基于CA 模型的土地利用模擬研究

黃永堅 陳科玚 閆茂華 王景輝 張學虎

（1中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2廣東工業(yè)大學管理學院，廣東廣州 510520；3寧波市自然資源整治儲備中心，浙江寧波 315042；4中國地質(zhì)大學水資源與環(huán)境學院，北京 100083；5自然資源部礦山生態(tài)效應(yīng)與系統(tǒng)修復(fù)重點實驗室，北京 100081；6中國地質(zhì)科學院，北京 100037）

土地利用（即土地覆蓋變化LUCC）是對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響的重要因素。土地利用研究的一個重要方法和手段就是對其進行建模和模擬，這也是進行有關(guān)土地利用驅(qū)動機制等方面研究的重要工具。元胞自動機CA 由一系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成[1-2]，因其時空建模能力強大，已成為當今全球土地利用研究進行模擬的主流模型。為此，本文梳理了CA模型在土地利用模擬中的相關(guān)文獻，總結(jié)了CA模型在土地利用模擬中的研究進展，并討論了土地利用模擬的發(fā)展方向。

1 研究思路與研究內(nèi)容

1.1 研究思路

基于循證管理思想的系統(tǒng)文獻回顧法[3-4]，以結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的研究步驟，采用明確的篩選標準對傳統(tǒng)文獻回顧法本身所固有的局限性進行彌補，以增強研究的客觀性與說服力，對“CA 模型是什么（What）”“CA 模型的前因與后果（Why）”及“如何有效模擬未來土地利用（How）”3 個根本問題進行綜述。第1 步：設(shè)定研究目標。系統(tǒng)梳理國內(nèi)外在土地利用模擬中CA 模型的研究現(xiàn)狀，將構(gòu)建CA 模型研究的知識框架作為本文研究的主要目的。第2步：明確概念邊界。CA模型概念的明晰，有利于理解其優(yōu)越性和不足之處，從而有針對性地提出解決問題的辦法。第3 步：二次人工篩選。對于原始文獻中可能有與研究目標不相稱或不符合的內(nèi)容，需要進一步篩選剔除[5]。①剔除非學術(shù)類文獻，如會議通知、會議綜述、新聞通訊等；②CA模型應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，要明確的是CA模型在土地利用模擬領(lǐng)域的應(yīng)用，對文獻的研究對象以及其實施目標進行比較與判別，若偏向于其他領(lǐng)域，則予以剔除。第4 步：樣本編碼。首先，按照本文的研究目標，根據(jù)以下4個方面對收集到的文獻進行獨立編碼：①文獻基本信息，即出刊時間、作者、作者單位、研究對象、文獻來源及寫作目的；②CA模型的內(nèi)涵；③CA模型的前因后果；④如何有效模擬未來土地利用。然后，確定最終的框架構(gòu)成要素。最后，圍繞文獻編碼所形成的框架報告研究結(jié)果。

1.2 研究內(nèi)容

參考學者[6]觀點，按照是什么（What）、為什么（Why）和怎么辦（How）3個基本問題，梳理并提煉文獻編碼內(nèi)容，構(gòu)建現(xiàn)有CA模型研究知識框架。研究框架如圖1所示。

圖1 CA模型研究知識框架

2 結(jié)果與分析

2.1 CA模型是什么（What）

2.1.1 土地利用模擬模型近年來，主要有ABM模型、DLR模型和CA模型等用于區(qū)域土地利用模擬方面的研究。ABM 模型由多個彼此互聯(lián)的智能體Agent 組成，其更能反映復(fù)雜的人地關(guān)系，其在模擬土地利用變化的時候會將復(fù)雜空間決策行為及人文因素考慮在內(nèi)[7]，如政府、利用者、開發(fā)商等多種人文主體。DLS模型從宏觀和微觀2個方面，系統(tǒng)探測表征某土地系統(tǒng)在時間和空間上的演化過程，實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的土地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化及格局演變的動態(tài)模擬[8]，可以明確折射出區(qū)域社會經(jīng)濟和自然系統(tǒng)對土地利用變化的影響。CA 模型能與GIS、RS 數(shù)據(jù)高效接合，極大地提高現(xiàn)有GIS 分析復(fù)雜自然現(xiàn)象的能力和時空動態(tài)建模的功能[6，9]。但在城市模擬過程中CA 模型偏重于自然環(huán)境因素，對于造成土地利用變化的人文影響因素考慮較少，因此在運用的時候要與其他模型結(jié)合，進一步挖掘轉(zhuǎn)換規(guī)則，以增強其模擬效果。

2.1.2 發(fā)展歷程20世紀70年代，大量學者先后對CA 模型進行了系統(tǒng)深入的理論研究、對城市CA研究展開了大量工作[10-15]，進一步完善CA模型的理論框架、拓展了其應(yīng)用。20 世紀90 年代末，我國開始應(yīng)用CA 模型與其他模型相結(jié)合來預(yù)測城市空間演化發(fā)展。周成虎[1]、何春陽[9]、黎夏[6，11]、劉小平[13，16-17]和楊青生[18-19]等都對CA 模型的城市擴展模擬研究作出了積極貢獻，提出了“地理元胞自動機”（GeoCA）的概念，并在DUEM模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了GeoCA-Urban 模型[1]以及提出將地理特征、地貌實體等內(nèi)容添加到CA模型的構(gòu)建方法。

2.1.3 類型多年來，隨著學者們的深入研究，CA模型的研究呈現(xiàn)多元化發(fā)展的特點，極大地豐富了其內(nèi)涵。CA按照維數(shù)可以分為一維CA、二維CA和三維CA。一維CA的元胞在一條直線上等間距排列，每個元胞只有前后2個鄰居元胞。一維CA主要被用來模擬交通流，學者們[20-22]利用一維CA來模擬高速公路或城市交通環(huán)線上的一維交通流后加入了速度變量，之后又進行簡化等多次改進。二維CA的元胞分布在一個平面上，其鄰域的定義與表示就相對復(fù)雜[23]。通過某些簡單的規(guī)則CA 模型就可以改變元胞狀態(tài)，從而使土地利用產(chǎn)生宏觀的明顯的變化結(jié)果，目前我國關(guān)于土地利用模擬工作絕大部分是以二維CA進行的。三維CA的元胞分布在三維空間中，其鄰域元胞的獲取比二維更復(fù)雜，目前應(yīng)用范圍不如二維廣泛。

2.1.4 研究現(xiàn)狀

2.1.4.1 轉(zhuǎn)換規(guī)則研究轉(zhuǎn)換規(guī)則對于模擬結(jié)果的可靠性和合理性起著決定作用，是土地利用模擬的重點和關(guān)鍵。近年來，國內(nèi)學者將CA模型與多學科模型進行結(jié)合，提出了利用Logistic 回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN、主成分分析、多智能體、FLUS、馬爾科夫鏈等方法獲取CA模型的轉(zhuǎn)化規(guī)則和參數(shù)[24-27]。

2.1.4.2 元胞大小和形狀研究標準元胞自動機模型的元胞一般具備相同轉(zhuǎn)變規(guī)則的幾何形狀，如正方形、正六邊形等，是按照相同規(guī)則且嚴格定義鄰域范圍的元胞來構(gòu)成的，這與現(xiàn)實中紛繁復(fù)雜的土地利用類型并不相符[28-29]。有學者探索用不規(guī)則的元胞來代替規(guī)則元胞來構(gòu)建模型，如，劉興權(quán)等[30]利用二分Logistic 回歸方法，引入鄰域因子，并建立了可控鄰域元胞自動機模型，成功模擬并預(yù)測了長沙市區(qū)及其周邊地區(qū)的城市擴張過程。

2.1.4.3 矢量元胞自動機的研究因柵格數(shù)據(jù)易于匹配遙感數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計算方便等優(yōu)點，現(xiàn)有的CA模擬研究中大都是以柵格數(shù)據(jù)的像元作為元胞[31-33]。基于柵格數(shù)據(jù)建立的元胞自動機模型，元胞形狀統(tǒng)一、大小一致，但是現(xiàn)實中大部分地理實體都是不規(guī)則的形狀，將對模擬結(jié)果造成影響。因此現(xiàn)階段學者們探討如何用矢量數(shù)據(jù)來代替柵格數(shù)據(jù)，以使其模擬結(jié)果更貼合現(xiàn)實。

2.1.4.4 多種土地利用類型之間的演變?yōu)榱隧憫?yīng)近年來提出的國土空間規(guī)劃、閑置宅基地整治等措施，土地利用模擬也需作出相應(yīng)變動[34-36]。以往的土地利用模擬往往只是模擬非城市用地到城市用地的轉(zhuǎn)變，隨著土地利用的集約化、高密度化利用趨勢，單一的土地利用類型轉(zhuǎn)化方式已不合時宜。比如，有學者利用2 種方案對廣州市未來土地利用方案進行CA預(yù)測模擬的對比研究等[37]，因此多種土地利用類型之間的演變模擬成為相關(guān)專業(yè)學者新的研究方向。

2.2 CA模型的前因后果（Why）

2.2.1 研究進展現(xiàn)有CA 模型的研究在2 個方面得到了發(fā)展：①虛擬城市模擬與理論驗證。在地理學領(lǐng)域，CA模型早期用于對虛擬城市的模擬和某些城市理論的驗證上。如，應(yīng)用CA對虛擬城市進行模擬時，余洋等[38]證明了即使很復(fù)雜的宏觀格局，通過CA 簡單的部分規(guī)則就可以形成。②現(xiàn)實城市模擬與規(guī)劃評估。隨著CA理論和應(yīng)用的日臻成熟，學者們應(yīng)用城市CA 模擬現(xiàn)實中城市的擴張、蔓延等。比如，馬世發(fā)等[39]用CA模型評估預(yù)測土地規(guī)劃是否合理，是否達到規(guī)劃目的。郭歡歡等[40]將多主體與元胞自動機結(jié)合，初步探討并分析了該模型的應(yīng)用優(yōu)勢及存在問題。

2.2.2 存在問題通過梳理相關(guān)文獻可以發(fā)現(xiàn)，目前CA 模型的研究主要存在以下3 個問題：①Kappa 等驗證模型精度的指標存疑。國內(nèi)學者們的研究通常是CA 模型上套取研究區(qū)以往一段時間的數(shù)據(jù)，得到模擬結(jié)果后與已發(fā)生的結(jié)果作比較來論證模型精度，Kappa≥0.75 就能得出模擬結(jié)果與現(xiàn)實結(jié)果一致性較好的結(jié)論[41-43]。但在對研究區(qū)進行模擬時，一般來說城鎮(zhèn)用地的面積、比例是最大的，而學者們設(shè)定的模擬時間一般是未來的10~20 年，短時間內(nèi)那些占比小的非城鎮(zhèn)用地原本變化就不大，作為基數(shù)最大的城鎮(zhèn)用地面積已經(jīng)對Kappa 等指標作了極大的解釋成分，因此即便模型預(yù)測精度一般，也不會對Kappa 等指標造成大的影響，那僅靠這類指標如何能說明模型可行呢？②模擬所用的數(shù)據(jù)都是研究區(qū)往年的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，用來預(yù)測未來的土地利用欠妥。一般情況下用間隔較短的數(shù)據(jù)來模擬未來利用的誤差是較小的[44-47]，但得排除個別極端事件的發(fā)生，如我國2016 年全面放開二胎政策和2020 年發(fā)生的新冠疫情，人口的井噴式增長和經(jīng)濟的停滯都是影響極大的不可預(yù)測事件，再用以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來預(yù)測未來所得出的結(jié)論明顯偏頗，因此要謹慎選擇基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所選擇的數(shù)據(jù)要具有普遍性。此外還要探討新的方式來預(yù)測模擬，利用動態(tài)的、時效性強的數(shù)據(jù)或動力模型會使得結(jié)果更準確。③近年來，學者們把CA 模型和多學科模型結(jié)合進行模擬，或是加入更多的變量因子、追求更復(fù)雜精細的轉(zhuǎn)化規(guī)則來提高模擬精度，忽視了土地利用模擬的根本目的。模擬精度固然重要，但對未來土地利用的模擬原本是為政府規(guī)劃、決策提供參考的，最終目的是服務(wù)于現(xiàn)實生活的[48-50]。因此，應(yīng)該在模擬相對“準確”的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的、有效的措施來改善現(xiàn)狀，而不是一味追求“精確”。

2.3 如何有效模擬未來土地利用（How）

在新的時代背景下，信息、科技和全球化發(fā)展迅猛，有必要進一步認識和理解城市地理系統(tǒng)演變的基本機理和規(guī)律，向大尺度城市擴展CA 模型、描述微觀細致的方向轉(zhuǎn)變[51-54]。為此，本文針對以上提出的現(xiàn)狀和不足，為CA模型的進一步研究提出自己的見解。

2.3.1 二維模型向三維模型發(fā)展在高樓林立的現(xiàn)代城市，若僅用二維空間動態(tài)發(fā)展的模擬，已不能滿足準確描述現(xiàn)代城市空間的發(fā)展變化。正如前文提到的對未來模擬“不準確”的問題，已有的土地利用模擬模型大多基于二維平面角度，無論再結(jié)合更多的模型或者是考慮更多的因子變量，始終是需要突破到三維地理空間的。因此在構(gòu)建CA 元胞空間時，需要充分考慮建筑物高度、建筑物三維形態(tài)的影響，提高土地利用的模擬精度、準確度將是重要的發(fā)展方向和趨勢[6，9]。

2.3.2 結(jié)合地理時空大數(shù)據(jù)傳統(tǒng)的土地利用數(shù)據(jù)主要來源于地區(qū)統(tǒng)計年鑒或具體的樣本調(diào)研數(shù)據(jù)，所得出的模擬結(jié)果缺乏普遍性和可復(fù)制性。近年來，隨著大數(shù)據(jù)信息的發(fā)展，挖掘個體行為空間再結(jié)合時空數(shù)據(jù)、城市擴張CA 模型和諸如ABM 模型等，使綜合模型不僅能反映人地交互關(guān)系，而且比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模擬更真實精準體現(xiàn)個體屬性。

2.3.3 高性能并行元胞自動機隨著全球信息化發(fā)展的趨勢和全球生態(tài)環(huán)境變化整體研究的深入，土地利用模擬研究將向著大區(qū)域尺度的方向發(fā)展。為了滿足城市精細化發(fā)展的需求，城市CA的數(shù)據(jù)信息和運算時間會呈指數(shù)級增長，在實際應(yīng)用時要達到此類運算的要求，高效率的CA并行運算算法就顯得格外迫切[54]。結(jié)合目前已有的圖形處理器GPU通用計算技術(shù)與地理元胞自動機構(gòu)建GPU-CA 模型，在保證模擬結(jié)果有效性的基礎(chǔ)上可大大提高計算效率[21]。

3 討論與結(jié)論

本文通過對元胞自動機模型的類型、發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀、研究進展、存在問題和未來發(fā)展方向等內(nèi)容進行了論述和分析，將以上知識模塊構(gòu)成1 個元胞自動機模型研究的“2W1H”知識框架。通過文獻梳理，在“CA 模型是什么（What）”上，發(fā)現(xiàn)土地利用模擬模型包括DLR、ABM、CA 等模型，通過整理CA模型的發(fā)展歷程，按照模型維度劃分成一維、二維和三維3種類型，并有轉(zhuǎn)換規(guī)則研究、元胞大小和形狀研究、矢量元胞自動機和多種土地利用類型之間的演變4 個研究熱點；在“CA 模型的前因后果（Why）”上，分析了已有研究中的相關(guān)進展和存在問題；在“如何有效模擬未來土地利用（How）”上，根據(jù)CA模型在土地利用模擬的現(xiàn)狀和相關(guān)研究，對未來的研究方向和內(nèi)容提出建議和參考。

然而，由于研究按照框架模塊進行分析，在一定程度上弱化了成果階段發(fā)展特征與具體內(nèi)容。未來，相關(guān)研究可以按照不同階段對有關(guān)內(nèi)容加以豐富、完善，逐步實現(xiàn)對元胞自動機模型知識模塊與知識框架動態(tài)變化的綜合分析與趨勢研判。