基于GM(1,1)模型的土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

1、 基于GM（1,1）模型的土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)以山西省河津市為例摘要：根據(jù)山西省河津市1997-2008年土地利用變更數(shù)據(jù)，采用灰色系統(tǒng)模型GM（1，1），對(duì)河津市2010年和2015年土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：到2020年河津市耕地、園地、水利設(shè)施用地及未利用地將持續(xù)減少，林地、其他農(nóng)用地和建設(shè)用地增長(zhǎng)明顯：土地利用類(lèi)型由耕地、園地、水利設(shè)施用地及未利用地向其他農(nóng)用地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化。關(guān)鍵詞：土地利用結(jié)構(gòu)；GM（1,1）模型；預(yù)測(cè)；河津市一個(gè)地區(qū)不同時(shí)期土地利用狀況及其結(jié)構(gòu)功能很大程度上反映該地區(qū)不同時(shí)期的自然資源條件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r和結(jié)構(gòu)，合理的土地利用結(jié)構(gòu)有助于土地資源在國(guó)民

2、經(jīng)濟(jì)各部門(mén)之間的有效配置并實(shí)現(xiàn)其利用效率的最大化。因此,研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化是研究一個(gè)地區(qū)自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的重要途徑2-3。預(yù)測(cè)土地利用結(jié)構(gòu)的目的在于通過(guò)借助一定的數(shù)學(xué)模型，定量地說(shuō)明土地利用結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)和過(guò)程，從而為區(qū)域土地利用規(guī)劃和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)4。本文借助GM（1，1）模型對(duì)其未來(lái)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)，以期為當(dāng)?shù)匦蘧幫恋乩靡?guī)劃和城市規(guī)劃提供參考。1研究區(qū)概況河津市位于山西省西南部，運(yùn)城市西北角，黃河、汾河交匯處。介于北緯352817至354715，東經(jīng)1103215至1105045之間。土地總面積59250.15公頃。河津市下轄2個(gè)街道辦事處2

3、鎮(zhèn)5鄉(xiāng)，2008年末全市總?cè)丝?8.27萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口14.49萬(wàn)人。2008年全市實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值131.81億元，比上年同期增加16.20%，三產(chǎn)結(jié)構(gòu)比例為2.0:73.7:24.3。2土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化分析根據(jù)對(duì)河津市的土地利用結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析可以看出（圖1），1997-2008年河津市耕地、水利設(shè)施用地、未利用土地的面積均處于不斷減少的趨勢(shì)，其中未利用土地的年變化率最大，耕地次之，水域基本不變，其年變化率依次為：0.28%，0.12%,0.01%，這與國(guó)家生態(tài)退耕政策的實(shí)施和水保生態(tài)環(huán)境治理工作的開(kāi)展有關(guān)；隨著城市化的進(jìn)程以及“退耕還林”等綠化工程的實(shí)施，園地、林地、其他農(nóng)用地、居民

4、點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地5類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，其中居民點(diǎn)及工礦用地年增長(zhǎng)幅度最大，為0.24%：林地、其他農(nóng)用地和交通運(yùn)輸用地各增加了0.082%,0.041%,0.041%；園地面積幾乎持平，12年間只增加了0.01%。圖11997,2002,2008年河津市土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化3GM(1,1)模型原理灰色系統(tǒng)是指既包含有已知信息，又包含有未知和非確定信息的系統(tǒng)，它適合于任何一個(gè)無(wú)規(guī)律或有規(guī)律的系統(tǒng)。通過(guò)灰色系統(tǒng)模型用不完全的信息建立盡可能完全的模型，因?yàn)樗牧炕A(chǔ)并非原始數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)性統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而是灰化生成數(shù)列以及現(xiàn)實(shí)性生成規(guī)律，即利用科學(xué)方法對(duì)原始信息處理，弱化

5、不確定性，強(qiáng)化規(guī)律性，將具有隨機(jī)性的信息轉(zhuǎn)為規(guī)律性較強(qiáng)的信息，使波動(dòng)數(shù)列轉(zhuǎn)變成單調(diào)上升數(shù)列，并弱化誤差積累的影響。土地利用系統(tǒng)中由于部分信息明確,部分信息不明確，可以借鑒灰色系統(tǒng)理論，通過(guò)建立灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)5,對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)演變趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為制定合理的土地利用管理方案提供依據(jù)。灰色模型GM(1,1)預(yù)測(cè)方程為：(t+1)=(1)(0)-ua丿ue-at+a式中：a為發(fā)展回?cái)?shù)，u為內(nèi)生控制回?cái)?shù)。由此可以計(jì)算出所要計(jì)算的預(yù)測(cè)指標(biāo)值：x(0)(t+1Lx(t+1)-x氣)為分析模型的可靠性，需要對(duì)模型進(jìn)行診斷。目前通用的診斷方法是對(duì)模型S1進(jìn)行驗(yàn)證檢查。即先計(jì)算觀察數(shù)據(jù)離差S2二遲

6、x(o)C)-xr1t=1及殘差的離差s2：s2=丄藝()Qq()Cr2m-1t=1再計(jì)算后驗(yàn)證比c：sc=Ts2及小誤差概率p：p=q(o)(t)-q)(t)0.95和cv0.35時(shí)，認(rèn)為模型可靠，這是可根據(jù)模型對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。4實(shí)證分析4.1建立GM(1,1)預(yù)測(cè)模型以1997-2008年土地利用變更數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助DPS中的GM(1,1)建立如下預(yù)測(cè)模型方程：耕地：x(t+l)=7211.152510exp(0.044285t)-6813.764599園地：x(t+1)=-449.971606exp(-0.082970t)+474.959162林地：x(t+1)=3276.99732

7、4exp(0.066098t)-2940.188937其他農(nóng)用地：x(t+1)=7051.498763exp(0.037245t)-6640.791857居民點(diǎn)及工礦用地：x(t+1)=-10083.643942exp(-0.039786t)+10410.496011交通運(yùn)輸用地：x(t+1)=-3336.562109exp(-0.077271t)+3484.021951水利設(shè)施用地：x(t+1)=-395.943098exp(-0.234870t)+435.176407未利用地：x(t+1)=-9866.320296exp(-0.132364t)+10574.1522584.2模型的檢驗(yàn)為了

8、表明模型的可靠性，需要對(duì)模型進(jìn)行診斷。常用方法是對(duì)模型進(jìn)行后驗(yàn)差檢驗(yàn)，根據(jù)后驗(yàn)比C和小誤差概率P對(duì)模型進(jìn)行診斷，當(dāng)P0.95和CvO.35時(shí)，認(rèn)為模型可靠。對(duì)該模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)(見(jiàn)表1)，結(jié)果顯示：其他農(nóng)用地和水利設(shè)施用地的等級(jí)為三級(jí)，耕地、園地、交通運(yùn)輸用地的等級(jí)為二級(jí)；林地與居民點(diǎn)及工礦用地的預(yù)測(cè)精度都很高且P均大于0.95,C均小于0.35，都是一級(jí)等級(jí)。說(shuō)明該模型能較好地預(yù)測(cè)河津市未來(lái)土地各項(xiàng)用地面積，從而為土地的規(guī)劃和合理利用提供支持。表1模型的等級(jí)精度檢驗(yàn)等級(jí)CP一級(jí)（好）0.35三CP三0.95二級(jí)（合格）0.5三C0.350.95P20.8三級(jí)（勉強(qiáng)）0.65三C0.50.

9、8P20.7四級(jí)（不合格）C0.650.7P4.3土地利用結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)及分析根據(jù)以上模型，利用河津市1997-2008年度土地變更調(diào)查資料，利用DPS軟件分別預(yù)測(cè)各土地利用類(lèi)型2010年和2015年的數(shù)據(jù)。由于土地位置的固定性和面積的有限性，在一定的時(shí)間內(nèi)土地面積是一定的，而根據(jù)GM（1,1）預(yù)測(cè)的某一時(shí)間各類(lèi)型土地的和并不等于實(shí)際的總面積，因此，要對(duì)各類(lèi)型預(yù)測(cè)結(jié)果求和，并求出各類(lèi)型預(yù)測(cè)面積所占比例，利用實(shí)際總面積乘以各地類(lèi)比例，得到各地類(lèi)預(yù)測(cè)面積。結(jié)果如表2。表2土地利用結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)結(jié)果分析耕地園地林地其他農(nóng)用地居民點(diǎn)及工礦用地交通運(yùn)輸用地水利設(shè)施用地未利用地C0.48160.42580.33

10、040.56710.30230.4890.6020.6184P0.81820.90910.96910.72761.00000.90910.72730.7673模型等級(jí)二級(jí)二級(jí)一級(jí)三級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)三級(jí)200823130.31969.552640.893351.929063.70659.47137.4818056.97201022545.65948.43334017.974382.36911291.06890.691143.074417321.39比例（）36.6951.5446.5407.13318.3771.4500.07028.192預(yù)測(cè)面積21653.83910.91713859.0354

11、209.0210844.43855.45941.3705516636.22202022363.4940.47695030.6495286.21813581.071205.67123.3349716779.54比例（）34.2941.4427.7148.10620.8271.8490.03625.731預(yù)測(cè)面積19894.19836.6364475.24702.55112081.551072.54920.7584914926.86根據(jù)土地利用預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，預(yù)計(jì)到2015年和2020年，河津市的土地利用結(jié)構(gòu)會(huì)繼續(xù)朝著“耕地不斷較少，建設(shè)用地持續(xù)增加”的趨勢(shì)演變，未利用地開(kāi)發(fā)速度較快，耕地、水利設(shè)施

12、用地較少趨勢(shì)明顯，居民點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地增速較快，其他農(nóng)用地的增長(zhǎng)幅度最大。土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)為由耕地、未利用地變?yōu)榱值睾透黝?lèi)建設(shè)用地。這與河津市生態(tài)退耕的環(huán)境保護(hù)政策和當(dāng)?shù)剞r(nóng)民發(fā)展林果業(yè)生產(chǎn)等人類(lèi)活動(dòng)直接相關(guān)，也與近年來(lái)河津市城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展密切相關(guān)。5結(jié)論與討論通過(guò)運(yùn)用灰色系統(tǒng)模型GM(1,1)對(duì)河津市土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，該模型比較符合土地利用結(jié)構(gòu)變化的預(yù)測(cè)，可以為當(dāng)?shù)匦蘧幫恋乩靡?guī)劃提供參考。在河津市未來(lái)的土地利用過(guò)程中應(yīng)合理調(diào)整農(nóng)用地結(jié)構(gòu)，適當(dāng)降低其他農(nóng)用地的比例，盡可能促進(jìn)此類(lèi)用地向耕地、林地等地類(lèi)轉(zhuǎn)變，增大農(nóng)用地內(nèi)部耕地的補(bǔ)給量。同時(shí)，要引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，提高糧食產(chǎn)量，保證糧食安全。通過(guò)內(nèi)涵挖潛的方式，節(jié)約集約利用土地，調(diào)高建設(shè)用地的利用率，從而實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用。參考文獻(xiàn)蔡運(yùn)龍土地利用/土地覆被變化研究:尋求新的綜合途徑J.地理研究,2001,20(6):645-652.陳江龍，曲福田,王啟仿.經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)以江蘇省江陰市為例J.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2003,12:317-325.張希彪黃土丘陵區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的地域分異研究J.農(nóng)