城市土地利用變化模型研究進展與展望＊

張博航 王琛

（西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南昆明 650224）

在目前全球面臨的資源、環(huán)境、人口、糧食等4大基本問題中，資源及其開發(fā)利用位于首要位置，其中城市土地資源開發(fā)與利用更是直接關(guān)系到人類生存與可持續(xù)發(fā)展。因此，城市土地利用是一個經(jīng)典的研究命題和領(lǐng)域。近年來，隨著遙感、地理信息系統(tǒng)等空間信息技術(shù)的發(fā)展與進步，城市土地利用研究與實踐工作日益成熟并被世界各國確定為具有戰(zhàn)略價值和意義的基礎(chǔ)性研究。總體上，城市土地利用是當(dāng)前全球可持續(xù)發(fā)展的核心問題之一，城市土地利用變化研究更是具有世界意義的研究熱點和前沿領(lǐng)域?；诖耍瑸榱烁玫卮龠M土地利用變化研究，本文對城市土地利用變化研究進行梳理，進而找出研究的關(guān)鍵問題和不足，并提出建議，由此對完善城市土地利用變化研究提供一定的參考。

1.理論概述

1.1 基本概念

城市土地利用變化即城市土地覆被的變化，其通過人類改變土地開發(fā)利用方式而實現(xiàn)。城市土地利用變化不僅改變了城市土地利用結(jié)構(gòu)、大地景觀格局、生態(tài)環(huán)境面貌，更重要的是其對城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動產(chǎn)生重要而深刻的影響，將能改變土壤的水分、養(yǎng)分組成以及土壤風(fēng)化、侵蝕等的時空分布和演變。城市土地利用變化預(yù)測分析以城市土地利用和變化預(yù)測為研究的兩個基本支撐，以城市土地利用預(yù)測為研究中心，目的就在于通過對城市土地利用進行研究和預(yù)測，并應(yīng)用一定的方法，以城市土地影像數(shù)據(jù)地圖等為基礎(chǔ)在計算機上分析建模，從而能夠模擬實際的城市土地利用現(xiàn)狀和預(yù)測城市土地利用的未來情景，同時要保證這種模擬和預(yù)測具有合理性及準(zhǔn)確性。總之，城市土地利用變化預(yù)測研究的落腳點始終是土地本身，其根本任務(wù)就是要挖掘、演示一個關(guān)于土地利用的復(fù)雜關(guān)系，因此，土地利用變化預(yù)測模型是城市土地利用變化研究的基本支撐工具，對于研究結(jié)果的科學(xué)性具有重大意義。

1.2 關(guān)鍵問題

在城市土地利用變化研究中，模型是一個關(guān)鍵步驟和環(huán)節(jié)，其是土地利用變化研究的基礎(chǔ)與核心，土地利用的變化、土地利用類型的轉(zhuǎn)化都可以通過模型以數(shù)字和公式等形式直觀表達(dá)，由此為城市土地利用變化預(yù)測提供決策支持。當(dāng)前，城市土地利用變化研究中常用的模型有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、Agent模型、CLUE-S模型、元胞自動機（CA）模型、馬爾科夫（Markov）模型、CA-Markov模型等。通過利用這些模型，結(jié)合GIS、遙感等空間分析技術(shù)，選取適宜的城市影像數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、解譯、校準(zhǔn)、輸入模型、運算模型，從而得到城市土地利用變化預(yù)測的研究結(jié)果。本節(jié)將重點介紹較為廣泛應(yīng)用的兩種模型即馬爾科夫鏈模型和CLUE-S模型。

在城市土地利用變化預(yù)測中，通過應(yīng)用馬爾科夫鏈模型，可以獲得未來土地利用的變化預(yù)測結(jié)果。通常，城市土地利用的馬爾科夫鏈模型要確定當(dāng)前研究區(qū)的土地利用類型、要建立狀態(tài)概率取向、要建立土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣，由此得到未來城市土地利用的變化預(yù)測結(jié)果。在應(yīng)用方向上，馬爾科夫鏈模型可以預(yù)測城市土地面積的增減情況、土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化情況、土地利用類型的主要流向等。CLUE-S模型的全稱為小尺度土地利用變化及其空間效應(yīng)模型，其主要功能是能夠模擬城市土地利用的動態(tài)變化，進而對城市土地利用進行時空動態(tài)預(yù)測，揭示未來城市土地利用變化在不同情景下的格局和狀態(tài)，獲得城市土地利用變化的特征和規(guī)律。CLUE-S模型可以預(yù)測城市土地利用的空間分配差異性、土地利用類型的相互轉(zhuǎn)換情況、土地利用類型的空間分布變化等問題。馬爾科夫鏈模型和CLUE-S模型都適用于城市土地利用變化的模擬預(yù)測，但兩者也有一些區(qū)別。馬爾科夫鏈模型能夠更好地模擬預(yù)測城市土地利用類型的變化以及不同土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換，而CLUE-S模型更長于模擬預(yù)測城市土地利用類型的空間分布，更適合用于中小尺度的城市土地利用變化的建模分析。在具體應(yīng)用這兩個模型時，要根據(jù)研究需要和城市特點，來選擇相對更為合適的模型。

2.應(yīng)用研究

目前，城市土地利用變化研究已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，已在全球多個國家得到積極應(yīng)用。城市土地利用變化研究的總體思路是運用合適的土地利用變化預(yù)測模型，模擬分析土地利用的變化格局，進而通過對模型計算結(jié)果的分析來闡釋城市土地利用系統(tǒng)的變化過程、狀態(tài)和趨勢，由此為城市土地利用變化預(yù)測提供決策支持。

首次提出城市土地利用變化的初衷是為了摸清土地利用的實際情況，此后，對土地利用變化的調(diào)查與研究延續(xù)至今。目前，國內(nèi)外已廣泛運用城市土地利用變化預(yù)測模型開展各種相關(guān)研究，并取得了豐富成果。比較有代表性的成果包括：Karna等構(gòu)建了基于CA-Markov的預(yù)測模型，并應(yīng)用模型對城市擴展進行了模擬預(yù)測[1]。Lee等則應(yīng)用了CLUE-S模型，在綜合考慮了多個驅(qū)動影響因素后，預(yù)測了由于城市增長而引起的土地利用變化[2]。鄒琳等利用馬爾科夫理論分析預(yù)測了南寧市未來20年的土地利用結(jié)構(gòu)[3]。總體上，上述研究成果均取得了顯著進展，在理論和實踐兩個方面推動了相關(guān)模型的發(fā)展和應(yīng)用，為相關(guān)地區(qū)的土地利用政策制定提供了科學(xué)理性的決策依據(jù)，這對于優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、科學(xué)規(guī)劃和高效利用土地資源、推動土地利用的可持續(xù)發(fā)展均具有積極的方法論意義。

3.問題分析

任何一種理論模型都是在不斷的發(fā)展完善之中，都需要不斷修正模型的缺點和不足，城市土地利用變化模型也不例外。同時，城市土地利用變化分析預(yù)測的對象是日趨復(fù)雜的土地資源系統(tǒng)，其是一個城市經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境高度耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，而模擬、計算、分析和預(yù)測土地利用變化本身就是一件復(fù)雜困難和極富挑戰(zhàn)性的工作任務(wù)。盡管已有較多研究從各個方面進行了有益探索并取得積極進展，但仍應(yīng)客觀地分析城市土地利用變化模型對預(yù)測分析土地利用變化中存在的現(xiàn)實問題和不足。綜合來看，城市土地利用變化模型是分析預(yù)測土地利用變化特征和規(guī)律的基礎(chǔ)。如前所述，盡管當(dāng)前的城市土地利用變化模型已經(jīng)取得了積極進展，但在技術(shù)方法上仍存在進一步改進和優(yōu)化的必要性，從而使得模型能更加系統(tǒng)、全面地發(fā)現(xiàn)城市土地利用變化規(guī)律，最終盡可能實現(xiàn)對城市土地利用變化的精準(zhǔn)預(yù)測。從此點看，當(dāng)前研究存在的問題仍然集中在城市土地利用變化模型上，具體如下。

（1）城市土地利用變化模型自身存在局限性。本質(zhì)上看，城市土地利用變化模型應(yīng)用相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析方法對未來土地利用的數(shù)量、類別進行模擬和預(yù)測，而從目前的技術(shù)水平看，任何模型在預(yù)測未來時都存在不同程度的誤差和失真，城市土地利用變化模型也不例外。同時，城市土地利用在空間上存在差異，各類土地利用類型具有各不相同的空間分布格局，目前的模型在模擬預(yù)測土地利用的數(shù)量和類別上取得了很大進展，但在預(yù)測未來土地利用的空間格局、結(jié)構(gòu)上仍存在較大不足，尚不能準(zhǔn)確預(yù)測未來的城市土地利用空間結(jié)構(gòu)。

（2）城市土地利用變化模型尚難以模擬各種影響因素。城市土地利用變化是一個復(fù)雜的過程，受到眾多自然因素、經(jīng)濟社會因素的影響。例如，自然災(zāi)害、氣候變化等自然因素都可能導(dǎo)致城市土地利用發(fā)生變化，而人類活動、土地利用政策和規(guī)劃、科技進步等經(jīng)濟社會因素也會影響到城市土地利用的方式和結(jié)果。所有這些自然因素和經(jīng)濟社會因素，都會影響到城市土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移概率，而目前的模型仍難以準(zhǔn)確判定和模擬這些因素之間的復(fù)雜關(guān)系，由此必然會對最終的預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生影響。

（3）城市土地利用數(shù)據(jù)處理仍需提高精度。數(shù)據(jù)在城市土地利用變化研究中具有核心作用，數(shù)據(jù)的精度直接影響到研究結(jié)果的科學(xué)性與可信度。目前，在城市土地利用變化研究中應(yīng)用較多的是各種土地利用遙感影像數(shù)據(jù)，其本身存在分辨率的高低問題，同時在解譯中也存在不同程度的誤差，這些都會對研究結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

4.研究展望

綜上，根據(jù)城市土地利用變化研究的關(guān)鍵問題和不足之處，結(jié)合研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展需要，建議應(yīng)從“模型、系統(tǒng)、實踐”3個方面進行深入研究。其中，城市土地利用變化模型是研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)，系統(tǒng)是模型的有機集成，能讓模型應(yīng)用更加標(biāo)準(zhǔn)和高效，而實踐則是模型和系統(tǒng)的具體應(yīng)用，也是檢驗?zāi)Ｐ秃拖到y(tǒng)以及優(yōu)化模型、改進系統(tǒng)的最有效方法。

4.1 模型優(yōu)化

根據(jù)前述，目前常用的城市土地利用變化模型仍然存在精度、廣度和數(shù)據(jù)等問題，若沒有提出新的模型，則最好的選擇就是通過改進完善現(xiàn)有模型，由此提高城市土地利用變化研究的精度和廣度。如何進一步優(yōu)化模型？是否可以根據(jù)目前模型的固有特點來建立一個統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，例如在多大的研究尺度上優(yōu)先選擇使用CLUE-S模型，馬爾科夫鏈模型的影響因素選擇是否可以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等。在模型本身的結(jié)構(gòu)沒有改變的情況下，通過建立科學(xué)的使用標(biāo)準(zhǔn)體系，將能在一定程度上優(yōu)化模型效力，減少目前預(yù)測研究中存在的結(jié)果精度低、與實際土地利用情況相差較大等問題，由此盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測城市土地利用的未來變化。

4.2 系統(tǒng)提升

城市土地利用變化模型系統(tǒng)也需進一步構(gòu)建和提升。首先要將城市土地利用模型盡快集成到系統(tǒng)中，例如可以作為一個獨立模塊加載到常用的GIS軟件中，也可以獨立開發(fā)單獨的計算機應(yīng)用程序，只有這樣，才能進一步擴大模型的使用率和影響范圍。其次，數(shù)據(jù)是系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，應(yīng)建立統(tǒng)一的城市土地利用變化模型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，城市土地利用變化研究的數(shù)據(jù)來源廣泛、格式標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成了各個模型系統(tǒng)不能有效兼容，導(dǎo)致模型、系統(tǒng)應(yīng)用存在制約。建議建立一套符合國內(nèi)研究習(xí)慣的城市土地利用變化研究數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同模型系統(tǒng)中的“互聯(lián)互通”，由此提高研究的效率和精度。

4.3 加強實踐

任何研究取得進步都要建立在大量實踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上。只有通過實踐，才能檢驗理論、方法的科學(xué)性與可靠性，才能不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而實現(xiàn)不斷優(yōu)化的目標(biāo)要求。城市土地利用變化研究仍是一項需要繼續(xù)發(fā)展改進的工作，在模型的應(yīng)用范圍、參數(shù)設(shè)置、因素選擇上尚未統(tǒng)一意見，這就更需要進行大量有效的實踐應(yīng)用研究來不斷提高模型的有效性。另一方面，也只有通過大量實踐才能更好地探究城市土地利用變化規(guī)律，才能更客觀理性地選擇合適的模型進行城市土地利用變化研究，由此盡可能準(zhǔn)確預(yù)測未來的城市土地利用變化。

5.結(jié)語

土地資源是城市賴以生存發(fā)展的空間支撐，城市土地利用變化研究不僅是土地資源研究的核心問題，更是當(dāng)前全球土地利用可持續(xù)發(fā)展研究的中心，為人們認(rèn)識、理解土地資源特征和規(guī)律打開了一扇新的大門。城市土地利用變化模型則應(yīng)用定量化的方式把城市土地利用變化規(guī)律和特點用一系列可測度的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來，由此為表達(dá)城市土地利用變化和人類社會之間的復(fù)雜關(guān)系構(gòu)建了一個獨特而系統(tǒng)的理論方法體系?？傮w上，城市土地利用變化研究已經(jīng)取得了豐富成果和顯著進展，但也存在一定問題，如在模型有效性、模型精度等方面仍需要提升和優(yōu)化。未來研究應(yīng)重點在模型優(yōu)化、系統(tǒng)提升、加強實踐3大方面展開研究，由此進一步豐富和完善城市土地利用變化研究的框架體系，從而更好地發(fā)揮對城市土地利用可持續(xù)發(fā)展的決策支持作用。