LUCC 時空過程研究的方法進(jìn)展

1、2009年 第54卷 第21期: 3251 3258中國科學(xué)雜志社SCIENCE IN CHINA PRESSLUCC時空過程研究的方法進(jìn)展劉紀(jì)遠(yuǎn), 鄧祥征國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(編號: 2009CB421105)、國家科技支撐計劃(編號: 2006BAC08B00)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 70873118)資助項目摘要 歷經(jīng)過去十多年的發(fā)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(xué)為理論依據(jù), 以遙感和地理信息系統(tǒng)為技術(shù)依托, 適應(yīng)全球變化與人類可持續(xù)發(fā)展研究的科學(xué)需求而形成的學(xué)科領(lǐng)域. 它涵蓋LUCC時空過程探測、驅(qū)動機(jī)理分析、過

2、程刻畫與模擬及宏觀生態(tài)效應(yīng)評價等多個方面, 促進(jìn)了地理學(xué)、地球信息科學(xué)、宏觀生態(tài)學(xué)的跨學(xué)科交叉, 并推動了LUCC時空過程研究的不斷深入. 國內(nèi)外的研究表明, LUCC遙感動態(tài)信息提取與分析技術(shù)的發(fā)展和LUCC時空過程模擬手段的創(chuàng)新, 促進(jìn)了LUCC時空過程研究方法體系的發(fā)展, 并推動LUCC時空過程研究的日臻深入. 綜合利用遙感動態(tài)信息探測與分析技術(shù), 建立多源時空數(shù)據(jù)平臺, 實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)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(shè)之一. LUCC時空過程研究方法體系將為區(qū)域乃至全球尺度LUCC研究提供綜合技術(shù)手段, 并最終成為LUCC時空過程研究的重要方法論.關(guān)鍵詞LU

3、CC 土地利用 時空過程 格局演替 LUCC動態(tài)區(qū)劃 時空數(shù)據(jù)平臺隨著氣候變化、人口增長、環(huán)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(huán)境變化研究計劃相繼開展. 20世紀(jì)80年代以來, 國際科學(xué)界先后發(fā)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(huán)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(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟(ESSP)” 倡導(dǎo)就地球系統(tǒng)變化及其對可持續(xù)性發(fā)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(huán)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(lián)合國在 “21世紀(jì)議程” 中明確提出將加強(qiáng)LUCC研究作為21世紀(jì)工作的重點. 1994年, 聯(lián)合國環(huán)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(dá)影像探測技術(shù), 探測亞全球尺度(主要是東南亞地區(qū))的土地覆被現(xiàn)狀與變化, 為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供服務(wù). 1995年, 國際應(yīng)用系統(tǒng)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(qū)LUCC過程的空間分異、時間動態(tài)和生態(tài)效應(yīng), 并預(yù)測了地球系統(tǒng)變化背景下的未來50年LUCC時空過程變化趨勢, 為制定相關(guān)區(qū)域?qū)Σ?/p>

5、服務(wù)1. 同年, IGBP與IHDP共同發(fā)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(jiān)測及土地覆被變化與溫室氣體排放關(guān)系的研究. 2003年, IGBP進(jìn)一步提出了土地計劃項目的研究重點并提煉了相關(guān)科學(xué)問題3.持續(xù)十余年的LUCC研究計劃結(jié)束后, 全球土地計劃(GLP)成為聚焦土地系統(tǒng)變化研究的新一輪全2009年11月 第54卷 第21期球環(huán)境變化核心研究計劃. GLP關(guān)注人類行為與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用, 強(qiáng)調(diào)從局部到區(qū)域尺度的人地耦合

6、關(guān)系研究, 關(guān)注測量、模擬與解釋陸地系統(tǒng)中人類與環(huán)境的相互作用關(guān)系, 從而增進(jìn)人類對地球系統(tǒng)運行狀態(tài)變化及其造成的社會、經(jīng)濟(jì)與政治后果的理解4.中國科學(xué)家在全球LUCC計劃和全球土地計劃的發(fā)起與組織實施過程中發(fā)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(fā)的全球環(huán)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(yīng), 并在一定程度上促成了LUCC計劃的形成與發(fā)展. 自此, 中國科學(xué)家積極就GLP涉及的學(xué)科問題及在模擬過程中出現(xiàn)的信息融合、尺度轉(zhuǎn)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(xué)計劃的開展.DIScover數(shù)據(jù)集的生成在一定程度上滿足了IGBP倡導(dǎo)的研究計劃對全球LUCC時空數(shù)據(jù)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(gòu)成要素和植被情況的全球數(shù)據(jù)集9. 目前, 該數(shù)據(jù)集已被廣泛應(yīng)用于全球尺度的氣候、生物地球化學(xué)模擬及其他地球系統(tǒng)過程研究.應(yīng)用遙感技術(shù)獲取的數(shù)字影像, 需經(jīng)過解譯與分類, 方能提供有效的LUCC時空過程信息并服務(wù)于LUCC時空數(shù)據(jù)平臺建設(shè). 遙感影像的分類是根據(jù)影像所具有的光譜特征, 利用一定的數(shù)字圖像處理方法

8、并佐以經(jīng)驗性知識, 提取有關(guān)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(jié)果比較法. 前者主要包括插值法、比值法、植被指數(shù)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(shù)據(jù)進(jìn)行分類(或之前先進(jìn)行光譜值的直方圖變換), 然后對分類結(jié)果進(jìn)行比較分類. 該方法目前應(yīng)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(nèi)部的細(xì)微變化, 且分類精度有時難于保障數(shù)據(jù)處理的精度.目前, 中國LUCC時空數(shù)據(jù)平臺建設(shè)所采用的數(shù)據(jù)主要來自Landsat影像12. 已經(jīng)建成的數(shù)據(jù)集包括20世紀(jì)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(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的土地利用/覆被現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫、遙感解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)庫等. 其中利用全數(shù)字化、人機(jī)交互遙感信息提取與精度分析技術(shù)建成的我國首個國家尺度1:10萬的LUCC多源時空數(shù)據(jù)平臺, 為20世紀(jì)90年代中國LUCC時空過程的解釋提供了重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)12,13. 依托該數(shù)據(jù)集提出的1 km成分柵格數(shù)據(jù)模型, 綜合了矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型的優(yōu)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(jìn)了國內(nèi)在精細(xì)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(jì)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(huán)境背景、社會經(jīng)濟(jì)條件、區(qū)位環(huán)境、過程變化、格局演替、利用結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力變化等專題數(shù)據(jù), 還支持了LUCC生態(tài)效應(yīng)研究.1 LUCC時空過程探測LUCC時空過程探測, 即采用遙感技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)調(diào)查方法, 積累時空連續(xù)的土地利用/覆被數(shù)據(jù), 建立LUCC多源時空數(shù)據(jù)平臺, 在該平臺的支持下通過數(shù)學(xué)模型描述LUCC時空分異規(guī)律, 實現(xiàn)土地利用動態(tài)區(qū)劃. 因此, LUCC時空數(shù)據(jù)平臺的建立與完善是LUCC時空過程探測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)8.LUCC時空數(shù)據(jù)平臺建設(shè)需要以海量的土地利用/覆被數(shù)據(jù)為支持. 這些數(shù)據(jù)可以通過遙感探測、地面調(diào)查、定位觀測、文獻(xiàn)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(shù)據(jù)獲取手段. 隨著遙感技術(shù)的發(fā)展, 全球已經(jīng)積累了海量土地利用/覆被數(shù)據(jù), 建成了大量的全球、亞全球以及區(qū)域尺度的LUCC時空過程數(shù)據(jù)集, 主要包括基于NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)的全球、區(qū)域遙感數(shù)據(jù)集, 如GAC(global area coverage)數(shù)據(jù)集和GVI(global vegetation index)數(shù)據(jù)集, 基于GAS數(shù)據(jù)改進(jìn)的GIMMS(global inventory modeling and monitoring study)數(shù)據(jù)集, 中等分辨率的NOAA數(shù)據(jù)、高分辨率的SPOT數(shù)據(jù), Landsat

12、TM/ETM數(shù)據(jù)等. 這些數(shù)據(jù)集的建成無疑為LUCC時空數(shù)據(jù)平臺建設(shè)提供了重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ). 但這些數(shù)據(jù)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(shè)LUCC時空數(shù)據(jù)平臺增加了難度.3252評 述2 LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理分析LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理分析是LUCC時空過程研究的技術(shù)核心之一. LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)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(qū)動機(jī)制, 為預(yù)測其未來發(fā)展變化趨勢并制訂相應(yīng)對策提供了基礎(chǔ).LUCC時空過程驅(qū)動因子主要包括自然條件、氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會環(huán)境和人口變化5個方面的因素. 這些驅(qū)動因子從總體上可以劃分為自然因素和社

13、會經(jīng)濟(jì)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(xiàn)為累積性效應(yīng), 而社會經(jīng)濟(jì)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(qū)動機(jī)理研究也更多地關(guān)注于引起土地利用變化的社會經(jīng)濟(jì)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(qū)動機(jī)理分析或在某一具體空間尺度上探討驅(qū)動力的構(gòu)成及作用, 或在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索LUCC時空過程驅(qū)動因素隨研究尺度變化而變化的規(guī)律. 不過, 誠如Lambin等人14尺度大小選擇影響驅(qū)動機(jī)理分析結(jié)論并由此導(dǎo)致的不確定性問題的解決方案.與國外研究不同, 國內(nèi)LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理研究更為強(qiáng)調(diào)對

14、不同影響因素的驅(qū)動機(jī)理的綜合認(rèn)識, 以便為土地利用管理決策提供科學(xué)依據(jù)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(yù)測及與之相關(guān)的政策分析22,23. 我國學(xué)者應(yīng)用多種系統(tǒng)分析與數(shù)理統(tǒng)計模型從多個角度開展了LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理分析研究, 其中, 基于經(jīng)驗統(tǒng)計的模型在相關(guān)研究中占主導(dǎo)地位. 這類模型側(cè)重于研究LUCC時空過程與各種社會經(jīng)濟(jì)和自然驅(qū)動因子之間的關(guān)系, 通過提取LUCC時空過程主要驅(qū)動因子, 解釋LUCC時空過程的原因. 常用的基于經(jīng)驗統(tǒng)計的方法有主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、逐步回歸法、典型相關(guān)分析法、系統(tǒng)動力學(xué)方法、空間統(tǒng)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(nèi)在驅(qū)動因子, 并探討了各因子對土地利用變化的影響. 劉紀(jì)遠(yuǎn)等人13開展了中國20世紀(jì)90年代后期LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理分析, 初步揭示了中國國家尺度LUCC時空過程的驅(qū)動機(jī)理. 擺萬奇25采用系統(tǒng)動力學(xué)方法, 將土地利用變化的主要驅(qū)動因子與土地利用類型置于一個系統(tǒng)中考察其長期動態(tài)趨勢, 并診斷出各驅(qū)動因子的貢獻(xiàn)大小. 對不同驅(qū)動因子影響作用的研究必須在人地系統(tǒng)耦合條件下進(jìn)行7. 樣帶尺度上的案例研究是區(qū)域LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)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(jìn)行了梯度分析. 該項研

16、究剖析了沿江城鎮(zhèn)化對土地利用變化的影響作用, 不僅對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)具有參考價值, 而且補(bǔ)充了代表溫帶的北緯40°樣帶, 與IGBP中原有的沿海經(jīng)度帶和東經(jīng)107°經(jīng)度帶一起, 共同架構(gòu)成 “井”字形的格網(wǎng), 為LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理研究試驗了方法.中國LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理研究在強(qiáng)調(diào)認(rèn)識不同驅(qū)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(qū)域尺度開展LUCC時空過程研究多選擇人文和自然驅(qū)動因素活躍的熱點地區(qū), 如蘇州、無錫、常州等, 或者人口、資源、環(huán)境、發(fā)展協(xié)調(diào)欠佳的生態(tài)脆弱區(qū), 如河西走廊、北方農(nóng)牧交錯帶等.所言, 當(dāng)前的一些LUCC

17、時空過程驅(qū)動機(jī)理研究, 尤其在對土地利用/覆被變化的原因進(jìn)行解釋時, 往往基于一些過于理想的假設(shè), 以至于所得的結(jié)論與事實或人們的直覺認(rèn)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(qū)動機(jī)理時, 必須要遵循 “始于簡化, 逐漸認(rèn)識驅(qū)動力系統(tǒng)的復(fù)雜性, 最后形成一般性規(guī)律” 的思路, 才能實現(xiàn)對LUCC時空過程的科學(xué)探索.近年來, LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理研究得到了越來越多的關(guān)注, 人們在不同尺度上展開了一系列的相關(guān)研究. Aspinall15利用經(jīng)驗統(tǒng)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(qū)動因子是生物物理與社會經(jīng)濟(jì)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(fā)現(xiàn)了當(dāng)?shù)赝恋卦鈼壐闹饕蚴峭寥狼治g這一自然-人類交互作用過程導(dǎo)致的. Lambin與Geist17綜述了全球數(shù)十名LUCC研究領(lǐng)域科學(xué)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(jīng)濟(jì)因素對全球尺度LUCC時空過程的驅(qū)動作用. 此外, 近年來發(fā)展起來的基于精細(xì)柵格單元數(shù)據(jù)分析的LUCC時空過程驅(qū)動力及其尺度效應(yīng)研究18,19, 提出了柵格32532009年11月 第54卷 第21期針對當(dāng)前LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理研究現(xiàn)狀, 劃邊界的推移、區(qū)劃單元內(nèi)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(qū)動機(jī)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(tài)分區(qū)框架下發(fā)展LUCC時空段區(qū)域差異劃分)”的理論, 在此基礎(chǔ)上, 創(chuàng)建了中國 過程間接驅(qū)動力和直接驅(qū)動力之間的驅(qū)動鏈模式27, 通過設(shè)計并利用LUCC時空過程驅(qū)動計量模型, 揭示政策、市場、人口結(jié)構(gòu)、城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)差距、GDP增長率、外商投資增長率等重要間接/直接驅(qū)動因子在不同動態(tài)區(qū)劃單元中對LUCC時空過程的前向、反向與回饋作用, 以及各驅(qū)動過程之間的相互觸發(fā)、增強(qiáng)、制約關(guān)系, 形成中國區(qū)域水平LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理分析方法的突破及相關(guān)驅(qū)動規(guī)律的歸納與總結(jié).另外, 國家層次LUCC時空

20、過程驅(qū)動機(jī)理的揭示須注意分清LUCC時空過程驅(qū)動力的層次性特征11. LUCC時空過程的驅(qū)動力應(yīng)該包括中央核心戰(zhàn)略與國策層次的頂級驅(qū)動力、國家與區(qū)域政策響應(yīng)層次的基本驅(qū)動力及包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長等因素的直接驅(qū)動力3個層次. 其中, 頂級驅(qū)動力是關(guān)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(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展具有戰(zhàn)略意義、事關(guān)全局的長期性重大決策. 基本驅(qū)動力涉及人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會發(fā)展及人類福利、城市規(guī)劃及土地管理5個方面. 它將國家發(fā)展的大政方針落到實處, 決定著資本、人口流向, 從而引發(fā)要素供給、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、消費需求等指標(biāo)的變化, 并影響到LUCC時空過程. 在當(dāng)代中國,

21、基本驅(qū)動力的變化受到頂級驅(qū)動力的直接控制. 體現(xiàn)在動力學(xué)指標(biāo)上的直接驅(qū)動力直接影響著區(qū)域用地需求總量與結(jié)構(gòu). 3個層次逐級驅(qū)動的鏈狀結(jié)構(gòu)及各個因素之間的聯(lián)系能較好地解釋中國LUCC時空過程的驅(qū)動機(jī)理.總之, 國內(nèi)外LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理分析方面, 已經(jīng)形成了一系列基于地區(qū)特征, 依托不同土地利用變化研究計劃, 并應(yīng)用于多尺度、不同研究專題的大規(guī)模、跨學(xué)科、綜合性模型28. 這些模型方法及其對LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理的分析反映了LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理分析的方法已基本形成, 并在不同地區(qū)的實證研究中得到發(fā)展與完善.LUCC動態(tài)區(qū)劃體系, 刻畫了LUCC動態(tài)區(qū)劃中各級單元的消長及每5年的變化強(qiáng)度

22、特征, 揭示了土地利用 “格局”與 “過程”之間的交替轉(zhuǎn)化規(guī)律, 進(jìn)而揭示了農(nóng)田草地城市等各類型的時空變化規(guī)律與動態(tài)模式, 這為在動態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上開展驅(qū)動機(jī)理分析提供了空間參照.歷經(jīng)了從描述性模型到機(jī)理性模型的發(fā)展歷程, LUCC時空過程刻畫與模擬取得了諸多研究成果, 已經(jīng)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(xué)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(jìn)展, 并認(rèn)

23、為ABM/LUCC由基于智能體的模型(ABM)和元胞自動機(jī)模型(CA)兩部分構(gòu)成, 可以根據(jù)輸入的一系列規(guī)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(fā)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(qū)的土地利用變化進(jìn)行了模擬, 闡明了當(dāng)?shù)刂饕鐣?jīng)濟(jì)因素和政治環(huán)境因素對土地利用變化的影響. 相應(yīng)地, 由Veldkamp和Fresco32等科學(xué)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(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注. CLUE模型

24、是基于系統(tǒng)理論的尺度動態(tài)模型, 主要通過綜合分析社會經(jīng)濟(jì)和生物物理驅(qū)動因素, 刻畫與模擬區(qū)域土地利用變化過程. Kok和Farrow等人18對CLUE模型進(jìn)行了多尺度應(yīng)用嘗試, 取得了令人滿意的研究結(jié)果. 總之, LUCC時空過程刻畫與模擬是認(rèn)識LUCC時空過程動態(tài)性與復(fù)雜性的主要手段, 在揭示區(qū)域驅(qū)動機(jī)制(時空針對性)和區(qū)域調(diào)控對策方面具有重要意義.中國學(xué)者對LUCC時空過程的刻畫與模擬進(jìn)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(tǒng), 從系統(tǒng)的角度識別區(qū)域用地結(jié)構(gòu)變化的各種影響因素及其作用途徑, 通過選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ凸ぞ? 在區(qū)域和柵格兩個尺度上開跨專業(yè)研究領(lǐng)域,

25、 LUCC展模擬33. 作為一個跨學(xué)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(tài)區(qū)劃研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的. 劉紀(jì)遠(yuǎn)等人29提出了LUCC研究 “格局的變化過程(指區(qū)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(jié)果的影響, 在準(zhǔn)確把握影響LUCC時空過程的諸多影響因素及其作用機(jī)理的基礎(chǔ)上, 刻畫與模擬LUCC時空過程.基于經(jīng)驗統(tǒng)計的方法、基于多智能主體分析的方法和基于柵格鄰域關(guān)系分析的方法在中國區(qū)域尺度LUCC時空過程的刻畫與模擬中應(yīng)用較廣34,35. 張永民等人36運用CLUE-S模型對內(nèi)蒙古奈曼旗

26、2000年的土地利用變化進(jìn)行了模擬, 并取得了理想的結(jié)果. 何春陽等人37綜合自上而下的系統(tǒng)動力學(xué)(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(tài)系統(tǒng)空間格局演替進(jìn)行研究, 模擬分析了每個地貌單元的氣候空間變異規(guī)律, 闡明了Holdridge生態(tài)系統(tǒng)的空間格局動態(tài). 鄧祥征7探討了土地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化與格局演替的原理與方法, 開發(fā)了土地系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)(DLS), 試驗了一套在區(qū)域水平上以土地結(jié)構(gòu)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(qū)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(jīng)具有了一個相對完整的方法體系, 模擬結(jié)果將為代表不同利益主體的各級決策者提供區(qū)域土地利用規(guī)劃、土地資源管理方面的決策參考信息, 形成的包括區(qū)域用地結(jié)構(gòu)預(yù)測、柵格尺度驅(qū)動機(jī)理分析、柵格水平土地供需平衡與空間分配技術(shù)構(gòu)成了LUCC時空過程研究的重要技術(shù)支撐.類與地球環(huán)境之間的和諧共存.國際上, LUCC時空過程宏觀生態(tài)效應(yīng)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(nóng)業(yè)土地利用集約程度增加對生態(tài)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了研究, 認(rèn)為土地利用變化強(qiáng)度的增加會改變生態(tài)系統(tǒng)生物間

28、的相互作用和資源的可得性, 導(dǎo)致負(fù)面的局地、區(qū)域乃至全球影響. Solomon等人42從土壤有機(jī)質(zhì)的角度探索了LUCC時空過程對農(nóng)業(yè)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(fēng)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(zhì)的影響進(jìn)行了研究. Kalnay等人45對過去50年全球氣溫進(jìn)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(jìn)行差異比較, 研究了土地利用變化對美國地區(qū)氣候的影響. Sala等人46和Jenkins47也分別從不同的視角出發(fā), 將土地利用作為一個考察因子,

29、 就其對區(qū)域未來生物多樣性的影響做出了預(yù)測.LUCC時空過程宏觀生態(tài)效應(yīng)評價是在全球環(huán)境變化背景下分析中國土地利用變化對宏觀生態(tài)環(huán)境的影響, 開拓、發(fā)展LUCC時空過程研究方法體系的重要切入點. 聯(lián)合國新千年生態(tài)系統(tǒng)評估項目(MA) “中國西部生態(tài)系統(tǒng)綜合評估” 和國家973項目 “中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及其驅(qū)動機(jī)制” 的實施推進(jìn)了中國的LUCC時空過程宏觀生態(tài)效應(yīng)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(qū)動下我國生態(tài)系統(tǒng)退化狀況和未來趨勢的研究, 國內(nèi)學(xué)者提煉了過去30年中國西部地區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)退化的空間格局特征48. 其中的一個重要發(fā)現(xiàn)是, 中國西部地區(qū)永久冰雪面積的持續(xù)減少

30、和荒漠面積的增加嚴(yán)重威脅到綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定, 同時, 生物氣候帶的北移和抬高導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)多樣性的增加, 尤其以貴州大部、陜甘南部等地區(qū)生態(tài)承載能力和壓力矛盾最為突出. 研究結(jié)果表明, 未來50100年, 我國西部生態(tài)系統(tǒng)多樣性和森林覆蓋率將會大幅增加, 各類生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力提高、碳匯作用加強(qiáng), 大城市周邊、黔陜甘寧等地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)承載能力和壓力矛盾將被進(jìn)一步激化. 我國學(xué)者還進(jìn)一步模擬了20世紀(jì)90年代LUCC時空過程與氣候變化對中國農(nóng)田光溫生產(chǎn)潛力、土壤碳和農(nóng)牧交錯帶碳循環(huán)的影響. 通過對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及其驅(qū)動機(jī)理研究, 獲得4 LUCC時空過程宏觀生態(tài)效應(yīng)評價開展LUCC時空過程宏

31、觀生態(tài)效應(yīng)評價研究, 通過科學(xué)地分級歸納, 認(rèn)識LUCC時空過程的宏觀生態(tài)效應(yīng), 是理解LUCC時空過程對地球系統(tǒng)影響的重要內(nèi)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(tài)效應(yīng)的理解與認(rèn)識還處在不斷深入的過程中, 但地區(qū)性糧食危機(jī)、淡水資源匱乏、森林資源存量及其變化、區(qū)域氣候變暖和空氣質(zhì)量惡化、傳染病與地方病爆發(fā)等一系列大尺度生態(tài)環(huán)境問題, 無疑都與土地利用/覆被變化存在密切聯(lián)系39. 從這個意義上看, 目前人類面臨的挑戰(zhàn)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(chuàng)性研

32、究成果, 如LUCC時空過程導(dǎo)致我國農(nóng)田光溫生產(chǎn)潛力呈南減北增態(tài)勢27. 由此可見, 基于LUCC時空過程能直接改變生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)并進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)觀測和遙感生態(tài)參數(shù)反演信息, 經(jīng)尺度轉(zhuǎn)換和相互驗證開展集成研究是LUCC時空過程宏觀生態(tài)效應(yīng)評價方法的一個重要突破49被時空格局演替規(guī)律的動態(tài)模擬系統(tǒng), 發(fā)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(shù)的LUCC時空過程模擬模型開始嘗試研究LUCC時空過程探測、驅(qū)動機(jī)理分析或者宏觀生態(tài)效應(yīng)評價的某一方面, 并重點考慮L

33、UCC時空過程的區(qū)域、局域尺度效應(yīng)及反饋, 但相關(guān)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(qiáng)調(diào), 一方面要借助遙感、GIS技術(shù), 結(jié)合自然、人文等多方面信息, 佐以驅(qū)動機(jī)理和宏觀生態(tài)效應(yīng)分析開展綜合研究; 另一方面, 要加強(qiáng)GIS與其他專題分析模型的集成, 擴(kuò)大研究范圍, 綜合并發(fā)揮各模型的優(yōu)勢, 建立實用性更強(qiáng)、更系統(tǒng)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(shè)LUCC時空過程是一個跨學(xué)科、跨專業(yè)的研究領(lǐng)域, 涵蓋了地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、管理學(xué)等多學(xué)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(yù)測提供了基礎(chǔ). 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(xué)科背景的研究對同一尺度下LUCC時空過程作出的評價和預(yù)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(qū)動機(jī)理分析、時空過程模擬與宏觀生態(tài)效應(yīng)評價等方面繼續(xù)為LUCC時空過程研究的理論體系的發(fā)展做出不懈的努力. 此外, 在分析生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)過程中形成并逐步完善的一系列生態(tài)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(tài)效應(yīng)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(fā)現(xiàn), LUCC時空格局研究在

35、數(shù)據(jù)積累、模型集成與相關(guān)理論建設(shè)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(qū)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(shù)據(jù)集建設(shè)為揭示區(qū)域、亞全球乃至全球尺度的LUCC時空過程的變化規(guī)律, 眾多服務(wù)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(shù)據(jù)集提供了能力建設(shè). 這些數(shù)據(jù)集的建立, 直接服務(wù)于土地利用/覆被總量及空間變化特征的刻畫. 但不同數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集的綜合應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn). 不少在國

36、家、區(qū)域與局域尺度開展的LUCC時空過程動態(tài)監(jiān)測與研究工作, 偏重以遙感、GIS為技術(shù)依托, 缺少地面驗證工作50,51. 因此, 基于相關(guān)研究工作建立起來的數(shù)據(jù)集不可避免地存在系統(tǒng)性或者實驗性誤差. 現(xiàn)階段, 我們應(yīng)需重視通過諸如國土勘測、地形圖查詢、實地調(diào)研等傳統(tǒng)方法獲得信息, 并通過不斷創(chuàng)新數(shù)據(jù)融合技術(shù)克服利用多源數(shù)據(jù)刻畫LUCC時空過程的技術(shù)瓶頸.5.2 LUCC時空過程研究的模型體系建設(shè)在LUCC相關(guān)研究計劃的推動下, 美國、歐洲、日本、中國等國家的科學(xué)家, 開始結(jié)合本國地域特征與社會經(jīng)濟(jì)條件, 研究服務(wù)于揭示本土土地利用/覆6 結(jié)論與討論隨著LUCC時空過程研究的數(shù)據(jù)積累與研究方法

37、的發(fā)展, 在LUCC時空過程探測、驅(qū)動機(jī)理分析、過程模擬與生態(tài)效應(yīng)分析方面均已形成了相應(yīng)的技術(shù)方法體系.LUCC時空過程探測是在LUCC多源時空數(shù)據(jù)平臺的支持下, 基于系統(tǒng)論的相關(guān)原理與方法, 通過建立數(shù)學(xué)模型描述LUCC時空分異規(guī)律, 實現(xiàn)土地利用動態(tài)區(qū)劃. 遙感探測技術(shù)的發(fā)展和遙感影像分類技術(shù)的進(jìn)步都為LUCC時空過程數(shù)據(jù)平臺的建立奠定了基礎(chǔ). 目前, 國內(nèi)建立的全國范圍LUCC時空數(shù)據(jù)平臺, 為中國LUCC時空過程研究提供了重要的數(shù)據(jù)支持并積累了豐富的案例經(jīng)驗, 是中國LUCC時空過程探測方法體系進(jìn)一步發(fā)展與完善的重要前提.3256評 述LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)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(qū)動機(jī)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(qū)動作用. 國內(nèi)LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理研究的特點主要體現(xiàn)在對人地耦合系 統(tǒng)的研究中強(qiáng)調(diào)認(rèn)識不同驅(qū)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(guān)驅(qū)動規(guī)律的歸納分析. 到目前為止, 國內(nèi)LUCC時空過程驅(qū)動機(jī)理分析已經(jīng)形成了一套相對完整的理論體系, 該領(lǐng)域的專家和學(xué)者們已經(jīng)開始嘗試從系統(tǒng)的角度探索LUCC時空過程的機(jī)理.LUCC時空過程的刻畫與模擬是理解LUCC時空過程動態(tài)性和復(fù)雜性的必然途徑, 需要綜合考慮自然環(huán)境條件與社會經(jīng)濟(jì)因素的作用, 將整個研究對象置于一個開放

39、的土地系統(tǒng), 選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ凸ぞ? 在區(qū)域和柵格兩個尺度上同時開展, 從系統(tǒng)的角度認(rèn)識LUCC時空過程的各種影響因素及其作用途徑. 區(qū)域土地系統(tǒng)動態(tài)模擬原理與方法探索及土地系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)的開發(fā), 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(biāo)之一, LUCC時空過程宏觀生態(tài)效應(yīng)評價涉及農(nóng)業(yè)、水資源和區(qū)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(tài)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)觀測和遙感生態(tài)參數(shù)反演信息, 經(jīng)尺度轉(zhuǎn)換和相互驗證實現(xiàn)LUCC時空過程宏觀生態(tài)效應(yīng)評價” 的技術(shù)路線, 是LUCC時空過程宏觀生態(tài)效應(yīng)評價研究的重要方法基礎(chǔ), 推動了

40、LUCC時空過程生態(tài)效應(yīng)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(shù)據(jù)融合、模型功能集成、理論體系建設(shè)等方面還存在諸多不足, 需要在今后的研究和應(yīng)用中不斷完善11. LUCC時空過程研究是一個跨學(xué)科、跨專業(yè)的研究領(lǐng)域, 必須同時考慮自然因素、人文因素對土地系統(tǒng)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(zhuǎn)換問題. 土地系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變異性、演化復(fù)雜性和格局差異性, 也增加了LUCC時空過程探測、驅(qū)動機(jī)理分析、過程刻畫與模擬和宏觀生態(tài)效應(yīng)評價結(jié)果的不確定性. 從這一點看, LUCC時空過程研究方法體系的進(jìn)一步發(fā)展, 還需要在開

41、展更多案例研究的同時, 加強(qiáng)對LUCC時空過程研究結(jié)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(jǐn)以此文紀(jì)念我國遙感和地理信息系統(tǒng)科學(xué)的創(chuàng)建者和奠基人陳述彭先生.參考文獻(xiàn)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

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