土地利用/覆被變化分析方法研究

丑慶川，胡 濤 ，何詩雨 ，史秀華

(1.深圳大學生命科學學院，廣東深圳 518060； 2.深圳大學高爾夫?qū)W院，廣東深圳 518060)

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土地利用/覆被變化分析方法研究

丑慶川1，胡 濤1，何詩雨1，史秀華2*

(1.深圳大學生命科學學院，廣東深圳 518060； 2.深圳大學高爾夫?qū)W院，廣東深圳 518060)

土地利用/覆被變化一直以來都被認為是全球變化的重要組成部分和主要驅(qū)動因子之一，近30年來，越來越受到各國相關學者的普遍關注，目前已成為國際學術界研究的焦點和重點。國內(nèi)外學者基于不同的目的，從不同的角度出發(fā)構建了大量模型，以便深入了解土地利用/覆被變化的驅(qū)動因素和機制，預測其未來發(fā)展變化趨勢。該研究從土地利用速度、土地利用程度、土地利用變化趨勢和土地利用的景觀指數(shù)等方面研究土地利用動態(tài)變化的模型，其中重點介紹當前應用最廣泛的模型，同時為土地利用/覆被變化模型的未來發(fā)展指明方向。

模型；動態(tài)變化；土地利用/覆被變化；預測

土地利用/覆被變化(Land Use and Cover Change，簡稱LUCC)包含兩層不同卻又密切相關的含義，即土地利用和土地覆被[1-2]。20世紀90年代以來，土地利用/覆被變化被認為是全球變化的重要組成部分和主要驅(qū)動因子之一[3]，越來越受到各國相關學者的普遍關注，目前已成為國際學術界研究的焦點和重點[4]。國際上自1993年國際科學聯(lián)合會與國際社會科學聯(lián)合會聯(lián)合成立了土地利用/覆被變化核心項目計劃委員會后，一些積極參與全球環(huán)境變化的國際組織和國家紛紛跟進，啟動了各自的土地利用/覆被變化研究項目[5]。

近年來國內(nèi)學者也在土地利用/覆被變化方面做了大量研究[6-17]，主要集中在土地利用/覆被變化狀況的評估、土地利用/覆被變化的建模與預測、土地利用/覆被變化的集成技術研究、土地利用/覆被變化的驅(qū)動力研究、土地利用/覆被變化的景觀生態(tài)學理念等方面，從不同的角度出發(fā)構建模型，深入了解土地利用/覆被變化的成因和過程，預測未來發(fā)展變化趨勢。筆者從土地的“過去-現(xiàn)在-未來”出發(fā)，主要從土地利用速度、土地利用程度、土地利用變化趨勢和土地利用的景觀指數(shù)等方面重點介紹研究土地利用動態(tài)變化的模型。

1 土地利用速度

1.1 單一類型土地利用速度單一類型土地利用速度又稱土地利用類型的動態(tài)度，是指某一時間范圍之內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)一種土地利用類型的數(shù)量大小變化情況[3,18-24]，其表達式為：

式中,R指某一時間范圍內(nèi)某一土地利用類型的利用速度；Ua、Ub分別指研究初期、研究末期某一土地利用類型的土地利用數(shù)量；T是研究的時間跨度，當T以年記時，R值就是某種土地利用類型的年變化率。

1.2 綜合土地利用速度綜合土地利用速度又稱綜合土地利用動態(tài)度，是用來反映區(qū)域內(nèi)土地利用變化的綜合速度[3,19,21-24]，其表達式為：

式中,Lc指研究時間段內(nèi)研究區(qū)域的綜合土地利用速度；Ai指研究初始第i類土地利用類型的面積大小；ΔAi-j指研究時間段內(nèi)第i類土地利用類型面積數(shù)量轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積數(shù)量的絕對值；T指研究的時間跨度(a)。

2 土地利用程度

土地利用程度是反映人類對土地進行利用的深度與廣度的概念，它體現(xiàn)的是土地利用中土地的自然屬性、人為因素和環(huán)境因素的綜合效應[23]。借鑒劉紀遠[25]等建立的土地利用程度數(shù)量化綜合指標體系，并賦予不同土地利用類型土地利用程度指數(shù)。

2.1 土地利用程度綜合指數(shù)土地利用程度綜合指數(shù)反映的是土地利用/覆被變化的總體變化趨勢[3,23-26]，其表達式為：

Lj=∑(Ai×Ci)

式中,Lj指研究區(qū)域內(nèi)的土地利用程度綜合指數(shù)；Ai指研究區(qū)域內(nèi)第i類土地利用類型的土地利用程度指數(shù)；Ci指某研究時間跨度內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)第i類土地利用類型面積占總研究區(qū)域面積的百分比。

2.2 土地利用程度變化土地利用程度變化是指在特定研究區(qū)域內(nèi)，不同土地利用類型在某一時間跨度內(nèi)共同變化作用的結(jié)果，它可對研究區(qū)域內(nèi)土地利用的動態(tài)變化及變化方向從變化量和變化率兩個層次進行定量揭示[3,24]。土地利用程度變化量D和變化率λ表達式分別為：

式中,D為研究的時間跨度內(nèi)段研究區(qū)域的土地利用程度變化量；λ指研究的時間跨度內(nèi)研究區(qū)域的土地利用程度變化率；Ai指研究區(qū)域內(nèi)第i類土地利用類型的土地利用程度指數(shù)；Cit1和Cit2分別指研究初始期和研究末期研究區(qū)域內(nèi)第i類土地利用類型的面積百分比；t1和t2分別指研究始初期和研究末期。

2.3 土地利用類型變化劇烈程度土地利用類型的變化劇烈程度是指某一時間跨度內(nèi)研究區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化的速度，其可定量揭示研究區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型的動態(tài)變化及變化方向[19]，其表達式為：

式中,S為與時間T對應的究區(qū)域土地利用類型變化劇烈程度，為方便將其擴大10倍；Si為研究初始期第i類土地利用類型的面積數(shù)量；ΔSi-j為研究時間跨度內(nèi)第i類土地利用類型面積數(shù)量轉(zhuǎn)化為非i類土地利用類型面積的絕對值；T為研究時間跨度的長度，通常為年。

3 土地利用類型變化趨勢模型

模型是研究土地利用/覆被變化的重要工具[27]，土地利用類型變化趨勢模型可對未來土地利用/覆被狀況進行模擬和預測[28]。目前，預測土地利用類型變化趨勢模型有：馬爾科夫模型[19,29-30]、元胞自動機模型[31-40]、系統(tǒng)動力學模型[29,41-44]、CLUE模型[45-53]、多元統(tǒng)計模型[54-59]、回歸分析模型[29-51]、類似杜能模型[60]、智能體模型[61-69]等多種模型，但其中馬爾科夫模型和元胞自動機模型的接受度最高且應用最為廣泛，故該研究重點介紹這2種模型的基本原理。

3.1 馬爾科夫模型馬爾科夫模型是利用某一運動系統(tǒng)的現(xiàn)在狀況及其發(fā)展動向預測該系統(tǒng)未來狀況的分析方法[29]。在馬爾科夫模型中較常用的是一階馬爾科夫過程，即一個運動系統(tǒng)從某一特定的t時刻狀態(tài)運動到t+1時刻狀態(tài)的概率只和t時刻狀態(tài)有關，而與其他時刻的狀態(tài)無關[19]。馬爾科夫模型的基本方程為：

馬爾科夫模型成功應用的關鍵在于對其轉(zhuǎn)移概率的確定，一階馬爾科夫模型主要應用于較小空間尺度的土地利用/覆被變化中[29]。土地利用/覆被變化中建立馬爾科夫模型的前提是土地利用/覆被轉(zhuǎn)移概率固定不變，而受到社會經(jīng)濟驅(qū)動的土地利用/覆被轉(zhuǎn)移概率在長時間尺度內(nèi)是不可能不變的，因此該模型只適合短期的預測[30]。

3.2 元胞自動機模型元胞自動機是一種簡單的通過局部轉(zhuǎn)換規(guī)則來模擬復雜空間結(jié)構的模型[31]，一個標準的模型由元胞、空間、鄰居和轉(zhuǎn)換規(guī)則組成，空間被分割成規(guī)則的網(wǎng)格，每一個網(wǎng)格即為一個元胞，每個元胞具有一個狀態(tài)，每個元胞各自的狀態(tài)隨時間而變化，每個元胞都是根據(jù)局部規(guī)則來更新狀態(tài)[32]。即每一個元胞在某一特定時刻的狀態(tài)只決定于上一時刻該元胞的狀態(tài)和與該元胞相鄰的所有元胞上一時刻的狀態(tài)[33-34]。常規(guī)的標準模型可以簡單地表達如下：

St+1=f(St,N)

式中,S是狀態(tài)；N是鄰居；f是轉(zhuǎn)換函數(shù)；t是時間。

在土地利用/覆被變化的模擬中，元胞一般代表地塊信息，每一個元胞的狀態(tài)由模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則決定[35]。轉(zhuǎn)換規(guī)則被認為是元胞自動機的核心，目前已有包括多準則判斷[36]、邏輯回歸[37]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型[38]、蟻群算法[39]、人工免疫系統(tǒng)[40]等多種方法來確定CA模型中轉(zhuǎn)換規(guī)則的參數(shù)。

4 土地利用類型的景觀指數(shù)和數(shù)量結(jié)構多樣性模型

4.1 景觀偏離度景觀偏離度是指人為建造的人文景觀對自然景觀的偏離程度。這一指標主要從數(shù)量上揭示人類活動對景觀改變的程度，數(shù)值越大說明人文景觀占的比重越大，表明人類對自然的改造越多[20]。其表達式為：

式中，M為景觀偏離度；Sa、Sb、Sc、Sd、Se和Sf分別為研究區(qū)域內(nèi)各種建設用地、人工水域、耕地、園地、人工林地和人工草地的面積；S總為研究區(qū)域的總面積。

4.2 景觀多樣性景觀多樣性是指不同的景觀類型在空間結(jié)構，功能機制和時間動態(tài)方面的多樣化和變異性，它反映的事景觀的復雜性。引入景觀多樣性的公式來計算土地利用類型的多樣性，其指數(shù)越大，說明多樣性越多[20]。表達式為：

式中，H(V)為多樣性指數(shù);pi為i景觀所占的百分比;n為變量數(shù)。

4.3 土地數(shù)量結(jié)構多樣性指數(shù)模型區(qū)域土地利用/覆被類型數(shù)量結(jié)構多樣性指數(shù)可以用于定量評價區(qū)域內(nèi)各類土地利用/覆被類型的齊全程度和多樣化狀況[16]，進而分析人類活動對土地的影響程度[23]。故采用Gibbs-Mirtin多樣化指數(shù)來度量，其模型為：

式中，GM指多樣化指數(shù);Si指第i種土地利用類型的面積。

5 展望

近20年來，隨著土地利用/覆被變化研究的不斷深入，國內(nèi)外學者在土地利用/覆被變化分析方法所代表內(nèi)涵上的看法基本趨于一致；土地利用程度反映的是人類對土地進行利用的深度與廣度，可定量揭示區(qū)域內(nèi)土地利用的動態(tài)變化及變化方向[23]；預測模型是對未來土地利用/覆被狀況進行模擬和預測的重要工具等[28]。

隨著GIS和遙感技術的不斷發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出許多新的進行土地利用/覆被變化研究的方法，社會因素和經(jīng)濟因素對土地利用/覆被變化的不斷影響在新方法的探索中越來越受到重視。傳統(tǒng)分析方法將不能滿足對新技術條件下獲得的數(shù)據(jù)的分析要求，因此，急需更多的理論研究來不斷提出新的分析方法以滿足大數(shù)據(jù)條件下的土地利用/覆被變化研究。

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Study on the Analysis Method of Land Use / Cover Change

CHOU Qing-chuan1, HU Tao1, HE Shi-yu1, SHI Xiu-hua2*

(1. College of Life Science, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong, 518060; 2. Golf College of Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060)

Land use /cover change is considered to be one of the important components and the main driving factors of global change, and increasingly concern by international organizations and countries around the world, has become the forefront of the international global change research. Domestic and foreign scholars from different angle build a large number of models, and in-depth understanding the causes and process of land use/cover change, predict the future development trends. The land use dynamic change model was studied mainly from land use speed, land use degree, land use change trend and the landscape index of land use and other aspects, which highlights the current most widely used model, at the same time points out the future development direction of the model.

Model; Dynamic change; Land use / cover change; Prediction

深圳灣紅樹林結(jié)構調(diào)控及修復技術研究與示范項目(2013KJCX011-04)。

丑慶川(1988-)，男，甘肅慶陽人，碩士研究生，研究方向：景觀與濕地資源。*通訊作者，教授，博士，從事環(huán)境保護研究。

2015-03-02

S-03

A

0517-6611(2015)10-301-04