基于马尔科夫模型的五指山市林地景观预测研究

赖雨欢，程玉娜，邓必平

(1.江西省赣州市林业技术推广站，江西 赣州 341000；2.江西省赣州市白塔水上木材检查站，江西 赣州 341000；3.江西省赣州市林业科学研究所，江西 赣州 341000)



基于马尔科夫模型的五指山市林地景观预测研究

赖雨欢1，程玉娜2，邓必平3

(1.江西省赣州市林业技术推广站，江西 赣州 341000；2.江西省赣州市白塔水上木材检查站，江西 赣州 341000；3.江西省赣州市林业科学研究所，江西 赣州 341000)

为了解五指山市林地景观的结构组成，掌握各类景观动态变化趋势，借助RS、GIS技术，利用马尔科夫模型模拟和预测了五指山市林地景观变化。结果表明：林地景观总面积逐年减少，其中针叶类、硬阔类、竹林类、灌木经济林类、阔叶混交林五种景观表现为逐年减少，软阔类、乔木经济林类、其他灌木类三种景观呈现逐年增加的趋势；五指山市各林地景观类型面积的大小排序为：阔叶混交林>乔木经济林类 >硬阔类>针叶类>软阔类>竹林类>灌木经济林类>其它灌木类。为今后五指山市林地景观的规划及管理决策提供借鉴，为五指山市的环境保护提供参考。

马尔科夫；林地景观；五指山市

1　引言

近年来，随着“3S”技术的发展，利用转移概率矩阵进行预测的马尔科夫模型已经得到广泛的应用[1]。马尔科夫过程是一种“无后效性”的特殊随机运动过程[2～4]，这对研究景观动态演变较为合适。本文通过运用马尔科夫模型，对五指山市林地景观动态模拟及预测,定量的分析林地与非林地之间及各林地景观类型内部之间的演变特点,为五指山市林地景观的保护、利用提供依据,为城市景观规划及长远发展提供借鉴。

2　材料与方法

2.1研究区概况

五指山市位于海南岛中南部五指山腹地，全市土地面积169万多亩，林地面积约占总面积的90%，其中有林地面积147万多亩，森林覆盖率约为86%。主要的林地景观类型为：有林地、灌木林地，其中有林地景观类型包括：阔叶混交林、经济林类、阔叶类、针叶类等种类。

2.2数据来源与处理

本研究采用五指山市1998年、2003年、2007年3个时期的遥感影像作为主要数据源。同时，结合五指山市1∶10000地形图，2009年森林资源二类调查数据，以及1993年、2003年、2008年森林资源一类调查数据，以及五指山市相应时期的统计年鉴等相关资料。本次数据预处理是利用遥感软件ERDAS IMAGINE9.2和地理信息系统软件ArcGIS10.0来完成的。

3　五指山市林地景观动态模拟和预测

3.1构建初始状态矩阵

以1998年、2003年间隔5年的景观类型面积转化量作为一步调，进行模拟和预测，在ArGIS10.0中利用相交原理，对两期数据进行相交处理，得到各景观类型的转化情况。将1997～2003年某景观类型与其它景观类型相互转化的面积占原来该景观类型面积的百分比作为平均转化率，建立9种景观类型的初始转移概率矩阵见表1。

表1　1998～2003年五指山市景观类型初始转移矩阵

3.2动态模拟和预测

将1998年五指山市用地类型面积的初始状态矩阵及1998年至2003年五指山市景观类型初始转移矩阵输入Matlab中，求出2003年各景观类型面积预测矩阵为：P(2003)=[3248.463，8249.917，3022.001，65695.987，254.002，21418.201，152.274，99.133，11073.589]。同理可得， 2003年、2007年间隔4年为一步调的景观类型面积转化量，模拟和预测的转移状态矩阵，继而算出2007年五指山市各类景观面积预测值，对比2007年五指山市各景观类型面积的真实值，得到步调为4年的模拟精度。通过对比两转移矩阵预测精度，发现以步调为5年及4年为时间间隔作为转移矩阵模拟预测时，不同的景观类型面积预测精度大小各不相同，为了使预测值与真实值更为接近，取各景观类型预测值与真实值相对误差较小的年平均变化量的加权值作为预测转移变化量，从新调整转移矩阵。以5年间隔为一个单位作为步调预测[5，6]，从而得出五指山市各景观类型的调整转移矩阵Pij′。

Pij′=[0.99598，0.00000，0.00000，0.00188，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00214;

0.00000，0.99239，0.00017，0.00122，0.00000，0.00096，0.00000，0.00000，0.00526;

0.00000，0.00173，0.91293，0.00196，0.00000，0.00010，0.00000，0.00000，0.08329;

0.00014，0.00030，0.00016，0.99485，0.00001，0.00150，0.00000，0.00000，0.00304;

0.00000，0.00369，0.03373，0.00000，0.92884，0.00000，0.00000，0.00000，0.03373;

0.00000，0.00000，0.00005，0.00181，0.00002，0.98673，0.00000，0.00000，0.01139;

0.00000，0.00000，0.00000，0.00282，0.00000，0.00000，0.98784，0.00000，0.00934;

0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，0.00000，1.00000，0.00000;

0.00032，0.00179，0.00072，0.01063，0.00034，0.02622，0.00005，0.00004，0.95989;]

再利用Matlab编程，得出近30年内的五指山市各景观类型面积，见表2。

表2　五指山市各时期景观面积预测　hm2

4　结果与分析

通过比较1998年与2007年五指山市各林地景观面积知，在此间隔内，阔叶混交林、软阔类、硬阔类、针叶类四种景观面积变化相对较大，其中，阔叶混交林面积增加了2217.62 hm2、软阔类面积增加了690.79 hm2、硬阔类面积增加了682.81 hm2、针叶类面积增加了468.61 hm2(图1)。

图11998～2027年五指山市各景观类型面积变化趋势

由表2可知，近30年内，五指山市林地景观总面积逐渐减少，非林景观面积逐渐增加，这种变化趋势的出现主要是受人类活动的影响，随着人口的急剧增加及经济的快速发展，人们对于土地的开发利用程度不断加剧，在重视经济效益的同时，却忽略了生态效益，从而导致林地面积减小，林地生存受到威胁。在今后的发展中应受到重视，需采取一定的改善措施，以确保五指山市今后生态文明的健康发展；通过观察图1知，在预测年限内：针叶类、硬阔类、竹林类、灌木经济林类、阔叶混交林五种林地景观面积表现为逐年减少的现象，而软阔类、乔木经济林类、其他灌木类三种林地景观类型面积呈现出逐年增加的趋势，但总体而言，各林地景观类型没有发生变化，这表明五指山市林地景观的结构发生了变化，而组成没有改变；1998～2027年近30年间，五指山市各林地景观类型面积(公顷)的大小排序为：阔叶混交林>乔木经济林类 >硬阔类>针叶类>软阔类>竹林类>灌木经济林类>其它灌木类，这表明五指山市主要的林地景观类型的主次位置没有发生变化，因阔叶混交林面积明显高于其他林地类型面积，说明阔叶混交林为该市主要的林地景观类型。

[1]Cabral P.Markov processes in modeling land use and land cover changes in Sintra-Cascais，Portugal[J].Dyna-colombia，2009，76(158)：191～198.

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[3]贺伯胜.马尔科夫预测模型及其实证分析[J].中南财经政法大学学报，2002(2)：132～135.

[4]刘琼，欧名豪，彭晓英，等.基于马尔科夫过程的区域土地利用结构预测研究—以江苏省昆山市为例[J].南京农业大学学报，2005，28(3)：107～112.

[5]肖翔，李扬帆，朱晓东.基于土地利用驱动力的马尔科夫模型及其应用[J].土壤，2011，43 (5)： 822～827.

[6]郭笃发.利用马尔科夫过程预测黄河三角洲新生湿地土地利用/覆被格局的变化[J].土壤，2006，38(6)：42～47.

2016-07-13

赖雨欢(1981—)，男，工程师，主要从事林业技术推广工作。

TU986

A

1674-9944(2016)15-0183-03