基于马尔可夫模型的苏州市区土地利用变化预测江西农业2008,20(11):134—136ActaAgriculturaeJiangxi基于马尔可夫模型的苏州市区土地利用变化预测肖翔,黄海涛,吴海均,濮励杰,朱明,涂小松(南京大学地理与海洋科学学院,江苏南京210093)摘要:利用苏州市区1991年TM遥感影像和2001年ETM遥感影像,进行监督分类,分析了1991年到2001年苏州市区土地利用变化特征,计算出1991年到2001年的转移矩阵,并利用马尔可夫模型进行了2011年的土地利用变化预测.结果表明,1991—2001年,苏州市区城镇建设用地扩张较快,农村建设用地大幅增加,且有集中趋势,退耕还湖工程效果显着.预测到2011年,水域在太湖保护政策下面积将比2001年有少量增加,城镇建设用地面积将继续扩张,但耕地面积由于耕地保护政策的落实将只减少3.8%,同时由于城市化进程,农村居民点面积将减少2.7%.关键词:土地利用;遥感影像;马尔可夫模型;太湖保护;耕地保护中图分类号:F301.24文献标识码:A文章编号:1001—8581(2008)ll一0134—03土地利用状况不仅与经济发展状况息息相关,而且也与生态环境状况紧密联系,近年来对于土地利用的模拟预i见4成了全球热点问题.自上世纪9O年代后期,我国开始土地利用动态监测研究,现今已有许多研究成果,马尔可夫模型也被多次运用于土地利用的预测...苏州作为我国经济发展较快的城市,同时面临着太湖的生态环境保护问题以及耕地保护与建设用地需求的矛盾,对于苏州地区的土地利用状况进行监测与预测具有重要的理论和实践意义.1研究区概况苏州位于长江三角洲中部,在北纬3O.47～32.2,东经119.55至121.20之间,东邻上海,南连浙江省嘉兴,湖州两市,西傍太湖,与无锡相接,北枕长江.近年来依靠其优越的地理位置优势,苏州经济发展迅速,产业结构也发生了重大变化,2004年苏州市经济的非农化率已达99%,经济高速增长推动苏州市城市化的加速发展, 整个苏州地区户籍人口城市化率已由1999年的35.8% 提高到2005年的63.5%,年均增长约4.6%.因此,苏州是长三角地区城镇化速度最快,土地利用变化最剧烈的地区之一.本研究不包括苏州市所辖的5个县级市,但是包括了所辖太湖面积,其中陆域面积1650km(不计辖区内太湖面积),水域面积为3609km,市区建成区面积为86.5km.将太湖面积归入本研究范围是为了研究退耕还湖等政策效果,及土地利用变化与太湖环境保护的相关性.2研究方法2.1土地利用分类系统根据国家土地资源遥感宏观调查采用的土地利用分类系统,结合苏州区实际情况,把土地的用途,经营特点,利用方式和覆盖特征等因素作为土地利用的分类依据,将研究区土地分为6大类,分别是水域,林地,耕地,城镇建设用地,农村居民点用地和未利用地.其中水域包括湖泊,河流,水库以及太湖沿岸的围湖养虾水面;林地包括公园绿地,林地等;耕地包括水田, 旱地,菜地,果园等农业用地;城镇建设用地包括城市范围内的建设用地;农村居民点用地包括农村的建筑用地; 未利用地是指植被覆盖程度低,也没有建筑物的土地. 2.2空间数据处理研究使用的遥感影像数据源为苏州地区1991年LandsatTM影像和2001年LandsatETM影像,辅助数据包括研究区1:100000地形图及统计数据等.图像预处理过程在ErdasIlnagine9.1软件中完成,采用4,3,2波段对应红,绿,蓝作假彩色合成,直方图均衡增强,几何精校正采用多项式法,RMS误差小于一个像元.采用最近邻法进行重采样,所采像元大小为28.5mx28.5m.判读采取结合GoosleEarth使用人工目视解译结合计算机自动识别的方法,随着现今信息的发展,GoogleEarth在苏州地区的识别精度可以达到10m之内,判读时GoogleEarth的图像时间为2003年的苏州遥感影像,我们选择在过去10年中基本没有变化的典型地区的地面参照物为监督分类的训练区,然后结合ErdasI.magine得到遥感图像的分类结果,在AreViewGIS中生成Shapefile数据,在ArcGIS中转换为Coverage格式,建立拓扑关系,进行投影变换.将两期土地覆盖进行iden.tity叠置分析,得到土地利用变化数据,从中提取相关数据建立转移矩阵.研究中采用GPS,对综合解译结果采样后到实地进行野外验证.经对苏州市火车站,市中心,工业园区及太湖沿岸抽样检查总体正确率为90%以上.2.3预测方法土地利用变化预测采用马尔可夫转移矩阵预测法,马尔可夫过程是指系统由一种状态转移至收稿日期:2008—08—21基金项目:国家基础科学与人才培养基金项目(J0630535);南京大学科研创新训练计划项目.作者简介:肖翔(1987一),男,青海西宁人,南京大学本科生.通讯作者:濮励杰.11期肖翔等:基于马尔可夫模型的苏州市区土地利用变化预测135另一种状态的过程.该过程的特点为无后效性和稳定性.无后效性是指在事件的发展过程中,系统的第n次结果状态只与第n一1次有关,与以前所处的状态无关;稳定性是指在较长时间后,马尔可夫过程逐渐趋于稳定状态,而与初始状态无关….因此,根据马尔可夫转移矩阵的特性,可以在土地利用变化中运用.首先,土地现在的利用方式只与它上一次的利用方式有关,由上一次变化转移过来;其次,土地利用方式确定后在一定时期内是相对稳定的.选择马尔可夫预测模型探讨苏州市区土地利用的动态变化是因为在一定条件下,土地利用动态变化具有马尔可夫过程的性质;土地利用类型之间的相互转化过程包含着较多尚难以采用函数关系准确描述的事件.运用马尔可夫过程,首先应确定土地利用类型之间相互转化的初始转移概率矩阵P,并建立研究区土地利用变化转移概率矩阵.初始转移概率矩阵P的数学表达式为:P=P=P儿Pl2P2.P22PlP式中,n为土地利用类型数目,P为i类土地利用类型转化为J类土地利用类型的概率,P满足2个条件:0 ≤≤l;EP=1(i,j=Z,2,3,…,厅).根据马尔可夫模型和条件概率可以得出,系统在k+1时刻的状态向量P(k+1)可以由其在时刻k的状态向量e(k)和转移概率来确定:P(k+1)=P(k)p[2].3结果与分析3.1土地利用类型情况及转移变化的分析根据遥感影像分类结果,得到1991年及2001年苏州市区土地利用状况,进一步获得1991~2001年各类土地利用类型转移部分面积.图1苏州市1991年与2001年土地利用变化对比表1苏州市1991年与2001年各类用地面积转移矩阵hm2 根据土地利用遥感调查图(图1)及面积转移矩阵(表1),研究区土地总面积约为340716.46hm2,其中,2001年耕地65787.95hm,占市区陆域(除太湖)总面积的39.87%;各类建设用地面积(城镇建设用地与农村居民点用地之和)合计42074.47hm,占市区陆域(除太湖)总面积的25.50%;城镇用地主要分布于城市中心区域和郊区各乡镇及街道,农村居民点分布比较零散,但总体上在主干交通沿线和城镇近郊区分布较为密集.1991年和2001年遥感数据的叠加分析表明,苏州市区土地利用变化的主要特征是城乡建设用地扩张及其对耕地资源的占用及水域面积由于退耕还湖政策的实施而增多.1991~2001年是苏州市区经济跨越式发展的时间,与此同时土地利用变化也较为剧烈,发生类型转换的土地斑块面积累计约达59226.75hm,年均转换面积为5922.675hm2.其中主导转换类型包括:耕地转化为水域的面积占累计转换面积的23.8%,耕地转化为农村建设用地的占累计转换的19.6%,农村居民点用地转化为耕地的占13.6%,农村居民点用地转化为水域的占3.2%,耕地转化为城镇建设用地的占2.8%.从图1看,城镇建设用地扩张不大,而周边农村居民点用地增加很多,这是因为从遥感影像光谱上并不能真正区分城镇用地与农村用地,所以根据由南京地理所解译的1989年苏州地区遥感影像中对城镇用地与农村用地处理方式,及相关论文",我们利用苏州市的行政区划来划分城镇建设用地与农村居民点用地.城镇的扩张一般都是通过在城乡结合部对耕地和农村居民点用地的征用实现的,因此我们认为从实际角度出发也是可行的.同时经过实地调查,城市周边的农村居民点仍然属于集体土地,并不能算作城市扩张部分.在研究期间,城镇建设用地面积扩张1066.40hfn2,年均约106.640hm2, 扩展空间主要分布于苏州区城乡接合部和沿主要交通干线的城镇周边地区,苏州市以每年1.2%的速率扩张,也nn.n一136江西农业20卷是符合实际情况的.通过以上的数据分析可以看出,耕地与农村居民点用地转化为水域占了很大比重,这主要是由于退耕还林还湖及太湖治理使得许多耕地和小厂房,住宅等转变为水域.另外,城镇建设用地虽然转变所占比例不太大,但是面积很大,与1991年比扩张率达到13.2%,而且在2001年行政区划调整时,将吴江等县市并入苏州市,改变了原有市区的空间扩展潜力格局,因此无论是从理论还是实践的角度都不难推测,在巨大的人口增长,经济扩张,资金,人力,技术等要素聚集的诸多动力驱动下,苏州市区城镇用地扩张将仍会继续.在以上图表中可以看出农村居民点用地变化显着,面积增加2013.16hm,同时原来分布于远离城镇的地区的建设用地也转变为其他类型土地,而且在城乡结合部和交通沿线集中分布,这是经济发展与城市化进程的共同结果.同时,对于太湖的保护政策也收到了很好的效果,水域面积增加9472.38lun,其中大部分是退耕还湖的耕地和农村居民点用地转化来的.3.2土地利用变化预测分析以苏州市区2001年的土地利用类型数量作为初始向量,以1991-2003年土地利用的概率矩阵作为初始概率转移矩阵,以10年为步长,预测出2011年各土地利用类型的面积.表22001年与2011年各类用地面积对比从表2可以看出,根据预测,到2011年研究区耕地面积将持续减少,城镇建设用地面积增加,农村居民点用地面积由于城市化进程的加快而有所减少,但是林地与水域会有所增加,这使得苏州区生态用地增加,有助于生态环境的改善.但是我们认为1991年到2001年水域面积的增长主要是由于退耕还湖等政策的实施产生的效果,而在2001 年到2010年中主要实行的是耕地保护政策,所以不应该将大量耕地面积转化为水域面积,同时由于太湖治理,也不会将太湖水域转变为耕地.因此耕地转移为水域的驱动政策失效,而转为阻止耕地转移的政策,所以我们假定在这10年中没有耕地转化为水域,同时也没有水域转化为耕地,因此我们只需将耕地通过马尔可夫模型计算所转化为水域的面积仍算作耕地,水域转化为耕地的面积仍算作水域就完成了修正.具体作法是,首先根据转移矩阵,耕地转化为水域的面积在所有耕地面积中所占比例为0.16,水域转化为耕地面积所占水域面积比例为0.02,因此2011年中耕地转化为水域的面积为2001年耕地面积的0.16,水域转化为耕地的面积就为2001年水域面积的0.02,所以2011年耕地面积中应该加上耕地转化为水域的面积(即2001年耕地面积的0.16),减去水域转化为耕地的面积(即2001年水域面积的0.02),得到2011年耕地面积为63290.24hm,水域面积为减去耕地转化为水域的面积(即2001年耕地面积的0.16),加上水域转化为耕地的面积(~132oo1年水域面积的0.02),得到20l1年水域面积为211178.88hm.表3修正后20n年苏州市各类用地面积用地类型面积(hm2)水域林地耕地城镇建设用地农村居民点用地Y'-N用地2ll178.8823893.7663290.249761.8832O18.66562.49通过修正后的数据(表3)可以看出,耕地虽然减少,但是递减速率为249.77hm/年,年减少率(年减少量与2001年耕地面积的比)为0.38%,根据1996年末到2000 年末江苏省地类统计面积中苏州市区(除去五县及太湖面积)耕地面积统计数据得到年减少率为0.4o%,所以我们认为作这样修正是科学的,它既考虑了太湖保护政策对水域面积的影响,也考虑了耕地保护政策对耕地面积的影响.4结语通过对1991年到2001年苏州市区土地利用类型的变化的分析,说明苏州市区城镇建设用地扩张较快,农村居民点用地向城市及交通沿线集中面积也在增加,同时通过退耕还湖等对于太湖的保护政策,太湖水域面积增加很大,从土地利用的角度看,对于太湖的保护工作也是有很大进展的.从马尔可夫模型预测结果可以看出,在2011年城镇建设用地将继续保持扩张态势,同时由于城市化进程,农村居民点用地将相应减少,但是随着耕地保护的加强,耕地面积减少速率将下降,而对于太湖治理方法的改变也使得太湖水域面积近期不会有太大变化.同时根据太湖保护政策和耕地保护政策对通过马尔可夫模型预测出的各类用地面积结果进行了修正,使结果更加符合实际.参考文献:[1]徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京:高等教育出版社,1996.44-48.[2]胡召玲.基于马尔可夫模型对徐州市土地利用动态变化的研究[J].安徽农业科学,2007,35(8):2344～2345.(下转第139页)11期张敏:浅谈城市土地储备融资风险分析及对策139国工业用地出让最低价标准》供应土地,避免低价供地; (3)严格按照《国务院关于促进节约集约用地的通知》,全面落实科学发展观节约,集约供地.3.3银行机构尽量做到按具体项目,选择优质地块发放贷款贷款期限与项目运作周期相一致.在用具体地块抵押贷款时,必须充分了解具体地块的有关情况,由于大部分收购地块从收购到供出要经过一段时间,其中不确定因素较多.因此,要通过了解城市规划等有关信息,尽可能确定抵押地块的未来价值,尽可能选择升值潜力大或预期收益高的地块作抵押.经办行要加强对拟支持项目(收购地块)的调查评估,宜选择已纳入城市规划,有意向的商业性开发用地作为支持对象.通过对地块所处位置,面积大小,商业价值等因素的分析,认真测算土地合理收购价,整理储备成本等,从而确定合理的贷款额度.贷款期限力求与所选地块收购,整理,储备,出让运作周期一致.这样做,既支持了土地储备中心的正常经营活动,又保证了银行信贷资金的安全运转.3.4土地储备资金收支管理严格执行《土地储备资金财务管理暂行办法》[财综(2007)l7号]的规定土地储备机构向银行等金融机构申请的贷款应为担保贷款,其中抵押贷款必须具有合法的土地使用证;申请贷款的土地储备机构必须满足商业银行及其他金融机构的贷款要求.土地储备机构举借的贷款规模,应当与年度土地储备计划,土地储备资金项目预算相衔接,并报经同级财政部门批准,不得超计划,超规模贷款.土地储备机构申请贷款时,应持财政部门的贷款规模批准文件及同级人民政府批准的项目实施方案等书面材料向当地商业银行及其他金融机构申请担保贷款.商业银行及其他金融机构应严格按照商业原则在批准的规模内发放土地储备贷款.土地储备贷款应实行专款专用,封闭管理,不得挪用.政府储备土地设定抵押权,其价值按照市场评估价值扣除应当上缴政府的土地出让收益确定,抵押程序参照划拨土地使用权抵押程序执行.3.5建立风险共担,利益共享的社会化资金循环机制认清土地储备运作周期长,资金需求大,受宏观经济环境影响显着的特点,改变单由银行筹措资金的做法,多渠道筹措资金.通过设立土地基金,委托金融部门发行土地储备债券或股票,推行土地权益书等做法吸收社会资金参与土地储备.4小结土地收购储备是经营城市的必然选择.土地储备制度是城市土地制度改革的一个创新,在发展过程中也的确存在一些融资方面的风险,而土地储备又需要资金的支持.运营,储备与金融之间,通过建立良性的土地收储经营机制,并逐步建立与完善城市土地储备融资体系,城市土地储备融资风险完全可以避免.参考文献:[1]张毅.申海建.我国城市土地储备投资风险分析及对策浅探[J].国土资源科技管理,20O6,23(2):32—36.[2]王凌松,宋义春,佟月强.土地收购储备制度存在的问题及对策[J].当代经济研究,20O2,(7):33-35.[3]于水.当前我国城市土地储备的缺陷及其改进措施[J].学术论坛,20O2,(5):62～65.[4]颜国强,姜广辉,杨洋.对我国城市土地储备制度的经济学思考[J].国土资源导刊,2005,2(6):20—22.(上接第136页)[3]张友水.基于TM影像的绍兴地区土地利用变化监测[J].资源科学,2006,(6):120～126.[4]吴琼.土地利甩/景观生态学研究中的马尔可夫链统计性质分析[J].应用生态,2006,17(3):434—43.[5]刘纪远,布和敖斯尔.中国土地利用变化现在过程的时空特征的研究一基于卫星遥感数据[J].第四纪研究,2OOO,20(3): 229—239.[6]王秀兰,包玉海.土地利用动态变化研究方法探讨[J].地理科学进展,1999,18(1):81—87.[7]摆万奇,赵士洞,摆万奇,等.土地利用变化驱动力系统分析[J].资源科学,2001,23(3):39-41.[8]顾朝林.北京土地利用/覆盖变化机制研究[J].自然资源学报,1999,14(4):307—312.[9]BellFj,Hinojo~RC.Markovanalysisoflandusechange:Con- tinuoustimeandstationaryp~ocesses[J].Socio—EconPlanSci, 1977,ll(1):13—1.[10]BourneLS.Physicala由ustmentprocessesandlanduseSUC. cession:Areviewandcenla'alcityexample[J].EconC,eogr,1972,47(1):1—15.[11]陈美球.TM图像在城镇用地扩张监测中的应用一以江西省南昌市为例[J].地域研究与开发,2001,(1):54—57.[12]孟飞.ETM影像中城镇覆盖与背景信息的提取[J].华东师范大学(自然科学版),2005,(4):59～65.[13]王光彦.基于遥感图像的城镇用地信息提取方法研究[J]. 水土保持通报,20O7,(3):121～123.。
