土地利用驱动力分析方法

① 矿区土地利用变化及其扰动影响

土地利用变化是揭示区域环境变化的重要原因，已成为全球气候变化和全球环境变化研究关注的重要内容（Sterling et al.，2012；Mooney et al.，2013）。土地利用变化过程传递着人类社会活动与自然生态环境之间的物质循环与能量流动（Mooney et al.，2013）。在土地利用变化的研究中，从早期的时空变化分析逐渐过渡到变化机理机制、生态环境效应及变化过程模拟预测（蔡运龙，2001；Kalnay et al.，2003；Bakker et al.，2005；Turner et al.，2007）。伴随着研究的深入，各个研究层面的研究方法皆向系统化（武鹏飞等，2012）、精确化（罗娅等，2014）、定量化（刘纪远，2014）、简明化（马彩虹等，2013）方向发展。

在土地利用变化研究中，典型区域土地利用变化的空间格局、变化规律及生态环境响应在土地利用研究的早期就颇受关注，特别是生态脆弱区、城乡交错区等（陈百明，1997）。目前，矿区土地利用变化已成为小区域研究的热点（范忻等，2012）。第一，矿区尺度较小，并且受扰动比较剧烈，挖损、压占、占用、塌陷等土地损毁导致矿区土地利用结构在短时间内发生明显变化（陈龙乾，2003），并且更容易辨析引起特定土地利用变化的驱动因素（张舟等，2013）。第二，矿区土地利用变化一般是基于资源开采为原动力的时空演变过程，是采矿活动对矿区生态环境的综合反映（卞正富，张燕平，2006）。第三，在矿产资源开发之前，多数地方以农业生产为主，在矿产资源开发之后，虽然矿产资源开发成为矿区土地利用变化的主要驱动力。此外，还存在一些其他影响因素（王行风等，2011）。第四，矿区土地利用政策颇受地方政府关注，尤其是矿业城市。有些矿山企业在城市规划圈范围内，工矿废弃地复垦成为城市建新区用地指标的主要来源，尤其是在允许建设区内（罗明等，2013）。

开展矿区土地利用变化研究意义重大。第一，有助于及时掌握土地利用类型分布、时空特征及其变化过程，在驱动机制研究的基础上，发展土地利用变化模拟技术，完善土地利用结构优化决策技术（包妮沙等，2008；陈百明，张凤荣，2011），实现对土地利用变化方向、过程及效应的调控，为土地利用管理及生态环境保护提供科学依据（刘惠明等，2002；高翔等，2013）。第二，有助于探讨土地利用类型复杂程度和结构稳定度在时空上的演变规律，为矿区土地复垦和生态修复提供参考（李保杰等，2013）。对于大型露天矿区而言，开展土地利用变化分析，可快速准确地掌握露天矿区由采前景观变为开采景观，开采景观变为采后景观过程中土地利用类型的时空结构、不同时期不同土地利用类型的变化情况及其发展趋势（胡振琪，谢宏全，2005；毕如田等，2007；毕如田等，2008；Larondelle，Haase，2012），为露天矿区人工复合生态系统建设及生态重建规划决策支持（谢宏全等，2007；韩武波等，2012），使得生态恢复方案外界影响小、操作性强、生态功能多样（Doley et al.，2012）。

从具体研究成果来看，伴随着遥感技术、地理信息技术的发展，矿区土地利用变化的研究取得了较大发展。重点是采用一系列定量模型与方法集中展现土地利用景观格局的剧烈扰动（Haase ＆ Haase，2002）。在地形复杂地区，矿区土地利用景观格局扰动更为明显，采矿活动导致耕地减少，景观破碎化程度越来越大（高翔等，2013），并且景观质量衰退、稳定性减弱（邱文玮，侯湖平，2013）。在平原地区，尤其是矿 粮复合区，土地利用景观格局变化剧烈，转换过于频繁，集中表现为工矿建设用地增加，地表塌陷积水增加，农用地减少，很大程度上影响了矿区生态系统的平衡（卞正富，张燕平，2006；徐嘉兴等，2013；范忻等，2012）。

对于露天矿区而言，露天开采使得矿区周围原有的景观格局严重受损，受损后的地形地貌景观、土壤景观、植被景观等景观要素及景观格局形成了新的景观综合体系。这样的景观系统与周围未受损景观系统协调性差，具体表现是单调、生硬和不自然。同时形成了矿区土地利用变化的高速性、突发性、破碎性及景观要素、结构间的关联性和后效性等特点（魏忠义等，2012）。因此将露天开采扰动后形成的土地利用景观恢复成可接受的、可持续的土地利用景观成为人类活动必须的选择（Bridgewater et al.，2011；Bullock et al.，2011）。以中国山西平朔露天矿区（160 km²）研究成果为例，曹银贵和白中科（2006）、曹银贵等（2007）采用土地利用类型的总变化率、年变化率揭示了矿区1990～2004年土地利用类型变化的过程，突出了土地利用类型之间的时空演变规律，并反映了矿区土地利用演变迅速、损毁剧烈的特点。叶宝莹等（2008）研究成果表明，平朔露天矿区土地利用类型由简单到复杂，由1976年的4种类型发展到2006年的12种类型，地表遭到强烈损毁。毕如田等（2008）研究指出：1990—2005年平朔露天矿区原地貌15年间平均每年减少1 km²左右，并且露采区的面积基本保持在7 km²左右，剥离区与复垦区面积有不断增长的趋势，但复垦区增长速度较剥离区增长速度快。

从目前已有的矿区土地利用变化研究成果来看，其研究区以采矿核心区居多，重点剖析了由于采矿活动和土地复垦工作带来了土地利用类型变化（曹银贵，白中科，2006；毕如田等，2007；叶宝莹等，2008）。而针对矿区及其一定范围内的周边地区土地利用变化的研究较少。对矿业型城镇而言，城镇依矿业生产而建，部分城镇所在地区也是农业生产区。在这种情况下，资源开采、农业生产、城乡建设三者之间就存在以土地利用为载体的物质循环与能量流动。尽管做了很多努力，矿区可持续发展与采矿活动仍然不协调，采矿活动对土地利用的扰动有的甚至是灾难性的，并且后续的土地利用都会受到前期采矿的影响（Worrall et al.，2009）。此次研究立足平朔矿区及其周边区域，选取矿农城复合区开展土地利用变化研究，集中挖掘矿农城复合区发展过程中的土地利用特征、变化规律及土地利用系统状态，并深度分析土地利用变化驱动力。

② 土地资源调查与评价

粮食安全问题是我国政府一直关注的战略问题。为确保国家粮食战略安全，对耕地保护提出了更为艰巨的任务。我们既要保证耕地的数量，又要保证耕地的质量，实现土地资源的可持续利用。搞好土地资源调查、监测与评价工作，是保证我国粮食安全的一个重要环节。近年来，我部在土地利用动态监测方面，使用了遥感新技术，并将土地利用的动态变化与区域经济发展联系起来综合研究，力争实现土地资源的可持续利用。

微波遥感技术与土地利用动态监测

对不同时相、不同分辨率的雷达数据，使用不同滤波技术，弱化噪声与亮斑点、保留地物边缘信息，以达到土地利用动态遥感监测的需求。将雷达强信息与弱信息分别进行特征合成，有效地突出不同后向散射系数（如新增建筑物与新修公路）的变化信息，与可见光遥感监测成果（SPOT、IRS、KOMPSAT-1、IKONOS）对比分析表明，微波雷达遥感不仅能反映建设用地的变化趋势，而且可以敏感地反映小地类的变化。雷达遥感往往对建筑物本身反映更敏感，而可见光遥感则对建设场地反映敏感。三维动态可视化融合技术有效地解决了微波遥感图像与可见光遥感图像的融合，同时可以推广到不同数据间的融合，使所得图像能满足各种专题的需求。

反映土地利用变化的RADARSAT图像与TM743波段的融合图像（亮绿色图斑）

反映土地利用变化的不同时相的RADARSAT特征合成图像（红绿色图斑）

长江三角洲地区耕地总量动态平衡与可持续利用研究

在分析长江三角洲地区耕地变化驱动力的基础上，结合该地区耕地变化的社会经济因素，构建了耕地总量动态变化的数量经济模型，尤其是将耕地保护政策变量引入这一模型，提高了模拟的准确性。初步建立了包括土壤质量评价、基础地力测定在内的耕地质量评价方法体系，将基础地力概念引入到耕地总量动态平衡的评判中，并据此提出了以耕地非农化成本为修正系数的区域耕地临界警戒系统。对区域耕地总量动态平衡政策实施环境和成本－效益分析，从而为推进耕地总量动态平衡政策改革、提高政策运行效率提供了有关依据。

1995年和2000年锡山市土地利用现状遥感解译图

土壤水特性及其评价方法

2001年国土资源部科技发展报告

利用先进快捷的监测方法在郑州均衡试验场、河北王瞳试验区和衡水试验场进行土壤水动态监测、土壤水利用实验。结果表明，人为调控土壤水的输入输出、分布和运移，增加有效补充，减少无效损失，可以显着提高土壤水的利用率和作物产量。通过氚同位素示踪实验，求得研究区内包气带土壤水的入渗速率为30～63厘米/年，土壤水对地下水的补给量为90～240厘米/年，其大小明显受灌溉方式的影响，灌溉水量越小，入渗速率和地下水补给量越小：进而提出了土壤水理论可利用量、土壤水资源年补给量、作物生长期及生长阶段土壤水资源可利用量等作为评价土壤水资源的指标。

③ 土地利用动态监测土地利用空间动态监测

土地利用空间动态监测是通过对土地利用变化、耕地总量平衡、农业用地内部结构调整以及基本农田保护区状况的实时监控，以获取全面的土地管理信息的过程。具体监测内容和特点包括：

1. 土地利用变化动态：

   • 监测内容：关注区域内的土地类型、位置和数量变化，特别是耕地，以及居民点、工矿用地和闲置土地的动态。
   • 目的：及时掌握土地利用状况的变化，为土地管理提供数据支持。

2. 耕地总量平衡：

   • 监测内容：通过土地整理、开发和复垦计划，确保耕地总量稳定，准确掌握区域和全国耕地变化情况。
   • 目的：保护耕地资源，确保粮食安全和农业可持续发展。

3. 农业用地结构调整：

   • 监测内容：反映土地用途的转变，包括从一种农业用途转变为另一种农业用途，或转变为非农业用途。
   • 目的：为土地利用政策和农用地管理提供依据，优化土地资源配置。

4. 基本农田保护区管理：

   • 监测内容：保护优质耕地，涉及征地占用、地力补偿和占补平衡等措施。
   • 目的：确保基本农田的数量和质量，维护国家粮食安全。

此外，土地利用空间动态监测还涉及对地类变更、权属变更、耕地变化动态和土地利用结构变化的深入剖析，以及利用现代模拟方法和多学科研究对土地利用与土地覆盖变化进行更深入的研究。这些分析有助于揭示土地利用格局变化的驱动力，为全球变化和土地管理提供更精确的依据。

④ 土地利用趋势分析地理元胞自动机

土地利用/土地覆被变化(LUCC)是全球环境变化研究的重要组成部分，是人类活动对自然环境施加影响的显着表现形式之一。土地利用未来如何变化，当属目前土地利用变化研究的核心问题。Lambin等人的研究表明，动态的基于过程的模拟模型比经验的、随机的和静态优化模型更适合于预测土地利用(Lambin，2000)。到目前为止，直接地和明确地针对土地利用变化的理论和机理建构的模型还较少，真正将土地利用变化与其空间分布相结合，探讨不同尺度上土地利用的时空演变规律的动态模型更不多见(郭程轩，甄坚伟，2003)。

土地利用趋势预测的模型方法主要有回归预测法、马尔可夫法、人工神经网络、灰色模型、元胞自动机模型等方法。回归预测法是利用表明变量之间相互关系的数学方程式，由其他变量中的已知值推断预测变量的数值进行预测的一种方法。该方法适用于各个变量之间具有较强相关性的标准变量组。由于不同土地利用类型之间相互影响、相互制约，所以该方法常被用来研究土地利用变化与人文因素之间的关系。该模型的不足之处在于，不适合大范围的预测以及因经济因子难以定量化造成的预测值的误差。

马尔可夫过程是一种无后效性的过程，运用马尔可夫过程模拟土地利用动态变化首先要确定土地利用类型的初始状态矩阵和转移概率矩阵。该预测模型的优点在于计算和实现比较简单，可以揭示不同土地利用类型之间的数量转化规律和总体变化趋势。模型运算只需要考虑土地利用的现状信息，而无需考虑土地利用变化的内在机制，不足之处在于模型缺乏揭示土地动态变化驱动机制的能力及缺乏空间表达能力，该模型适用于土地利用变化驱动力变化机制不清及预测短期土地利用变化的状况。

人工神经网络能模拟人的部分形象思维能力，预测的过程就是利用不同时期获取的信息源，在对它们进行综合分析和对比的基础上，发现土地变化的区域和变化类型。该模型的优点在于能够对动态数据进行分析，并根据历史资料归纳规律，不足之处是受预测区域范围大小和时间长短的限制，一些主要因素特征难以确定，预测结果并不十分精确。

灰色系统动态模型GM(n，h)是依据灰色系统理论原理，利用系统的离散采集数据建立其动态微分方程，以灰色模块为基础，微观拟合分析为核心的建模方法。土地利用系统本质上是一个灰色系统，运用灰色模型可在土地资料不完整的情况下对中长期的土地利用结构进行过程分析。

元胞自动机(Cellular Automata)模型，是离散动态系统概念和应用建模的一种方法，其框架简单、开放，适于模拟具有自组织结构的复杂性系统，并且具有很强的生命力。以模型“自下而上”的研究思路、强大的复杂计算功能、固有的并行计算能力和时空动态特征，使得它在模拟土地利用变化这一空间复杂系统的时空动态演变方面具有自然性、合理性和可行性，CA模型与GIS软件相结合为土地利用动态建模提供了新的思路和建模方法。相比较其他模型，其优势在于:①更为简单、自然;②建立在空间相互作用，而不是社会、经济指标间的相互影响关系的基础上，更能反映空间格局变化以及由此带来的进一步反馈作用。

土地利用变化的复杂性决定了土地利用研究必须采取复杂系统的理论方法，特别是建立基于复杂系统思想的数学模型，这是土地利用过程研究的重要领域之一。因此，结合土地利用变化的规律，采用复杂系统的研究方法，建立土地利用变化的科学模型是土地变化复杂性研究的关键。目前国际上在复杂系统理论的背景下，利用元胞自动机模型研究地理过程的复杂行为是地理建模领域的前沿地带，是一项跨领域的前沿技术，将它应用于土地利用变化的预测和模拟，具有较强的理论价值和实践意义。

(1)元胞自动机模型(CA)可表现复杂系统结构的时空动态演化，利用CA对土地利用覆盖变化(LUCC)进行动态模拟，定量探讨土地利用变化过程并进行预测，对区域可持续发展、土地利用规划与土地管理决策意义重大。模型从研究一个地区土地利用现状入手，借助GIS软件分析土地利用动态变化的过程，研究不同土地利用类型的转移规律，探求土地利用变化的内在机制，为不同发展目标的土地利用调控提供理论依据。

(2)将GIS与Geo-CA相结合用于土地利用变化分析，不仅能够提高模型运算的效率，将模型全部过程进行计算机模拟，还能直观地显示土地利用性质的变化及土地预测的结果，通过调整模型参数获得未来不同预测年份土地利用的结果，可为区域决策者进行土地利用评价提供依据。

(3)研究流域的土地利用变化不仅可以为流域土地的合理利用及河流水资源的合理调配提供重要的决策依据，同时也为流域居民的生产生活、生态环境、经济的协调发展提供重要保障。将Geo-CA模型应用于流域土地利用变化的模拟和预测，目前尚处于探索性研究阶段。通过建立较为恰当的GeoCA-Lanse模型，并将其应用于塔里木河流域，不仅开阔了 Geo-CA 模型应用的领域，同时也为其他流域土地利用预测起到了很好的示范作用。

20 世纪 80 年代至 90 年代 Batty 和 Xie 利用分形理论与 CA 相结合对城市的形成和扩展进行了细致的研究。他们设计的凝聚扩散模型 ( diffusion-limited aggregation，DLA) 可以认为是广义的 CA 模型。1994 年 Me 提出了城市发展动态模型 ( dynamic urban evolutionmodel，DUEM) ，该模型用 CA 理论来描述具有自相似性和分形分维特征的城市及其发展过程。Clark ( 1998) 根据城市发展的历史数据以及交通、地形条件，设定适当的模型参数，建立了城市增长的 CA 模型，并将此模型与 GIS 平台松散耦合，对美国的旧金山和巴尔的摩的市区进行了成功模拟和预测。90 年代以来，Wu F. ( 1998) 将元胞自动机模型与多因子评价模型有机集成，并在 ArcInfo 中应用 AML 和 C 语言，在统一的界面上实现了GIS 和 CA 模型、MCE 模型的集成。在此平台上，实现了对我国广东省广州市城市扩张的模拟。加拿大的 White 和荷兰的 Engelen ( 1994) 将约束性 CA 模型用于模拟土地利用动态变化，如美国 Cincinnati 市的城市增长、受全球气候变暖影响 Caribbean 岛土地利用构成的变化等。

武晓波、赵键等 ( 2002) 利用基于遥感和地理信息系统的 CA 模型模拟海口市1987 ～ 2000 年城市发展进程。陈建平、丁火平等 ( 2004) 提出了基于 GIS 软件和 CA 模型的荒漠化演化预测模型，并以北京及其邻区为例，取得了较好的模拟效果。陈龙泉( 2004) 从 Markov 和 CA 两种模型所具有的特点出发，探讨用 Markov-CA 模型对土地利用/土地覆盖变化进行动态模拟和预测的可行性。Markov-CA 吸收了 Markov 和 CA 等理论对于有关时间序列的模拟和预测的优点，利用两期 TM 数据的试验证明，Markov-CA 模型能很好地对土地利用/土地覆盖变化进行模拟和预测。张显峰 ( 2000、2001) 提出了集成GIS 与 CA 模型进行地理时空过程模拟与预测的新方法，即首先将标准 CA 模型的 4 元组进行扩展以满足 GIS 环境下时空动态模拟的要求，然后以城市土地利用演化这一动态过程为例，建立了土地利用演化动态模拟与预测模型 ( LESP) ，最后运用此模型对包头市城市扩展和土地可持续利用演化进行了比较成功的模拟和预测。周成虎等 ( 2001) 利用 Geo-CA 构造了一个实用化且可运行的空间动力学模型 ( GeoCA-Urban) ，模型适应于模拟城市的发展和演变，模拟效果良好。

本系统的生态专业分析子系统以三源河流域和阿拉尔人工绿洲地区为研究样区，在GIS 软件和 Geo-CA 理论模型的支持下，从两个时相土地利用专题图的叠加分析和转移分析入手，结合土地利用变化的计量模型，分析土地利用动态变化特征，定量研究了土地利用变化与水系、交通、土壤、地形之间的关系，并据此构建控制因素层，结合社会经济数据调整模型参数，确定合理的邻居及转换规则，经过反复的调试和修改，最终构架出合理的土地利用动态演变模型 ( GeoCA-Lanse 模型) 及其软件系统。