城市土地利用变化模型研究进展与展望＊

张博航 王琛

（西南林业大学生态与环境学院，云南昆明 650224）

在目前全球面临的资源、环境、人口、粮食等4大基本问题中，资源及其开发利用位于首要位置，其中城市土地资源开发与利用更是直接关系到人类生存与可持续发展。因此，城市土地利用是一个经典的研究命题和领域。近年来，随着遥感、地理信息系统等空间信息技术的发展与进步，城市土地利用研究与实践工作日益成熟并被世界各国确定为具有战略价值和意义的基础性研究。总体上，城市土地利用是当前全球可持续发展的核心问题之一，城市土地利用变化研究更是具有世界意义的研究热点和前沿领域。基于此，为了更好地促进土地利用变化研究，本文对城市土地利用变化研究进行梳理，进而找出研究的关键问题和不足，并提出建议，由此对完善城市土地利用变化研究提供一定的参考。

1.理论概述

1.1 基本概念

城市土地利用变化即城市土地覆被的变化，其通过人类改变土地开发利用方式而实现。城市土地利用变化不仅改变了城市土地利用结构、大地景观格局、生态环境面貌，更重要的是其对城市生态系统的物质循环、能量流动产生重要而深刻的影响，将能改变土壤的水分、养分组成以及土壤风化、侵蚀等的时空分布和演变。城市土地利用变化预测分析以城市土地利用和变化预测为研究的两个基本支撑，以城市土地利用预测为研究中心，目的就在于通过对城市土地利用进行研究和预测，并应用一定的方法，以城市土地影像数据地图等为基础在计算机上分析建模，从而能够模拟实际的城市土地利用现状和预测城市土地利用的未来情景，同时要保证这种模拟和预测具有合理性及准确性。总之，城市土地利用变化预测研究的落脚点始终是土地本身，其根本任务就是要挖掘、演示一个关于土地利用的复杂关系，因此，土地利用变化预测模型是城市土地利用变化研究的基本支撑工具，对于研究结果的科学性具有重大意义。

1.2 关键问题

在城市土地利用变化研究中，模型是一个关键步骤和环节，其是土地利用变化研究的基础与核心，土地利用的变化、土地利用类型的转化都可以通过模型以数字和公式等形式直观表达，由此为城市土地利用变化预测提供决策支持。当前，城市土地利用变化研究中常用的模型有神经网络模型、Agent模型、CLUE-S模型、元胞自动机（CA）模型、马尔科夫（Markov）模型、CA-Markov模型等。通过利用这些模型，结合GIS、遥感等空间分析技术，选取适宜的城市影像数据，并对数据进行预处理、解译、校准、输入模型、运算模型，从而得到城市土地利用变化预测的研究结果。本节将重点介绍较为广泛应用的两种模型即马尔科夫链模型和CLUE-S模型。

在城市土地利用变化预测中，通过应用马尔科夫链模型，可以获得未来土地利用的变化预测结果。通常，城市土地利用的马尔科夫链模型要确定当前研究区的土地利用类型、要建立状态概率取向、要建立土地利用转移概率矩阵，由此得到未来城市土地利用的变化预测结果。在应用方向上，马尔科夫链模型可以预测城市土地面积的增减情况、土地利用类型的相互转化情况、土地利用类型的主要流向等。CLUE-S模型的全称为小尺度土地利用变化及其空间效应模型，其主要功能是能够模拟城市土地利用的动态变化，进而对城市土地利用进行时空动态预测，揭示未来城市土地利用变化在不同情景下的格局和状态，获得城市土地利用变化的特征和规律。CLUE-S模型可以预测城市土地利用的空间分配差异性、土地利用类型的相互转换情况、土地利用类型的空间分布变化等问题。马尔科夫链模型和CLUE-S模型都适用于城市土地利用变化的模拟预测，但两者也有一些区别。马尔科夫链模型能够更好地模拟预测城市土地利用类型的变化以及不同土地利用类型之间的相互转换，而CLUE-S模型更长于模拟预测城市土地利用类型的空间分布，更适合用于中小尺度的城市土地利用变化的建模分析。在具体应用这两个模型时，要根据研究需要和城市特点，来选择相对更为合适的模型。

2.应用研究

目前，城市土地利用变化研究已经得到广泛认可，已在全球多个国家得到积极应用。城市土地利用变化研究的总体思路是运用合适的土地利用变化预测模型，模拟分析土地利用的变化格局，进而通过对模型计算结果的分析来阐释城市土地利用系统的变化过程、状态和趋势，由此为城市土地利用变化预测提供决策支持。

首次提出城市土地利用变化的初衷是为了摸清土地利用的实际情况，此后，对土地利用变化的调查与研究延续至今。目前，国内外已广泛运用城市土地利用变化预测模型开展各种相关研究，并取得了丰富成果。比较有代表性的成果包括：Karna等构建了基于CA-Markov的预测模型，并应用模型对城市扩展进行了模拟预测[1]。Lee等则应用了CLUE-S模型，在综合考虑了多个驱动影响因素后，预测了由于城市增长而引起的土地利用变化[2]。邹琳等利用马尔科夫理论分析预测了南宁市未来20年的土地利用结构[3]。总体上，上述研究成果均取得了显著进展，在理论和实践两个方面推动了相关模型的发展和应用，为相关地区的土地利用政策制定提供了科学理性的决策依据，这对于优化土地利用结构、科学规划和高效利用土地资源、推动土地利用的可持续发展均具有积极的方法论意义。

3.问题分析

任何一种理论模型都是在不断的发展完善之中，都需要不断修正模型的缺点和不足，城市土地利用变化模型也不例外。同时，城市土地利用变化分析预测的对象是日趋复杂的土地资源系统，其是一个城市经济、社会和生态环境高度耦合的复杂系统，而模拟、计算、分析和预测土地利用变化本身就是一件复杂困难和极富挑战性的工作任务。尽管已有较多研究从各个方面进行了有益探索并取得积极进展，但仍应客观地分析城市土地利用变化模型对预测分析土地利用变化中存在的现实问题和不足。综合来看，城市土地利用变化模型是分析预测土地利用变化特征和规律的基础。如前所述，尽管当前的城市土地利用变化模型已经取得了积极进展，但在技术方法上仍存在进一步改进和优化的必要性，从而使得模型能更加系统、全面地发现城市土地利用变化规律，最终尽可能实现对城市土地利用变化的精准预测。从此点看，当前研究存在的问题仍然集中在城市土地利用变化模型上，具体如下。

（1）城市土地利用变化模型自身存在局限性。本质上看，城市土地利用变化模型应用相应的数学分析方法对未来土地利用的数量、类别进行模拟和预测，而从目前的技术水平看，任何模型在预测未来时都存在不同程度的误差和失真，城市土地利用变化模型也不例外。同时，城市土地利用在空间上存在差异，各类土地利用类型具有各不相同的空间分布格局，目前的模型在模拟预测土地利用的数量和类别上取得了很大进展，但在预测未来土地利用的空间格局、结构上仍存在较大不足，尚不能准确预测未来的城市土地利用空间结构。

（2）城市土地利用变化模型尚难以模拟各种影响因素。城市土地利用变化是一个复杂的过程，受到众多自然因素、经济社会因素的影响。例如，自然灾害、气候变化等自然因素都可能导致城市土地利用发生变化，而人类活动、土地利用政策和规划、科技进步等经济社会因素也会影响到城市土地利用的方式和结果。所有这些自然因素和经济社会因素，都会影响到城市土地利用类型之间的转移概率，而目前的模型仍难以准确判定和模拟这些因素之间的复杂关系，由此必然会对最终的预测结果产生影响。

（3）城市土地利用数据处理仍需提高精度。数据在城市土地利用变化研究中具有核心作用，数据的精度直接影响到研究结果的科学性与可信度。目前，在城市土地利用变化研究中应用较多的是各种土地利用遥感影像数据，其本身存在分辨率的高低问题，同时在解译中也存在不同程度的误差，这些都会对研究结果的准确性产生影响。

4.研究展望

综上，根据城市土地利用变化研究的关键问题和不足之处，结合研究现状和未来发展需要，建议应从“模型、系统、实践”3个方面进行深入研究。其中，城市土地利用变化模型是研究和应用的基础，系统是模型的有机集成，能让模型应用更加标准和高效，而实践则是模型和系统的具体应用，也是检验模型和系统以及优化模型、改进系统的最有效方法。

4.1 模型优化

根据前述，目前常用的城市土地利用变化模型仍然存在精度、广度和数据等问题，若没有提出新的模型，则最好的选择就是通过改进完善现有模型，由此提高城市土地利用变化研究的精度和广度。如何进一步优化模型？是否可以根据目前模型的固有特点来建立一个统一的应用标准，例如在多大的研究尺度上优先选择使用CLUE-S模型，马尔科夫链模型的影响因素选择是否可以统一标准等。在模型本身的结构没有改变的情况下，通过建立科学的使用标准体系，将能在一定程度上优化模型效力，减少目前预测研究中存在的结果精度低、与实际土地利用情况相差较大等问题，由此尽可能准确地预测城市土地利用的未来变化。

4.2 系统提升

城市土地利用变化模型系统也需进一步构建和提升。首先要将城市土地利用模型尽快集成到系统中，例如可以作为一个独立模块加载到常用的GIS软件中，也可以独立开发单独的计算机应用程序，只有这样，才能进一步扩大模型的使用率和影响范围。其次，数据是系统应用的基础，应建立统一的城市土地利用变化模型系统的数据标准。目前，城市土地利用变化研究的数据来源广泛、格式标准不统一，造成了各个模型系统不能有效兼容，导致模型、系统应用存在制约。建议建立一套符合国内研究习惯的城市土地利用变化研究数据标准，以实现数据在不同模型系统中的“互联互通”，由此提高研究的效率和精度。

4.3 加强实践

任何研究取得进步都要建立在大量实践应用的基础上。只有通过实践，才能检验理论、方法的科学性与可靠性，才能不断发现问题、解决问题，从而实现不断优化的目标要求。城市土地利用变化研究仍是一项需要继续发展改进的工作，在模型的应用范围、参数设置、因素选择上尚未统一意见，这就更需要进行大量有效的实践应用研究来不断提高模型的有效性。另一方面，也只有通过大量实践才能更好地探究城市土地利用变化规律，才能更客观理性地选择合适的模型进行城市土地利用变化研究，由此尽可能准确预测未来的城市土地利用变化。

5.结语

土地资源是城市赖以生存发展的空间支撑，城市土地利用变化研究不仅是土地资源研究的核心问题，更是当前全球土地利用可持续发展研究的中心，为人们认识、理解土地资源特征和规律打开了一扇新的大门。城市土地利用变化模型则应用定量化的方式把城市土地利用变化规律和特点用一系列可测度的数据表现出来，由此为表达城市土地利用变化和人类社会之间的复杂关系构建了一个独特而系统的理论方法体系。总体上，城市土地利用变化研究已经取得了丰富成果和显著进展，但也存在一定问题，如在模型有效性、模型精度等方面仍需要提升和优化。未来研究应重点在模型优化、系统提升、加强实践3大方面展开研究，由此进一步丰富和完善城市土地利用变化研究的框架体系，从而更好地发挥对城市土地利用可持续发展的决策支持作用。