① 礦區土地利用變化及其擾動影響
土地利用變化是揭示區域環境變化的重要原因,已成為全球氣候變化和全球環境變化研究關注的重要內容(Sterling et al.,2012;Mooney et al.,2013)。土地利用變化過程傳遞著人類社會活動與自然生態環境之間的物質循環與能量流動(Mooney et al.,2013)。在土地利用變化的研究中,從早期的時空變化分析逐漸過渡到變化機理機制、生態環境效應及變化過程模擬預測(蔡運龍,2001;Kalnay et al.,2003;Bakker et al.,2005;Turner et al.,2007)。伴隨著研究的深入,各個研究層面的研究方法皆向系統化(武鵬飛等,2012)、精確化(羅婭等,2014)、定量化(劉紀遠,2014)、簡明化(馬彩虹等,2013)方向發展。
在土地利用變化研究中,典型區域土地利用變化的空間格局、變化規律及生態環境響應在土地利用研究的早期就頗受關注,特別是生態脆弱區、城鄉交錯區等(陳百明,1997)。目前,礦區土地利用變化已成為小區域研究的熱點(范忻等,2012)。第一,礦區尺度較小,並且受擾動比較劇烈,挖損、壓占、佔用、塌陷等土地損毀導致礦區土地利用結構在短時間內發生明顯變化(陳龍乾,2003),並且更容易辨析引起特定土地利用變化的驅動因素(張舟等,2013)。第二,礦區土地利用變化一般是基於資源開采為原動力的時空演變過程,是采礦活動對礦區生態環境的綜合反映(卞正富,張燕平,2006)。第三,在礦產資源開發之前,多數地方以農業生產為主,在礦產資源開發之後,雖然礦產資源開發成為礦區土地利用變化的主要驅動力。此外,還存在一些其他影響因素(王行風等,2011)。第四,礦區土地利用政策頗受地方政府關注,尤其是礦業城市。有些礦山企業在城市規劃圈范圍內,工礦廢棄地復墾成為城市建新區用地指標的主要來源,尤其是在允許建設區內(羅明等,2013)。
開展礦區土地利用變化研究意義重大。第一,有助於及時掌握土地利用類型分布、時空特徵及其變化過程,在驅動機制研究的基礎上,發展土地利用變化模擬技術,完善土地利用結構優化決策技術(包妮沙等,2008;陳百明,張鳳榮,2011),實現對土地利用變化方向、過程及效應的調控,為土地利用管理及生態環境保護提供科學依據(劉惠明等,2002;高翔等,2013)。第二,有助於探討土地利用類型復雜程度和結構穩定度在時空上的演變規律,為礦區土地復墾和生態修復提供參考(李保傑等,2013)。對於大型露天礦區而言,開展土地利用變化分析,可快速准確地掌握露天礦區由采前景觀變為開采景觀,開采景觀變為采後景觀過程中土地利用類型的時空結構、不同時期不同土地利用類型的變化情況及其發展趨勢(胡振琪,謝宏全,2005;畢如田等,2007;畢如田等,2008;Larondelle,Haase,2012),為露天礦區人工復合生態系統建設及生態重建規劃決策支持(謝宏全等,2007;韓武波等,2012),使得生態恢復方案外界影響小、操作性強、生態功能多樣(Doley et al.,2012)。
從具體研究成果來看,伴隨著遙感技術、地理信息技術的發展,礦區土地利用變化的研究取得了較大發展。重點是採用一系列定量模型與方法集中展現土地利用景觀格局的劇烈擾動(Haase & Haase,2002)。在地形復雜地區,礦區土地利用景觀格局擾動更為明顯,采礦活動導致耕地減少,景觀破碎化程度越來越大(高翔等,2013),並且景觀質量衰退、穩定性減弱(邱文瑋,侯湖平,2013)。在平原地區,尤其是礦 糧復合區,土地利用景觀格局變化劇烈,轉換過於頻繁,集中表現為工礦建設用地增加,地表塌陷積水增加,農用地減少,很大程度上影響了礦區生態系統的平衡(卞正富,張燕平,2006;徐嘉興等,2013;范忻等,2012)。
對於露天礦區而言,露天開采使得礦區周圍原有的景觀格局嚴重受損,受損後的地形地貌景觀、土壤景觀、植被景觀等景觀要素及景觀格局形成了新的景觀綜合體系。這樣的景觀系統與周圍未受損景觀系統協調性差,具體表現是單調、生硬和不自然。同時形成了礦區土地利用變化的高速性、突發性、破碎性及景觀要素、結構間的關聯性和後效性等特點(魏忠義等,2012)。因此將露天開采擾動後形成的土地利用景觀恢復成可接受的、可持續的土地利用景觀成為人類活動必須的選擇(Bridgewater et al.,2011;Bullock et al.,2011)。以中國山西平朔露天礦區(160 km2)研究成果為例,曹銀貴和白中科(2006)、曹銀貴等(2007)採用土地利用類型的總變化率、年變化率揭示了礦區1990~2004年土地利用類型變化的過程,突出了土地利用類型之間的時空演變規律,並反映了礦區土地利用演變迅速、損毀劇烈的特點。葉寶瑩等(2008)研究成果表明,平朔露天礦區土地利用類型由簡單到復雜,由1976年的4種類型發展到2006年的12種類型,地表遭到強烈損毀。畢如田等(2008)研究指出:1990—2005年平朔露天礦區原地貌15年間平均每年減少1 km2左右,並且露采區的面積基本保持在7 km2左右,剝離區與復墾區面積有不斷增長的趨勢,但復墾區增長速度較剝離區增長速度快。
從目前已有的礦區土地利用變化研究成果來看,其研究區以采礦核心區居多,重點剖析了由於采礦活動和土地復墾工作帶來了土地利用類型變化(曹銀貴,白中科,2006;畢如田等,2007;葉寶瑩等,2008)。而針對礦區及其一定范圍內的周邊地區土地利用變化的研究較少。對礦業型城鎮而言,城鎮依礦業生產而建,部分城鎮所在地區也是農業生產區。在這種情況下,資源開采、農業生產、城鄉建設三者之間就存在以土地利用為載體的物質循環與能量流動。盡管做了很多努力,礦區可持續發展與采礦活動仍然不協調,采礦活動對土地利用的擾動有的甚至是災難性的,並且後續的土地利用都會受到前期采礦的影響(Worrall et al.,2009)。此次研究立足平朔礦區及其周邊區域,選取礦農城復合區開展土地利用變化研究,集中挖掘礦農城復合區發展過程中的土地利用特徵、變化規律及土地利用系統狀態,並深度分析土地利用變化驅動力。
② 土地資源調查與評價
糧食安全問題是我國政府一直關注的戰略問題。為確保國家糧食戰略安全,對耕地保護提出了更為艱巨的任務。我們既要保證耕地的數量,又要保證耕地的質量,實現土地資源的可持續利用。搞好土地資源調查、監測與評價工作,是保證我國糧食安全的一個重要環節。近年來,我部在土地利用動態監測方面,使用了遙感新技術,並將土地利用的動態變化與區域經濟發展聯系起來綜合研究,力爭實現土地資源的可持續利用。
微波遙感技術與土地利用動態監測
對不同時相、不同解析度的雷達數據,使用不同濾波技術,弱化雜訊與亮斑點、保留地物邊緣信息,以達到土地利用動態遙感監測的需求。將雷達強信息與弱信息分別進行特徵合成,有效地突出不同後向散射系數(如新增建築物與新修公路)的變化信息,與可見光遙感監測成果(SPOT、IRS、KOMPSAT-1、IKONOS)對比分析表明,微波雷達遙感不僅能反映建設用地的變化趨勢,而且可以敏感地反映小地類的變化。雷達遙感往往對建築物本身反映更敏感,而可見光遙感則對建設場地反映敏感。三維動態可視化融合技術有效地解決了微波遙感圖像與可見光遙感圖像的融合,同時可以推廣到不同數據間的融合,使所得圖像能滿足各種專題的需求。
反映土地利用變化的RADARSAT圖像與TM743波段的融合圖像(亮綠色圖斑)
反映土地利用變化的不同時相的RADARSAT特徵合成圖像(紅綠色圖斑)
長江三角洲地區耕地總量動態平衡與可持續利用研究
在分析長江三角洲地區耕地變化驅動力的基礎上,結合該地區耕地變化的社會經濟因素,構建了耕地總量動態變化的數量經濟模型,尤其是將耕地保護政策變數引入這一模型,提高了模擬的准確性。初步建立了包括土壤質量評價、基礎地力測定在內的耕地質量評價方法體系,將基礎地力概念引入到耕地總量動態平衡的評判中,並據此提出了以耕地非農化成本為修正系數的區域耕地臨界警戒系統。對區域耕地總量動態平衡政策實施環境和成本-效益分析,從而為推進耕地總量動態平衡政策改革、提高政策運行效率提供了有關依據。
1995年和2000年錫山市土地利用現狀遙感解譯圖
土壤水特性及其評價方法
2001年國土資源部科技發展報告
利用先進快捷的監測方法在鄭州均衡試驗場、河北王瞳試驗區和衡水試驗場進行土壤水動態監測、土壤水利用實驗。結果表明,人為調控土壤水的輸入輸出、分布和運移,增加有效補充,減少無效損失,可以顯著提高土壤水的利用率和作物產量。通過氚同位素示蹤實驗,求得研究區內包氣帶土壤水的入滲速率為30~63厘米/年,土壤水對地下水的補給量為90~240厘米/年,其大小明顯受灌溉方式的影響,灌溉水量越小,入滲速率和地下水補給量越小:進而提出了土壤水理論可利用量、土壤水資源年補給量、作物生長期及生長階段土壤水資源可利用量等作為評價土壤水資源的指標。
③ 土地利用動態監測土地利用空間動態監測
土地利用空間動態監測是通過對土地利用變化、耕地總量平衡、農業用地內部結構調整以及基本農田保護區狀況的實時監控,以獲取全面的土地管理信息的過程。具體監測內容和特點包括:
土地利用變化動態:
耕地總量平衡:
農業用地結構調整:
基本農田保護區管理:
此外,土地利用空間動態監測還涉及對地類變更、權屬變更、耕地變化動態和土地利用結構變化的深入剖析,以及利用現代模擬方法和多學科研究對土地利用與土地覆蓋變化進行更深入的研究。這些分析有助於揭示土地利用格局變化的驅動力,為全球變化和土地管理提供更精確的依據。
④ 土地利用趨勢分析地理元胞自動機
土地利用/土地覆被變化(LUCC)是全球環境變化研究的重要組成部分,是人類活動對自然環境施加影響的顯著表現形式之一。土地利用未來如何變化,當屬目前土地利用變化研究的核心問題。Lambin等人的研究表明,動態的基於過程的模擬模型比經驗的、隨機的和靜態優化模型更適合於預測土地利用(Lambin,2000)。到目前為止,直接地和明確地針對土地利用變化的理論和機理建構的模型還較少,真正將土地利用變化與其空間分布相結合,探討不同尺度上土地利用的時空演變規律的動態模型更不多見(郭程軒,甄堅偉,2003)。
土地利用趨勢預測的模型方法主要有回歸預測法、馬爾可夫法、人工神經網路、灰色模型、元胞自動機模型等方法。回歸預測法是利用表明變數之間相互關系的數學方程式,由其他變數中的已知值推斷預測變數的數值進行預測的一種方法。該方法適用於各個變數之間具有較強相關性的標准變數組。由於不同土地利用類型之間相互影響、相互制約,所以該方法常被用來研究土地利用變化與人文因素之間的關系。該模型的不足之處在於,不適合大范圍的預測以及因經濟因子難以定量化造成的預測值的誤差。
馬爾可夫過程是一種無後效性的過程,運用馬爾可夫過程模擬土地利用動態變化首先要確定土地利用類型的初始狀態矩陣和轉移概率矩陣。該預測模型的優點在於計算和實現比較簡單,可以揭示不同土地利用類型之間的數量轉化規律和總體變化趨勢。模型運算只需要考慮土地利用的現狀信息,而無需考慮土地利用變化的內在機制,不足之處在於模型缺乏揭示土地動態變化驅動機制的能力及缺乏空間表達能力,該模型適用於土地利用變化驅動力變化機制不清及預測短期土地利用變化的狀況。
人工神經網路能模擬人的部分形象思維能力,預測的過程就是利用不同時期獲取的信息源,在對它們進行綜合分析和對比的基礎上,發現土地變化的區域和變化類型。該模型的優點在於能夠對動態數據進行分析,並根據歷史資料歸納規律,不足之處是受預測區域范圍大小和時間長短的限制,一些主要因素特徵難以確定,預測結果並不十分精確。
灰色系統動態模型GM(n,h)是依據灰色系統理論原理,利用系統的離散採集數據建立其動態微分方程,以灰色模塊為基礎,微觀擬合分析為核心的建模方法。土地利用系統本質上是一個灰色系統,運用灰色模型可在土地資料不完整的情況下對中長期的土地利用結構進行過程分析。
元胞自動機(Cellular Automata)模型,是離散動態系統概念和應用建模的一種方法,其框架簡單、開放,適於模擬具有自組織結構的復雜性系統,並且具有很強的生命力。以模型「自下而上」的研究思路、強大的復雜計算功能、固有的並行計算能力和時空動態特徵,使得它在模擬土地利用變化這一空間復雜系統的時空動態演變方面具有自然性、合理性和可行性,CA模型與GIS軟體相結合為土地利用動態建模提供了新的思路和建模方法。相比較其他模型,其優勢在於:①更為簡單、自然;②建立在空間相互作用,而不是社會、經濟指標間的相互影響關系的基礎上,更能反映空間格局變化以及由此帶來的進一步反饋作用。
土地利用變化的復雜性決定了土地利用研究必須採取復雜系統的理論方法,特別是建立基於復雜系統思想的數學模型,這是土地利用過程研究的重要領域之一。因此,結合土地利用變化的規律,採用復雜系統的研究方法,建立土地利用變化的科學模型是土地變化復雜性研究的關鍵。目前國際上在復雜系統理論的背景下,利用元胞自動機模型研究地理過程的復雜行為是地理建模領域的前沿地帶,是一項跨領域的前沿技術,將它應用於土地利用變化的預測和模擬,具有較強的理論價值和實踐意義。
(1)元胞自動機模型(CA)可表現復雜系統結構的時空動態演化,利用CA對土地利用覆蓋變化(LUCC)進行動態模擬,定量探討土地利用變化過程並進行預測,對區域可持續發展、土地利用規劃與土地管理決策意義重大。模型從研究一個地區土地利用現狀入手,藉助GIS軟體分析土地利用動態變化的過程,研究不同土地利用類型的轉移規律,探求土地利用變化的內在機制,為不同發展目標的土地利用調控提供理論依據。
(2)將GIS與Geo-CA相結合用於土地利用變化分析,不僅能夠提高模型運算的效率,將模型全部過程進行計算機模擬,還能直觀地顯示土地利用性質的變化及土地預測的結果,通過調整模型參數獲得未來不同預測年份土地利用的結果,可為區域決策者進行土地利用評價提供依據。
(3)研究流域的土地利用變化不僅可以為流域土地的合理利用及河流水資源的合理調配提供重要的決策依據,同時也為流域居民的生產生活、生態環境、經濟的協調發展提供重要保障。將Geo-CA模型應用於流域土地利用變化的模擬和預測,目前尚處於探索性研究階段。通過建立較為恰當的GeoCA-Lanse模型,並將其應用於塔里木河流域,不僅開闊了 Geo-CA 模型應用的領域,同時也為其他流域土地利用預測起到了很好的示範作用。
20 世紀 80 年代至 90 年代 Batty 和 Xie 利用分形理論與 CA 相結合對城市的形成和擴展進行了細致的研究。他們設計的凝聚擴散模型 ( diffusion-limited aggregation,DLA) 可以認為是廣義的 CA 模型。1994 年 Me 提出了城市發展動態模型 ( dynamic urban evolutionmodel,DUEM) ,該模型用 CA 理論來描述具有自相似性和分形分維特徵的城市及其發展過程。Clark ( 1998) 根據城市發展的歷史數據以及交通、地形條件,設定適當的模型參數,建立了城市增長的 CA 模型,並將此模型與 GIS 平台鬆散耦合,對美國的舊金山和巴爾的摩的市區進行了成功模擬和預測。90 年代以來,Wu F. ( 1998) 將元胞自動機模型與多因子評價模型有機集成,並在 ArcInfo 中應用 AML 和 C 語言,在統一的界面上實現了GIS 和 CA 模型、MCE 模型的集成。在此平台上,實現了對我國廣東省廣州市城市擴張的模擬。加拿大的 White 和荷蘭的 Engelen ( 1994) 將約束性 CA 模型用於模擬土地利用動態變化,如美國 Cincinnati 市的城市增長、受全球氣候變暖影響 Caribbean 島土地利用構成的變化等。
武曉波、趙鍵等 ( 2002) 利用基於遙感和地理信息系統的 CA 模型模擬海口市1987 ~ 2000 年城市發展進程。陳建平、丁火平等 ( 2004) 提出了基於 GIS 軟體和 CA 模型的荒漠化演化預測模型,並以北京及其鄰區為例,取得了較好的模擬效果。陳龍泉( 2004) 從 Markov 和 CA 兩種模型所具有的特點出發,探討用 Markov-CA 模型對土地利用/土地覆蓋變化進行動態模擬和預測的可行性。Markov-CA 吸收了 Markov 和 CA 等理論對於有關時間序列的模擬和預測的優點,利用兩期 TM 數據的試驗證明,Markov-CA 模型能很好地對土地利用/土地覆蓋變化進行模擬和預測。張顯峰 ( 2000、2001) 提出了集成GIS 與 CA 模型進行地理時空過程模擬與預測的新方法,即首先將標准 CA 模型的 4 元組進行擴展以滿足 GIS 環境下時空動態模擬的要求,然後以城市土地利用演化這一動態過程為例,建立了土地利用演化動態模擬與預測模型 ( LESP) ,最後運用此模型對包頭市城市擴展和土地可持續利用演化進行了比較成功的模擬和預測。周成虎等 ( 2001) 利用 Geo-CA 構造了一個實用化且可運行的空間動力學模型 ( GeoCA-Urban) ,模型適應於模擬城市的發展和演變,模擬效果良好。
本系統的生態專業分析子系統以三源河流域和阿拉爾人工綠洲地區為研究樣區,在GIS 軟體和 Geo-CA 理論模型的支持下,從兩個時相土地利用專題圖的疊加分析和轉移分析入手,結合土地利用變化的計量模型,分析土地利用動態變化特徵,定量研究了土地利用變化與水系、交通、土壤、地形之間的關系,並據此構建控制因素層,結合社會經濟數據調整模型參數,確定合理的鄰居及轉換規則,經過反復的調試和修改,最終構架出合理的土地利用動態演變模型 ( GeoCA-Lanse 模型) 及其軟體系統。