【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 S(0)為 初始狀態(tài)量，即預(yù)測(cè)初期各土地利用類(lèi)型的面積； S(k)表示 預(yù)測(cè)地類(lèi)在 t=k 時(shí)刻的狀態(tài)向量； Pij為 研究時(shí)段內(nèi)土地利用類(lèi)型 i 轉(zhuǎn)換為土地利用類(lèi)型 j 的轉(zhuǎn)移概率。 Kappa 系數(shù)簡(jiǎn)介： Kappa 系數(shù)是在綜合了用戶(hù)精度和制圖精度兩個(gè)參數(shù)上提出的一個(gè)最終指標(biāo)，他的含義就是用來(lái)評(píng)價(jià)分類(lèi)圖像的精度問(wèn)題，在遙感里主要應(yīng)該使用在精確性評(píng)價(jià)和圖像的一致性判斷。如果兩幅圖像差異很大，則其 Kappa 系數(shù)小。 Kappa 系數(shù)僅適用于行數(shù)和列數(shù)相等的方表。由 Cohen 在 1960 年提出。 簡(jiǎn)單 Kappa 系數(shù)的計(jì)算式： ? ? ? ?cc PPPK ??? 1/0 式中， 0P 為觀測(cè)一致率， cP 為期望一致率。 當(dāng)兩個(gè)診斷完全一致時(shí)， Kappa 值為 1。當(dāng)觀測(cè)一致率時(shí)， Kappa 值為正數(shù)，且 Kappa值越大，說(shuō)明一致性越好。當(dāng)觀測(cè)一致率小于期望一致率時(shí)， Kappa 值為負(fù)數(shù)，這種情況一般來(lái)說(shuō)比較少見(jiàn)。根據(jù)邊緣概率的計(jì)算， Kappa 值的范圍應(yīng)在 1~1 之間 。1Kappa= 時(shí)，表示兩者幾乎完全一致， Kappa 時(shí)，表示高度的一致性。 在土地利用格局中，每一個(gè)柵格 單元 就相當(dāng)于一個(gè)元胞，每個(gè)元胞的土地利用類(lèi)型即為 元胞的狀態(tài)，利用轉(zhuǎn)移矩陣和條件概率圖像進(jìn)行運(yùn)算，可確定元胞的 轉(zhuǎn)移 狀態(tài) ，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用格局 空間變化 的模擬 [17]。將元胞自動(dòng)機(jī)模型與馬爾科夫模型相結(jié)合形成的 CAMarkov 模型，不僅可以提高土地類(lèi)型轉(zhuǎn)化的預(yù)測(cè)精度，也能在空間位置上有直觀的表達(dá) [18]。 IDRISI 軟件中提供的 CAMarkov 模塊為研究土地利用時(shí)空變化提供了便利，具體的操作為：（ 1）數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化。在 ArcMap 中將土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，得到 IDRISI 可識(shí)別的文件格式；（ 2）進(jìn)行 Markov 預(yù)測(cè)。使用 IDRISI 軟件提供的Markov 模塊，得到兩個(gè)年度區(qū)間的轉(zhuǎn)移面積矩陣與狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣；（ 3）制作轉(zhuǎn)換適宜性圖集。由于數(shù)據(jù)不全且查閱有些資料表明自己制作的適宜性圖集往往因?yàn)橹饔^性強(qiáng)使模擬精度很低，故此步驟本文采用的是進(jìn)行 Markov 預(yù)測(cè)時(shí)產(chǎn)生的 .rgf 格式的 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖集 作為適宜性圖集；（ 4）進(jìn)行 CAMarkov 模擬預(yù)測(cè)。以標(biāo)準(zhǔn) 5? 5 的 CA 鄰近濾波器為鄰域定義，確定起始時(shí)刻和循環(huán)次數(shù)，進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 技術(shù)路線(xiàn) 圖 技術(shù)路線(xiàn)圖 Fig. Technology road map 確認(rèn)研究主題 以長(zhǎng)沙市為研究區(qū)域 資料、數(shù)據(jù)收集與整理 遙感數(shù)據(jù) 非遙感數(shù)據(jù) 遙感影像分析與處理、分類(lèi)、分類(lèi)后處理 長(zhǎng)沙市 19902020 年近 20 年 TM 遙感影像 經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 地形圖 行政邊界圖 土地利用數(shù)據(jù)庫(kù) 土地利用動(dòng)態(tài)變化分析 土地利用趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析 結(jié)論 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第二章 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源簡(jiǎn)介 研究區(qū)概況 圖 長(zhǎng)沙市地理位置 Fig. Geographical position of Changsha 長(zhǎng)沙市位于湖南省東部偏北，湘江下游，南接株洲市和湘潭市。地理位置為東經(jīng)111176。 5339。114176。 539。，北緯 27176。 5139。28176。 4039。 長(zhǎng)沙市轄天心區(qū)、芙蓉區(qū)、岳麓區(qū)、雨花區(qū)、開(kāi)福區(qū)及瀏陽(yáng)市、長(zhǎng)沙縣、寧鄉(xiāng)縣、望城縣，總共 5 區(qū) 3 縣 1 市，面積約為 ? 104km2。在氣候上，長(zhǎng)沙市屬于典型 的亞熱帶季風(fēng)氣候，全年無(wú)霜期、降水充沛、雨熱同季、四季分明。土壤屬南方紅壤地帶，植被屬亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域。地形以山地丘陵為主，土地利用類(lèi)型多樣。長(zhǎng)沙市是湖南省的省會(huì)城市，是湖南省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化交流、交通、金融、科技信息的中心，是我國(guó)中西部地區(qū)最具競(jìng)爭(zhēng)力的城市之一， 2020 年 11月 16 日，長(zhǎng)株潭城市群被 批準(zhǔn)為“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)，長(zhǎng)沙市為核心城市。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理過(guò)程 數(shù)據(jù)來(lái)源 （ 1）本研究所使用的長(zhǎng)沙市土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)的 TM 遙感影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。時(shí)期為 1989/1990、 1994/199 1999/2020 年，分別簡(jiǎn)記為1990 年、 1995 年、 2020 年的三期數(shù)據(jù)，來(lái)自中國(guó)資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)是以 TM/ETM+遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(lèi)和人工目視解譯形成的 1:10 萬(wàn)的土地利用矢量數(shù)據(jù)，這三期數(shù)據(jù)的解譯定性精度誤差被分別控制在 %、 %和 %水平上 [1,19]； 2020 和 2020 年的遙感數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)的原始格式為 DAT、頭文件為 Fast，并已經(jīng)過(guò)輻射校正和相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)處理的 TM 遙感影像標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 [19]。數(shù)據(jù)的分辨率均為30m。 （ 2）長(zhǎng)沙市 行政區(qū)劃矢量圖、土地利用現(xiàn)狀圖及 30m 分辨率的 DEM 數(shù)據(jù)等。 （ 3）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)年鑒包括《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒（ 19912020 年）》，長(zhǎng)沙市的相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒；還有部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)自湖南省統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)（ 數(shù)據(jù)處理過(guò)程 數(shù)據(jù)的前期處理包括遙感影像幾何校正、遙感影像拼接和裁剪、遙感影像計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類(lèi)和精度驗(yàn)證、矢量數(shù)據(jù)的處理等工作。本研究使用前期處理工作已經(jīng)完成的影像空間分辨率為 30m 的長(zhǎng)沙市 1990、 199 20 20 2020 年五期 Landsat TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)的后期處理工作包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、重分類(lèi)、生成轉(zhuǎn)移矩陣和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖集、模擬預(yù)測(cè)等工作。在 ArcGIS 中將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為 IDRISI 可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，轉(zhuǎn)換后在IDRISI 中生成 .rst 柵格格式文件，并對(duì)柵格文件進(jìn)行重分類(lèi)。再在 Markov 模塊生成轉(zhuǎn)移面積矩陣、轉(zhuǎn)移概率矩陣和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖集，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖集是 .rgf 格式的。最后，依據(jù)Markov 預(yù)測(cè)所得的轉(zhuǎn)移面積矩陣和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖集，利用 CAMarkov 模塊對(duì)長(zhǎng)沙市 2020年 2030 年的土地利用進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到此期間的土地利用數(shù)據(jù)。在已有前期數(shù)據(jù)和后期預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要在 ArcGIS 中制圖輸出和在 IDRISI 中操作得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 以及各地類(lèi)的面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等 。（注：本人在此研究中所做的工作主要是后期的數(shù)據(jù)處理） 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第三章 土地利用 /覆被變化分析與預(yù)測(cè) 土地利用 /覆被數(shù)量結(jié)構(gòu)特征 土地利用 /覆被的數(shù)量結(jié)構(gòu)指的是區(qū)域土地資源配置在不同土地利用類(lèi)型上的絕對(duì)數(shù)量及其比例關(guān)系 [20]。在 IDRISI 中統(tǒng)計(jì)研究區(qū)各期土地利用面積，制作表 和圖 ，由表及圖可知 19902020 年長(zhǎng)沙市土地利用 /覆被主要表現(xiàn)如下幾個(gè)特征： （ 1）長(zhǎng)沙市土地利用 /覆被主要以耕地和林地以及建設(shè)用地為主，耕地與林地呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)，而建設(shè)用地則逐年增加。耕地和林地方面： 1990 年研究區(qū)耕地和林地的面積為 1109431ha，占該年土地利用總面積的 %； 1995 年研究區(qū)耕地和林地的面積為 1106877ha，占該年土地利用總面積的 %； 2020 年耕地和林地的面積為1104315ha，占該年土地利用總面積的 %； 2020 年研究區(qū)耕地和林地的面積和比例分別減小至 1086607ha 和 % ； 2020 年研究區(qū)耕地和林地的面積則減少為1074330ha，占比 %。建設(shè)用地方面： 1990 年研究區(qū)建設(shè)用地面積為 26141ha，占該年土地利用總面積的 %； 1995 年為 30242 ha，占比 %； 2020 年為 31012 ha，占比 %； 2020 年為 48564 ha，占比 %； 2020 則增加為 61513 ha，占比 %。 （ 2）草地、水體以及未利用地占比較小。草地在 19902020 年期間的變化幅度比較小，基本上保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，總體上略有增加；水體的總面積變化也較小，但呈現(xiàn)從 2020 年開(kāi)始呈現(xiàn)略微減少的趨勢(shì)。 表 1990 年 2020 年長(zhǎng)沙市土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu) Tab. Land use structures and quantities of Changsha from 1990 to 2020 土地利用類(lèi)型 1990 年 面積 比例 （ ha） （ %） 1995 年 面積 比例 （ ha）（ %） 2020 年 面積 比例 （ ha）（ %） 2020 年 面積 比例 （ ha） （ %） 2020 年 面積 比例 （ ha）（ %） 耕地 375669 373178 371978 360791 357501 林地 733762 733699 732337 725816 716829 草地 13931 13819 14170 14581 14375 水體 24733 23332 24773 24522 24269 建設(shè)用地 26141 30242 31012 48564 61513 未利用地 309 275 275 271 58 總面積 1174545 ha 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 長(zhǎng)沙市 19902020 年土地利用結(jié)構(gòu) Fig. Land use structures of Changsha from 1990 to 2020 土地利用變化轉(zhuǎn)換 分析 19902020 年長(zhǎng)沙市 各地類(lèi) 轉(zhuǎn)換 速率 分析 利用 IDRISI 軟件中的 GIS Analysis?Database Query?CROSSTAB 功能， 以 5 年為時(shí)間間隔，分別統(tǒng)計(jì) 19901995 年、 19952020 年、 20202020 年和 20202020 年 4 個(gè)時(shí)間段耕地、林地、建設(shè)用地和其他（包括水體、草地和未利用地）各地類(lèi)的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積。以各地類(lèi)的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積為基礎(chǔ)分別制作長(zhǎng)沙市 19902020 年各地類(lèi)增加的速率圖和減少的速率圖，并將兩圖像進(jìn)行對(duì)比，如圖 。 圖 反映了 19902020 年長(zhǎng)沙市各地類(lèi)轉(zhuǎn)換的增加速率與減少速率，由圖可知： （ 1）在 19902020 年二十年期間，長(zhǎng)沙市耕地與林地減少的速率一直大于其增加的速率，說(shuō)明在此期間耕地和林地的總面積持續(xù)減少；后十年耕地與林地減少的速率明顯大于前十年減少的速率，說(shuō)明后十年長(zhǎng)沙市耕地和林地轉(zhuǎn)換程度 遠(yuǎn)比前十年劇烈。 （ 2）在 19902020 年二十年期間，長(zhǎng)沙市建設(shè)用地基本上只有增加的速率而無(wú)減少的速率，說(shuō)明在此期間建設(shè)用地面積持續(xù)增長(zhǎng)而基本上無(wú)轉(zhuǎn)出；后十年建設(shè)用地的增加速率明顯高于前十年增加的速率，說(shuō)明后十年長(zhǎng)沙市城鎮(zhèn)化程度遠(yuǎn)比前十年劇烈。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 長(zhǎng)沙市 19902020 年各地類(lèi)增加 速率 與減少速率 Fig. Increase rate and reduction rate of the category of Changsha from 1990 to 2020 19902020 年長(zhǎng)沙市土地利用 /覆被轉(zhuǎn)換 分析 以 10 年為時(shí)間間隔，在 I