型,遵循著某種時(shí)間和空間的離散規(guī)則,從根本上來講這是一種基于數(shù)據(jù)本身規(guī)律的預(yù)測方法。對于土地利用預(yù)測而言,從模型角度來看,土地利用結(jié)構(gòu)變化經(jīng)常受到一些其他因素的影響,而這些變化往往是動(dòng)態(tài)的,但CA-Markov模型使用的是靜態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則,因此模擬出來的結(jié)果往往需要進(jìn)行一定程度的修正[25-28]。與此同時(shí),過去的土地利用及其模擬預(yù)測重點(diǎn)在于協(xié)調(diào)各類用地類型之間的約束與權(quán)衡,而未來全面推進(jìn)國土空間規(guī)劃的多規(guī)合一之后,土地利用規(guī)劃將在原有基礎(chǔ)上,綜合考慮區(qū)域發(fā)展的各項(xiàng)因素,包括生態(tài)保護(hù)因素,所以從這個(gè)角度上來講,對土地利用預(yù)測結(jié)果進(jìn)行必要的修正也是非常重要的一步。

1.3 模擬預(yù)測精度檢驗(yàn)

Kappa系數(shù)廣泛用于評估遙感數(shù)據(jù)分類的宏觀精度和兩幅地圖的相似性,可以反映模擬預(yù)測結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)的相似程度,定量分析模擬預(yù)測的精度。本研究分別進(jìn)行中期預(yù)測和長期預(yù)測期內(nèi)土地利用預(yù)測結(jié)果和校正結(jié)果的Kappa系數(shù)計(jì)算,以此評估結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性[29]。Kappa系數(shù)的計(jì)算公式表示為:

(3)

式中:Po是正確模擬的比例;Pc是隨機(jī)情況下的預(yù)期正確比例;Pp是正確模擬的理想比例(通常為 100%)。通常,當(dāng)Kappa≥0.75時(shí),說明模擬預(yù)測結(jié)果和實(shí)際結(jié)果高度吻合,模擬預(yù)測的精度非常高;當(dāng)0.4≤Kappa<0.75時(shí),說明模擬預(yù)測結(jié)果和實(shí)際結(jié)果吻合度一般,模擬預(yù)測的精度一般;當(dāng)Kappa<0.4時(shí),說明模擬預(yù)測結(jié)果和實(shí)際結(jié)果相差較大,模擬預(yù)測的精度不夠理想[30]。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的研究數(shù)據(jù)選用中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供的分辨率為30 m的Landsat 7 TM遙感影像,數(shù)據(jù)時(shí)期分別為:2010、2015和2020年。在90幅影像中選用日期相近、云量較低、質(zhì)量較好的影像,得到初篩后的影像如表1所示,再經(jīng)過對比分析最終選取2010年6月15日、2015年6月22日和2020年6月3日三幅影像。2015年的數(shù)據(jù)應(yīng)用16 m分辨率高分一號(hào)(CF-1)多光譜影像,以進(jìn)行數(shù)據(jù)比對和驗(yàn)證。

表1 擬選取的遙感影像列表Table 1 List of available images

2.2 研究區(qū)分區(qū)

由于土地利用受區(qū)域自然資源分布、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政府政策決策等因素共同影響,為了得到更加準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果,本研究將研究區(qū)從膠州灣國家海洋公園進(jìn)行適當(dāng)延伸,并以運(yùn)籌學(xué)中的可行域理論為準(zhǔn)則,根據(jù)自然因素分布、現(xiàn)有城市規(guī)劃和海洋公園保護(hù)政策等實(shí)際需求設(shè)定一系列的約束條件,并由此得到滿足某約束條件的特定分區(qū)。主要分區(qū)原則如下:

(1)以行政區(qū)劃為主要邊界:將研究區(qū)所屬范圍按照青島市行政區(qū)劃初步劃分,并得到研究區(qū)隸屬于市南區(qū)部分,簡稱市南片區(qū)(A-1)(下同)、市北片區(qū)(A-2)、李滄片區(qū)(A-3)、城陽片區(qū)(A-4)、膠州片區(qū)(A-5)、黃島片區(qū)(A-6)6個(gè)區(qū)域;

(2)以研究區(qū)內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀和城市道路分布作為約束條件1:根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際發(fā)展特點(diǎn),在城陽片區(qū)的轄區(qū)內(nèi)單獨(dú)劃分出高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)(即高新區(qū)),命名為高新區(qū)東區(qū)片區(qū)(B-1)和高新區(qū)西區(qū)片區(qū)(B-2);

(3)以海洋公園內(nèi)部保護(hù)區(qū)劃分作為約束條件2:由于青島膠州灣國家級海洋公園橫跨城陽區(qū)和膠州市兩區(qū)市,根據(jù)其保護(hù)目的主要分為三個(gè)區(qū)域,分別是生態(tài)與資源恢復(fù)區(qū)、適度利用區(qū)和重點(diǎn)保護(hù)區(qū)。故本研究將海洋公園單獨(dú)劃分成為C區(qū)域,同時(shí)由于其各分區(qū)的保護(hù)及發(fā)展政策不同,將C區(qū)域繼續(xù)細(xì)化成三個(gè)分區(qū),即:生態(tài)與資源恢復(fù)區(qū)(C-1)、適度利用區(qū)(C-2)、重點(diǎn)保護(hù)區(qū)(C-3),具體分區(qū)如圖1所示。

圖1 膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)分區(qū)結(jié)果圖

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過ENVI4.7軟件進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正等步驟對其預(yù)處理,再進(jìn)行遙感影像的監(jiān)督分類解譯過程,利用ArcGIS10.7軟件進(jìn)行矢量裁剪和重分類處理后,得到2010,2015和2020年三期土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)土地利用類型按照《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T 21010—2007)》并結(jié)合實(shí)際情況劃分為6類:耕地、林地、草地、濕地、水體和建設(shè)用地。

在得到2010、2015、2020年基于非監(jiān)督分類為主的土地利用初級分類結(jié)果后,為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,本研究以百度地圖(高清版)、高德地圖、Google Earth等軟件提供的土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行比對驗(yàn)證,通過逐街道比對后發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)大部分土地利用的初級分類結(jié)果和各高清地圖的用地類型基本一致,可見初級分類結(jié)果較為準(zhǔn)確,但是在大沽河口等小面積區(qū)域出現(xiàn)了一定的偏差。具體區(qū)域主要分布在:120°08′40.57″E—120°08′38.72″E,36°11′30.65″N—36°12′9.42″N(C-2和C-3區(qū)域),這部分區(qū)域應(yīng)該以潮間帶為主,但是由于潮汐等因素的影響,各高清地圖之間也存在細(xì)微差別,因此只通過結(jié)合高清地圖和相關(guān)規(guī)劃的人工目視解譯方法不能夠?qū)υ搮^(qū)的土地利用進(jìn)行準(zhǔn)確分類,這也將在一定程度上影響對該區(qū)域未來時(shí)段土地利用預(yù)測的準(zhǔn)確性。因此,對該區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查必不可少。

2.4 實(shí)地調(diào)查

為了確保該區(qū)域未來時(shí)段土地利用預(yù)測的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的更精準(zhǔn)化,本研究適當(dāng)擴(kuò)大了實(shí)地調(diào)查區(qū)域的范圍,對大沽河口附近區(qū)域、洋河附近區(qū)域和高新區(qū)部分轄區(qū)(即A-5、A-6、B-2、C-1、C-2、C-3共6個(gè)區(qū)域)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,按照代表性和均勻性的原則制定實(shí)地調(diào)研點(diǎn)位規(guī)劃。

為了更加深入調(diào)查相關(guān)位置的土地利用情況和準(zhǔn)確了解相關(guān)土地利用類型的邊界范圍,在實(shí)地調(diào)查中增加部分調(diào)查點(diǎn)位,最終形成調(diào)研點(diǎn)位分布圖,如圖2所示。

圖2 膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)調(diào)研點(diǎn)位分布圖

通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),在研究區(qū)內(nèi)的大沽河?xùn)|側(cè)大片區(qū)域?yàn)樗a(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),并不是水體用地類型。此外海洋公園生態(tài)與資源恢復(fù)區(qū)和適度利用區(qū)的部分區(qū)域?yàn)闉┩繚竦睾退a(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)。根據(jù)實(shí)地調(diào)查得知,高新區(qū)部分區(qū)域用地類型發(fā)生更改,因此本研究對前期得到的研究區(qū)土地利用初級分類圖像進(jìn)行校正,形成研究區(qū)的土地利用最終分類圖像。

在最終分類圖像中大沽河入海口東側(cè)(即C-3)的部分區(qū)域(36°12′26.50″N,120°07′58.55″E)土地利用類型由耕地修改為濕地(包含海水養(yǎng)殖用地),高新區(qū)西區(qū)片區(qū)(即B-2)部分(36°13′10.38″N,120°10′34.59″E)土地利用類型由濕地修改為建設(shè)用地,海洋公園生態(tài)與資源恢復(fù)區(qū)(即C-1)和適度利用區(qū)(即C-2)的部分區(qū)域(36°13′6.52″N,120°17′9.63″E和36°12′0.20″N,120°15′6.04″E)由耕地修改為濕地,膠州市東側(cè)大沽河西側(cè)(即A-5)的部分區(qū)域(36°12′40.59″N,120°05′55.42″E)由草地和濕地修改為建設(shè)用地。

3 土地利用構(gòu)成與分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到2010—2020年膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)的土地利用面積變化表(表2)和土地利用情況圖(圖3)。

圖3 2010—2020年膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)土地利用情況

表2 2010—2020年膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)土地利用變化Table 2 Land use change in the coastal area of Jiaozhou Bay National Ocean Park from 2010 to 2020

由表2可知,過去十年間,建設(shè)用地面積增加了6 766.92 hm2,在6種用地類型中增加幅度最大,從15 505.62 hm2增加至22 272.54 hm2;耕地和濕地的面積也有一定程度上的增加,分別增加了1 702.52和299.87 hm2,其中,耕地從507.45 hm2增加至2 209.97 hm2,濕地從3 832.71 hm2增加至4 132.58 hm2;與之相對應(yīng)的是,水體的用地面積在十年間從9 177.91 hm2大幅減少至3 472.85 hm2,共計(jì)減少了5 705.06 hm2,成為6種用地類型中面積減少最大的用地類型;草地的面積也有較大的減少,在過去十年間從10 277.22 hm2減少至8 070.90 hm2,以2 206.32 hm2的減少面積成為6種用地類型中減少面積位居第二的用地類型;林地的面積也大幅減少,從995.20 hm2減少至137.27 hm2,減少了857.93 hm2。另外,結(jié)合2015年研究區(qū)土地利用變化面積的數(shù)據(jù)也可以觀察出,耕地的用地面積呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢,通過比重?cái)?shù)據(jù)可以看出,2010—2015年耕地面積占比從1.26%大幅增加至9.72%,而到了2020年比重僅占5.48%,面積又有所減小;與之變化趨勢相同的是濕地,其在前五年的面積占比從9.51%增加至15.25%,而在后五年又從15.25%減少至10.26%;草地和水體的面積呈現(xiàn)相同的變化趨勢,與耕地和濕地相反,其在十年間呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢;而林地雖然略有先減少后增加的變化趨勢,但是在研究區(qū)過去十年間變化幅度并不明顯,總體來看占地面積所占比重保持相對平穩(wěn)的態(tài)勢;在6種用地類型中,只有建設(shè)用地的面積呈現(xiàn)不斷增加的趨勢,但是通過表格可以明顯看出其在后五年間的增加面積比在前五年間的增加面積減少很多,即建設(shè)用地在前五年面積高速增加,而在后五年面積只是略有增加。盡管各種用地類型變化趨勢不同,總體來看,在2010—2020年的十年間,研究區(qū)土地利用類型依然以建設(shè)用地為主,到2020年建設(shè)用地的面積以55.27%的比重占據(jù)了研究區(qū)總面積的一半以上,其次為草地、濕地、水體和耕地,面積占比分別為20.03%、10.26%、8.62%和5.48%;林地在十年間成為了研究區(qū)占地面積最小的用地類型,到2020年其面積僅占比0.34%。

結(jié)合圖1和圖3可知,市南片區(qū)(A-1)內(nèi)絕大部分面積的土地利用方式為建設(shè)用地,十年間區(qū)域內(nèi)濕地面積減少,主要為建設(shè)用地侵占;水體面積也有所減少,其轉(zhuǎn)變?yōu)闈竦?而草地面積也略有增加。市北片區(qū)(A-2)主要用地類型為建設(shè)用地,十年間耕地和濕地面積減少,主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?。李滄片區(qū)(A-3)仍以建設(shè)用地為主,但是其面積比重較A-1和A-2區(qū)域的建設(shè)用地面積比重小,十年間區(qū)域內(nèi)耕地面積明顯增加,主要是由草地和濕地轉(zhuǎn)化形成;與此同時(shí)水體面積減少,轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾蜐竦?。城陽片區(qū)(A-4)主要用地類型為建設(shè)用地,十年間區(qū)域內(nèi)耕地面積增加,是由水體和草地轉(zhuǎn)變而來;部分濕地和水體轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,其建設(shè)用地面積也因此有所增加。膠州片區(qū)(A-5)在2010年以草地和水體為主,十年間水體大面積轉(zhuǎn)化為濕地,因此在2020年區(qū)域以草地和濕地為主,除此之外,建設(shè)用地的面積顯著增加,主要有濕地、草地和水體轉(zhuǎn)化而來。黃島片區(qū)(A-6)的用地類型主要為草地和建設(shè)用地,十年間區(qū)域內(nèi)濕地面積小幅增加,主要由水體轉(zhuǎn)變而來;建設(shè)用地面積增加較明顯,由草地轉(zhuǎn)化而來;縮減的水體除了部分轉(zhuǎn)變?yōu)闈竦赝?其余大面積轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地;區(qū)域內(nèi)的林地在十年間大面積轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍８咝聟^(qū)東區(qū)片區(qū)(B-1)內(nèi),大面積的草地、濕地和水體轉(zhuǎn)變?yōu)榱私ㄔO(shè)用地;與此同時(shí)少部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁亍８咝聟^(qū)西區(qū)片區(qū)(B-2)內(nèi),大面積的水體轉(zhuǎn)變?yōu)榱藵竦?大面積的草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱私ㄔO(shè)用地。生態(tài)與資源恢復(fù)區(qū)(C-1)內(nèi)水體轉(zhuǎn)變?yōu)榱私ㄔO(shè)用地和濕地;草地面積大幅減少,轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁亍⒔ㄔO(shè)用地和濕地。適度利用區(qū)(C-2)主要由水體和濕地組成,十年間少量水體轉(zhuǎn)變?yōu)闈竦?但仍以水體為主要用地類型。重點(diǎn)保護(hù)區(qū)(C-3)在十年間濕地面積顯著增加,主要由水體和草地轉(zhuǎn)變而來。從研究區(qū)的整體來看,十年間,研究區(qū)內(nèi)的草地面積大幅減少,主要轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地,因此建設(shè)用地面積大幅增加,部分濕地和水體也轉(zhuǎn)化為了建設(shè)用地,另外部分水體轉(zhuǎn)化為了濕地。

土地利用變化主要受自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素(人為因素)所影響,其中自然因素對土地利用類型的影響需要長時(shí)間跨度,且變化較為穩(wěn)定。所以在短期內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素影響是地區(qū)土地利用變化的主導(dǎo)因素,即土地利用類型變化受到人類活動(dòng)的影響較大。經(jīng)過參考《2020青島統(tǒng)計(jì)年鑒》、《2020年青島市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》和《青島西海岸新區(qū)(黃島區(qū))國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃》等公開資料可知,近十年青島市政府修建膠州灣跨海大橋,自2011年通車以來促進(jìn)其他用地類型向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。同時(shí),近年來政府重視第二產(chǎn)業(yè)(此處主要涉及黃島片區(qū))建設(shè)和第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,引入多個(gè)服務(wù)示范區(qū)和工業(yè)產(chǎn)業(yè)園,因此征用部分草地等建設(shè)服務(wù)示范區(qū)和工業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū),這也就是上述區(qū)域濕地和水體稍有減少而轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的原因。

4 土地利用預(yù)測與分析

4.1 轉(zhuǎn)移概率矩陣的獲取

本研究依據(jù)2015和2020年土地利用類型結(jié)果,利用ArcGIS10.2軟件和IDRISI軟件進(jìn)行疊加分析、分區(qū)處理和校正計(jì)算得到轉(zhuǎn)移概率矩陣,具體如表3所示。

表3 2015—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣Table 3 Probability matrix of land use type transfer from 2015 to 2020

4.2 中期預(yù)測

為了達(dá)到預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)性,本研究在進(jìn)行預(yù)測時(shí),采取分區(qū)預(yù)測的原則,即對每一個(gè)分區(qū)A-1、A-2、A-3、……、C-2、C-3,共計(jì)11個(gè)次級研究區(qū),運(yùn)用CA-Markov模型進(jìn)行中期預(yù)測,最后再以經(jīng)緯度為基礎(chǔ),利用ArcGIS軟件進(jìn)行預(yù)測結(jié)果的合并,最終得到2025、2030和2035年膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)土地利用變化中期預(yù)測結(jié)果(見圖4)和研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型中期預(yù)測的變化趨勢(見圖5)。

圖4 2020—2035年土地利用變化中期預(yù)測結(jié)果

圖5 2020—2035年土地利用類型中期預(yù)測變化趨勢

4.2.1 預(yù)測結(jié)果 由圖5可見,未來15年內(nèi),建設(shè)用地的面積比例變化幅度最大,其在中期預(yù)測期內(nèi)將減少15.06%;草地、濕地和水體將有一定比例的上升,分別上升5.94%、2.52%、4.62%;耕地和林地在預(yù)測期內(nèi)將會(huì)小幅度上升1.03%和0.95%。

結(jié)合圖1和圖4可以得知,市南片區(qū)(A-1)在中期預(yù)測期內(nèi)濕地面積銳減,轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地;市北片區(qū)(A-2)草地、林地和耕地面積有所增加;李滄片區(qū)(A-3)和城陽片區(qū)(A-4)內(nèi)草地和濕地面積增加,而建設(shè)用地面積減少;膠州片區(qū)(A-5)和黃島片區(qū)(A-6)內(nèi)草地面積增加,由建設(shè)用地轉(zhuǎn)化而來;高新區(qū)片區(qū)(B-1)和(B-2)內(nèi)草地和濕地面積增加,而建設(shè)用地面積減少,同時(shí)部分濕地轉(zhuǎn)化為水體;生態(tài)與資源恢復(fù)區(qū)(C-1)內(nèi)建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為草地和濕地;適度利用區(qū)(C-2)和重點(diǎn)保護(hù)區(qū)(C-3)內(nèi)少部分濕地轉(zhuǎn)化為水體。

4.2.2 預(yù)測修正 根據(jù)青島市的整體部署和安排[31-33],青島市將在2020年以后的中長期規(guī)劃中全面落實(shí)包括土地利用規(guī)劃在內(nèi)的國土空間規(guī)劃的多規(guī)合一工作,因此本研究結(jié)合《青島市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》、《青島膠州灣國家級海洋公園總體規(guī)劃(2021—2030年)》、《青島市國土空間總體規(guī)劃(2021—2035年)》等規(guī)劃的不同要求,利用ArcGIS軟件疊置多規(guī)合一背景下區(qū)域的規(guī)劃合一圖,在與預(yù)測結(jié)果對比分析后,對模型模擬的青島市土地利用中期預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了部分修正,修正后的結(jié)果見圖4。

4.2.3 結(jié)果分析 在以上土地利用類型中,耕地可以在一定程度反映第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展,建設(shè)用地可以在一定程度上反映第二、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加,大部分地區(qū)容易呈現(xiàn)出因城市擴(kuò)張而導(dǎo)致的建設(shè)用地面積增大,其余用地類型面積減小的情況。然而根據(jù)預(yù)測結(jié)果來看,本研究區(qū)內(nèi)的預(yù)測情況與城市發(fā)展的普遍規(guī)律相反。結(jié)合《青島“十四五”規(guī)劃》、《青島市新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2021—2035年)》、《青島市膠州灣保護(hù)條例》等規(guī)劃可以知道,青島政府相繼出臺(tái)了多項(xiàng)規(guī)劃以加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)保護(hù)和濕地保護(hù),進(jìn)行膠州灣海水整治,提高沿岸地區(qū)綠化水平和減弱區(qū)域受風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害后導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失,因此在未來15年內(nèi)建設(shè)用地在一定程度上面積減小而其余用地類型面積保持穩(wěn)定或略有增大的趨勢是在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中政府宏觀決策引導(dǎo)下的必然結(jié)果。其次,林地、草地、濕地和水體的面積都有一定程度的上升。這種變化歸因于近年來青島市持續(xù)大力推行堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先和擁灣保護(hù)等相關(guān)政策,自出臺(tái)《國家海洋公園總體規(guī)劃》、《城市群發(fā)展規(guī)劃》和《青島市總體規(guī)劃》等規(guī)劃后,研究區(qū)內(nèi)尤其是國家海洋公園(C區(qū)域)內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目將陸續(xù)搬遷,同時(shí)積極提高生物多樣性,保護(hù)海洋和河口濕地和加強(qiáng)海岸線保護(hù)。另外,草地成為面積增加幅度最大的土地利用類型的同時(shí),也可能是因?yàn)楫?dāng)?shù)赝烁€草政策的持續(xù)推行。

為了驗(yàn)證這一步驟的準(zhǔn)確性,本研究又重新以整個(gè)研究區(qū)為整體,利用IDRISI軟件進(jìn)行模擬預(yù)測精度檢驗(yàn),得到Kappa系數(shù)為0.86,準(zhǔn)確性較高。

4.3 長期預(yù)測

本研究結(jié)合分區(qū)預(yù)測的原則進(jìn)行長期預(yù)測,在對預(yù)測結(jié)果合并后得到2050年膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)土地利用變化長期預(yù)測結(jié)果(見圖6)?；玖鞒桃卜譃轭A(yù)測結(jié)果及分析、預(yù)測修正和原因分析三部分。

圖6 2050年土地利用變化長期預(yù)測結(jié)果

由圖6可見,到2050年,建設(shè)用地的面積比例變化幅度最大,其在長期預(yù)測期內(nèi)將減少13.89%;林地、草地、濕地和水體將有一定程度的上升,分別上升1.71%、2.44%、3.02%和5.79%;耕地在預(yù)測期內(nèi)將會(huì)小幅度上升0.92%。

結(jié)合圖1和圖6可以得知,市南片區(qū)(A-1)在長期預(yù)測期內(nèi)濕地面積全部轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,但是由于濕地面積很小,整體來看用地類型沒有顯著的改變;市北片區(qū)(A-2)內(nèi)少部分建設(shè)用地轉(zhuǎn)變成草地、林地和耕地;李滄片區(qū)(A-3)和城陽片區(qū)(A-4)內(nèi)水體和濕地面積增加,草地和建設(shè)用地面積有小幅度的減少;膠州片區(qū)(A-5)和黃島片區(qū)(A-6)內(nèi)建設(shè)用地減少而水體面積增加;高新區(qū)片區(qū)(B-1)和(B-2)內(nèi)林地和草地面積增加,而建設(shè)用地面積減少,同時(shí)部分濕地轉(zhuǎn)化為水體;生態(tài)與資源恢復(fù)區(qū)(C-1)、適度利用區(qū)(C-2)和重點(diǎn)保護(hù)區(qū)(C-3)內(nèi)少部分濕地轉(zhuǎn)化為水體。

在預(yù)測的基礎(chǔ)上,本研究以多規(guī)合一為指引,以模型的長期預(yù)測結(jié)果為基礎(chǔ),根據(jù)《青島市2050遠(yuǎn)景發(fā)展戰(zhàn)略》、《青島市國土空間總體規(guī)劃》的遠(yuǎn)景展望2050年部分和《青島城市規(guī)劃》的遠(yuǎn)景,展望2050年部分的規(guī)劃圖,利用ArcGIS軟件對比分析,對預(yù)測結(jié)果圖進(jìn)行了修正,圖6為修正后的結(jié)果。

為了驗(yàn)證這一步驟的準(zhǔn)確性,本研究又重新以整個(gè)研究區(qū)為整體,利用IDRISI軟件進(jìn)行模擬預(yù)測精度檢驗(yàn),得到Kappa系數(shù)為0.75,準(zhǔn)確性較高。

5 結(jié)論

通過本研究對膠州灣國家海洋公園沿岸地區(qū)的預(yù)測和分析,可以得到以下結(jié)論:

(1)從預(yù)測期內(nèi)土地利用變化及其空間分布特點(diǎn)來看,2010—2020年間建設(shè)用地轉(zhuǎn)移面積最大,十年間面積增加了6 766.92 hm2,主要由草地和水體轉(zhuǎn)變而來;2020—2035年間建設(shè)用地轉(zhuǎn)移面積最大,十五年間面積占比下降15.06%,主要轉(zhuǎn)變成草地和水體;2050年仍是建設(shè)用地轉(zhuǎn)移面積最大,十五年間面積占比下降13.89%,主要轉(zhuǎn)變成濕地和水體。其中,土地利用結(jié)構(gòu)變化較大的區(qū)域主要分布在膠州片區(qū)和高新區(qū)片區(qū),對于這兩個(gè)區(qū)域而言,主要變化的用地類型是建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為草地。

(2)從模型的精確性來看,本研究在運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)-馬爾科夫的耦合模型(CA-Markov模型)模擬膠州灣國家級海洋公園周邊地區(qū)土地利用時(shí)發(fā)現(xiàn),中期預(yù)測(2020—2035年)結(jié)果與政府規(guī)劃比較接近,而長期預(yù)測(2050年)結(jié)果則在部分區(qū)域具有一定的差異,導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)可能是因?yàn)楸狙芯窟x取的初始數(shù)據(jù)及時(shí)間段等原因,與此同時(shí)也顯示,馬爾科夫鏈對一定時(shí)間序列的預(yù)測具有相對準(zhǔn)確性,但是當(dāng)預(yù)測時(shí)間尺度達(dá)到一定時(shí)長后,特別是要進(jìn)行長期預(yù)測時(shí),模型的預(yù)測精度將有所下降,所以需要根據(jù)其他因素對模擬結(jié)果進(jìn)行一定程度的修正。

(3)從土地利用方式來看,由于膠州灣國家級海洋公園的主要保護(hù)對象是海洋和河口濕地,對青島市的景觀生態(tài)安全、生態(tài)服務(wù)和資源合理利用具有重要價(jià)值,因此對其周邊地區(qū)土地利用方式進(jìn)行模擬也具有一定的實(shí)踐意義。通過本研究發(fā)現(xiàn),膠州灣國家級海洋公園周邊地區(qū)建設(shè)用地大幅減少,與此同時(shí)水體(濕地)、林地和草地等用地類型出現(xiàn)不同程度的上升,這將在某種程度上為國家級海洋公園的生態(tài)保護(hù)和海洋生態(tài)文明建設(shè)起到積極推動(dòng)作用。

從根本上來看,由于土地利用是人類活動(dòng)與自然環(huán)境綜合作用的形式和結(jié)果,在對土地利用進(jìn)行模擬時(shí)需要綜合考慮多種因素,特別是現(xiàn)階段處于多規(guī)合一的重要轉(zhuǎn)型期,在進(jìn)行土地利用預(yù)測時(shí),除了需要遵循數(shù)據(jù)自身的時(shí)間和空間規(guī)律外,也需要考慮研究區(qū)的區(qū)位特點(diǎn),這樣才真正使土地利用預(yù)測成為進(jìn)行國土空間規(guī)劃的合理工具和技術(shù)基礎(chǔ)。