浅析现行土地利用／覆盖变化描述方法

国土与自然资源研究　・　３２　・　ｎ￡ＲＲ１ＴＯＲＹ＆ＮＡＴＵＲＡＬ　ＲＥＳ０ＵＲＣＥＳ　ＳＴＵＤＹ　２Ｏｏ６Ｎ０．２　中图分类号：Ｆ３０１．２４　文献标识码：Ａ　浅析现行土地利用／覆盖变化描述方法　周　墨　，雷国平　，师　军　（１．东北农业大学，黑龙江哈尔滨１５００３０：２．黑龙江省科学院自然资源研究所）　摘要：土地利用／覆盖变化是当前全球变化研究的热点问题之一；将土地利用／覆盖变化的描述方法分为土地利用时空变化和景观格　局两个方面，分剐从土地利用程度、动态变化速度、位置迁移和转换方向及来源方向等角度分析，时土地利用变化过程中的景观格局指　数的变化规律总结归纳，并对指数的适宜性作以分析。　关键词：土地利用／覆盖；时空变化；景观格局　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｌａｎｄ　ｕｓｅ　ａｎｄ　ｌａｎｄ　ｃｏｖｅｒ　ｃｈａｎｇｅ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｎｏｗａｄａｙｓ　ＺＨＯＵ　Ｍｏ　ｅｔ　ｌａ（Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ａ　ｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　５００３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｎｄ　ｕｓｅ　ａｎｄ　ｌａｎｄ　ｃｏｖｅｒ　ｃｈａｎｇｅ（ＬＵＣＣ、ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｌｅ　ｓｂｕｊｅｃｔｓ　ｏｆ　ｇｌｏｂａｌ　ｃｈａｎｇｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ＬＵＣＣ　ａｓ　ｔｗｏ　ａｓｐｅｃｔｓ：ｔｈｅ　ｌａｎｄ　ｕｓｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌａｎｄｓｃａｐｅ　ｐａｔｔｅｒｎ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｆ　ｖｉｅｗ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｓ：ｌａｎｄ　ｕｓｅ　ｄｅｇｒｅｅ，ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｒａｔｅ，ｐｏｓｉｉｔｏｎ　ｍｏｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｘｃｈａｎｇｉｎｇ　ｆｌｕｘｉｏｎ；ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｌａｎｄｓｃａｐｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｉｎｄｉｃｅｓ　ｔｒｅｎｄ　ｉｓ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｗｈｉｌｅ　ｌａｎｄ　ｕｓｅ　ｃｈａｎｇｉｎｇ；ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｈｔａｔ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｈｔｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｉｎｄｉｃｅｓ　ａｒｅ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｆｏｒ　ＬＵＣＣ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｎｄ　Ｕｓｅ　ａｎｄ　ｌａｎｄ　ｃｏｖｅｒ　ｃｈａｎｇｅ；ｓｐｅｃｉａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ；ｌａｎｄｓｃａｐｅ　ｐａａｅｍ　土地利用／土地覆盖变化研究（ＬＵｃｃ）是全球变化研究的　蔡运龙“】、史培军，宫鹏，李晓兵等　、王思远、张增祥等［３１提　核心计划。ＬＵＣＣ模型的作用是对土地利用的变化情况进行描述、　出的方法届于概念性的总体描述，是基于数量和质量的变化认　解释和预测。　识。根据不同的量化指标，可以更加细致地从土地利用程度、动　土地利用的变化具有显著的空间和时间特点。因此，空间格　态变化速度、位置迁移和转换方向及来源方向逐一分析。　局及其变化是土地利用研究的一个重要方面，进而可以将现行　１．１土地利用程度　的土地利用变化的研究方法分为土地利用时空变化分析和景观　土地利用程度用来表述人类活动的影响强度，构建土地利　格局分析两大类。　用程度分级，可以从整体上揭示人类活动区域土地利用／覆盖　１土地利用时空变化分析　变化的影响强度。基于对人为影响强度的理解和认识的不同，评　收集、汇流、存储和进行节水灌溉的一整套系统，通过修筑土窖、　段时间内，既要逐步实行退耕还草，还要加强对草地的改良，采取　大口井和储水塘以及修筑梯田、土坝、等高耕作、深耕、耙耱、镇　草地节水灌溉、飞播牧草、人工种草和补播技术、草地灭鼠治虫技　压等措施，达到集蓄雨水，保墒耕作的目的。节水灌溉采取沟灌、　术，以确保对草地的优化改良。　膜下软管滴灌、低压管道灌溉、微喷灌等技术达到节水目的。具　３．４农业防灾减灾技术　体方法根据各地生产的条件而定。农田节水管理技术主要包括　对早涝灾害、洪涝灾害、牧业黑白灾害、温度异常灾害、干热　农田覆盖技术、早作补灌措施及化学促控技术等。　风、连阴雨、沙尘暴、荒漠化等自然灾害要加强监测预报和科学防　３．２土壤改良技术　范，才能从根本上减少灾害损失。　上壤改良技术主要包括土壤结构改良、盐碱地改良、酸化土　３．５农村能源工程技术　壤改良、土壤科学耕作和治理土壤污染。土壤结构改良是通过施　日前我国８亿多居住在农村的人口，６１％的生活用能仍靠传　用天然：｛：壤改良剂（如腐殖酸类、纤维素类、沼渣等）和人工土　统生物资源，为保证农村可持续发展，必须在能源开发和综合利　壤改良剂（如聚乙烯醇、聚丙烯腈等）来促进土壤团粒的形成，　用方面采取一系列有效的对策，其中尤应加强节能和可再生能源　改良土壤结构，提高肥力和固定表土，保护土壤耕层，防止水土　现代化技术的发展，在砖瓦、水泥、炼焦、铸造等乡镇工业行业开　流失。盐碱地改良，主要是通过脱盐剂技术盐碱土区早田的井灌　展节能技术，还要在节电、节油等技术上下功夫：对可再生的能　技术、生物改良技术进行土壤改良。酸化土壤改良是控制废气二　源、太阳能、沼气、地热和风力发电等要进一步加强开发利用。　氧化碳的排放，制止酸雨发展或对已经酸化的土壤添加碳酸钠、　参考文献：　硝石灰等土壤改良剂来改善土壤肥力、增加土壤的透水性和透　［１］陈百明．中国农业资源综合生产能力与人口承载能力［Ｍ］．北京：中　气性。采用免耕技术、深松技术来解决由于耕作方法不当造成的　国农业出版社，２００１．　［２］俞晓平．中国无公害农业的发展馕略和途径［Ｍ］．北京：中国农业出版　土壤板结和退化问题。土壤黍金属污染主要是采取生物措施和　社，１９９８　改良措施将土壤中的重金属ｌ萃取出来，富集并搬运到植物的可　［３］刘黎明，张风荣．赵英伟．２０００—２０５０年中围草地资源综合生产能力　收割部分或向受污染的土壤投放改良剂，使重金属发生氧化、还　预测分析［Ｊ］．草业学报．２００２．（１）：７６—８３．　［４１何希武，姚建华．中国资源态势与开发方略［劬．武汉：湖北科学技术　原、沉淀、吸附、抑制和拮抗作用。　出版社，１９９７．　３．３草地改良技术　作者简介：毕洪文ｆ　１９６４一Ｊ。女。副研究员。　由于我国现有的天然草地质量差且存在退化现象，今后一　（２００６一Ｏ１—１２收稿Ｓ编辑）　维普资讯 http://www.cqvip.com

周　墨等浅析现行土地利用／覆盖变化描述方法　３３　价不同组分人类参与、管理、改造的强度和自然特性，目前有多　种土地利用程度分级方法：陈浮等用Ｌｅｐｏｌｄ矩阵方法和Ｄｅｌｐｈｉ　打分法分别计算了有关土地利用／覆盖类型的人为影响参数；　Ｒ．Ｔ．Ｔ．Ｆｏｒｍａｎ和Ｍ．Ｇｏｄｒｏｎ根据景观受人类干扰的程度，而将景　观划分为自然景观、管理景观、耕作景观、城郊景观和城市景观　等５类，并沿上述顺序，其受人类干扰的程度在逐级增强。但对　于整体人类作用影响的强弱顺序的认识是一致的，只是具体赋　值上表现出差异。采用较多的是刘纪远先生的分类定级方法。该　方法只有４个等级（表１），而各级指数赋值也相对简单，易于理　解。　表１土地利用程度分级表　分级类型未利用土地级林、草、水地级农业用地级城镇聚落用地级　土地利用　未利用地或林地、草地、　耕地、园地、　城镇、居民点及　类型　难利用地　水域　人工草地　工矿交通用地　分级指数　１　２　３　４　土地利用程度的意义在于同时期内不同区域问比较或同一　区域不同时段的前后对比，或随时间变化土地利用程度的增长　趋势的描述。其单个数值是不具有现实意义的。因此采用不同方　法而产生的土地利用程度变化趋势，其结果不会受到干扰。　１．２土地利用动态度　土地利用动态度用于表达土地利用的变化速率，即可以体　现区域土地利用类型变化的剧烈程度。其数值越大，则土地利用　动态变化就越剧烈、越活跃。模型公式表述为　ｎ　ｎ　／　１　１　、　ＬＣ＝　２一ＡＬＣｊｊ：１　－／２一ＬＣ，一　ｊ：１　　Ｘ１／ｒ￣１００％　式中：ＬＣ——研究区Ｔ时段综合土地动态度：Ｌ［，＿＿—研究期起　始时间第　类土地利用类型的而积：／ＸＬＵ，广—研究期时段由ｉ　类土地转化为非ｉ类面积的绝对值；　—－研究期时段长。　其值大小也受变化比例占自身比例的决定。也可以说，动态　度越小，其“稳定性”越强。现行的土地利用动态度都以研究时　期初末两个时点的数据进行计算，如果在研究时期内分多个小　时问段，逐段计算然后再累加数值，则会更加准确可靠，更有利　于说明土地利用类型变化剧烈和活跃程度。　１．３土地利用质心　土地利用质心（重心）源自几何图形质心的计算，加以面积　为权重，用来表达一个土地利用类型质心（重心）位置。通过前　后两期变化位移，即可知该类型位置方向。　ｎ　ｎ　ｎ　ｎ　■１■＿’●一●一　Ｘｔ＝　ｔＣｔｘＸ）Ｌ　Ｃ“．Ｙｔ：Ｌ　ｔ　Ｃ　ｘＹ≥Ｌ　Ｃ　Ｊ一　Ｊ　１　ｊ＝ｌ　Ｊ＝１　式中：Ｘ　．Ｙ．分别表示第１年某一斑块类型分布质心的经纬度坐　标，Ｑ。表示第　１年第ｉ类各斑块的面积，　分别表示某一类斑　块的质心经纬度坐标。　此方法适于大尺度时段变化研究。质心适宜说明土地沙化、　湿地或草地退化、盐碱地变化等问题的研究，作为表征一个大尺　度下相对密集的一个片状区域整体移动方向和位置变化一个参　数。常常需要结合自然条件，如降水、地形地貌、高程、土壤、气候　等因素来研究。　１．４土地利用类型转换　土地利用类型相互之问的转换，在较长时期来看，呈现“多　对多”的转换，而不是单一的不可逆的流动式变化。对于这种　Ｐ＝（　一　ｌ　Ｉ　Ｐｎ　…Ｐ呻Ｉ　维普资讯 http://www.cqvip.com

３４　周　墨等浅析现行土地利用／覆盖变化描述方法　“复杂结构来自于简单子系统的相互作用”这一复杂性科学的　精髓，非常适用于地理过程的模拟和预测（罗平，杜清运等，　２００４）。将细胞自动机模型应用于多种土地利用类型之问的演　变、监测和模拟已经引起学多学者的注意（黎夏，叶嘉安，　２００５）。王红、宫鹏（２００４）等认为：建立在复杂科学理论之上　的细胞自动机模型模拟土地利用／覆盖的变化，其创新之处在　于，以不同于现有科学的全新思路，不仅尽量贴切的“物理”模　型，而且找出相应的算法，借助计算机求解；不仅在形式和过程　中不断深入，而且重视机理研究。　２景观格局分析　２．１常用指数对比分析　景观格局可以在３个层次上分析：①单个斑块，②由单个斑　块组成的斑块类型，③包括若干斑块的整个景观格局。因此，景　观格局指数亦可相应地分为斑块水平指数、斑块类型水平以及　景观水平指数。　从景观水甲观察，一般以时问为研究方向，常用指数有：斑　块密度、斑块形状指数、多样性指数、优势度指数、均匀度指数、　破碎度指数和分维数等。有关研究指出，人类活动强度的增强，　是导致景观多样性下降的重要原因（陈利顶，１９９６）。贾宝全等嘲　通过对绿洲景观的研究也认为：人类活动干预强度的加大，以及　随着干扰时间的延长，景观区域的多样性是呈下降趋势的，且干　扰的时间越长，多样性下降越大。但由于不同区域人类活动强度　的差异，故其下降的幅度不同。而邬建国则认为：随着城市化进　程的变化，当丰富度保持一致未变时，因土地利用类型在面积分　布上均匀度增加，会导致景观多样性增加。王思远、刘纪远等　通　过研究１９９０年代中国土地利用格局得出：从人类影响最弱阶段　（主要类型以草地、沙漠、未利用地等自然景观为主，人口分布稀　疏，人类对自然景观影响较小）到人类影响渐强区（以林地、耕　地、草地、建设用地为主）过程中，人类对自景观的影响逐渐加　大，导致土地利用破碎程度增加，景观多样性呈上升趋势：随着　人类活动的加强，当耕地和建设用地已经占有绝对优势时，自然　景观形成人为景观，土地使用类型相对单一，破碎程度减少，景　观的多样性即呈下降趋势。袁艺、史培军等　通过分析快速城市　化过程中土地覆盖格局认为：在城市化初期，景观类型多样性和　斑块破碎化程度出现上升趋势，空问聚集性下降：在城市化水平　２Ｏ％　Ｏ％之问，其景观类型多样性和斑块破碎化程度达到最高　水平，而空问聚集水平降低：随着城市化过程的不断深入，城市　化水平不断提高，景观类型多样性和斑块破碎化程度又出现较　明显的下降，空间聚集性又开始上升，这个时期城镇用地在空间　上高度聚集，而耕地等农用地呈破碎状分布：而当城市化水平达　到一个较高的水平时（＞７０％），斑块破碎度、景观多样性和空间　聚集度表征的土地覆盖格局的变化也进入了一个相对稳定的时　期。虽然研究的对象不同，但总体规律是一致的，即：随着人类活　动的逐级增强，景观的多样性指数逐渐增加，优势度指数逐渐减　少。破碎度指数逐渐增加：而当人类已经彻底改变自然景观，多　样性指数则逐渐减少，优势度指数增加，而破碎度指数减少。　２－２指数适宜性探讨　随着计算机技术的应用，尤其是与ＧＩＳ结合的格局分析软　件包的诞生，更为格局分析提高了前所未有的巨大方便【５］。目前　这类软件计有ＡＰＡＣＫ、ＳＰＡＮＳ、ＬＳＰＡ及ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ，其中以　ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ功能最强、最便于应用。它可以为用途提供５８各景观　格局指数（陈吉泉１９９５，肖笃宁１９９７）。ＦＲＡＧＳＴＡＴＳ基于Ａｒ—　ｃｖｉｅｗ的模块也可提供了十几种指数。景观格局指数（适于土地　利用／覆盖）除按层次分类外，根据其反映的内在含义，可分为　三大类：多样性指数类，包括多样性指数、优势度指数、均匀度指　数；斑块体形状类，包括仲长指数和分维数：景观破碎化类，包括　破碎化指数、分离度指数、聚集度指数【５】。优势度和均匀度在土地　利用／覆盖变化中的意义可以由多样性指数表示，也便于简化表　述过程。邬建国认为景观总体的双对分维数具有不确定性。破碎　度指数是一个十分重要的指数，又可分为形状破碎化和数日破碎　化，因它们受土地利用程度的影响变化趋势相互背离，故对土地　利用程度的分析有很大帮助。聚集度指数不但受缀块类型数目的　强烈影响（ＩＡ和Ｒｅｙｎｏｌｄｓ，１９９３），而且两种不同类型缀块的频　繁相邻也会大大增加聚集度的值（Ｒｉｔｔｅｒｓ等，１９９６）。邬建国也　认为，聚集度指数受到结构组成成分的丰富度和其空问配置（不　同类型缀块的相邻关系）的双重影响Ⅲ。因此，在比较不同景观的　缀块连接度或破碎化程度时，聚集度可能导致错误结论，但缀块　密度就不会有这一问题。　３结语　土地利用／覆盖变化是一个由自然、社会、经济等多因素共　同驱动的复杂系统，而且各影响因素之问的作用是非线性的、不　同层次，具有时空的异质性和尺度相关性。所以单一的模型不可　能全面地描述和解释土地利用的空问分布和其变化规律。随着信　息论、一般系统论、控制论、协同论、突变论、耗撒结构论、分形论　和混沌理论等现代科学理论和细胞自动机、人工神经网络、遗传　算法、小波分析等数学模型工具的发展，及空间科学技术和其它　相关技术的应用研究不断进步，土地利刚／覆盖变化的研究的指　导理论和研究手段越来越丰富，认识也不断深入细致。对土地利　用／覆盖变化过程的描述和解释，也从随机的和静态优化的模型　向动态的基于过程的模型发展。　参考文献：　［１］蔡运龙，土地利用／土地覆被变化研究：寻求新的综合途径［Ｊ］．地　理研究．２００１．２０（６）：６４５－６５２．　［２］史培军．宫鹏，李晓兵，等　土地利用／士地覆被变化研究的方法与实　践［Ｍ］．北京：科学出版社，２０００：１０７～１０８．　［３］王恩远．张增祥．周全斌．等．中国土地利用格局及其影响因子分析　［Ｊ］．生态学报，２００３，２３（４）：６４９～６５６．　［４］邬建国．景观生态学一格局、过程、尺度与等级［Ｍ］．北京：高等教育　出版社。２０００．１１１。１１９，１６３．　［５］贾宝全，慈龙俊．绿洲景观生态研究［Ｍ］．北京：科学出版社。２００３．　６５，７２，８２．　［６］王恩远。刘纪远，张增祥，等．近１０年中　ｔ：地利用格局及其演变　［Ｊ］．地理学报。２００２．５７（７）：５２３～５３０．　【７］袁艺，史培军。刘颖慧。等．快速城『１　化过程中土地覆盏格局研究　［Ｊ］．生态学报。２００３。２３（９）：１８３２～１８４０．　作者简介：周墨（１９７９一），男，硕士研究生，研究方向为土地资源管理。　（２００５－０４—２５收稿宿伯杰编辑）