1、2009年 第54卷 第21期: 3251 3258中國科學雜志社SCIENCE IN CHINA PRESSLUCC時空過程研究的方法進展劉紀遠, 鄧祥征國家重點基礎研究發展計劃(編號: 2009CB421105)、國家科技支撐計劃(編號: 2006BAC08B00)和國家自然科學基金(批準號: 70873118)資助項目摘要 歷經過去十多年的發展, LUCC時空過程研究的方法漸成體系, 并不斷完善. LUCC時空過程研究方法體系是以地理學為理論依據, 以遙感和地理信息系統為技術依托, 適應全球變化與人類可持續發展研究的科學需求而形成的學科領域. 它涵蓋LUCC時空過程探測、驅動機理分析、過

2、程刻畫與模擬及宏觀生態效應評價等多個方面, 促進了地理學、地球信息科學、宏觀生態學的跨學科交叉, 并推動了LUCC時空過程研究的不斷深入. 國內外的研究表明, LUCC遙感動態信息提取與分析技術的發展和LUCC時空過程模擬手段的創新, 促進了LUCC時空過程研究方法體系的發展, 并推動LUCC時空過程研究的日臻深入. 綜合利用遙感動態信息探測與分析技術, 建立多源時空數據平臺, 實現海量數據的存儲與集成, 是支撐LUCC時空過程研究方法體系的重要能力建設之一. LUCC時空過程研究方法體系將為區域乃至全球尺度LUCC研究提供綜合技術手段, 并最終成為LUCC時空過程研究的重要方法論.關鍵詞LU

3、CC 土地利用 時空過程 格局演替 LUCC動態區劃 時空數據平臺隨著氣候變化、人口增長、環境污染、能源短缺等諸多全球性問題的日益突兀, 一系列全球環境變化研究計劃相繼開展. 20世紀80年代以來, 國際科學界先后發起并組織實施了世界氣候研究計劃(WCRP)、國際地圈生物圈計劃(IGBP)、國際全球環境變化人文因素計劃(IHDP)、生物多樣性計劃(DIVERSITAS), 并通過組織 “地球系統科學聯盟(ESSP)” 倡導就地球系統變化及其對可持續性發展的影響開展綜合研究.隨著全球變化研究工作的深入, 土地利用/覆被變化(LUCC)研究逐漸成為全球環境變化研究的核心組成部分. 國際上真正意義上

4、的LUCC研究開始于1992年. 隨后, 聯合國在 “21世紀議程” 中明確提出將加強LUCC研究作為21世紀工作的重點. 1994年, 聯合國環境署(UNEP)啟動了 “土地覆被評價和模擬(LCAM)” 項目, 旨在采用高分辨率雷達影像探測技術, 探測亞全球尺度(主要是東南亞地區)的土地覆被現狀與變化, 為區域可持續發展提供服務. 1995年, 國際應用系統與分析研究所(IIASA)開展了 “歐洲和北亞LUCC模擬” 研究, 分析了19001990年歐洲和北亞地區LUCC過程的空間分異、時間動態和生態效應, 并預測了地球系統變化背景下的未來50年LUCC時空過程變化趨勢, 為制定相關區域對策

5、服務1. 同年, IGBP與IHDP共同發起了 “土地利用/覆被變化(LUCC)” 研究計劃, 并就LUCC的研究方法提出了概念性框架2. 1996年, 美國開展了洲際尺度(北美洲)的土地覆被變化研究, 主要涉及土地覆被(主要是森林)變化監測及土地覆被變化與溫室氣體排放關系的研究. 2003年, IGBP進一步提出了土地計劃項目的研究重點并提煉了相關科學問題3.持續十余年的LUCC研究計劃結束后, 全球土地計劃(GLP)成為聚焦土地系統變化研究的新一輪全2009年11月 第54卷 第21期球環境變化核心研究計劃. GLP關注人類行為與陸地生態系統之間的相互作用, 強調從局部到區域尺度的人地耦合

6、關系研究, 關注測量、模擬與解釋陸地系統中人類與環境的相互作用關系, 從而增進人類對地球系統運行狀態變化及其造成的社會、經濟與政治后果的理解4.中國科學家在全球LUCC計劃和全球土地計劃的發起與組織實施過程中發揮了重要作用. 早在1988年的第21屆ICSU大會上, 葉篤正等人5,6就提出要將土地利用引發的全球環境問題作為除溫室氣體以外的另一類重大問題加以重視. 這一提議得到很多國家的積極響應, 并在一定程度上促成了LUCC計劃的形成與發展. 自此, 中國科學家積極就GLP涉及的學科問題及在模擬過程中出現的信息融合、尺度轉換、不確定性等問題展開深入探討7, 提出了眾多解決方案, 并推動了GLP

7、科學計劃的開展.DIScover數據集的生成在一定程度上滿足了IGBP倡導的研究計劃對全球LUCC時空數據的需求. 由IGBP-DATA和IGBP-DIS工作組共同啟動的1 km分辨率DIScover項目, 用17種土地覆被分類的圖例表征了土地覆被的空間分異格局, 形成了表征土地覆被一般構成要素和植被情況的全球數據集9. 目前, 該數據集已被廣泛應用于全球尺度的氣候、生物地球化學模擬及其他地球系統過程研究.應用遙感技術獲取的數字影像, 需經過解譯與分類, 方能提供有效的LUCC時空過程信息并服務于LUCC時空數據平臺建設. 遙感影像的分類是根據影像所具有的光譜特征, 利用一定的數字圖像處理方法

8、并佐以經驗性知識, 提取有關土地利用與土地覆被信息的過程10,11. 遙感影像的分類方法大致分為光譜直接比較法和分類結果比較法. 前者主要包括插值法、比值法、植被指數法、主成分分析法和變化向量法等, 其不足是不能同時提供像元變化前后和未變化像元的土地覆被信息. 后者先對影像數據進行分類(或之前先進行光譜值的直方圖變換), 然后對分類結果進行比較分類. 該方法目前應用非常廣泛, 但也存在諸多不足, 如無法探測某一土地覆被類型斑塊內部的細微變化, 且分類精度有時難于保障數據處理的精度.目前, 中國LUCC時空數據平臺建設所采用的數據主要來自Landsat影像12. 已經建成的數據集包括20世紀80

9、年代中后期、90年代中期、2000年末期和2005年Landsat TM/ETM影像數據庫以及相應的土地利用/覆被現狀數據庫、遙感解譯標志數據庫等. 其中利用全數字化、人機交互遙感信息提取與精度分析技術建成的我國首個國家尺度1:10萬的LUCC多源時空數據平臺, 為20世紀90年代中國LUCC時空過程的解釋提供了重要數據基礎12,13. 依托該數據集提出的1 km成分柵格數據模型, 綜合了矢量數據模型和柵格數據模型的優點, 在1 km柵格尺度上表征土地利用變化, 在一定程度上推進了國內在精細柵格尺度上LUCC時空過程研究的精度. 在該平臺的支持下, 20世紀90年代中國LUCC時空過程基本特征

10、得到了刻畫與表征. 另外, 該平臺包含的LUCC自然環境背景、社會經濟條件、區位環境、過程變化、格局演替、利用結構與生產力變化等專題數據, 還支持了LUCC生態效應研究.1 LUCC時空過程探測LUCC時空過程探測, 即采用遙感技術并結合傳統調查方法, 積累時空連續的土地利用/覆被數據, 建立LUCC多源時空數據平臺, 在該平臺的支持下通過數學模型描述LUCC時空分異規律, 實現土地利用動態區劃. 因此, LUCC時空數據平臺的建立與完善是LUCC時空過程探測的關鍵環節8.LUCC時空數據平臺建設需要以海量的土地利用/覆被數據為支持. 這些數據可以通過遙感探測、地面調查、定位觀測、文獻資料整理

11、等多種手段獲取. 其中, 遙感探測是最主要、最高效的土地利用/覆被數據獲取手段. 隨著遙感技術的發展, 全球已經積累了海量土地利用/覆被數據, 建成了大量的全球、亞全球以及區域尺度的LUCC時空過程數據集, 主要包括基于NOAA/AVHRR數據的全球、區域遙感數據集, 如GAC(global area coverage)數據集和GVI(global vegetation index)數據集, 基于GAS數據改進的GIMMS(global inventory modeling and monitoring study)數據集, 中等分辨率的NOAA數據、高分辨率的SPOT數據, Landsat

12、TM/ETM數據等. 這些數據集的建成無疑為LUCC時空數據平臺建設提供了重要數據基礎. 但這些數據在時空分辨率、覆蓋范圍、觀測主題等方面的差異也在一定程度上為建設LUCC時空數據平臺增加了難度.3252評 述2 LUCC時空過程驅動機理分析LUCC時空過程驅動機理分析是LUCC時空過程研究的技術核心之一. LUCC時空過程驅動機理研究, 直接揭示了LUCC時空過程的原因、影響因素的作用途徑及其驅動機制, 為預測其未來發展變化趨勢并制訂相應對策提供了基礎.LUCC時空過程驅動因子主要包括自然條件、氣候變化、經濟發展、社會環境和人口變化5個方面的因素. 這些驅動因子從總體上可以劃分為自然因素和社

13、會經濟因素兩個層面. 在較短時間尺度上, 自然因素的影響主要體現為累積性效應, 而社會經濟因素對LUCC時空過程的影響相對活躍且易于探測. 因此, LUCC時空過程驅動機理研究也更多地關注于引起土地利用變化的社會經濟因素及其作用途徑. 另外, 由于LUCC時空過程研究格外重視空間尺度, LUCC時空過程驅動機理分析或在某一具體空間尺度上探討驅動力的構成及作用, 或在其基礎上進一步探索LUCC時空過程驅動因素隨研究尺度變化而變化的規律. 不過, 誠如Lambin等人14尺度大小選擇影響驅動機理分析結論并由此導致的不確定性問題的解決方案.與國外研究不同, 國內LUCC時空過程驅動機理研究更為強調對

14、不同影響因素的驅動機理的綜合認識, 以便為土地利用管理決策提供科學依據20,21. 所以, 該類研究一般比較重視對LUCC時空過程與格局演替的描述、解釋、預測及與之相關的政策分析22,23. 我國學者應用多種系統分析與數理統計模型從多個角度開展了LUCC時空過程驅動機理分析研究, 其中, 基于經驗統計的模型在相關研究中占主導地位. 這類模型側重于研究LUCC時空過程與各種社會經濟和自然驅動因子之間的關系, 通過提取LUCC時空過程主要驅動因子, 解釋LUCC時空過程的原因. 常用的基于經驗統計的方法有主成分分析法、灰色關聯度分析法、逐步回歸法、典型相關分析法、系統動力學方法、空間統計模型及非線

15、性回歸模型等. 史培軍等人24通過回歸分析, 提取了影響深圳市土地利用變化的內在驅動因子, 并探討了各因子對土地利用變化的影響. 劉紀遠等人13開展了中國20世紀90年代后期LUCC時空過程驅動機理分析, 初步揭示了中國國家尺度LUCC時空過程的驅動機理. 擺萬奇25采用系統動力學方法, 將土地利用變化的主要驅動因子與土地利用類型置于一個系統中考察其長期動態趨勢, 并診斷出各驅動因子的貢獻大小. 對不同驅動因子影響作用的研究必須在人地系統耦合條件下進行7. 樣帶尺度上的案例研究是區域LUCC時空過程驅動機理研究的一個重要切入點. 龍樓花和李秀彬26把長江干流作為一個樣帶進行了梯度分析. 該項研

16、究剖析了沿江城鎮化對土地利用變化的影響作用, 不僅對當地經濟建設具有參考價值, 而且補充了代表溫帶的北緯40°樣帶, 與IGBP中原有的沿海經度帶和東經107°經度帶一起, 共同架構成 “井”字形的格網, 為LUCC時空過程驅動機理研究試驗了方法.中國LUCC時空過程驅動機理研究在強調認識不同驅動因子影響作用存在差異的同時, 也重視研究對象的選擇和案例比較研究. 比如, 在區域尺度開展LUCC時空過程研究多選擇人文和自然驅動因素活躍的熱點地區, 如蘇州、無錫、常州等, 或者人口、資源、環境、發展協調欠佳的生態脆弱區, 如河西走廊、北方農牧交錯帶等.所言, 當前的一些LUCC

17、時空過程驅動機理研究, 尤其在對土地利用/覆被變化的原因進行解釋時, 往往基于一些過于理想的假設, 以至于所得的結論與事實或人們的直覺認識存在較大差異. 實際上, LUCC時空過程研究, 尤其是在研究LUCC時空過程驅動機理時, 必須要遵循 “始于簡化, 逐漸認識驅動力系統的復雜性, 最后形成一般性規律” 的思路, 才能實現對LUCC時空過程的科學探索.近年來, LUCC時空過程驅動機理研究得到了越來越多的關注, 人們在不同尺度上展開了一系列的相關研究. Aspinall15利用經驗統計模型在多個尺度上研究了土地利用變化, 提出了土地利用變化的主要驅動因子是生物物理與社會經濟因素的觀點. Ba

18、k-ker等人16基于回歸模型分析了希臘Lesvos島的土地利用變化情況, 發現了當地土地遭棄耕的主要原因是土壤侵蝕這一自然-人類交互作用過程導致的. Lambin與Geist17綜述了全球數十名LUCC研究領域科學家的研究成果, 闡述了過去300多年人類擾動造成的LUCC時空格局演變, 揭示了社會經濟因素對全球尺度LUCC時空過程的驅動作用. 此外, 近年來發展起來的基于精細柵格單元數據分析的LUCC時空過程驅動力及其尺度效應研究18,19, 提出了柵格32532009年11月 第54卷 第21期針對當前LUCC時空過程驅動機理研究現狀, 劃邊界的推移、區劃單元內部特征的變化與單元的消要揭示

19、中國改革開放以來LUCC時空過程驅動機理, 長等)和變化過程的格局(指變化過程與特征的分階需在土地利用變化動態分區框架下發展LUCC時空段區域差異劃分)”的理論, 在此基礎上, 創建了中國 過程間接驅動力和直接驅動力之間的驅動鏈模式27, 通過設計并利用LUCC時空過程驅動計量模型, 揭示政策、市場、人口結構、城鄉經濟差距、GDP增長率、外商投資增長率等重要間接/直接驅動因子在不同動態區劃單元中對LUCC時空過程的前向、反向與回饋作用, 以及各驅動過程之間的相互觸發、增強、制約關系, 形成中國區域水平LUCC時空過程驅動機理分析方法的突破及相關驅動規律的歸納與總結.另外, 國家層次LUCC時空

20、過程驅動機理的揭示須注意分清LUCC時空過程驅動力的層次性特征11. LUCC時空過程的驅動力應該包括中央核心戰略與國策層次的頂級驅動力、國家與區域政策響應層次的基本驅動力及包括經濟發展、人口增長等因素的直接驅動力3個層次. 其中, 頂級驅動力是關乎國家根本利益, 并從根本上影響國家LUCC時空過程, 對國家經濟及社會發展具有戰略意義、事關全局的長期性重大決策. 基本驅動力涉及人口、經濟、環境、社會發展及人類福利、城市規劃及土地管理5個方面. 它將國家發展的大政方針落到實處, 決定著資本、人口流向, 從而引發要素供給、產業結構、消費需求等指標的變化, 并影響到LUCC時空過程. 在當代中國,

21、基本驅動力的變化受到頂級驅動力的直接控制. 體現在動力學指標上的直接驅動力直接影響著區域用地需求總量與結構. 3個層次逐級驅動的鏈狀結構及各個因素之間的聯系能較好地解釋中國LUCC時空過程的驅動機理.總之, 國內外LUCC時空過程驅動機理分析方面, 已經形成了一系列基于地區特征, 依托不同土地利用變化研究計劃, 并應用于多尺度、不同研究專題的大規模、跨學科、綜合性模型28. 這些模型方法及其對LUCC時空過程驅動機理的分析反映了LUCC時空過程驅動機理分析的方法已基本形成, 并在不同地區的實證研究中得到發展與完善.LUCC動態區劃體系, 刻畫了LUCC動態區劃中各級單元的消長及每5年的變化強度

22、特征, 揭示了土地利用 “格局”與 “過程”之間的交替轉化規律, 進而揭示了農田草地城市等各類型的時空變化規律與動態模式, 這為在動態分區的基礎上開展驅動機理分析提供了空間參照.歷經了從描述性模型到機理性模型的發展歷程, LUCC時空過程刻畫與模擬取得了諸多研究成果, 已經形成了一個比較完整的方法體系. 國際上, LUCC時空過程刻畫與模擬一直是LUCC時空過程研究的核心科學命題之一. LUCC時空過程系列報告第6輯曾專門討論了基于智能體的LUCC時空過程模擬模型(Agent-based models of Land-use and Land-cover, ABM/LUCC)的研究進展, 并認

23、為ABM/LUCC由基于智能體的模型(ABM)和元胞自動機模型(CA)兩部分構成, 可以根據輸入的一系列規則模擬土地管理者的土地利用決策, 并將其后果反映到模擬的景觀上30. Manson31通過發展基于智能體的LUCC時空過程模擬模型對墨西哥Yucatan半島南部地區的土地利用變化進行了模擬, 闡明了當地主要社會經濟因素和政治環境因素對土地利用變化的影響. 相應地, 由Veldkamp和Fresco32等科學家組成的 “土地利用變化及其影響模型”(conversion of land use and its effect)研究小組提出的CLUE模型, 也引起了學術界的廣泛關注. CLUE模型

24、是基于系統理論的尺度動態模型, 主要通過綜合分析社會經濟和生物物理驅動因素, 刻畫與模擬區域土地利用變化過程. Kok和Farrow等人18對CLUE模型進行了多尺度應用嘗試, 取得了令人滿意的研究結果. 總之, LUCC時空過程刻畫與模擬是認識LUCC時空過程動態性與復雜性的主要手段, 在揭示區域驅動機制(時空針對性)和區域調控對策方面具有重要意義.中國學者對LUCC時空過程的刻畫與模擬進行了廣泛而深入探索, 一般做法是將 LUCC時空過程置于一個開放的土地系統, 從系統的角度識別區域用地結構變化的各種影響因素及其作用途徑, 通過選擇恰當的模型工具, 在區域和柵格兩個尺度上開跨專業研究領域,

25、 LUCC展模擬33. 作為一個跨學科、3 LUCC時空過程刻畫與模擬LUCC時空過程刻畫與模擬是在LUCC格局-過程耦合與動態區劃研究的基礎上發展起來的. 劉紀遠等人29提出了LUCC研究 “格局的變化過程(指區3254評 述時空過程刻畫與模擬涉及的范圍十分廣泛, 需要綜合考慮空間尺度和時間尺度對分析結果的影響, 在準確把握影響LUCC時空過程的諸多影響因素及其作用機理的基礎上, 刻畫與模擬LUCC時空過程.基于經驗統計的方法、基于多智能主體分析的方法和基于柵格鄰域關系分析的方法在中國區域尺度LUCC時空過程的刻畫與模擬中應用較廣34,35. 張永民等人36運用CLUE-S模型對內蒙古奈曼旗

26、2000年的土地利用變化進行了模擬, 并取得了理想的結果. 何春陽等人37綜合自上而下的系統動力學(SD)模型和自下而上的CA模型, 從宏觀需求和微觀供給相平衡的角度建模模擬了中國北方13省未來20年的土地利用變化情況. Yue等人38采用自然過程方法對中國1960年以來的陸地生態系統空間格局演替進行研究, 模擬分析了每個地貌單元的氣候空間變異規律, 闡明了Holdridge生態系統的空間格局動態. 鄧祥征7探討了土地系統結構變化與格局演替的原理與方法, 開發了土地系統動態模擬系統(DLS), 試驗了一套在區域水平上以土地結構變化均衡理論和柵格尺度用地類型分布約束理論為支撐、在區域和柵格兩個尺

27、度上開展LUCC時空過程情景分析的方法.總之, LUCC時空過程刻畫與模擬研究已經具有了一個相對完整的方法體系, 模擬結果將為代表不同利益主體的各級決策者提供區域土地利用規劃、土地資源管理方面的決策參考信息, 形成的包括區域用地結構預測、柵格尺度驅動機理分析、柵格水平土地供需平衡與空間分配技術構成了LUCC時空過程研究的重要技術支撐.類與地球環境之間的和諧共存.國際上, LUCC時空過程宏觀生態效應評價的研究案例非常豐富, 涉及范圍也非常廣泛. Matson等人40和Tilman等人41分別針對農業土地利用集約程度增加對生態系統的影響進行了研究, 認為土地利用變化強度的增加會改變生態系統生物間

28、的相互作用和資源的可得性, 導致負面的局地、區域乃至全球影響. Solomon等人42從土壤有機質的角度探索了LUCC時空過程對農業的影響. Trimble等人43研究了美國土地利用變化對土壤流失的影響, 并利用水蝕模型USLE和風蝕模型WEE計算了美國土壤流失速率. Sliva等人44對土地利用變化對河流水質的影響進行了研究. Kalnay等人45對過去50年全球氣溫進行再分析, 重建得到地表溫度趨勢, 并將其與利用觀測得到的美國大陸地表溫度趨勢進行差異比較, 研究了土地利用變化對美國地區氣候的影響. Sala等人46和Jenkins47也分別從不同的視角出發, 將土地利用作為一個考察因子,

29、 就其對區域未來生物多樣性的影響做出了預測.LUCC時空過程宏觀生態效應評價是在全球環境變化背景下分析中國土地利用變化對宏觀生態環境的影響, 開拓、發展LUCC時空過程研究方法體系的重要切入點. 聯合國新千年生態系統評估項目(MA) “中國西部生態系統綜合評估” 和國家973項目 “中國陸地生態系統碳循環及其驅動機制” 的實施推進了中國的LUCC時空過程宏觀生態效應研究. 通過對中國西部土地利用/覆被變化和氣候變化雙重驅動下我國生態系統退化狀況和未來趨勢的研究, 國內學者提煉了過去30年中國西部地區各類生態系統退化的空間格局特征48. 其中的一個重要發現是, 中國西部地區永久冰雪面積的持續減少

30、和荒漠面積的增加嚴重威脅到綠洲生態系統的穩定, 同時, 生物氣候帶的北移和抬高導致了生態系統多樣性的增加, 尤其以貴州大部、陜甘南部等地區生態承載能力和壓力矛盾最為突出. 研究結果表明, 未來50100年, 我國西部生態系統多樣性和森林覆蓋率將會大幅增加, 各類生態系統生產力提高、碳匯作用加強, 大城市周邊、黔陜甘寧等地區生態系統承載能力和壓力矛盾將被進一步激化. 我國學者還進一步模擬了20世紀90年代LUCC時空過程與氣候變化對中國農田光溫生產潛力、土壤碳和農牧交錯帶碳循環的影響. 通過對中國陸地生態系統碳循環及其驅動機理研究, 獲得4 LUCC時空過程宏觀生態效應評價開展LUCC時空過程宏

31、觀生態效應評價研究, 通過科學地分級歸納, 認識LUCC時空過程的宏觀生態效應, 是理解LUCC時空過程對地球系統影響的重要內容, 也是全球與亞全球尺度LUCC時空過程研究的核心課題之一. 盡管人類對LUCC時空過程宏觀生態效應的理解與認識還處在不斷深入的過程中, 但地區性糧食危機、淡水資源匱乏、森林資源存量及其變化、區域氣候變暖和空氣質量惡化、傳染病與地方病爆發等一系列大尺度生態環境問題, 無疑都與土地利用/覆被變化存在密切聯系39. 從這個意義上看, 目前人類面臨的挑戰是如何在生物圈供給能力和人類需求之間尋找一個平衡點, 以確保人32552009年11月 第54卷 第21期了一系列原創性研

32、究成果, 如LUCC時空過程導致我國農田光溫生產潛力呈南減北增態勢27. 由此可見, 基于LUCC時空過程能直接改變生態系統宏觀結構并進而影響生態系統服務功能的判斷, 以LUCC 時空過程研究方法體系為基本框架, 整合地面生態系統聯網觀測和遙感生態參數反演信息, 經尺度轉換和相互驗證開展集成研究是LUCC時空過程宏觀生態效應評價方法的一個重要突破49被時空格局演替規律的動態模擬系統, 發展了諸如CLUE-S模型、CA模型、ABM和DLS等一系列模型. 總體而言, 盡管目前大多數的LUCC時空過程模擬模型開始嘗試研究LUCC時空過程探測、驅動機理分析或者宏觀生態效應評價的某一方面, 并重點考慮L

33、UCC時空過程的區域、局域尺度效應及反饋, 但相關模型的集成度依然不高, 還不能滿足LUCC時空過程研究的需要. 鑒于此, 我們強調, 一方面要借助遙感、GIS技術, 結合自然、人文等多方面信息, 佐以驅動機理和宏觀生態效應分析開展綜合研究; 另一方面, 要加強GIS與其他專題分析模型的集成, 擴大研究范圍, 綜合并發揮各模型的優勢, 建立實用性更強、更系統的LUCC時空過程研究模型體系. 5.3 LUCC時空過程研究的理論體系建設LUCC時空過程是一個跨學科、跨專業的研究領域, 涵蓋了地理學、經濟學、生態學、統計學、管理學等多學科知識. LUCC時空過程研究理論體系的建立, 為土地利用變化的

34、解釋、評價和預測提供了基礎. 目前, 國際上由于LUCC時空過程研究理論體系的欠缺, 許多基于不同學科背景的研究對同一尺度下LUCC時空過程作出的評價和預測往往不同, 甚至相互抵觸. 這需要我們從LUCC時空過程探測、驅動機理分析、時空過程模擬與宏觀生態效應評價等方面繼續為LUCC時空過程研究的理論體系的發展做出不懈的努力. 此外, 在分析生態系統生物地球化學循環過程中形成并逐步完善的一系列生態過程模型, 如CENTURY模型、TEM模型、CEVSA模型等, 也為開展LUCC時空過程宏觀生態效應評價提供了有力手段.5 問題及展望縱觀LUCC時空過程研究, 我們不難發現, LUCC時空格局研究在

35、數據積累、模型集成與相關理論建設方面仍存在諸多問題與瓶頸, 其方法體系還有賴于通過開展更大尺度、更多區域水平上的案例研究來試驗與完善.5.1 LUCC時空過程研究的數據集建設為揭示區域、亞全球乃至全球尺度的LUCC時空過程的變化規律, 眾多服務于國家乃至全球尺度的LUCC時空過程探測與綜合分析研究計劃得以部署與實施, 其中大部分研究計劃都為形成多源、多主體的海量LUCC空間數據集提供了能力建設. 這些數據集的建立, 直接服務于土地利用/覆被總量及空間變化特征的刻畫. 但不同數據源在空間分辨率、時間分辨率、觀測尺度、覆蓋范圍、觀測主題等方面的差異也給LUCC數據集的綜合應用帶來了挑戰. 不少在國

36、家、區域與局域尺度開展的LUCC時空過程動態監測與研究工作, 偏重以遙感、GIS為技術依托, 缺少地面驗證工作50,51. 因此, 基于相關研究工作建立起來的數據集不可避免地存在系統性或者實驗性誤差. 現階段, 我們應需重視通過諸如國土勘測、地形圖查詢、實地調研等傳統方法獲得信息, 并通過不斷創新數據融合技術克服利用多源數據刻畫LUCC時空過程的技術瓶頸.5.2 LUCC時空過程研究的模型體系建設在LUCC相關研究計劃的推動下, 美國、歐洲、日本、中國等國家的科學家, 開始結合本國地域特征與社會經濟條件, 研究服務于揭示本土土地利用/覆6 結論與討論隨著LUCC時空過程研究的數據積累與研究方法

37、的發展, 在LUCC時空過程探測、驅動機理分析、過程模擬與生態效應分析方面均已形成了相應的技術方法體系.LUCC時空過程探測是在LUCC多源時空數據平臺的支持下, 基于系統論的相關原理與方法, 通過建立數學模型描述LUCC時空分異規律, 實現土地利用動態區劃. 遙感探測技術的發展和遙感影像分類技術的進步都為LUCC時空過程數據平臺的建立奠定了基礎. 目前, 國內建立的全國范圍LUCC時空數據平臺, 為中國LUCC時空過程研究提供了重要的數據支持并積累了豐富的案例經驗, 是中國LUCC時空過程探測方法體系進一步發展與完善的重要前提.3256評 述LUCC時空過程驅動機理分析是LUCC時空過程研究

38、的核心問題. 深入理解LUCC時空過程驅動機理, 需要從多個尺度上揭示人類活動和生物物理過程對LUCC時空過程的驅動作用. 國內LUCC時空過程驅動機理研究的特點主要體現在對人地耦合系 統的研究中強調認識不同驅動因子的影響, 并重視研究對象的選擇和案例比較研究, 注重相關驅動規律的歸納分析. 到目前為止, 國內LUCC時空過程驅動機理分析已經形成了一套相對完整的理論體系, 該領域的專家和學者們已經開始嘗試從系統的角度探索LUCC時空過程的機理.LUCC時空過程的刻畫與模擬是理解LUCC時空過程動態性和復雜性的必然途徑, 需要綜合考慮自然環境條件與社會經濟因素的作用, 將整個研究對象置于一個開放

39、的土地系統, 選擇恰當的模型工具, 在區域和柵格兩個尺度上同時開展, 從系統的角度認識LUCC時空過程的各種影響因素及其作用途徑. 區域土地系統動態模擬原理與方法探索及土地系統動態模擬系統的開發, 為LUCC時空過程刻畫與模擬提供了重要的理論與模型工具.作為開展全球與亞全球尺度LUCC時空過程研究的最終目標之一, LUCC時空過程宏觀生態效應評價涉及農業、水資源和區域氣候等諸多方面. 眾多案例研究提煉形成的 “整合地面生態系統聯網觀測和遙感生態參數反演信息, 經尺度轉換和相互驗證實現LUCC時空過程宏觀生態效應評價” 的技術路線, 是LUCC時空過程宏觀生態效應評價研究的重要方法基礎, 推動了

40、LUCC時空過程生態效應評價方法體系的形成.盡管目前LUCC時空過程研究已初步形成了一個相對完整的方法體系, 但該體系在多源數據融合、模型功能集成、理論體系建設等方面還存在諸多不足, 需要在今后的研究和應用中不斷完善11. LUCC時空過程研究是一個跨學科、跨專業的研究領域, 必須同時考慮自然因素、人文因素對土地系統變化的作用與影響, 克服LUCC時空過程研究中的時空尺度及其轉換問題. 土地系統的結構變異性、演化復雜性和格局差異性, 也增加了LUCC時空過程探測、驅動機理分析、過程刻畫與模擬和宏觀生態效應評價結果的不確定性. 從這一點看, LUCC時空過程研究方法體系的進一步發展, 還需要在開

41、展更多案例研究的同時, 加強對LUCC時空過程研究結果的精度驗證與靈敏度分析, 最終形成一個基于不同時空尺度的LUCC時空過程研究方法論框架.致謝 謹以此文紀念我國遙感和地理信息系統科學的創建者和奠基人陳述彭先生.參考文獻1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14IIASA. Modeling land-use and land-cover change in Europe and Northern Asia. 1999 Research Plan, 1998IGBP/IHDP. Land-use and land-cover change science/researc

42、h plan. IGBP Report No.35 and IHDP Report No.7, 1995 Moran E F. News on the land project. Global Change Newslett, 2003, 54: 1921GLP. Science plan and implementation strategy. IGBP Report No.53 and IHDP Report No.19, 2005 葉篤正, 符淙斌, 董文杰. 全球變化科學進展與未來趨勢. 地球科學進展, 2002, 17: 467469劉燕華, 葛全勝, 張雪琴. 關于中國全球環境變化

43、人文因素研究發展方向的思考. 地球科學進展, 2004, 19: 889895 鄧祥征. 土地系統動態模擬. 北京: 中國大地出版社, 2008 李秀彬. 全球環境變化研究的核心領域 土地利用/土地覆被變化的國際研究動向. 地理學報, 1996, 51: 553558Loveland T R, Belward A S. The IGBP-DIS global 1km land cover data set, DISCover: First results. Int J Remote Sens, 1997, 18: 32893295Johnson R D, Kasischke E S. Chan

44、ge vector analysis: A technique for the multispectral monitoring of land cover and condition. Int J Remote Sens, 1998, 19: 411426陳述彭, 童慶禧, 郭華東. 遙感信息機理研究. 北京: 科學出版社, 1998劉紀遠. 二十世紀九十年代中國土地利用變化的遙感時空信息研究. 北京: 科學出版社, 2005劉紀遠, 張增祥, 莊大方, 等. 20世紀90年代中國土地利用變化時空特征及其成因分析. 地理研究, 2003, 22: 112Lambin E F, Turner

45、B L II, Geist H J, et al. The causes of land-use and land-cover change: Moving beyond the myths. Glob Environ32572009年11月 第54卷 第21期151617181920212223242526272829303132333435363738 39404142434445 464748495051 Change: Human Policy Dimens, 2001, 11: 513 Aspinall R. Modeling land use change with general

46、ized linear models: A multi-model analysis of change between 1860 and 2000 in Gallatin Valley, Montana. J Environ Manag, 2004, 72: 91103 Bakker M M, Govers G, Kosmas C, et al. Soil erosion as a driver of land-use change. Agr Ecosys Environ, 2005, 105: 467481 Lambin E F, Geist H J. Land-use and Land-

47、cover Change: Local Processes and Global Impacts. Berlin: Springer, 2006 Kok K, Farrow A, Veldkamp A, et al. A method and application of multi-scale validation in spatial land use models. Agr Ecosys Environ, 2001, 85: 223238 Verburg P H, Veldkamp A. The role of spatially explicit models in land-use

48、change research: A case study for cropping patterns in China. Agr Ecosys Environ, 2001, 85: 177190 黃季焜, 朱莉芬, 鄧祥征. 中國建設用地擴張的區域差異及其影響因素. 中國科學D輯: 地球科學, 2007, 37: 12351241 曲福田, 趙海霞, 朱德明. 江蘇省土地生態安全問題及對策研究. 環境保護, 2005, 2: 5759 史培軍, 宮鵬. 土地利用/覆蓋變化研究的方法與實踐. 北京: 科學出版社, 2000 擺萬奇, 趙士洞. 土地利用和土地覆被變化研究模型綜述. 自然資源學報

49、, 1997, 12: 167175 史培軍, 陳晉, 潘耀忠. 深圳市土地利用變化機制分析. 地理學報, 2000, 55: 151160 擺萬奇. 深圳市土地利用動態趨勢分析. 自然資源學報, 2000,15: 112116 龍樓花, 李秀彬. 區域土地利用轉型分析 以長江沿線樣帶為例. 自然資源學報, 2002, 17: 144149 Liu J Y, Zhan J Y, Deng X Z. Spatio-temporal patterns and driving forces of urban land expansion in China during the economic re

50、-form era. AMBIO, 2005, 34: 450455 Fu B, Chen L, Ma K, et al. The relationships between land use and soil conditions in the hilly area of the loess plateau in northern Shaanxi, China. Catena, 2000, 39: 6978 劉紀遠, 劉明亮, 莊大方, 等. 中國近期土地利用變化的時空格局分析. 中國科學D輯: 地球科學, 2002, 32: 10311040 McConnell W J. Agent-ba

51、sed models of land-use and land-cover change. LUCC Report No.6, 2001 Manson S M. Agent-based modeling and genetic programming for modeling land change in the Southern Yucatan Peninsular Region of Mexico. Agr Ecosys Environ, 2005, 111: 4762 Veldkamp A, Fresco L O. Exploring land use scenarios, an alt

52、ernative approach based on actual land use. Agr Sys, 1997, 55: 117 鄧祥征. 土地用途轉換分析. 北京: 中國大地出版社, 2008 陳百明. 試論中國土地利用和土地覆被變化及其人類驅動力研究. 自然資源學報, 1997, 14: 3136 擺萬奇, 趙士洞. 土地利用變化驅動力系統分析. 資源科學, 2001, 23: 3941 張永民, 趙士洞, Verburg P H. CLUE-S模型及其在奈曼旗土地利用時空動態變化模擬中的應用. 自然資源學報, 2003, 18: 310318 何春陽, 史培軍, 李景剛, 等. 基于系統動力學模型和元胞自動機模型的土地利用情景模型研究. 中國科學D輯: 地球科學,