淺談土地利用覆蓋變化驅動力模型

董蕊 蓋艾鴻

摘要：土地利用變化是全球環境變化的主要因素之一。為了研究土地利用和世界環境變化的關系，現已出現了多種土地利用覆蓋變化驅動力模型，包括基于經驗的評價模型和基于物理過程的機制研究模型。但土地利用覆蓋變化模型需要從單一尺度發展為多空間尺度，因此以各類學科交叉重疊為主流的綜合-混合類模型必然成為未來土地利用覆蓋變化驅動力模型的核心。

關鍵詞：土地利用覆蓋變化模型;多空間尺度

隨著人口的增長和科技的完善，為了滿足人類日益增長的物質文化需求，人類在生產生活中會持續改變土地的使用形態，這直接導致了土地利用范圍擴張、利用程度加強，也改變了地球表層形態、以及生物物理循環和生物物種的平衡，造成全球氣候的顯著變化（羅湘華，2000）。近年來我國大舉建設，大力發展基礎設施，在全國各個區域均迅速發展的基礎上，也暴露出粗放式建設導致的土地浪費等問題。因此，在我國討論土地利用覆蓋變化的驅動力因子和模擬未來發展趨勢不僅是為土地節約集約利用打下良好基礎，更是因為現在學術界普遍主要認為土地利用覆蓋變化是生態環境的驅動因素之一，是通過“人類-環境”間的復雜相互作用進而對全球環境造成影響。

土地利用覆蓋變化目前的研究方向主要有，第一，土地利用覆蓋變化模型作為一個過程預測模型，可謂土地利用管理和政策制定參考性依據，未來會向多元和精準化方向發展;第二，土地利用覆蓋變化模型的時空變化格局正經歷從單一的非空間模型向空間模型融合的過程，但目前各種模型對時間機制的考慮均有所不足;第三，土地利用覆蓋變化系統現有模型的反饋機制研發比較落后，導致模型建立后的精確度無法判斷;第四，以往模型多為局部均衡分析模型，未來土地利用覆蓋變化應從“人類-環境”這一高層次角度解決科學難點問題;第五，土地利用覆蓋變化的未來的發展趨勢是多層次、多尺度的綜合研究。雖然目前模型已經從單一尺度發展為多空間尺度，但尺度上仍是模型研究中值得深入研究的重點問題;第六，需要研究建立一個針對土地利用覆蓋變化模型的統一標準和規范，并且為了提升模型模擬效果而規范其參數選擇。

人們主要開發引入社會驅動力的土地利用覆蓋模型，除了基于經濟理論的空間評價模型，還有更廣泛的基于更高尺度的綜合模型。但無論哪種模型，都沒有全面解釋土地覆蓋變化的機理過程，無法精確預測未來的發展趨勢。

一、土地利用覆蓋變化模型的相關問題

（一）區域尺度

大部分區域尺度的土地覆蓋變化模型既沒有強調結構復雜性，也沒有強調功能復雜性，其局限于單個學科或單個過程中。這意味著大尺度的模型需要用新的結構建立。簡單來說，就是在分析空間變化模擬的過程中，綜合考慮多個因素的共同作用，不可只局限于一種或者一類因子。而因素的選取也應該遵循模型尺度的依賴性選取，小尺度模型選取小型因子，大尺度模型選取大型因子。比如做區域小尺度，則需要選擇社會性數據和交通通達度就可以實現;涉及景觀尺度就應選取地形數據和氣候變化數據;當涉及到區域大尺度時，空間環境數據、宏觀經濟以及人口數據的機械變化和自然變化就成了驅動土地利用覆蓋變化的最主要動力。

一般情況下，不同的尺度分析，所選取的決定因子也有著極大的不同。目前已有研究提出兩種方法處理可尺度依賴性，一是使用不可變換的固定區域尺度，通過回歸分析，改變其分辨率和范圍。二是為某種特定的目標而改變分析的尺度。

（二）數據

土地利用覆被變化模型的主要問題是數據的合理選取和數據的創造性使用。數據的合理選取涉及到空間范圍的限制，如何正確選取數據，可能影響最終的擬合結果，數據的錯誤選擇會導致產生不一致或者低效率的評估結果。數據的更好運用會使空間過程預測更為精準，更為直接。如果錯誤使用數據或遺漏某些關鍵數據，則會因為上述的尺度數據依賴而導致產生錯誤的相關性。

（三）數量和位置

上述模型能通過模型模擬，解決土地利用覆蓋變化的空間動態和土地利用覆蓋的變化速率。在模型中，主要確定引起空間變化的決定性因素——自然和文化景觀的屬性。這樣的研究過分強調了一些空間因素，如道路、土壤類型及地形。但在實際情況中，決定變化速率的深層次根本驅動力在空間和時間上是間接的。

二、現有土地利用覆蓋變化模型分類

（一）基于行為者特質的土地利用＼覆被變化模型（ABM＼土地利用覆蓋變化）

ABM＼土地利用覆蓋變化是源于計算機學科，是通常作為一個多決策系統實現。它分為單元模型和行為者模型（Agent-Based 、ABM）兩部分，該模型允許在模擬過程中考慮行為者的異質性和獨立性排他性以及環境因素，可以明確表達空間變化過程、相互作用，并應用于多尺度。

1. 經驗統計模型

基于經驗的統計模型采用多元統計分析法，通過對某些主要環境因子貢獻率分析的影響，確定土地利用變化的外部機制。該模型利用輸入外部經驗值從而判斷土地利用的變化速率，通過多元回歸分析確定土地利用覆蓋變化的驅動因素。該模型可以用于土地利用覆蓋變化預測中數據的校準工作，但只能對有歷史變化數據的且土地利用變化強烈的地區進行預測，對經驗數值較少的區域預測結果較差。

基于經驗的統計模型優點對從復雜的土地利用系統過程中分解出主要驅動因素，抓住主要矛盾較有利，且可以確定土地利用變化與驅動因素的定量關系。

其缺點是：因變量的確定及量化。在多元回歸模型中，對因變量的統一量化方法往往由于外部環境的復雜性而難以確定。自變量問題。土地利用變化的驅動因子往往是復雜且相互影響作用的，這種聯動機制可能會增強或者削弱因子的驅動作用，并且自變量和因變量的劃分也不是絕對的。在土地利用系統中，不同尺度的許多人類活動和生物物理循環都是是互相聯系，相互作用的。

2. 最優化模型

該模型類似經濟學中的“理性人”假設，通過假設個人的行為方式是對其自身最有利的，而基于利益最大化原則選用的分析方法，一般較常用線性分析。

（二）基于過程的動態模型方法

該模型可模擬土地利用覆蓋變化過程及以后的發展，著重考慮系統中所有主要因素的相互作用，可以展現其內部機理運作模式。

1. CA元胞自動機模型

CA模型是一種時空狀態離散的動力學模型。CA模型將狀態分為很多格子，每個格子都劃分為大小確定的元胞，每一個元胞都有一個特定的狀態，而其未來發展趨勢是由根據區域制定的條件轉換規則決定的。每一個元胞都遵從同樣的轉換規則，但模型時間是不連續的，所以元胞狀態更新也是不同步的。

其優點是：該模型可以模擬復雜系統過程，使整個過程具有空間結構并且可視化，對分析未來系統的發展趨勢很有利，且給出相應的情景分析示例。

但是其缺點也同樣突出：雖然人類主體重要模型用人為指定的轉換規則替代人類決策;參與主體沒有固定位置，而領域關系又不能表現實際的空間相關性，這就會產生導向問題。

2. Agent-based模型

該模型的目標是人類行為，它可以實現模型模擬的尺度上推。該模型的主體可以是土地管理個體，也可以是群體或社會組織，Agent模型可以用來模擬人類的決策過程，但不可以模擬土地變化的空間動態。

（三）混合、綜合模型

該模型為尋找解決問題的最優手段，會針對對不同的問題，可使用不同的模型方法組合。該模型的優點是可以針對區域尺度的空間變量數據動態模擬，并且在模擬過程中可視且細化，一般被應用到決策支持系統上。所以綜合模型可以幫助土地利用者實施最有效的土地規劃。

這類模型一般是綜合各個模型的優點，可以解決待定問題，例如CLUE-S模型是在小尺度區域的應用。其特點是：用明確的空間數據，模擬土地利用變化及結果，其分辨率由模型的基礎數據和范圍決定;可以模擬在土地利用不同類型動態變化的同時，確定土地利用覆蓋變化的時間、空間分布動態;與其它模型相比較，此類模型不僅可分析現狀機理，還可模擬出未來發展趨勢。

三、結語

土地覆蓋利用變化驅動力模型使用怒分析土地利用變化的現狀、發展趨勢和主要驅動力以及驅動機制的組成。綜上所述，每一種模型都有各自的適用范圍和適合解決的問題，但都不是最全面和最完善的。目前現有的研究重點都集中于過程研究或者經驗研究，但與基于經驗的統計模型比較，基于過程的動態模型對土地利用覆蓋變化驅動力和發展趨勢有更強的預測能力，但過于注重數據模擬會忽視其它經濟因素對土地利用覆蓋變化的影響。基于經驗的統計模型可以通過總結經驗和分析行為彌補數據處理的漏洞，但又有可能忽視土地利用變化過程中存在的生態系統機制調節而產生的其它影響。由于目前關于土地利用覆蓋變化的驅動力因素以及驅動機制越來越復雜多變，因此交叉混合了各類學科背景的混合-綜合類模型將是土地利用覆蓋變化模型模擬未來的研究熱點和發展趨勢。

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（作者單位：甘肅農業大學管理學院。蓋艾鴻為通訊作者）