Analysis of Dynamic Change Characteristics of Land Use Spatial Pattern in Kashgar Oasis

喀什绿洲在新疆维吾尔自治区的西南部.喀什地区三面环山，一面敞开，其地理位置独特，北有天山南脉横卧，南部是喀喇昆仑山，西靠帕米尔高原，东临中国最大的沙漠塔克拉玛干，区域内高程大致由西南向东北降低，属暖温带大陆性干旱气候带.区域内光照长、降水量少、蒸发量大、气候干燥；喀什地区内河系基本发源于高山积雪融水，受温度影响各河的年内枯、洪期差异较大，主要有喀什噶尔河和叶尔羌河两大流域.根据新疆维吾尔自治区各级行政区划简表，本研究范围(图 1)，包括1市11县，即喀什市、疏附县、疏勒县、英吉沙县、岳普湖县、伽师县、莎车县、泽普县、叶城县、麦盖提县、巴楚县和塔什库尔干塔吉克自治县，不包括图木舒克市(自治区直辖县级市). 2010年，喀什经济开发区辟为中国第六个经济特区^[17]，成为中国内陆第一个经济特区.

以Landsat卫星影像为基础数据(表 1)，通过地理空间数据云平台下载2000年和2016的喀什地区各县市的影像数据^[18]，成像日期在6月到9月之间，影像数据条带号为147-150，图像云量均少于5%，共28景影像，并通过一系列预处理分析，每景影像数据先经过辐射定标、几何校正和大气校正等过程增强影像质量，提升数据分类精度，然后根据研究区矢量边界对图像进行裁剪与拼接，最后分别与全色波段影像进行融合提升空间分辨率，最终获得喀什地区影像的空间分辨率为15 m.喀什地区各县市的行政矢量边界来自国家基础地理信息中心全国地理信息资源目录服务系统的1:100万的基础地理数据^[19].影像数据的分类处理所使用的软件为ENVI 5.3.

喀什绿洲土地资源信息的提取依据国家土地利用现状分类标准^[20]，结合喀什地区土地利用的特征和影像空间分辨率，采用一级类别分类，将喀什绿洲地表覆盖类型分为林地、耕地、草地、建设用地、水域和未利用地六大类，建立了喀什地区遥感影像分类方案(表 2)，在ENVI中结合数字高程数据(DEM)和归一化植被指数(NDVI)，采用最大似然分类方法进行监督分类，并通过分类后处理，分类完成后，采用随机采样的方法在Google Earth上选取评价样本进行混淆矩阵精度验证，在ENVI软件中进行验证，结果所得总体分类精度大于80%，Kappa系数都大于0.7，满足分类精度要求.

基于本研究的分类体系，利用土地转移矩阵提取喀什各县市绿洲主要用地类型变化.在土地利用转移矩阵中，一般用行表示终点时刻点土地利用方式，用列代表初始时刻点土地利用方式，矩阵值R表示起始时刻到终点时刻各个土地类型转变率，其计算公式为：

式中F和I分别表示某一土地类型终点时刻数量统计值和初始时刻数量统计值.本研究利用ENVI 5.3遥感影像处理软件，制作喀什地区绿洲土地类型变化状态转移矩阵，以此来显示近17年间区域内绿洲土地利用变化发展情况.

标准差椭圆是用于探查样本数据的分布方式和总体发展方向的空间统计方法，通过对喀什地区2000-2016年内绿洲变化的地类图斑进行标准差椭圆分析，能够反映出区域内人类活动引起的绿洲发展方向的转变和分布趋势空间特征.标准差椭圆(图 2)关键要素由三部分构成：确定圆心、确定旋转角度、确定长短轴的长度.其计算公式^[21]为：

式中：D_x和D_y就是计算出来的椭圆的方差(决定了椭圆的大小)，长半轴表示最大方差，短半轴表示最小方差；$\widetilde {{x_i}}\; $和$\widetilde {{y_i}} $是每个要素的空间位置坐标；$ \overline X $和$ \overline Y \;$是所有样本的算数平均中心.旋转角的计算式为：

式中： $ \partial $是以正北方为0°，顺时针旋转的角度；$\widetilde {{x_i}} $和$\widetilde {{y_i}} $是样本平均中心和各个样本的差值.用来确定椭圆方程的x，y轴的标准差分别为σ_x和σ_y：

空间分析中，核密度分析用于计算各元素在其周围空间中的密度分布，其计算公式为^[22]：

式中：K为核函数(非负、积分为1)；h为一个平滑参数，称做带宽；x_i为各个样本点.核密度函数属于非参数检验方法之一，它完全利用数据本身信息，能够对样本数据进行最大程度得近似.通过计算所有要素的密度，并将每个采样点的值插值到整个研究区域.本研究在Arc GIS 10.5中对2000-2016年间喀什地区各县市的绿洲土地类型变化图斑进行核密度分析，揭示近17年喀什地区各县市土地利用在空间分布上的变化特点和差异，厘清重点变化的县市区域.

CA-Markov模型集成了马尔可夫链(markov chain，MC)能长期预测的优势和元胞自动机模型(cellular automata，CA)模拟复杂系统时空演化过程的能力于一体^[23-24]，其工作原理是以某一时期的土地利用分布为初始状态，以某一时期和之前一定时间段内的土地利用转移面积矩阵及适宜的土地利用类型为基准，对未来区域土地资源发展情况进行模拟.通过IDRISI Selva 17.0软件对喀什市土地进行CA-Markov模型的预测，既提升了喀什市土地利用类型转化的预测精度，又行之有效地掌握其未来土地覆盖变化空间的分布，了解喀什经济特区土地发展变化趋势，具有较好的科学性和实用性. Markov模型和CA模型可分别简单表示为^[25-26]：

式中：S_(t+1)，S_t分别表示时间序列t+1和t时刻研究区内不同土地利用方式的列向量；P表示一定时间间隔内某区域内各土地利用相互转变的转移矩阵，其矩阵元素值表示两两土地类型之间的变化几率.

式中：S是元胞模型的状况集合值，S_t，S_(t+1)分别代表了t和t+1时刻的状态结果值；N是元胞模型中定义的领域影响范围(软件默认5*5)；f是模型内影响指定范围内相互作用状况的函数.

喀什市土地模拟变化的精度通过Kappa系数来检验^[27]，Kappa系数的结果值在-1到1之间，通常认为若Kappa系数大于0.7，则其模拟结果可信，符合精度要求.以2000年喀什市土地利用分类为基准，通过CA-Markov模型模拟其16年后的变化情况，之后与2016年的实际影像对比验证分类精度，其Kappa系数为0.736 9，说明模拟结果较为准确，可以用于预测喀什市绿洲未来转变情况.

由图 3可知，从空间尺度上来看，2000-2016年喀什地区绿洲在空间规模上有较大的改变，区域内北部绿洲规模在原有的基础上明显向外扩张，主要表现为耕地和建筑用地的进一步扩大，耕地的增多主要集中在喀什绿洲东部的喀什噶尔河下流和西部的叶尔羌河灌区内，建筑用地则以各个县市为中心继续向四周扩充；区域内南部山区林地和草地的图斑数量增长较多.从喀什整体绿洲图斑变化情况来看，近17年来，区域内未利用地不断减少，绿洲图斑规模变大、形状更加规整，各县市内绿洲面积没有发生退化现象，喀什绿洲的稳定性提升.

喀什地区作为农业大区，以农业为主导产业，是全国主要的区域优质棉花和干坚果类生长产地之一，土地开发利用潜力大.在Arc GIS 10.5中经过栅格统计发现，未利用地的数量占比在50%以上，裸地和沙地比重较大，喀什地区内绿洲生态环境较为恶劣.绿洲内各土地类型变化量见表 3.在过去17年内，各类型土地之间均存在相互转变.其中，未利用地面积减少最多，约8 826.602 km²，由于人类活动主要向建筑用地、水域、草地发展，提升了区域内土地资源利用价值，增强了绿洲的生态系统稳定性；水域面积由于耕地用水需求量大以及不合理的使用造成部分支流干枯，大部分向未利用地转化，减少面积约为2 430.800 km²；区域内耕地向别的土地类型转变较少，局部的耕地改变为建筑用地、林地和草地；草地主要向未利用地、水域和耕地转变；在林地的变化中，多被开发为耕地.各个土地类型净转变量中，林地的变化最不明显，约增加了270.137 km²，其次是草地，约减少了444.439 km².在不同土地利用类型净变化比率中，耕地和建筑用地占比最多，其增加面积相对最多，净增长均在40%以上.

通过Arc GIS 10.5软件空间统计工具，以2000年和2016年各县市绿洲的面积统计数据进行分析获得了喀什绿洲状态转移的标准差椭圆分布图(图 4)，以及其各自的属性值，CenterX，CenterY，XStdDist，YStdDist，Rotation，ShapeArea和ShapePerime分别表示由样本数据集形成的椭圆的平均中心X的经度、平均中心Y的纬度、椭圆长轴的标准差、短轴的标准差、旋转方向角度、椭圆的面积和椭圆的周长(表 4).各个属性值中，中心点代表了喀什地区绿洲土地资源样本数据的中心经纬度；椭圆的长轴代表的是喀什地区各个县市绿洲数据散列的方向性，短轴代表的是全部数据分布的区间，短半轴越长，表示数据的离散程度越大，喀什绿洲内各土地类型景观变化越剧烈，椭圆中长短半轴的比值越大(扁率越大)，表示区域土地数据变化的方向性越明显.通过分析2个时间段的标准差椭圆属性可知，近17年间喀什绿洲在空间趋势上发生了变化，2016年椭圆长、短轴的值略大于2000年的，说明喀什绿洲动态变化数据的方向性和离散程度有所增大，椭圆中心位置发生改变，其整体方向由西南往东北方向发生偏移，同时椭圆的面积变大，意味着绿洲内土地利用变化图斑的空间规模呈现出增大的趋势.

在Arc GIS 10.5软件中提取喀什绿洲各类土地变化斑块，采用渔网分割将喀什绿洲分成15 km×15 km的等间距网格并统计各个网格内斑块面积，从而生成2000-2016年喀什绿洲土地变化核密度分析图(图 5)，其结果展示了近17年间县级尺度上绿洲内部土地利用方式变化的热点区域.总体来看，整个绿洲空间变化热点区域可以分为以喀什市为中心和以麦盖提县为中心的两大部分，喀什绿洲各县市土地利用变化密度值差异较大，土地变化密度值以喀什市为首，其相邻城市伽师县、疏勒县和岳普湖县紧随其后，都有非常密集的变化.主要原因是自2010年以来国家提出对口支援新疆建设战略以来，山东省、广东省和上海市等省市分别援助喀什地区的经济发展建设，在原有的农业基础上，以现代服务业和先进制造业为重点，建设喀什综合保税区、深圳产业园和喀什新城“深圳城”、中亚南亚工业园区、深喀科技创新中心等项目，建设用地的大规模扩张改善了喀什绿洲内部分利用效率不高的土地资源，使得其价值收益产出呈爆发式增长^[28]，有效地推动了喀什绿洲经济发展，促进了喀什绿洲城镇化的快速发展，经济驱动因素造成了周边区域土地变化最为激烈.土地变化密度值其次是以叶尔羌河流域为中心的地区，这些区域临近叶尔羌河灌区，区域内修建和改造了大量老旧的水利设施，有效改善了绿洲农业发展条件，利于当地棉花和特色林果业的种植.其余，如巴楚县和麦盖提县东部、叶城县东北部临近塔克拉玛干沙漠边缘，这些区域多为荒漠土地，降雨量很低，空气干燥，风沙多，植被稀疏，区域土地难以利用；塔什库尔干塔吉克自治县和叶城县南部山区地处高海拔区域，气候严寒，利于作物健康生长的有效积温不够，其土地利用状况基本没有发生明显变化，因此这些区域土地变化密度值最低.

通过喀什地区绿洲变化斑块密度分析，可以看出喀什市在各省市对口支援建设下，其周边区域土地利用方式改变最为剧烈，未来其变化程度在喀什经济特区发展背景下将持续提升，为了探究其变化趋势，基于近17年喀什市绿洲土地变化数据，以2016年喀什市绿洲情况为基准期，利用CA-Markov模型来分析喀什市下一个时期的发展变化情况. 图 6是2016年到2032年喀什市未来各土地类型变化的预测结果，可以看出未来喀什市城镇化的进程主要以喀什市原有城市群为中心，向北继续扩张，同时建筑用地的图斑相较之前更为紧密、连续，表明未来喀什经济开发区的建设更为完善，城镇化进程明显，将强力有效地带动喀什市及周围区域经济的快速发展.耕地的扩张主要分布在喀什市北部的荒地乡和浩罕乡；居民用地的扩张较多的分布于喀什市东边的阿克喀什乡和英吾斯坦乡，同时这两个乡的草地和耕地在原有基础上平稳增长.总体来看，未利用地在逐渐减少，耕地在逐渐增加，绿洲规模平稳增长，喀什市生态环境质量持续提升，未来喀什市绿洲的扩大趋势同近17年内的发展方向相同，大致向北方和东北方向扩张.

利用Arc GIS 10.5栅格计算器工具，未来喀什市内绿洲像元面积的变化情况统计见表 5.可以看出，在2016年喀什市土地分类中，耕地占总体面积比例最大，达到41.48%，其次是未利用地，达到30.76%，建筑用地所占比例为14.25%.未来喀什市各类型土地利用方式呈现增长趋势的有耕地、建筑用地、林地和草地，其中增长幅度较大的是建筑用地和耕地，分别增长至19.17%和44.67%，变化幅度分别为4.92%和3.19%；呈现减少的有水域和未利用地，其中未利用地减少趋势最为明显，其占总体面积的份额减少至19.39%，变化幅度达到11.37%，面积约减少了113.13 km².水域面积出现减少的趋势，表明喀什市绿洲面积在不断扩张的同时，对水的需求量比较大，未来喀什市水资源面临较大的压力，需要重点防控.

本研究以2000年和2016年Landsat卫星影像数据、DEM数据、NDVI数据，采用监督分类提取喀什绿洲土地覆盖变化数据，结合GIS空间分析，分析其在最近17年的时间尺度上喀什绿洲土地空间分布特征和变化规律，并根据其变化特点模拟预测未来喀什市在“一带一路”建设背景下其土地空间的变化，得出以下结论：

1) 空间分布上，2000-2016年内喀什绿洲在空间趋势上发生了变化，其整体方向由西南往东北方向发生偏移，地区内绿洲图斑的空间规模在原有基础上沿着流域附近稳定扩充.数量变化上，近17年间喀什绿洲内各土地类型之间均存在相互转变.其中，未利用地面积减少最多，主要向建筑用地、耕地和草地变化.绿洲内不同土地利用类型净变化比率中，耕地和建筑用地占比最多，净增长均在40%以上.

2) 县域尺度上，喀什地区各县市绿洲土地利用变化密度差异较大，呈现出“中心式扩散趋势”.在国家提出对口支援新疆建设战略以来，整个地区绿洲土地变化密度值以喀什市为首，其相邻城市伽师县、疏勒县和岳普湖县紧随其后，经济驱动因素造成了这些地区土地变化最为活跃，而疏附县、英吉沙县和塔什库尔干塔吉克自治县土地变化密度值相对较低.除此之外，巴楚县和麦盖提县东部、叶城县东北部和南部山区由于环境恶劣其绿洲发展状况没有发生明显变化.

3) 喀什市土地利用分类模拟预测结果显示，未来喀什市绿洲变化情况主要以喀什市原有城市群为中心，向北继续扩张，同时建筑用地的图斑相较之前更为紧密、连续，表明未来喀什经济开发区的建设更为完善，引领区域内经济发展，城镇化进程明显.未来喀什市各类型土地利用方式呈现增长的有耕地、建筑用地、林地和草地，其中增长幅度较大的是建筑用地和耕地；呈现减少的有水域和未利用地，喀什市绿洲面积在不断扩张的同时，对水的需求量比较大，喀什市城市化发展过程中水资源面临较大的压力，需要进行合理调控，促进喀什地区国土资源合理利用发展.

喀什绿洲作为农业大区，绿洲规模扩充方向由西南向东北方向转移，扩充形式主要表现为耕地和建设用地的快速增长，其中喀什噶尔河下游和叶尔羌河流域内耕地数量增长最迅速，区域内应重点杜绝弃耕抛荒耕地等土地资源粗放利用问题，同时进一步调整不合理灌溉措施，避免次生盐渍化，使得该地区绿洲长期稳定发展.随着喀什经济特区的快速发展^[29]，城镇化建设持续推进，区域土地变化将更为剧烈，合理安排绿洲内土地资源的空间布局，提升绿洲土地利用效率尤为必要，使区域生态环境和经济共同发展，打造高质量、高活力的绿色丝绸之路经济带.本研究分析了喀什地区2000-2016年绿洲土地利用空间变化的趋势以及特征，但是由于数据空间分辨率(15 m)较大，采用一级分类提取绿洲信息，只能从整体上挖掘土地资源变化量，发现喀什地区热点变化区域.在未来的绿洲土地资源动态特征变化研究中，可以通过高分辨率影像来进一步提升数据质量，提升精度，深入讨论脆弱环境下喀什地区热点变化区域内绿洲内部空间特征、变化趋势，探究人类干扰程度，为喀什地区绿色城镇化发展提供理论建设支持.