趙俊三,袁 磊,張 萌
(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;2.云南師范大學(xué)信息學(xué)院,云南 昆明650500;3.西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心,云南 昆明 650500)
土地利用變化空間多尺度驅(qū)動(dòng)力耦合模型構(gòu)建
趙俊三1,袁 磊2,3,張 萌1
(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;2.云南師范大學(xué)信息學(xué)院,云南 昆明650500;3.西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心,云南 昆明 650500)
研究目的:從多尺度空間關(guān)聯(lián)耦合的角度,構(gòu)建一個(gè)能夠動(dòng)態(tài)、定量表征不同尺度土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理的土地利用變化多尺度驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合模型。研究方法:以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與方法為指導(dǎo),構(gòu)建耦合模型主控反饋環(huán)與耦合關(guān)系模塊形成耦合模型總體框架,并對(duì)該耦合模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用驗(yàn)證。研究結(jié)果:該耦合模型模擬結(jié)果相對(duì)誤差的均值為-0.155%,相對(duì)誤差分布在[-3.91%,4.98%]區(qū)間內(nèi)的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的90.3%,基本達(dá)到了對(duì)三級(jí)實(shí)證研究區(qū)土地利用變化及其多尺度驅(qū)動(dòng)機(jī)理時(shí)域行為的再現(xiàn)與模擬。研究結(jié)論:耦合模型構(gòu)建思路與方法較為可靠,能夠?yàn)橥恋乩靡?guī)劃數(shù)量結(jié)構(gòu)在不同尺度間的配置與協(xié)調(diào)提供有效的預(yù)測(cè)手段。
土地利用;變化驅(qū)動(dòng)力;空間多尺度;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);耦合模型
土地利用變化是不同的土地利用需求和自然演化與土地利用類型的耦合,是當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)中最普遍、最活躍的地球景觀現(xiàn)象[1]。2005 年,IGBP 和IHDP聯(lián)合推出全球土地計(jì)劃研究(Global Land Project,GLP),并確立今后一段時(shí)間將在土地系統(tǒng)變化動(dòng)力學(xué)、土地系統(tǒng)變化后果、土地可持續(xù)性綜合分析與模擬三個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域開(kāi)展研究,而且這三大主題均涉及尺度問(wèn)題[2-5]??梢?jiàn),土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力多尺度問(wèn)題的研究已經(jīng)成為土地科學(xué)領(lǐng)域極具創(chuàng)新性探索的重要研究方向之一。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(System Dynamics,SD)作為一種從系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系入手的綜合研究方法,其最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)狀態(tài)變量(Stock)、流量函數(shù)(Flow)、輔助變量(Convertor)、流線(Connector)等基本要素,構(gòu)成模型決策反饋環(huán)[6-8],從而能夠從宏觀上反映土地利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和相互作用,并可以根據(jù)研究需要,設(shè)定不同的約束條件,對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展變化進(jìn)行模擬,從而為決策提供依據(jù)[9-11]。因此,近年來(lái)將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于土地系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面的研究成果較多, 例如,Rosimeiry等構(gòu)建了綜合土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)美國(guó)大平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)過(guò)程進(jìn)行模擬[12];Lee利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,分析了巴西亞馬遜流域不同類型的土地利用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能退化的影響[13];譚術(shù)魁構(gòu)建了區(qū)域耕地壓力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)仿真技術(shù)預(yù)測(cè)了2000—2020年湖北省耕地面積、耕地缺口、糧食產(chǎn)量、耕地壓力指數(shù)等的變化趨勢(shì)[14],取得了理想效果。以上研究大都針對(duì)單一尺度下的典型區(qū)域、熱點(diǎn)區(qū)域及生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)開(kāi)展研究,而基于土地利用變化系統(tǒng)的大背景,從多尺度角度,注重土地利用變化驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部不同尺度層級(jí)間土地利用變化及其核心驅(qū)動(dòng)因素之間的相互作用、相互聯(lián)系的反饋機(jī)制、控制機(jī)制和運(yùn)行機(jī)制的耦合模型的研究成果卻鮮有報(bào)道。
基于此,本文從多尺度耦合的角度,將土地利用變化及其多尺度驅(qū)動(dòng)力看作多尺度空間上的耦合大系統(tǒng),在對(duì)該耦合系統(tǒng)特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上,探討土地利用變化多尺度驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合模型構(gòu)建的理論與實(shí)現(xiàn)方法,形成耦合模型構(gòu)建的核心思路,選擇云南省、昆明市、宜良縣組成上下關(guān)聯(lián)的三級(jí)實(shí)證研究區(qū),對(duì)耦合模型構(gòu)建進(jìn)行了實(shí)證研究,并通過(guò)對(duì)研究區(qū)土地利用變化及其多尺度驅(qū)動(dòng)機(jī)理的模擬,對(duì)模型構(gòu)建的理論與方法進(jìn)行檢驗(yàn)。
本文將空間多尺度的概念界定在兩個(gè)方面:一是行政尺度,即行政體系涉及的范圍,如省、市、縣各級(jí)行政區(qū)組成的具有上下包含關(guān)系的空間多尺度研究區(qū);二是具體的比例尺概念。因?yàn)樾姓叨纫坏┐_定,其對(duì)應(yīng)的比例尺往往也不會(huì)孤立存在。例如,在國(guó)家比例尺系列中,云南省省級(jí)一般定義為1∶50萬(wàn)比例尺,市(州)定義為1∶10萬(wàn)比例尺,縣級(jí)定義為1∶5萬(wàn)或1∶1萬(wàn)比例尺系例。綜上,本文空間多尺度是指以現(xiàn)行行政區(qū)域所組成的多尺度空間區(qū)域。
基于上述空間多尺度內(nèi)涵的界定,按照系統(tǒng)論的觀點(diǎn),本文研究的土地利用變化及其多尺度驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)便是一個(gè)由若干相互影響、相互作用的子系統(tǒng)通過(guò)相互之間自身存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系而耦合在一起所形成的具有特定功能的耦合大系統(tǒng)。在這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)之中,某一尺度層級(jí)的土地利用變化與該尺度上的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然生物物理等諸多因素的發(fā)展聯(lián)系在一起。不僅如此,該尺度層級(jí)上的土地利用變化還會(huì)受到其上級(jí)尺度或下級(jí)尺度的土地利用變化及相應(yīng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與自然生物物理因素的影響,即不同尺度層級(jí)之間的地類與地類、地類與驅(qū)動(dòng)因素也存在著相互影響、相互作用的耦合關(guān)系。因此,要對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模,首先必須抓住其核心要素、主體結(jié)構(gòu)及核心因果反饋關(guān)系,這也是耦合模型構(gòu)建的前提基礎(chǔ)。
歸納起來(lái),耦合系統(tǒng)的核心要素主要有三大類:地類要素、驅(qū)動(dòng)因子要素和尺度要素。地類要素即根據(jù)土地利用分類體系劃分出的不同尺度上的不同地類,如耕地、園地、林地等;驅(qū)動(dòng)因子要素即影響不同尺度上的各個(gè)地類變化的驅(qū)動(dòng)因素,如人口因素、GDP總量、自然環(huán)境演化等;尺度因素界定為與中國(guó)行政體系劃分相對(duì)應(yīng)的行政尺度,如本文研究的省級(jí)尺度、市級(jí)尺度、縣級(jí)尺度等。這三類要素是整個(gè)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)?;谌箢惡诵囊?,結(jié)合系統(tǒng)的層級(jí)關(guān)系,可將耦合系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)抽象如圖1所示。
圖1 耦合系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.1 Main structure diagram of the coupling system
圖2 耦合系統(tǒng)的根本因果關(guān)系Fig.2 Fundamental causation of the coupling system
顯然,土地利用變化多尺度驅(qū)動(dòng)力耦合系統(tǒng)是由若干相互影響、相互作用的子系統(tǒng)共同組成。子系統(tǒng)的劃分依據(jù)不同的行政尺度,由此劃分為省級(jí)子系統(tǒng)、市級(jí)子系統(tǒng)、縣級(jí)子系統(tǒng)等。子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間主要通過(guò)地類面積之間的相互依存及對(duì)應(yīng)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及自然生物物理因素的相互影響、相互制約形成關(guān)聯(lián);每一個(gè)子系統(tǒng)即為某一行政尺度下的土地利用變化系統(tǒng),由該尺度下的若干系統(tǒng)單元構(gòu)成。各個(gè)系統(tǒng)單元之間通過(guò)各個(gè)地類之間的轉(zhuǎn)移變化關(guān)系構(gòu)成該子系統(tǒng)的主要因果反饋關(guān)系;系統(tǒng)單元指每一地類與其驅(qū)動(dòng)因素的集合,如耕地與其驅(qū)動(dòng)因素組成一個(gè)系統(tǒng)單元,園地與其驅(qū)動(dòng)因素也同樣形成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)單元。系統(tǒng)單元內(nèi)部也同樣存在著自己的因果反饋關(guān)系,例如,某一時(shí)期農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值影響了耕地的變化,而耕地的變化又隨之影響農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值的增減。
可見(jiàn),對(duì)應(yīng)于耦合系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu),存在如圖2所示的根本的因果關(guān)系:驅(qū)動(dòng)因子對(duì)某一尺度下的土地利用變化產(chǎn)生影響,該尺度土地利用變化又通過(guò)尺度之間的相互作用影響著其他尺度地類的變化,所有地類的變化又反過(guò)來(lái)作用于驅(qū)動(dòng)因素的改變。
由上述耦合系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)及根本因果關(guān)系分析可知,該耦合系統(tǒng)具有如下顯著特征:(1)層次性。耦合系統(tǒng)總體是由不同尺度的土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)因素組成的一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)單元共同構(gòu)成,各個(gè)系統(tǒng)單元之間隨著行政尺度的不同呈現(xiàn)多級(jí)層次特征。(2)非線性。耦合系統(tǒng)內(nèi)部土地利用要素及其與驅(qū)動(dòng)因素之間存在著多重、復(fù)雜的反饋關(guān)系,這些反饋關(guān)系并不都是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,往往還呈現(xiàn)高階次、非線性特征。(3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。該耦合系統(tǒng)不再局限于某一類或某些簡(jiǎn)單因素,而是對(duì)整個(gè)土地利用生態(tài)系統(tǒng)中不同空間尺度下的各個(gè)地類及與之相關(guān)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、自然生物物理環(huán)境等諸多因素的綜合描述。這些紛繁的因素之間又分別存在著錯(cuò)綜盤結(jié)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,因此,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。(4)動(dòng)態(tài)性。耦合系統(tǒng)的狀態(tài)和過(guò)程隨著時(shí)間的推移都處于不斷的運(yùn)動(dòng)變化之中。
可見(jiàn),對(duì)于這樣的復(fù)雜系統(tǒng),要對(duì)其狀態(tài)及行為進(jìn)行模擬,就不能完全依靠推理計(jì)算和定性分析的手段或方法,而應(yīng)考慮由靜態(tài)模型向動(dòng)態(tài)模型的方向轉(zhuǎn)變。由耦合系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)關(guān)系和根本因素關(guān)系分析可知:土地利用變化多尺度驅(qū)動(dòng)力耦合系統(tǒng)盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但因其基于不同的行政尺度區(qū)域共同組成,具有明顯的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)特征,因此,一旦行政尺度的具體空間范圍確定,系統(tǒng)的邊界及子系統(tǒng)的劃分都會(huì)較為明晰。例如,如果在省級(jí)尺度范圍內(nèi)來(lái)研究問(wèn)題,那么省級(jí)行政界線便可作為整個(gè)系統(tǒng)的邊界,而其所包含的各個(gè)市、縣則可作為系統(tǒng)中一個(gè)個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行研究。如果需要,市級(jí)尺度區(qū)域還可以依此縣級(jí)行政單元?jiǎng)澐譃樽酉到y(tǒng)的子系統(tǒng)。而且,從橫向關(guān)系來(lái)看,各個(gè)市或縣所對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)之間(橫向子系統(tǒng)),單就在地類數(shù)量結(jié)構(gòu)關(guān)系上而言,也存在著此消彼長(zhǎng)的依存關(guān)系。同樣,從縱向關(guān)系來(lái)看,則表現(xiàn)為系統(tǒng)或者子系統(tǒng)與其下級(jí)子系統(tǒng)之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系(縱向子系統(tǒng)),只要行政單元不變,縱向子系統(tǒng)之間各地類數(shù)量結(jié)構(gòu)間也同樣存在著一定的制約與反饋關(guān)系。實(shí)質(zhì)上,系統(tǒng)與子系統(tǒng)、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的反饋關(guān)系,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不局限于地類數(shù)量結(jié)構(gòu)上的依存,它們還會(huì)通過(guò)省、市、縣上下級(jí)之間的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然生物等諸多因素共同耦合在一起。因此,結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理與方法,采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)其建模,對(duì)深刻刻畫(huà)耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征及動(dòng)態(tài)行為較為可行。
鑒于以上考慮,從多尺度耦合的角度,形成耦合模型構(gòu)建思路:(1)系統(tǒng)邊界及子系統(tǒng)的劃分與行政體系空間劃分相對(duì)應(yīng)。例如,如果以省級(jí)行政體系對(duì)應(yīng)的空間范圍作為整個(gè)系統(tǒng)的研究區(qū),則省域空間就作為整個(gè)系統(tǒng)的邊界,以下進(jìn)一步劃分為市級(jí)子系統(tǒng)、縣級(jí)子系統(tǒng)等。(2)根據(jù)耦合系統(tǒng)的根本因果關(guān)系,只選取其中1個(gè)子系統(tǒng)模塊作為整個(gè)耦合系統(tǒng)的主控反饋環(huán),并通過(guò)不同尺度相同地類之間的相互依存關(guān)系建立主控反饋環(huán)與其他子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)聯(lián),從而形成耦合模型的基本結(jié)構(gòu)框架。(3)參變量的考慮上,主控反饋環(huán)保留原有的地類要素不變,驅(qū)動(dòng)因子的選取兼顧考慮不同尺度土地利用變化的核心驅(qū)動(dòng)因子。(4)尺度因素主要體現(xiàn)在系統(tǒng)邊界及子系統(tǒng)與子系統(tǒng)的劃分與耦合方面,不單獨(dú)作為變量出現(xiàn),而是隱含于不同行政尺度下各個(gè)子系統(tǒng)的耦合關(guān)系之中。
3.1 耦合模型指標(biāo)體系的確定
指標(biāo)體系指一組變量的集合,即這些變量通過(guò)相互間的反饋機(jī)制而形成一個(gè)有機(jī)整體,其目的是用來(lái)表征系統(tǒng)的主要特征。本文研究的耦合系統(tǒng)主要涉及地類要素、驅(qū)動(dòng)因子要素和尺度要素三大類核心要素。因此,圍繞三大類核心要素,假如研究尺度定位于省、市、縣三級(jí)空間尺度,在耦合模型構(gòu)建時(shí),首先需要重點(diǎn)考慮三大類指標(biāo)體系,通過(guò)這些指標(biāo)之間的數(shù)量依存關(guān)系建立起耦合系統(tǒng)內(nèi)部的互動(dòng)反饋機(jī)制。在對(duì)耦合系統(tǒng)因果關(guān)系全面把握的基礎(chǔ)上,集中于模型構(gòu)建的本質(zhì)問(wèn)題,著力關(guān)注主導(dǎo)性反饋回路,使得模型行為和產(chǎn)生的策略確切可用、可信賴,即依據(jù)“就簡(jiǎn)原則”和“有效原則”建立耦合模型的指標(biāo)體系:(1)地類要素變量集。主要包括不同尺度(省、市、縣)的地類及各地類之間面積的相互轉(zhuǎn)移量及轉(zhuǎn)移概率。例如,市級(jí)尺度將會(huì)產(chǎn)生以下變量:市域耕地、市域園地、市域林地等地類;市域耕地至園地面積轉(zhuǎn)移量、市域園地至耕地面積轉(zhuǎn)移量、市域耕地至林地面積轉(zhuǎn)移量、市域林地至園地面積轉(zhuǎn)移量等;市域耕地至園地面積轉(zhuǎn)移概率、市域園地至耕地面積轉(zhuǎn)移概率、市域耕地至林地面積轉(zhuǎn)移概率、市域林地至園地面積轉(zhuǎn)移概率等。(2)驅(qū)動(dòng)因子要素變量集。主要是不同尺度(省、市、縣)影響各個(gè)地類變化的核心驅(qū)動(dòng)因子,包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生物物理、人文、政策等。(3)尺度要素變量集。例如省級(jí)尺度、市級(jí)尺度、縣級(jí)尺度等。
3.2 耦合模型主控反饋環(huán)構(gòu)建
假設(shè)研究尺度涉及省、市、縣三級(jí)空間尺度,按照前述耦合模型構(gòu)建思想,將研究區(qū)土地利用變化及其多尺度驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合模型劃分為省級(jí)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)、市級(jí)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)、縣級(jí)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)模塊,其系統(tǒng)邊界即為省域界線。其中,省、市、縣三個(gè)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)模塊分別描述省域尺度、市域尺度和縣域尺度各個(gè)地類之間的土地利用變化轉(zhuǎn)移及核心驅(qū)動(dòng)因子與其影響的地類之間的相互作用機(jī)制。每個(gè)子系統(tǒng)本身都是一個(gè)獨(dú)立的地類變化與驅(qū)動(dòng)因子反饋系統(tǒng)。以市級(jí)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)模塊為例,假設(shè)市域尺度上土地利用類型有耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地、交通水利設(shè)施用地和未利用地8大地類,而由市域土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析假設(shè)得到:市域尺度影響耕地變化的核心驅(qū)動(dòng)因子是固定資產(chǎn)投資總額(mx7)和社會(huì)消費(fèi)品零售總額(mx8),林地變化的核心驅(qū)動(dòng)因子是第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(mx5)和社會(huì)消費(fèi)品零售總額(mx8),牧草地變化的核心驅(qū)動(dòng)因子是總?cè)丝冢╩x1)和農(nóng)業(yè)人口(mx2),居民點(diǎn)及獨(dú)立工礦用地變化的核心驅(qū)動(dòng)因子是第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(mx3)和農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值(mx9),交通水利設(shè)施用地變化的核心驅(qū)動(dòng)因子是農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值(mx9),未利用地變化的核心驅(qū)動(dòng)因子是第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(mx5)、固定資產(chǎn)投資總額(mx7)和社會(huì)消費(fèi)品零售總額(mx8)。進(jìn)一步結(jié)合市域土地利用轉(zhuǎn)移變化狀況,得到市級(jí)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)(圖3)。同理,根據(jù)不同尺度地類變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)理及各地類間的轉(zhuǎn)移變化,省級(jí)和縣級(jí)子系統(tǒng)模塊也可表達(dá)為類似的結(jié)構(gòu)??紤]市級(jí)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)在省、市、縣三級(jí)空間尺度組成的耦合系統(tǒng)中承上聯(lián)下的作用,將其作為耦合系統(tǒng)的主控反饋環(huán)能夠降低耦合系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)復(fù)雜度,因此將其作為耦合系統(tǒng)的主控反饋環(huán)較為適宜。
3.3 耦合模型關(guān)聯(lián)模塊構(gòu)建
耦合模型關(guān)聯(lián)模塊描述了不同尺度相同地類之間的相互依存關(guān)系及影響地類變化的核心驅(qū)動(dòng)因子在尺度層級(jí)間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系,并通過(guò)地類之間的相互依存關(guān)系實(shí)現(xiàn)核心驅(qū)動(dòng)因子對(duì)地類變化的影響效應(yīng)在不同尺度層級(jí)之間的關(guān)聯(lián),從而將省、市、縣三個(gè)土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)模塊耦合為一個(gè)完全的有機(jī)整體。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖3 市級(jí)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the module for the driving force subsystem of municipal land use change
3.4系統(tǒng)流圖與方程式的構(gòu)造
對(duì)主控反饋環(huán)和關(guān)聯(lián)模塊所包含的因果關(guān)系進(jìn)一步具體化、詳細(xì)化,并根據(jù)各變量在模型所起的作用和擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧?,用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量及信息流、物質(zhì)流等專用符號(hào)進(jìn)行描述,從而形成耦合模型的流圖。在此基礎(chǔ)上,對(duì)流圖中的每一反饋關(guān)系根據(jù)因果聯(lián)系構(gòu)建方程式,即根據(jù)系統(tǒng)的因果反饋關(guān)系,來(lái)確定系統(tǒng)中各變量之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系,從而把非正規(guī)的、概念性的構(gòu)思轉(zhuǎn)換成正式的、定量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。方程式的確定可采用多種方法,如采用回歸分析、曲線估計(jì)等確定驅(qū)動(dòng)因子與地類之間定量驅(qū)動(dòng)關(guān)系,基于多水平模型分析驅(qū)動(dòng)因子在不同尺度層級(jí)間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系,采用算術(shù)平均值法確定研究期內(nèi)地類轉(zhuǎn)移變化過(guò)程中各地類平均轉(zhuǎn)移概率,必要時(shí)也可結(jié)合對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和把握,對(duì)模型參數(shù)與定量關(guān)系進(jìn)行修正,通常的辦法可采用灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行參數(shù)修正。一旦方程全部構(gòu)建完畢,耦合模型也即建立起來(lái),接著便可借助計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)耦合系統(tǒng)進(jìn)行仿真與模型檢驗(yàn)。
圖4 多尺度土地利用變化關(guān)聯(lián)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of the relationship module for multi-scale land use change
4.1 多尺度研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源
本文選擇中國(guó)西南典型高原山區(qū)——云南省、昆明市、宜良縣組成上下互聯(lián)的三級(jí)實(shí)證研究區(qū)。該多尺度研究區(qū)位于東經(jīng)97°31′39″—106°11′47″、北緯21°8′32″—29°15′8″之間,東西橫跨864.9 km,南北縱距990.0 km。西部為橫斷山脈高山峽谷區(qū),東部屬云貴高原區(qū),南部為中、低山寬谷盆地區(qū),全區(qū)以高原山地為主。研究期內(nèi),一批支柱產(chǎn)業(yè)與特色產(chǎn)業(yè)得到培育,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,土地利用/覆蓋格局變化顯著,具有一定的代表性。
實(shí)證研究中分別采用了云南省、昆明市、宜良縣三級(jí)尺度1999—2008年的二大類核心數(shù)據(jù):(1)土地利用數(shù)據(jù)。主要包括土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、土地利用變更數(shù)據(jù)及由此派生的DEM、地形圖、坡度圖、坡向圖、交通分布圖、水系分布圖等。該類數(shù)據(jù)分別來(lái)源于云南省國(guó)土資源廳及昆明市和宜良縣國(guó)土資源局;(2)統(tǒng)計(jì)類數(shù)據(jù)。主要包括1999—2008年云南省、昆明市及宜良縣的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)類數(shù)據(jù)來(lái)源于云南省圖書(shū)館館藏的2000—2009年云南省、昆明市各年統(tǒng)計(jì)年鑒及地方志資料,部分來(lái)源于相關(guān)部門官方網(wǎng)站。
4.2 多尺度研究區(qū)耦合模型實(shí)現(xiàn)
實(shí)證研究中,耦合模型對(duì)不同尺度土地利用變化及其核心驅(qū)動(dòng)因素之間的相互作用、相互聯(lián)系的反饋機(jī)制、控制機(jī)制和運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行模擬,并通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證耦合模型構(gòu)建理論與思路是否可行。按照耦合模型構(gòu)建思想,選取昆明市市級(jí)尺度土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)模塊作為整個(gè)耦合模型的因果關(guān)系的主控反饋環(huán),主控反饋環(huán)上以昆明市各地類及地類之間的相互轉(zhuǎn)移量及轉(zhuǎn)移率為基準(zhǔn),驅(qū)動(dòng)因子變量選取昆明市土地利用變化核心驅(qū)動(dòng)因子與云南省和宜良縣土地利用變化核心驅(qū)動(dòng)因子三者結(jié)果的交集,通過(guò)昆明市、云南省、宜良縣各地類面積依存關(guān)系建立三級(jí)空間尺度耦合關(guān)系,最終確定耦合模型變量及其含義列表如表1。
表1 耦合模型參變量及其含義Tab.1 Parameters and its meaning of the coupling model
在Vensim PLE可視化建模軟件環(huán)境中,根據(jù)上述各變量在模型中所起的作用和擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧?,并?duì)其相互之間的因果關(guān)系以系統(tǒng)流圖和定量方程式進(jìn)行表達(dá),形成以昆明市土地利用變化驅(qū)動(dòng)力子系統(tǒng)模塊為主控反饋環(huán)的省、市、縣三級(jí)尺度土地利用變化多尺度驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合模型(圖5)。
關(guān)于模型中地類要素及其核心驅(qū)動(dòng)因子在不同尺度層級(jí)間的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合方程的定量表達(dá),限于篇幅此處僅以耕地為例:My1 = INTEG((My2y1+My3y1+My4y1+My5y1+My6y1+My7y1+My8y1)-(My1y2+My1y3+ My1y4+My1y5+My1y6+My1y7+My1y8), 508561+355.005×mx7-687.746×mx8);Cy1=17587.2+0.063×My1;Py1=(2.95703e+006)+7.817×My1
4.3 耦合模型模擬與檢驗(yàn)
4.3.1 量綱一致性檢驗(yàn) 耦合模型采用Vensim 軟件建模,該軟件本身具備量綱檢驗(yàn)和方程檢驗(yàn)功能[19]。借助軟件本身的功能對(duì)耦合模型檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),耦合模型方程式未見(jiàn)錯(cuò)誤,量綱一致性檢驗(yàn)通過(guò)。
圖5 土地利用變化多尺度驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合模型Fig.5 The system dynamic coupling Model of multi-scale land use change driving forces
4.3.2 模型結(jié)構(gòu)與實(shí)際系統(tǒng)的一致性檢驗(yàn) 耦合模型構(gòu)建中,前提是已對(duì)研究區(qū)地類變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理有了充分的分析,對(duì)系統(tǒng)中存在的因果關(guān)系有了足夠認(rèn)識(shí)和把握。在此基礎(chǔ)上,在建模時(shí)特意將地類要素和驅(qū)動(dòng)因子要素2大類核心要素作為耦合模型的內(nèi)生變量,并遵循現(xiàn)實(shí)空間中不同尺度地類資源的數(shù)量依存建立耦合關(guān)系;在耦合模型參數(shù)及其值的確定上,也均直接來(lái)源于官方數(shù)據(jù)或基于原始的官方數(shù)據(jù)經(jīng)嚴(yán)密的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析而來(lái)。因此,耦合模型盡可能地表征了實(shí)際系統(tǒng)。
4.3.3 模型行為與實(shí)際系統(tǒng)的一致性檢驗(yàn) 以1999年研究區(qū)土地利用格局為基準(zhǔn)狀態(tài),將已知數(shù)據(jù)輸入耦合模型,對(duì)研究區(qū)1999—2008年地類變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行模擬,并將模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以檢驗(yàn)耦合模型行為與實(shí)際系統(tǒng)的一致性。經(jīng)整理,模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。
由表2研究區(qū)三個(gè)尺度共72組模擬值與實(shí)際值的相對(duì)誤差結(jié)果可知,除Py2(2008,-7.79%)、Cy7(1999,11.36%)、Cy6(2008,-7.54%)、Cy2(2003,-9.52%)、My6(2003,6.98%)5組值相對(duì)誤差較大之外,其他各組值的相對(duì)誤差均在[-5.98%,4.98%]范圍以內(nèi)。從總體上看,耦合模型相對(duì)誤差的均值為-0.155%,相對(duì)誤差分布在[-3.91%,4.98%]區(qū)間內(nèi)的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的90.3%??梢?jiàn),耦合模型的行為基本反映了研究區(qū)土地利用變化及其空間多尺度驅(qū)動(dòng)機(jī)理。
本文從多尺度耦合的角度,給出了土地利用變化多尺度驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合模型構(gòu)建的思路與實(shí)現(xiàn)方法,并選取中國(guó)西南典型高原山區(qū)——云南省、昆明市、宜良縣組成上下關(guān)聯(lián)的三級(jí)實(shí)證研究區(qū)對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)證研究。結(jié)果表明,該耦合模型基本達(dá)到了對(duì)三級(jí)實(shí)證研究區(qū)土地利用變化及其多尺度驅(qū)動(dòng)機(jī)理時(shí)域行為的再現(xiàn)與模擬。
但不可否認(rèn),由系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型本身缺乏空間概念,使得模擬結(jié)果無(wú)法在空間上進(jìn)行直觀表達(dá),因此,如果能夠?qū)⑾到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與具有空間模擬功能的CA模型、CLUE模型等進(jìn)行整合,構(gòu)建能夠?qū)⑼恋乩米兓捌潋?qū)動(dòng)機(jī)理在空間和數(shù)量結(jié)構(gòu)上同時(shí)再現(xiàn)、跟蹤與模擬的耦合模型,對(duì)多尺度研究區(qū)未來(lái)50年或100年更長(zhǎng)時(shí)期土地利用變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè),將會(huì)更具現(xiàn)實(shí)意義。此外,由于多尺度耦合本身是一個(gè)較為復(fù)雜的現(xiàn)象,本文在耦合模型驅(qū)動(dòng)力因子選取上也僅選擇了短期內(nèi)對(duì)土地利用變化起顯著作用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子,下一步研究可考慮加入政策、自然等因子,以使得模型更加逼近現(xiàn)實(shí)。同時(shí),因本文實(shí)證研究案例區(qū)僅以云南省、昆明市及宜良縣這樣的典型高原山區(qū)為例,因此,尚缺乏多樣性樣區(qū)的實(shí)證研究,耦合模型的普適性也有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。
表2 耦合模型模擬結(jié)果與實(shí)際值對(duì)比表Tab.2 Comparison table of results and actual values of the simulation
(
):
[1] 蔡運(yùn)龍.中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中的耕地問(wèn)題[J] .資源科學(xué),2000,5(3):24 - 28.
[2] Moran E,Ojima D,Buchmann N,et al. Global Land Project:Science Plan and Implementation Strategy[R] . Stochkholm:IGBP Report No.53 and IHDP Report No.19,2005:1 - 7.
[3] 王磊.土地利用變化的多尺度模擬研究——以貴州貓?zhí)恿饔驗(yàn)槔跠] .北京:北京大學(xué),2011:21 - 22.
[4] 邱炳文.福建省耕地多尺度空間分布特征分析[J] .農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(11):63 - 68.
[5] 朱曉華,李亞云.土地利用類型結(jié)構(gòu)的多尺度轉(zhuǎn)換特征[J] .地理研究,2008,26(6):1235 - 1242.
[6] 蘇懋康.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理及應(yīng)用[M] .上海:上海交通大學(xué)出版社,1988:64 - 78.
[7] 胡玉奎.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)——戰(zhàn)略與策略實(shí)驗(yàn)室[M] .杭州:浙江人民出版社,1988:121 - 135.
[8] 李秀霞,徐龍,江恩賜.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的土地利用結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化[J] .農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(16):247 - 254.
[9] Forrester J W. Urban Dynamics[M] . Boston:M.I.T.Press,1969:56 - 72.
[10] 張?jiān)迄i,孫燕,王小麗,等.快速城市化地區(qū)土地利用變化的動(dòng)力學(xué)模擬——以南京市江寧區(qū)為例[J] .水土保持通報(bào),2012,32(6):152 - 157.
[11] Odum H T,Elisabeth C. Modeling for all scales:An introduction to system simulation[M] . San Diego:Academic Press,2000:75 - 81.
[12] Rosimeiry Portela,Ida Rademacher. A dynamic model of patterns of deforestation and their effect on the ability of the Brazilian Amazonia to provide ecosystem services[J] . Ecological Modelling,2001,143:115 - 146.
[13] Lee Sang Yong. An integrated model for land use/transportation system performance:system dynamics modeling approach[R] . University of Maryland College Park,1995:10 - 21.
[14] 譚術(shù)魁,張路,齊睿.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的區(qū)域耕地壓力指數(shù)研究[J] .自然資源學(xué)報(bào),2012,27(5):757 - 765.
[15] 趙璟,黨興華.城市群空間結(jié)構(gòu)演進(jìn)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)耦合關(guān)系系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真[J] . 系統(tǒng)管理學(xué)報(bào),2012,21(4):444 - 451.
(本文責(zé)編:仲濟(jì)香)
Driving Forces Coupling Model for Multi-scale Land Use Change based on System Dynamics
ZHAO Jun-san1, YUAN Lei2,3, ZHANG Meng1
(1. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. School of Information Science and Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China; 3. Engineering Research Center of Ministry of Education on Geography Information Technology of Western Resource Environment, Kunming 650500, China)
The purpose of this study is to develop a new driving forces coupling model for multi-scale land use change based on System Dynamics, which can measure land use change and its driving mechanism of different scales dynamically and quantitatively. A main control feedback loop and a coupling relationship module are constructed with the theory and method of System Dynamics. We applied the new model to a case study. The results of simulation and test of the new model have shown that the mean of relative error is -0.155%, the relative error values distributed in [-3.91%, 4.98%], which accounts for 90.3% of the total samples. It is concluded that the construction idea and method of the new model is reliable, and it can provide a prediction method effectively for the configuration and coordination of quantitative structurein land use planning for different scales.
land use; change driving forces; spatial multi-scale; system dynamics; coupling model
F301.2
A 文章編寫:1001-8158(2015)06-0057-10
10.13708/j.cnki.cn11-2640.2015.06.008
2014-11-04
修改日期:2015-05-04
國(guó)家自然科學(xué)基金(41161062);云南師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(01000205020503063)。
趙俊三(1964-),男,河南鄧州人,教授,博士,博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)镚IS/LIS、土地資源管理、土地規(guī)劃、國(guó)土資源信息化等。E-mail: junsanzhao@netease.com
袁磊(1977-),男,河南潢川人,講師,博士。主要研究方向?yàn)镚IS理論與應(yīng)用、土地規(guī)劃、國(guó)土資源信息化。E-mail: v_ict@163.com