【正文】 ............................................................. 8 土地利用 /覆被數(shù)量結(jié)構(gòu)特征 ..................................................................................... 8 土地利用變化轉(zhuǎn)換分析 .............................................................................................. 9 19902020 年長沙市 各地類轉(zhuǎn)換速率分析 ......................................................... 9 19902020 年長沙市土地利用 /覆被轉(zhuǎn)換分析 .................................................. 10 19902020 年長沙市建設(shè)用地擴張分析 .................................................................. 12 基于 CAMARKOV 的土地利用變化趨勢預(yù)測 ..................................................... 13 第四章 結(jié)論與展望 ..................................................................................................... 17 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 17 展 望 .......................................................................................................................... 17 參 考 文 獻 ................................................................................................................... 18 致 謝 .......................................................................................................................... 20 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 緒論 研究背景及意義 研究背景 土地作為一種人類最基本的生活生產(chǎn)資料，是我們社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是一切社會經(jīng)濟活動的載體，它具有自然和人文的兩層屬性 [1]。隨著人類社會發(fā)展和人類需求的增加，人們對地球環(huán)境的影響也在不斷的加深。由于全球環(huán)境問題的涌現(xiàn)，使得土地利用 /覆被變化已經(jīng)成為全球變化研究的前沿和熱點之一，因為土地利用及其變化承載著自然與人文過程，是探討人地關(guān)系地域系統(tǒng)的重要切入點 [2]。全球研究實踐表明，土地利用 /覆被變化（ Land Use/Cover Change， LUCC）與人類社會經(jīng)濟活動緊密相連，同時也影響著全球的環(huán)境變化。我國目前正處于城鎮(zhèn)化高速發(fā)展階段，有大規(guī)模的土地利用 /土地覆蓋變化正在發(fā)生，城鎮(zhèn)化的發(fā)展勢必會隨著人類的需求不斷加強，而土地 資源相對有限。因此，在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，如何平衡好快速增長的人類需求與有限的土地資源之間的關(guān)系是人類面臨的重要課題之一 [3]。通過對土地利用 /覆被變化的研究，高分辨率遙感衛(wèi)星影像結(jié)合 GIS 技術(shù)，通過建立土地利用時空數(shù)據(jù)庫，進行土地利用變化分析研究，掌握土地利用的時空演變過程，已為土地利用研究的有力工具和方法 [4]。 CAMarkov(Cellular AutomatonMarkov)模型綜合了 CA 模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的優(yōu)勢和 Markov 模型長期預(yù)測的優(yōu)勢，通過 CAMarkov 模型對土地利用研究，已被廣泛探討和應(yīng)用，且在分析和模擬土地利用變化方面都取得了良好的效果 [5]。長沙市作為長株潭“兩型社會”的核心城市， 近年來，由于受到長沙市 人口迅速增長，土地等資源相對不足，環(huán)境承載能力較弱等問題的影響，長沙市人 地矛盾日漸突出，制約了 “兩型社會 ”的發(fā)展。 因此，通過已有土地利用數(shù)據(jù)，深入探索研究出長沙市近年來的土地利用變化的規(guī)律，分析導(dǎo)致其變化的內(nèi)在機制。并在此基礎(chǔ)上，合理預(yù)測未來長沙市的土地利用變化 /覆蓋狀況，將為如何規(guī)劃好、利用好、節(jié)約好有限的土地資源，實現(xiàn)土地利用的可持續(xù)提供理論依據(jù)。 土地利用 /土地覆蓋的含義 土地利用 /土地覆被作為地球表層系統(tǒng)最突出的景觀標(biāo)志，二者既 有 密切聯(lián)系又 有 本質(zhì)區(qū)別 [6]: 土地利用反映 的是 人類利用土地的功能和特性，來滿足自身需求的活動方式和過程 ，屬于土地 社會經(jīng)濟屬性的一種 現(xiàn)象 ；而土地覆蓋 則體現(xiàn)的是 土地的自然屬性 [7]。目前 ，學(xué)術(shù)界 對于 LUCC 較為廣泛的定義 ：土地利用指人類為了滿足各種需要而對土地采取的調(diào)控措施，包括調(diào)控土地自然屬性的方式和潛在的利用目的，如用于林業(yè)、公園、畜牧業(yè)、郊區(qū)居住和耕作；土地覆被則指土地的生物物理形態(tài)，如森林、草地、濕地、湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 作物用地、城市用 地等 [8]。 土地利用 /土地覆被變化國內(nèi)外研究進展 土地利用 /土地覆被變化研究 19 世紀(jì)前期，杜能對德國南部地區(qū)的土地利用模式進行了研究，標(biāo)志著國外最早對于 LUCC 研究的開始 [9]。 20 世紀(jì) 70 年代后，關(guān)于全球變化的研究逐步在世界范圍內(nèi)開展， LUCC 因其受到自然環(huán)境、人文地理、社會活動等諸多方面的影響而在全球變化中占據(jù)重要地位，引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注。 20 世紀(jì) 90 年代以來， 隨著全球變化研究的深入和發(fā)展，各國科學(xué)家越來越感到人類活動對環(huán)境變化的影響，尤其是人類出于生存與發(fā)展對土地的開發(fā)利用以及引起的土地覆蓋變化被認(rèn)為是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因。自 1993 年國際科學(xué)聯(lián)合會與國際 社會科學(xué)聯(lián)合會聯(lián)合成立了土地利用與土地覆被變化核心項目計劃委員會 以后， 諸多與全球變化相關(guān)的國際組織和研究機構(gòu)將 LUCC 作為研究的重點之一，并取得一定的成就，如 聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署 （ UNEP） 亞太地區(qū)環(huán)境評價計劃于 1994 年啟動了“土地覆被評價和模擬 （ LCAM） ”項目 ，分析了東南亞地區(qū)的土地覆被現(xiàn)狀與 變化情況。 近二十年，隨著國際上相關(guān) LUCC 研究的大量開展，我國學(xué)者也緊跟國際研究動態(tài)，開展了對土地利用變化檢測、驅(qū)動力與環(huán)境變遷研究，主要研究領(lǐng)域包括：利用遙感影像對土地利用與土地覆被的監(jiān)測分析、土地利用與土地覆被變化研究數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建、土地利用與土地覆被變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)及全球變化的影響、土地利用與土地覆被變化驅(qū)動力研究以及土地利用與土地覆被變化建模等方面 [10]。取得了以下進展： LUCC 的驅(qū)動力研究與驅(qū)動力機制研究向綜合方向發(fā)展； LUCC 模型向多因子多時相動態(tài)模型轉(zhuǎn)變；建立了土地可持續(xù)利用質(zhì)量評價與監(jiān)控 體系；開展了多尺度的 LUCC 動態(tài)監(jiān)測與實證研究。其中一些成果已可以與發(fā)達國家權(quán)威性研究機構(gòu)和大學(xué)的水平相媲美，如中科院地理所與北京大學(xué)等通過模型和氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)推求凈第一性生產(chǎn)率，進行糧食與生態(tài)安全的評價；“中國土地利用變化現(xiàn)代化過程時空特征的研究”，“基于 GIS 的中國土地利用變化及其影響模型”；“近 10 年來長江下游土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)”等，中國的 LUCC 研究，在劉紀(jì)遠(yuǎn)、史培軍、李秀彬等一批優(yōu)秀的中國科學(xué)家的帶領(lǐng)下，也在世界土地利用變化學(xué)的科學(xué)研究與學(xué)科確立中占據(jù)了一席之地 [7]。 土地利用 /土地覆被變化預(yù)測研究 國外研究土地利用變化的趨勢一般運用模型來進行模擬，如 Landey[1]以過程為主導(dǎo)模擬了馬達加斯加農(nóng)業(yè)景觀的利用變化狀況； Ruihong Huang and Christina Kennedy[1]對隱性馬爾科夫模型進行了改進，并以美國 威斯康辛州密 威斯康星州為例對其城市空間變化進行了預(yù)測等。我國學(xué)者進行了大量的土地利用模擬，如魏永坤等 [11]以 2020 年、 2020湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 年和 2020 年 3 期土地利用數(shù)據(jù)，采用馬爾科夫模型對上海市 20202020 年的土地利用情景進行了模擬；李亞麗等 [12]基于 CA 的鄭州市土地利用演化研究 對鄭州市 20202020的土地利用變化進行了模擬。其中，馬爾科夫模型具有數(shù)量表達的優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種成熟的土地利用預(yù)測方法 [13]。 研究方法與技術(shù)路線 研究方法 CA 模型簡介： 元胞自動機 (Cellular Automata)，簡稱 CA，是“現(xiàn)代計算機之父”馮諾伊曼在設(shè)計可自我復(fù)制的自動機時，參照了生物 細(xì)胞的自繁殖原理，提出了 元胞自動機的概念和模型 [14]。分布在規(guī)則格網(wǎng) (Lattice Grid)中的每一個元胞 (Cell)取有限的離散狀態(tài)，遵循同樣的轉(zhuǎn)換規(guī)則，依據(jù)確定的局部規(guī)則作同步更新。元胞自動機不同于一般的動力學(xué)模型，它不是由嚴(yán)格定義的物理方程或函數(shù)定義的，而是由一系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成。它的特點是時間、空間和狀態(tài)都離散，每個變量取有限的狀態(tài)，并且狀態(tài)改變的規(guī)則在時間和空間上都是局部的 [15]。 元胞自動機算法的基本思想就是將整個系統(tǒng)分解為多個元胞，然后再根據(jù)系統(tǒng)中各個相鄰單元之間存在的相互關(guān)系，每個單元的狀態(tài)都是整個系統(tǒng)在一些簡單的規(guī)則作用下不斷進化的結(jié)果。這些規(guī)則比較簡單，可以通過研究簡單系統(tǒng)得到，這樣，復(fù)雜的系統(tǒng)就 可以使用這些規(guī)則來預(yù)測系統(tǒng)將來的發(fā)展情況 [5]。 Markov 模型簡介： 馬爾可夫預(yù)測方法是由俄國數(shù)學(xué)家馬爾科夫 ()創(chuàng)造并以自己名字命名的一種預(yù)測方法，它應(yīng)用概率論中的馬爾可夫鏈理論和方法研究分析隨機事件變化規(guī)律，并借此預(yù)測未來變化趨勢，馬爾可夫鏈模型是利用變量的現(xiàn)在狀態(tài)去預(yù)測該變量未來的狀態(tài)及其動向的一種分析手段 [16]。 它的研究對象是具有無后效性的離散型隨機運動過程，即第 n+1 步狀態(tài) X(n+1)的條件概率與 X(0)、 X(1)?? X(n)等第 n 步以前的狀態(tài)無關(guān)， 僅與第 n 步狀態(tài)有關(guān) 。 運用馬爾科夫模型進行土地利用預(yù)測的關(guān)鍵在于確定它在 t 時刻的轉(zhuǎn)移概率 Pij， 其表達式為： ?????????????????????nnnnnnPPPPPPPPPP...........................212222111211 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 其中，條件概率 Pij必 須滿足兩個條件： ? ?? nijPP 1ij 1；0 若一步轉(zhuǎn)移概率矩陣為 P，則 k步 轉(zhuǎn)移概率 矩陣 P(k)為： PPPPPP kk ?????? ? ?)1()( 利用此概率建立土地利用 的 馬爾科夫 模型預(yù)測模型為： ? ? ? ? )1()0(1 ?? ?? kkk PSPSS 式中： S(k+1)表示 預(yù)測地類在 t=k+1 時的狀態(tài)向量，即預(yù)測結(jié)果；