GIS支持下土地利用空间演变过程的马尔可夫模拟研究

      中图分类号：P964;G202　文献标识码：A　文章编号：1671-6132(2002)06-0087-06

      0　引言

      随着社会与经济的发展、时代的进步和历史的变迁，城市的结构和功能也发生着日新月异的变化。特别是近50年来全球化、现代化空前发展，以及近二十多年来我国改革开放政策的出台和实施，我国城市化的进程大大加快，城市土地利用及其结构和功能发生了巨大的变化，引起了诸多学者的广泛关注，对其进行了卓有成效的研究[1,2]。一方面，城市向乡村发展渗透，促使乡村逐渐城市化，城市的发展带动了以城市为中心的所有卫星城市的发展；另一方面，城市本身内部在功能和结构上也发生了翻天覆地的变化，各个城区的功能逐渐细化，越来越集中。也就是说，城区土地利用随着时间的变迁而在发生变化。这些变化是很复杂的，而且对城市内部功能和城市规划及发展趋势产生重大影响。这是政府及有关部门在城乡规划时所必需要考虑的一个重要因素。所以，我们需要研究这些变化，通过对城市土地利用类型的转移和变化的分析研究，进而对城市结构和功能进行模拟和预测，为政府和有关决策部门提供建议和科学依据。

      城市土地利用类型的变化和转移是随时间的发展而变化和转移的，也就是连续的。当然我们不可能对城市每个时刻的土地利用状况进行精确分析研究，这样也是没有多大意义的，但可在有限的年份内以年份为单位，随机选择某些年份作为时间点，判断这些时间点及相邻两两之间各种土地利用类型的变化和转移。这样就形成了一个离散的随机转移问题。其中某一个时间点的土地利用问题与它前一个时间点的土地利用类型状况有关而与此之前的土地利用类型状况无关。这恰好满足离散的随机数学模型——马尔可夫模型。本文以上海中心城区土地利用为例，应用GIS技术分析研究土地利用类型的空间变化和转移情况，并利用马尔可夫模型来对土地利用的走势和前景进行预测和模拟。

      1　数据来源与研究方法

      本研究所用的数据是经过解译的近50年来上海市中心城区土地利用电子地图及各种相关图形和文字资料。选择了8个年份（1947年、1958年、1964年、1979年、1984年、1988年、1993年、1996年）的上海市中心城区的土地利用图。这些图均为ArcView shapefile格式的矢量图，将上海市中心城区土地利用类型划分为城市居住用地、城市工业用地、城市其他建设用地、农业用地、村镇建设用地、待建用地、道路用地、河流。所附带的数据库（dbf文件）主要字段有shape、id、area、premeter、landuse等。Shape字段表示的是哪种特征(point、line、polygon)的图形，本数据均为polygon;id字段是识别图斑的唯一依据，它表示的是图斑的编号；area代表图斑的面积（单位：km[2]），这是我们统计的对象；premeter代表图斑的周长（单位：公里）：landuse是图斑的土地利用类型，这是我们统计面积的依据。

      本论文运用的研究方法是GIS软件ArcView3.2[4,5]及地理预测研究中的重要方法之一——马尔可夫模型。马尔可夫预测法，就是一种关于事件发生的概率预测方法。它是根据事件的目前状况来预测其将来各个时刻（或时期）变动状况的一种预测方法[3]。一般地，如果按照过程的发展，时间可以离散化为1,2,…,n（有无限个）。从时刻t的状态i转移到t+1时刻的状态j的概率是P[,ij]。若时刻t时，过程处于状态我们称这样的状态随机转移过程为马尔可夫过程。显然，马尔可夫模型中时刻t+1时过程所处各状态的概率只与时刻t时所处状态的概率和转移概率有关，而与t-1及以前时刻的状态无关。这就是马氏性（马尔可夫性）或称无后效性。通俗讲，就是“将来只与现在有关，而与过去无关”。它在地理、经济、生态、遗传、社会等领域具有广泛的应用。

      2　上海市中心城区土地利用总量的空间演变分析

      在应用马尔可夫模型模拟分析上海市中心城区土地利用之前，我们先从总体上把握1947～1996年近50年土地利用的发展趋势。下面是用ArcView3.2统计出8年不同土地利用类型的面积总量，见表1。依据表1数据绘出的上海市中心城区土地利用总体变化如图1所示。

      表1　上海市1947～1996年土地利用类型面积总量统计表

      

      

      图1　1947～1996年上海市中心城区土地利用总体变化图

      从图1中可以清楚地看出1947～1996年上海市中心城区土地利用的动态变化状况：农业用地随着年份的递增从1947年的85.89km[2]锐减到1996年的12.17km[2]，另外村镇建设用地面积也逐渐减小。这是因为解放后，我国大力推进城市建设，城市化进程加快，改革开放后尤甚，到1990年基本完成了该过程，逐渐趋于稳定；相反，城市居住用地、城市工业用地、城市其他建设用地等城市化用地明显增加，在改革开放后特别是1988年到1993年间更加明显，出现这种情况与1992年邓小平南巡讲话及1990年上海浦东开发等动因有关。道路用地和河流由于自然因素和一些众所周知的原因，变化很小，基本保持不变。这是上海市中心城区近50年来的土地利用变化基本态势。但我们并不知道产生这些变化的具体原因，难以建立定量的数学模型来模拟预测土地利用的具体演变状况。比如我们不知道在1947年的农业土地利用类型(4)中有多大比率转化成城市居住用地(1)，多大比率转化成城市工业用地(2)，多大比率转化成城市其他建设用地(3)。但这些变迁对认识城市结构变化是非常重要的，要想更充分地认识城市整体结构、发展走势及进行趋势预测模拟，必须知道这些具体的转化情况。这可利用马尔可夫模型进行预测和模拟研究。