土地利用/覆被变化分析方法研究

丑庆川，胡 涛 ，何诗雨 ，史秀华

(1.深圳大学生命科学学院，广东深圳 518060； 2.深圳大学高尔夫学院，广东深圳 518060)



土地利用/覆被变化分析方法研究

丑庆川1，胡 涛1，何诗雨1，史秀华2*

(1.深圳大学生命科学学院，广东深圳 518060； 2.深圳大学高尔夫学院，广东深圳 518060)

土地利用/覆被变化一直以来都被认为是全球变化的重要组成部分和主要驱动因子之一，近30年来，越来越受到各国相关学者的普遍关注，目前已成为国际学术界研究的焦点和重点。国内外学者基于不同的目的，从不同的角度出发构建了大量模型，以便深入了解土地利用/覆被变化的驱动因素和机制，预测其未来发展变化趋势。该研究从土地利用速度、土地利用程度、土地利用变化趋势和土地利用的景观指数等方面研究土地利用动态变化的模型，其中重点介绍当前应用最广泛的模型，同时为土地利用/覆被变化模型的未来发展指明方向。

模型；动态变化；土地利用/覆被变化；预测

土地利用/覆被变化(Land Use and Cover Change，简称LUCC)包含两层不同却又密切相关的含义，即土地利用和土地覆被[1-2]。20世纪90年代以来，土地利用/覆被变化被认为是全球变化的重要组成部分和主要驱动因子之一[3]，越来越受到各国相关学者的普遍关注，目前已成为国际学术界研究的焦点和重点[4]。国际上自1993年国际科学联合会与国际社会科学联合会联合成立了土地利用/覆被变化核心项目计划委员会后，一些积极参与全球环境变化的国际组织和国家纷纷跟进，启动了各自的土地利用/覆被变化研究项目[5]。

近年来国内学者也在土地利用/覆被变化方面做了大量研究[6-17]，主要集中在土地利用/覆被变化状况的评估、土地利用/覆被变化的建模与预测、土地利用/覆被变化的集成技术研究、土地利用/覆被变化的驱动力研究、土地利用/覆被变化的景观生态学理念等方面，从不同的角度出发构建模型，深入了解土地利用/覆被变化的成因和过程，预测未来发展变化趋势。笔者从土地的“过去-现在-未来”出发，主要从土地利用速度、土地利用程度、土地利用变化趋势和土地利用的景观指数等方面重点介绍研究土地利用动态变化的模型。

1 土地利用速度

1.1 单一类型土地利用速度单一类型土地利用速度又称土地利用类型的动态度，是指某一时间范围之内研究区域内一种土地利用类型的数量大小变化情况[3,18-24]，其表达式为：

式中,R指某一时间范围内某一土地利用类型的利用速度；Ua、Ub分别指研究初期、研究末期某一土地利用类型的土地利用数量；T是研究的时间跨度，当T以年记时，R值就是某种土地利用类型的年变化率。

1.2 综合土地利用速度综合土地利用速度又称综合土地利用动态度，是用来反映区域内土地利用变化的综合速度[3,19,21-24]，其表达式为：

式中,Lc指研究时间段内研究区域的综合土地利用速度；Ai指研究初始第i类土地利用类型的面积大小；ΔAi-j指研究时间段内第i类土地利用类型面积数量转为非i类土地利用类型面积数量的绝对值；T指研究的时间跨度(a)。

2 土地利用程度

土地利用程度是反映人类对土地进行利用的深度与广度的概念，它体现的是土地利用中土地的自然属性、人为因素和环境因素的综合效应[23]。借鉴刘纪远[25]等建立的土地利用程度数量化综合指标体系，并赋予不同土地利用类型土地利用程度指数。

2.1 土地利用程度综合指数土地利用程度综合指数反映的是土地利用/覆被变化的总体变化趋势[3,23-26]，其表达式为：

Lj=∑(Ai×Ci)

式中,Lj指研究区域内的土地利用程度综合指数；Ai指研究区域内第i类土地利用类型的土地利用程度指数；Ci指某研究时间跨度内研究区域内第i类土地利用类型面积占总研究区域面积的百分比。

2.2 土地利用程度变化土地利用程度变化是指在特定研究区域内，不同土地利用类型在某一时间跨度内共同变化作用的结果，它可对研究区域内土地利用的动态变化及变化方向从变化量和变化率两个层次进行定量揭示[3,24]。土地利用程度变化量D和变化率λ表达式分别为：

式中,D为研究的时间跨度内段研究区域的土地利用程度变化量；λ指研究的时间跨度内研究区域的土地利用程度变化率；Ai指研究区域内第i类土地利用类型的土地利用程度指数；Cit1和Cit2分别指研究初始期和研究末期研究区域内第i类土地利用类型的面积百分比；t1和t2分别指研究始初期和研究末期。

2.3 土地利用类型变化剧烈程度土地利用类型的变化剧烈程度是指某一时间跨度内研究区域内不同土地利用类型之间相互转化的速度，其可定量揭示研究区域内不同土地利用类型的动态变化及变化方向[19]，其表达式为：

式中,S为与时间T对应的究区域土地利用类型变化剧烈程度，为方便将其扩大10倍；Si为研究初始期第i类土地利用类型的面积数量；ΔSi-j为研究时间跨度内第i类土地利用类型面积数量转化为非i类土地利用类型面积的绝对值；T为研究时间跨度的长度，通常为年。

3 土地利用类型变化趋势模型

模型是研究土地利用/覆被变化的重要工具[27]，土地利用类型变化趋势模型可对未来土地利用/覆被状况进行模拟和预测[28]。目前，预测土地利用类型变化趋势模型有：马尔科夫模型[19,29-30]、元胞自动机模型[31-40]、系统动力学模型[29,41-44]、CLUE模型[45-53]、多元统计模型[54-59]、回归分析模型[29-51]、类似杜能模型[60]、智能体模型[61-69]等多种模型，但其中马尔科夫模型和元胞自动机模型的接受度最高且应用最为广泛，故该研究重点介绍这2种模型的基本原理。

3.1 马尔科夫模型马尔科夫模型是利用某一运动系统的现在状况及其发展动向预测该系统未来状况的分析方法[29]。在马尔科夫模型中较常用的是一阶马尔科夫过程，即一个运动系统从某一特定的t时刻状态运动到t+1时刻状态的概率只和t时刻状态有关，而与其他时刻的状态无关[19]。马尔科夫模型的基本方程为：

马尔科夫模型成功应用的关键在于对其转移概率的确定，一阶马尔科夫模型主要应用于较小空间尺度的土地利用/覆被变化中[29]。土地利用/覆被变化中建立马尔科夫模型的前提是土地利用/覆被转移概率固定不变，而受到社会经济驱动的土地利用/覆被转移概率在长时间尺度内是不可能不变的，因此该模型只适合短期的预测[30]。

3.2 元胞自动机模型元胞自动机是一种简单的通过局部转换规则来模拟复杂空间结构的模型[31]，一个标准的模型由元胞、空间、邻居和转换规则组成，空间被分割成规则的网格，每一个网格即为一个元胞，每个元胞具有一个状态，每个元胞各自的状态随时间而变化，每个元胞都是根据局部规则来更新状态[32]。即每一个元胞在某一特定时刻的状态只决定于上一时刻该元胞的状态和与该元胞相邻的所有元胞上一时刻的状态[33-34]。常规的标准模型可以简单地表达如下：

St+1=f(St,N)

式中,S是状态；N是邻居；f是转换函数；t是时间。

在土地利用/覆被变化的模拟中，元胞一般代表地块信息，每一个元胞的状态由模型的转换规则决定[35]。转换规则被认为是元胞自动机的核心，目前已有包括多准则判断[36]、逻辑回归[37]、人工神经网络模型[38]、蚁群算法[39]、人工免疫系统[40]等多种方法来确定CA模型中转换规则的参数。

4 土地利用类型的景观指数和数量结构多样性模型

4.1 景观偏离度景观偏离度是指人为建造的人文景观对自然景观的偏离程度。这一指标主要从数量上揭示人类活动对景观改变的程度，数值越大说明人文景观占的比重越大，表明人类对自然的改造越多[20]。其表达式为：

式中，M为景观偏离度；Sa、Sb、Sc、Sd、Se和Sf分别为研究区域内各种建设用地、人工水域、耕地、园地、人工林地和人工草地的面积；S总为研究区域的总面积。

4.2 景观多样性景观多样性是指不同的景观类型在空间结构，功能机制和时间动态方面的多样化和变异性，它反映的事景观的复杂性。引入景观多样性的公式来计算土地利用类型的多样性，其指数越大，说明多样性越多[20]。表达式为：

式中，H(V)为多样性指数;pi为i景观所占的百分比;n为变量数。

4.3 土地数量结构多样性指数模型区域土地利用/覆被类型数量结构多样性指数可以用于定量评价区域内各类土地利用/覆被类型的齐全程度和多样化状况[16]，进而分析人类活动对土地的影响程度[23]。故采用Gibbs-Mirtin多样化指数来度量，其模型为：

式中，GM指多样化指数;Si指第i种土地利用类型的面积。

5 展望

近20年来，随着土地利用/覆被变化研究的不断深入，国内外学者在土地利用/覆被变化分析方法所代表内涵上的看法基本趋于一致；土地利用程度反映的是人类对土地进行利用的深度与广度，可定量揭示区域内土地利用的动态变化及变化方向[23]；预测模型是对未来土地利用/覆被状况进行模拟和预测的重要工具等[28]。

随着GIS和遥感技术的不断发展，不断涌现出许多新的进行土地利用/覆被变化研究的方法，社会因素和经济因素对土地利用/覆被变化的不断影响在新方法的探索中越来越受到重视。传统分析方法将不能满足对新技术条件下获得的数据的分析要求，因此，急需更多的理论研究来不断提出新的分析方法以满足大数据条件下的土地利用/覆被变化研究。

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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

深圳湾红树林结构调控及修复技术研究与示范项目(2013KJCX011-04)。

丑庆川(1988-)，男，甘肃庆阳人，硕士研究生，研究方向：景观与湿地资源。*通讯作者，教授，博士，从事环境保护研究。

2015-03-02

S-03

A

0517-6611(2015)10-301-04