城市土地利用變化模型研究進展與展望＊

張博航 王琛

（西南林業大學生態與環境學院，云南昆明 650224）

在目前全球面臨的資源、環境、人口、糧食等4大基本問題中，資源及其開發利用位于首要位置，其中城市土地資源開發與利用更是直接關系到人類生存與可持續發展。因此，城市土地利用是一個經典的研究命題和領域。近年來，隨著遙感、地理信息系統等空間信息技術的發展與進步，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略價值和意義的基礎性研究?？傮w上，城市土地利用是當前全球可持續發展的核心問題之一，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域?；诖?，為了更好地促進土地利用變化研究，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利用方式而實現。城市土地利用變化不僅改變了城市土地利用結構、大地景觀格局、生態環境面貌，更重要的是其對城市生態系統的物質循環、能量流動產生重要而深刻的影響，將能改變土壤的水分、養分組成以及土壤風化、侵蝕等的時空分布和演變。城市土地利用變化預測分析以城市土地利用和變化預測為研究的兩個基本支撐，以城市土地利用預測為研究中心，目的就在于通過對城市土地利用進行研究和預測，并應用一定的方法，以城市土地影像數據地圖等為基礎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狀和預測城市土地利用的未來情景，同時要保證這種模擬和預測具有合理性及準確性?？傊?，城市土地利用變化預測研究的落腳點始終是土地本身，其根本任務就是要挖掘、演示一個關于土地利用的復雜關系，因此，土地利用變化預測模型是城市土地利用變化研究的基本支撐工具，對于研究結果的科學性具有重大意義。

1.2 關鍵問題

在城市土地利用變化研究中，模型是一個關鍵步驟和環節，其是土地利用變化研究的基礎與核心，土地利用的變化、土地利用類型的轉化都可以通過模型以數字和公式等形式直觀表達，由此為城市土地利用變化預測提供決策支持。當前，城市土地利用變化研究中常用的模型有神經網絡模型、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，結合GIS、遙感等空間分析技術，選取適宜的城市影像數據，并對數據進行預處理、解譯、校準、輸入模型、運算模型，從而得到城市土地利用變化預測的研究結果。本節將重點介紹較為廣泛應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測中，通過應用馬爾科夫鏈模型，可以獲得未來土地利用的變化預測結果。通常，城市土地利用的馬爾科夫鏈模型要確定當前研究區的土地利用類型、要建立狀態概率取向、要建立土地利用轉移概率矩陣，由此得到未來城市土地利用的變化預測結果。在應用方向上，馬爾科夫鏈模型可以預測城市土地面積的增減情況、土地利用類型的相互轉化情況、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模型，其主要功能是能夠模擬城市土地利用的動態變化，進而對城市土地利用進行時空動態預測，揭示未來城市土地利用變化在不同情景下的格局和狀態，獲得城市土地利用變化的特征和規律。CLUE-S模型可以預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測，但兩者也有一些區別。馬爾科夫鏈模型能夠更好地模擬預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換，而CLUE-S模型更長于模擬預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。在具體應用這兩個模型時，要根據研究需要和城市特點，來選擇相對更為合適的模型。

2.應用研究

目前，城市土地利用變化研究已經得到廣泛認可，已在全球多個國家得到積極應用。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果的分析來闡釋城市土地利用系統的變化過程、狀態和趨勢，由此為城市土地利用變化預測提供決策支持。

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查與研究延續至今。目前，國內外已廣泛運用城市土地利用變化預測模型開展各種相關研究，并取得了豐富成果。比較有代表性的成果包括：Karna等構建了基于CA-Markov的預測模型，并應用模型對城市擴展進行了模擬預測[1]。Lee等則應用了CLUE-S模型，在綜合考慮了多個驅動影響因素后，預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測了南寧市未來20年的土地利用結構[3]?？傮w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模型的發展和應用，為相關地區的土地利用政策制定提供了科學理性的決策依據，這對于優化土地利用結構、科學規劃和高效利用土地資源、推動土地利用的可持續發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測的對象是日趨復雜的土地資源系統，其是一個城市經濟、社會和生態環境高度耦合的復雜系統，而模擬、計算、分析和預測土地利用變化本身就是一件復雜困難和極富挑戰性的工作任務。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，但仍應客觀地分析城市土地利用變化模型對預測分析土地利用變化中存在的現實問題和不足。綜合來看，城市土地利用變化模型是分析預測土地利用變化特征和規律的基礎。如前所述，盡管當前的城市土地利用變化模型已經取得了積極進展，但在技術方法上仍存在進一步改進和優化的必要性，從而使得模型能更加系統、全面地發現城市土地利用變化規律，最終盡可能實現對城市土地利用變化的精準預測。從此點看，當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。本質上看，城市土地利用變化模型應用相應的數學分析方法對未來土地利用的數量、類別進行模擬和預測，而從目前的技術水平看，任何模型在預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測土地利用的數量和類別上取得了很大進展，但在預測未來土地利用的空間格局、結構上仍存在較大不足，尚不能準確預測未來的城市土地利用空間結構。

（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雜的過程，受到眾多自然因素、經濟社會因素的影響。例如，自然災害、氣候變化等自然因素都可能導致城市土地利用發生變化，而人類活動、土地利用政策和規劃、科技進步等經濟社會因素也會影響到城市土地利用的方式和結果。所有這些自然因素和經濟社會因素，都會影響到城市土地利用類型之間的轉移概率，而目前的模型仍難以準確判定和模擬這些因素之間的復雜關系，由此必然會對最終的預測結果產生影響。

（3）城市土地利用數據處理仍需提高精度。數據在城市土地利用變化研究中具有核心作用，數據的精度直接影響到研究結果的科學性與可信度。目前，在城市土地利用變化研究中應用較多的是各種土地利用遙感影像數據，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，這些都會對研究結果的準確性產生影響。

4.研究展望

綜上，根據城市土地利用變化研究的關鍵問題和不足之處，結合研究現狀和未來發展需要，建議應從“模型、系統、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用的基礎，系統是模型的有機集成，能讓模型應用更加標準和高效，而實踐則是模型和系統的具體應用，也是檢驗模型和系統以及優化模型、改進系統的最有效方法。

4.1 模型優化

根據前述，目前常用的城市土地利用變化模型仍然存在精度、廣度和數據等問題，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。如何進一步優化模型？是否可以根據目前模型的固有特點來建立一個統一的應用標準，例如在多大的研究尺度上優先選擇使用CLUE-S模型，馬爾科夫鏈模型的影響因素選擇是否可以統一標準等。在模型本身的結構沒有改變的情況下，通過建立科學的使用標準體系，將能在一定程度上優化模型效力，減少目前預測研究中存在的結果精度低、與實際土地利用情況相差較大等問題，由此盡可能準確地預測城市土地利用的未來變化。

4.2 系統提升

城市土地利用變化模型系統也需進一步構建和提升。首先要將城市土地利用模型盡快集成到系統中，例如可以作為一個獨立模塊加載到常用的GIS軟件中，也可以獨立開發單獨的計算機應用程序，只有這樣，才能進一步擴大模型的使用率和影響范圍。其次，數據是系統應用的基礎，應建立統一的城市土地利用變化模型系統的數據標準。目前，城市土地利用變化研究的數據來源廣泛、格式標準不統一，造成了各個模型系統不能有效兼容，導致模型、系統應用存在制約。建議建立一套符合國內研究習慣的城市土地利用變化研究數據標準，以實現數據在不同模型系統中的“互聯互通”，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用的基礎上。只有通過實踐，才能檢驗理論、方法的科學性與可靠性，才能不斷發現問題、解決問題，從而實現不斷優化的目標要求。城市土地利用變化研究仍是一項需要繼續發展改進的工作，在模型的應用范圍、參數設置、因素選擇上尚未統一意見，這就更需要進行大量有效的實踐應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，由此盡可能準確預測未來的城市土地利用變化。

5.結語

土地資源是城市賴以生存發展的空間支撐，城市土地利用變化研究不僅是土地資源研究的核心問題，更是當前全球土地利用可持續發展研究的中心，為人們認識、理解土地資源特征和規律打開了一扇新的大門。城市土地利用變化模型則應用定量化的方式把城市土地利用變化規律和特點用一系列可測度的數據表現出來，由此為表達城市土地利用變化和人類社會之間的復雜關系構建了一個獨特而系統的理論方法體系?？傮w上，城市土地利用變化研究已經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化。未來研究應重點在模型優化、系統提升、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，從而更好地發揮對城市土地利用可持續發展的決策支持作用。