錢(qián)國(guó)英，張長(zhǎng)勤，董斌，李鑫，李欣陽(yáng)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，合肥 230036)

1 引 言

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于土地利用/覆被變化(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)的研究一直倍受學(xué)者關(guān)注。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者利用元胞機(jī)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建了土地利用變化動(dòng)力學(xué)模型LUSD(Land Use Scenarios Dynamics model)；有學(xué)者利用土地利用/覆被變化變化動(dòng)態(tài)模擬CLUE_S和Markov模型模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較；有利用氣候、經(jīng)濟(jì)的變化和人類(lèi)的行為對(duì)LUCC模型進(jìn)行研究[1-5]。這些研究不少尚處于概念驗(yàn)證階段和多個(gè)系統(tǒng)的理論比較階段，僅單獨(dú)利用理論數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行“靜態(tài)陳述”階段，很難從模擬和實(shí)際結(jié)果中得到更多的可用信息。本文以安徽升金湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，利用ArcGIS、ERDAS和STELLA軟件構(gòu)建土地利用變化系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，在分析研究區(qū)土地利用變化的基礎(chǔ)上，利用典型的景觀指數(shù)分析了土地利用景觀格局，并構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)研究區(qū)的土地利用做出仿真和預(yù)測(cè)，利用仿真后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分析和驗(yàn)證，最后，分析了研究區(qū)土地利用的變化趨勢(shì)及特征，為研究區(qū)乃至濕地自然保護(hù)區(qū)的土地科學(xué)利用提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

安徽升金湖國(guó)家自然保護(hù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)升金湖保護(hù)區(qū)或保護(hù)區(qū))位于長(zhǎng)江中下游南岸安徽省池州境內(nèi)，坐落于東至縣與貴池區(qū)相交處，地理位置東經(jīng)116°55′至東經(jīng)117°15′，北緯30°15′至北緯30°30′。本文研究區(qū)的面積為33329hm2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，平均年降雨量1600mm，平均氣溫16.14℃，土壤主要以潮土和水稻土為主，保護(hù)區(qū)人口約2萬(wàn)余人，現(xiàn)有的水面平均面積13300hm2，荒灘荒地為1000hm2，農(nóng)田為3400hm2，林地為4000hm2，其他11629hm2。研究區(qū)屬內(nèi)陸濕地與水域生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型自然保護(hù)區(qū)。

3 研究方法

研究人類(lèi)社會(huì)與自然景觀空間之間的相互關(guān)系是景觀生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一[6]。在景觀生態(tài)學(xué)中景觀是一個(gè)具有時(shí)間和空間異質(zhì)性的區(qū)域[7]。針對(duì)研究區(qū)域地理位置和研究的對(duì)象，采用了1986年、2004年和2011年的TM影像作為分析數(shù)據(jù)，以及1∶1萬(wàn)的地形圖和1∶1萬(wàn)的SPOT的遙感數(shù)據(jù)參考數(shù)據(jù)，以上3期TM影像數(shù)據(jù)都是6月～8月份時(shí)期的數(shù)據(jù)，符合分析在相同時(shí)期下的要求。本文用ERDAS 9.2分別將1986年、2004年、2011年的TM影像的5、4、3波段合成假彩色影像，利用手持GPS實(shí)地勘測(cè)，然后利用ERDAS軟件將研究區(qū)域裁剪下來(lái)，對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，并對(duì)各土地利用類(lèi)型進(jìn)行面積計(jì)算。應(yīng)用Fragstats3.3軟件對(duì)土地利用分類(lèi)后的結(jié)果進(jìn)行景觀格局分析，計(jì)算各土地利用景觀指數(shù)，利用STELLA軟件對(duì)土地利用變化進(jìn)行仿真和預(yù)測(cè)。圖1為研究技術(shù)路線圖。

圖1 研究技術(shù)路線

3.1 土地利用景觀格局分析

3.1.1 土地利用變化分析

研究區(qū)域的形成可追溯到地質(zhì)史上300萬(wàn)年以前，經(jīng)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)后，長(zhǎng)江沿岸抬升形成河流，河流匯聚發(fā)育形成湖泊，湖泊的平均面積為13300hm2。由于研究的區(qū)域主要以農(nóng)田、漁業(yè)和林業(yè)，所以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況把研究區(qū)地物類(lèi)型分為建設(shè)用地、林地、耕地、水域、未利用地、草地6種類(lèi)型[8]，分別對(duì)每年的分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表所示的總體Kappa系數(shù)都大于85%，符合研究的要求[9]。在選擇訓(xùn)練樣本時(shí)，使每一地類(lèi)的訓(xùn)練樣本中像元的地物類(lèi)型與研究區(qū)的實(shí)際地物類(lèi)型相一致。另外，選擇的訓(xùn)練樣本要具有相當(dāng)高的代表性，能夠精確地代表所選地物。根據(jù)Kappa系數(shù)的結(jié)果和訓(xùn)練樣地的選擇可確定本文的分類(lèi)結(jié)果是真實(shí)可用的。根據(jù)分類(lèi)結(jié)果初步得出3個(gè)時(shí)期的各地類(lèi)的面積及所占比例如表2、圖2所示。從表2和圖2中可以看出，研究的區(qū)域中耕地和水域占主導(dǎo)地位。從表2和圖3中可以看出建設(shè)用地由原來(lái)1986年的5.84%變化成2004年2.87%，到2011年18.34%，草地、耕地、林地、水域和未利用地都有不同幅度的變化。從表2可以看出2004年草地、林地、未利用地都有不同的減少，水域有大面積的增加，從中可判斷水域是導(dǎo)致建設(shè)用地、林地和未利用地減少的主要原因，查閱2004年同遙感影像相同時(shí)期的池州水利史志年鑒。結(jié)果表明，該地區(qū)發(fā)生了洪澇災(zāi)害，該研究時(shí)期建設(shè)用地的減少是由洪澇引起的。

表1 不同年份的Kappa系數(shù)

表2 研究區(qū)域土地利用類(lèi)型面積及所占比例

圖2 不同地物類(lèi)型所占面積的變化

從表2和圖2可知2004年耕地占了48.94%，所占的比例比其他任何的地類(lèi)的比例都要多，不單是2004年的耕地比例最大，在其他年份的農(nóng)田所占比例也比其他土地類(lèi)型比例大，因?yàn)槲覈?guó)是主要的農(nóng)業(yè)大國(guó)，以發(fā)展農(nóng)業(yè)為主，這與國(guó)家的政策是分不開(kāi)的。

近20多年來(lái)升金湖出現(xiàn)過(guò)多次的洪澇，其中1997年～1998年發(fā)生了一次比較大型的洪澇，2004年也受到水澇的影響。所以在圖3中可以明顯看出2004年的水域所占比例比其他年份水域比例都大，達(dá)到了41.53%。由于未利用地大都是灘涂地，所以當(dāng)2004年研究區(qū)域受災(zāi)后，未利用地也隨之下降。

研究區(qū)域的地理位置決定了水域和耕地占重要的位置。未利用在逐步被開(kāi)發(fā)，林地在21世紀(jì)初期有所上升，這是受政府退耕還林政策的影響，其中建設(shè)用地發(fā)展最快。

3.1.2 土地利用景觀格局分析

本文以定量化的指標(biāo)進(jìn)行景觀結(jié)構(gòu)的描述和分析。本文采用景觀格局軟件Fragstats3.3進(jìn)行分析，依據(jù)研究區(qū)的情況和相關(guān)的研究選擇了斑塊數(shù)(Number of Patches，NP)、斑塊密度(Patch Density，PD)、總面積(Total Class Area，CA)、景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index，LSI)、最大斑塊指數(shù)(Largest Patch Index，LPI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon’s Diversity Index，SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(Shannon’s Evenness Index，SHEI)、邊界密度(Edge Density，ED)、破碎化指數(shù)(Fractal Dimension Index，F(xiàn)DI)等進(jìn)行分析[10-11]。

本文利用Fragstats3.3對(duì)升金湖保護(hù)區(qū)土地利用景觀指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。從表3中可知1986年的破碎化程度比2011年要低，但比2004年要高。其中NP的變大可以改變物種間相互作用和協(xié)同共生的穩(wěn)定性，其中PD的效果和NP的效果是一致的，NP變大則PD也是會(huì)變大它們成正比關(guān)系；從表3中可知LPI在2004年最大，其中LPI的大小決定了景觀中的優(yōu)勢(shì)類(lèi)型等。其值的大小決定著景觀中內(nèi)部的豐度等生態(tài)特征；ED的大小可以從側(cè)面反應(yīng)景觀豐富度的生態(tài)因子，當(dāng)ED的數(shù)值變大則其中的斑塊數(shù)目會(huì)比較多，它反應(yīng)的景觀豐富度就會(huì)比較高。LSI是指形狀指數(shù)的生態(tài)因子，但LSI的數(shù)值越大可以說(shuō)明斑塊的邊緣發(fā)展越?jīng)]有規(guī)則，但與其他類(lèi)型的連通性會(huì)比較好。SHDI和SHEI所反應(yīng)的效果比較接近，其中比較2004年和1986年的SHDI，2011年的SHDI數(shù)值、LPI和PDI是最大的，這表明2011年升金湖保護(hù)區(qū)的景觀系統(tǒng)中，土地利用比之前的豐富，破碎化程度也比之前的要高。

表3 研究區(qū)主要景觀指數(shù)變化狀況

3.2 土地利用景觀系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型仿真

國(guó)內(nèi)外的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型一直倍受關(guān)注，有在土地利用結(jié)構(gòu)上優(yōu)化的研究，有在天敵-稻縱卷葉螟系統(tǒng)上的研究[12-13]，這些研究在土地結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化給決策部門(mén)提供了一定的建議和評(píng)價(jià)。本文則是利用STELLA軟件通過(guò)現(xiàn)有的土地景觀仿真2004年在未受到洪澇災(zāi)害的影響會(huì)是怎樣的土地景觀格局，分析該區(qū)受災(zāi)害的原因，并對(duì)以后的景觀格局做一定的預(yù)測(cè)和建議。

3.2.1 土地利用變化系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

本文利用STELLA軟件進(jìn)行建模，將6個(gè)地類(lèi)視為該區(qū)域土地利用系統(tǒng)中的6個(gè)庫(kù)(stock)，它們之間的相互轉(zhuǎn)化視為流，影響狀態(tài)變量變化的因素即為流速變量，(即本研究中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率)，1986年～2011年的轉(zhuǎn)移概率如表4所示，各土地利用類(lèi)型間的相互轉(zhuǎn)化構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)部的因果反饋關(guān)系。

表4 1986年～2011年土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣(%)

為了定量地分析各土地類(lèi)型間(庫(kù))的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用ArcGIS中的柵格計(jì)算功能計(jì)算出1986年～2011年的轉(zhuǎn)移面積，利用轉(zhuǎn)移面積計(jì)算出這兩個(gè)年代中6個(gè)地類(lèi)的轉(zhuǎn)移概率。

3.2.2 模型驗(yàn)證

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型主要通過(guò)理論校驗(yàn)和歷史仿真校驗(yàn)，其中理論校驗(yàn)主要是研究所建立的模型是否符合實(shí)際要求，模型變量的關(guān)系是否有意義以及所列的方程是否符合能表達(dá)變量。歷史仿真校正選定某一時(shí)刻，將仿真得到的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，檢查這兩者是否吻合，驗(yàn)證模型是否能有效地代表實(shí)際結(jié)果[13-14]。

秦鐘等[15]在基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的土地利用變化研究中對(duì)STELLA的模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示STELLA模擬軟件對(duì)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)化的預(yù)測(cè)具有較高精度，模擬結(jié)果比較可信，并且把預(yù)測(cè)的結(jié)果和CA-Markov模型預(yù)測(cè)結(jié)果比較，相對(duì)誤差也不到0.9%，說(shuō)明STELLA軟件預(yù)測(cè)的結(jié)果是確切可信。李志等[16]在基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)城市邊緣化土地利用變化模擬與預(yù)測(cè)中也對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力模型進(jìn)行了模型的驗(yàn)證，結(jié)果表明模型的仿真結(jié)果最大的誤差為5%，符合模型的有效性。

本文以1986年升金湖地區(qū)土地利用格局為初始狀態(tài)，以1986年升金湖地區(qū)土地利用格局為初始值，向經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的STELLA模型輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真和預(yù)測(cè)。仿真的結(jié)果見(jiàn)表5，將表5中2011年的仿真結(jié)果和由遙感觀測(cè)的結(jié)果(表6)對(duì)比從中可知仿真結(jié)果和實(shí)際值的之間相差很少，變化幅度在6%以下，符合歷史仿真檢驗(yàn)范圍，所以本文的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型符合理論和歷史的檢驗(yàn)。

3.2.3 模型穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的穩(wěn)定性的判定是通過(guò)模型的仿真結(jié)果來(lái)判斷的，根據(jù)表6將2011年的仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較可以得知，變化幅度在6%以下，符合模型精度范圍要求，即所建的模型比較穩(wěn)定[17]。另外，本文將表5中每年的各地類(lèi)的面積相加，結(jié)果與研究區(qū)的實(shí)際面積相符。利用表6和表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型穩(wěn)定性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，該模型的穩(wěn)定性較高。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)移概率(表4)，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬軟件STELLA進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖3，運(yùn)行時(shí)間段為1986年～2011年，利用Euler法求解微分方程。因?yàn)闋顟B(tài)變量的變化每經(jīng)過(guò)25即為一步，設(shè)置模擬步長(zhǎng)為0.01年，故當(dāng)n=1時(shí)，預(yù)測(cè)年份為2011年。仿真的年份是2004年，則狀態(tài)變量變化要經(jīng)過(guò)0.68步會(huì)與仿真的年份2004年是一樣的。模型運(yùn)行的結(jié)果見(jiàn)表5，將表5中2011年的仿真結(jié)果與表2中2011年的實(shí)際值進(jìn)行比較得知，其中建設(shè)用地和林地的變化是最大的，而農(nóng)田、草地、水域、未利用地變化較小。從中得知STELLA預(yù)測(cè)對(duì)農(nóng)田、林地、水域和未利用地是最有效的。從總的結(jié)果來(lái)看，模型的模擬結(jié)果與實(shí)際比較相符，可以做進(jìn)一步的分析預(yù)測(cè)和仿真。

圖3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

模型的動(dòng)力方程式如下：

建設(shè)用地：js(t)=js(t-dt)+(f1+e1+d1+c1+b1-a5-a4-a3-a2-a1)*dt

草地：cd(t)=cd(t-dt)+(a1+f2+e2+d2+c2-b1-b5-b4-b3-b2)*dt

耕地：nt(t)=nt(t-dt)+(a2+f3+e3+d3+b2-c1-c5-c4-c3-c2)*dt

林地：sl(t)=sl(t-dt)+(a3+f4+e4+b3+c3-d1-d5-d4-d2-d3)*dt

水域：sy(t)=sy(t-dt)+(a4+f5+b4+c4+d4-e1-e5-e2-e3-e4)*dt

未利用地：wd(t)=wd(t-dt)+(a5+e5+d5+c5+b5-f1-f5-f4-f3-f2)*dt

(1)

上述方程中的參數(shù)如a1，a2，……表示建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為其他地類(lèi)面積，即是模型中的“流”。建設(shè)用地轉(zhuǎn)換成草地，耕地，林地水域，未利用地的面積分別用a1，a2，a3，a4，a5表示，t表示的是時(shí)間。利用表4中的轉(zhuǎn)移概率直接就可以求出它們之間的轉(zhuǎn)換面積。以建設(shè)用地轉(zhuǎn)移其他用地為例：

表5 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(STELLA)模型模擬結(jié)果

a5=js*pwd1，a4=js*psy1，a3=js*psl1，a2=js*pnt1，a1=js*pcd1

(2)

上式中的pwd1，psy1，psl1，pnt1，pcd1分別表示在一定時(shí)期內(nèi)由建設(shè)用地轉(zhuǎn)移為未利用地，水域，耕地，林地，草地的概率。

本文運(yùn)用遙感分類(lèi)得到的土地利用類(lèi)型結(jié)果利用STELLA進(jìn)行仿真和預(yù)測(cè)，由于研究的區(qū)域經(jīng)常會(huì)受到不確定因素的影響，如1998年和2003年～2004年研究區(qū)域受到了很大的洪澇災(zāi)害，而遙感影像有時(shí)效性，所以遙感影像在特殊的情況下不能準(zhǔn)確的表達(dá)這一時(shí)期的土地利用狀況，從而會(huì)給決策部門(mén)在土地利用決策中帶來(lái)不準(zhǔn)確的判斷，為了避免出現(xiàn)上述的情況，利用系統(tǒng)仿真是非常必要的，另外利用仿真還可以推斷出土地利用類(lèi)型受到災(zāi)害的情況。

本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)2004年的升金湖國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的土地利用情況進(jìn)行了仿真(表5)。將2004年的仿真結(jié)果和實(shí)際土地利用結(jié)果進(jìn)行比較(表6)。從表中可知2004年受洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的是未利用地，其次是建設(shè)用地、草地、林地、水域，其中耕地受到的影響最小。從表6中可以看出研究區(qū)域2004年有77%的建設(shè)用地受到災(zāi)害影響，而草地、林地、耕地也在不同程度上受到影響，其中在2004年洪澇中升金湖的湖面面積增加47%，所增加的面積為4441.07hm2。在表6中把遙感分類(lèi)的結(jié)果和仿真的結(jié)果進(jìn)行比較可以很容易得出受災(zāi)害最嚴(yán)重的土地類(lèi)型。因此將土地利用變化遙感分類(lèi)結(jié)果和STELLA系統(tǒng)動(dòng)力預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比能夠得出更多的可用信息。利用STELLA對(duì)每一年土地利用類(lèi)型進(jìn)行預(yù)測(cè)，從表5中知，可本文預(yù)測(cè)了2036年的土地利用情況，到2036年建設(shè)用地比2011年的建設(shè)用地上升了6.45%，逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)，草地下降7.25%，林地上升了30.53%，這符合國(guó)家退耕還林的政策，水域趨于平穩(wěn)下降，而未利用則得到快速地開(kāi)發(fā)利用，到2036年未利用地下降了35.84%，這些預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)以后土地利用類(lèi)型的發(fā)展方向起到了參照和正確的指引作用。

表6 2004年和2011年實(shí)際土地利用面積與仿真結(jié)果比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析土地利用景觀格局過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在一定的時(shí)期它無(wú)法正確地描述土地變化之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。本文利用同一時(shí)期兩個(gè)年份能夠真實(shí)反映當(dāng)年土地利用情況的遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算出它們內(nèi)部的轉(zhuǎn)換概率；再利用這些土地類(lèi)型內(nèi)部的轉(zhuǎn)換關(guān)系建立系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型；利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件STELLA將土地類(lèi)型的面積和轉(zhuǎn)換率對(duì)應(yīng)輸入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件的各個(gè)“庫(kù)”和“流”中，運(yùn)行軟件將不同時(shí)期的土地類(lèi)型進(jìn)行仿真和預(yù)測(cè)。本文利用STELLA對(duì)2004年升金湖的土地利用系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明STELLA模擬具有很好的開(kāi)放性和靈活性，能夠有效地仿真土地利用變化的格局，在土地利用規(guī)劃方面具有良好的應(yīng)用前景，利用STELLA的預(yù)測(cè)作用對(duì)升金湖的發(fā)展趨勢(shì)做一個(gè)指導(dǎo)作用。

利用對(duì)土地利用變化的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)、景觀生態(tài)學(xué)的分析數(shù)據(jù)和STELLA的模擬預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)有關(guān)的土地利用變化進(jìn)行研究還是不夠的，應(yīng)該綜合社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化等多種影響要素，構(gòu)建土地利用驅(qū)動(dòng)機(jī)制定量分析模型，通過(guò)分析土地利用的時(shí)空變化以及與導(dǎo)致這種變化的驅(qū)動(dòng)力之間的因果反饋關(guān)系，才能充分揭示人地系統(tǒng)相互作用的內(nèi)在機(jī)制，并以此來(lái)仿真和預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。由于實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜性，不可能每個(gè)因素都能夠考慮在內(nèi)，系統(tǒng)模型只能不斷地完善，STELLA軟件與GIS的融合應(yīng)用還有待進(jìn)一步的深入研究。希望系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)能夠有效地應(yīng)用在土地利用規(guī)劃和其他各行各業(yè)，讓它能夠有效地仿真和預(yù)測(cè)，為人類(lèi)做出正確的決策提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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