中国麈季通报第２４卷第４期２００８年４月
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韩超峰，陈仲新
（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室，北京１０００８１）
摘要：驱动力研究是土地利用／覆盖变化研究中的核心问题。土地利用变化驱动力模型是分析土地利 用变化原因扣结果的有力工具。基于不同理论建立的驱动力模型很多，对几种应用较多的ＬＵＣＣ驱动力
模型进行综述，并对未来的发展进行了展望。
关键词：土地利用／覆盖变化；驱动力；模型
中图分类号：Ｆ３０１．２４文献标识码：Ａ
ＭｏｄｅｌｓｆｏｒＤｒｉｖｉｎｇＦｏｒｃｅｓｏｆＬａｎｄＵｓｅ／ＣｏｖｅｒＣｈａｎｇｅ：ＡＲｅｖｉｅｗ
ＨａｎＣｈａｏｆｅｎｇ，ＣｈｅｎＺｈｏｎｇｘｉｎ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＲｅｇｉｏｎａｌＰｌａｎｎｉｎｇ，ｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ＂ｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇａｎｄＤｉｇｉｔａｌａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｎｄｕｓｅｃｈａｎｇｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔｓｏｆｇｌｏｂａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｈａｎｇｅａｎｄｓｕｓｔａｉｎ－
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｎｄｕｓｅａｎｄｌａｎｄｃｏｖｅｒｃｈａｎｇｅ（ＬＵＣＣ），ｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅ，ｍｏｄｅｌ
土地利用／覆盖变化（ＬａｎｄＵｓｅａｎｄＬａｎｄＣｏｖｅｒＣｈａｎｇｅ。ＬＵＣＣ）是全球变化的重要组成部分和主要原因之一，由于涉及到自然与人文领域的诸多问题，引起越来越多科学家的注意。１９９５年，ＩＧＢＰ（Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ
Ｇｅｏｓｐｈｅｒｅ－ＢｉｏｓｐｈｅｒｅＰｒｏｇｒａｍ）和ＩＨＤＰ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＨｕｍａｎＤｉｍｅｎｓｉｏｎＰｒｏｇｒａｍ）联合提出了“土地利用／覆盖变化’研究计划，正是试图通过对人类驱动力一土地利用／覆盖变化一全球变化一环境反馈之间相互作用机制的认识，深入了解人为活动对土地利用／覆盖变化的影响。该计划提出了ＬＵＣＣ研究的３个重点领域：（１）土地利用变化机制。通过案例比较的研究方法，提高对土地管理中自然一社会驱动力变化的认识，从而帮助建立区域和全球模型；（２）土地覆盖变化机制。通过遥感图像分析，了解过去土地覆盖空间变化的过程，并与驱动因子建立关系；（３）Ｉ－叉域和全球模型。区域和全球模型通过改进和建立新的模型来提供预测潜在作用或驱动力下土地利用变化的基础。由此可见，ＬＵＣＣ驱动力的研究对于解释土地利用／覆盖变化和建立预测模型起到关键作用，是ＬＵＣＣ研究的焦点问题ｔｌ司。但是在进行区域性的土地利用／覆盖变化研究时，由于驱动因子一土地利用／覆盖系统的变化机制是极为复杂的，而且变化的空问和时问尺度难以把握，使得土地利用／覆盖变化研究中遇到许多困难。
目前，驱动力的研究方法以模型为主。建立模型是为了更好地分析土地利用系统的机制。长期以来，人们从不同的目的，根据不同的理论，建立了一系列驱动力
基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）课题（２００６ＡＡｌ２２１０３）；国家科技支撑计划课题（２００６ＢＡＤＩＯＡ０６）．
第一作者简介：韩超峰，男，１９８３年出生，河南焦作人，硕士。主要从事土地利用／覆盖变化方面的研究．通信地址：１０００８１北京市海淀区中关村南大街１２号中国农业科学院农业资源与农业区划研究所．Ｅ－ｍａｉｌｌｈａｎｃｆ８３＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ．
收稿日期：２００７—１１—１５，修回日期：２００８－０３－０５．
万方数据
·３６６·ＣｈｉｎｅｓｅＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎＶ０１．２４Ｎｏ．４２００８Ａｐｒｉｌ
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模型。这些众多的模型中，大体上可以分为６类：基于经验的统计模型（ＥｍｐｉｒｉｃａｌＳｔａｔ
ｉｓｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｓ），系统动力学模型（ＳｙｓｔｅｍＤｙｎａｍｉｃｓＭｏｄｅｌｓ），细胞自动机模型（ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔａ），基于Ａｇｅｎｔ模型（ＡｇｅｎｔＢａｓｅｄＭｏｄｅｌｓ），最优化模型（ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｓ）以及混合模型（Ｈｙｂｒｉｄ／ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭｏｄｅｌｓ）。
１基于经验的统计模型（ＥｍｐｉｒｉｃａｌＳｔａｆｆｓｔｉｃａｌＭｏｄ－ｅｌｓ）
基于经验的统计模型是采样多元统计分析方法，分析每个因子对土地利用变化的贡献率，从而出土地利用变化的原因ｐＪ。在这些统计方法中，比较常用的有多元回归，典型相关分析等等。例如，Ｇｏｂｉｎｔ４ｊ利用多元回归，分析了农业土地利用变化的驱动力；Ｔａｋａ．ｈａｓｈｉ等圈利用多元回归模型，分析了日本Ｋａｓｕｍｉｇａｕｒａ湖地区土地利用变化的主要驱动力；张明等【ｑ通过典型相关分析，揭示了环渤海地区土地利用结构与当地自然经济因子之问的关系。
基于经验的统计模型有一定的优点，但是，也有显著的缺点。它的优点在于简化问题，能够抓住复杂系统中的主要矛盾。研究表明，基于经验的统计模型有助于从复杂的土地利用系统中分离出主要的驱动因子，并确定土地利用变化与驱动因子的定量关系。这种模型的缺点主要集中在以下几点。
在统计模型中，通常难以到一种统一的，对分析问题有利的方法来量化因变量ｒ刁。例如，植被退化可以用植物密度或者植被生物总量来量化，但是哪个更为合理？量化方法本身无优劣之分，但是对模型
的影响却很大网。另外，对于不同性质的驱动因子，比如，自然因子和经济因子，如何在量化时消除它们之间量纲的差别，也是一个值得考虑的问题。
利用统计方法建立模型所得出的驱动因素和土地利用／覆盖变化之间的关系，并不是确定的因果关系【３】，因为在土地利用／覆盖变化研究中，很难控制自变量组，而将某一自变量对因变量的影响分离出来。如果在这种不确定的因果关系上做进一步的分析，很容易引起错误积累。
统计模型不适合对研究区域以外做大范围的推论，因为统计模型虽然可以很好地拟合原始数据所对应地变量空间，但对于研究区域以外，却有可能无法发挥作用唧。另外，有研究表明，统计模型只适用于对那些有土地利用／覆盖变化详细历史记录的、并且土地利用／覆盖变化强烈的地区进行预测【３】。
２系统动力学模型（ＳｙｓｔｅｍＤｙｎａｍｉｃｓＭｏｄｅｌｓ）系统动力学模型是建立在控制论、系统论和信息论基础上的，以研究反馈系统的结构、功能和动态行为为特征的动力学模型。生态环境和社会经济过程的相互作用导致土地利用／覆盖格局的变化，系统动力学模型能够模拟这些过程和以后的发展。这种模型强调系统中所有因素的相互作用，它将复杂的生态系统简化为符合特定程式要求的微分方程。
系统动力学模型的优势在于它能够从宏观上反映土地利用系统的结构、功能和相互作用，并设定不同的约束条件，对系统的发展变化进行模拟，从而为决策提供依据。如Ｌｉ等【１０ｌ运用系统动力学模型，
对北美草原水域由于气温升高和冰上融水造成区域洪灾的方式进行了模拟，取得了较好的结果。张汉雄等【－ｔ】通过建立陕晋黄土丘陵区土壤侵蚀系统动力学模型，对该区域的三种发展模式进行了模拟，为促进该地区农业发展，生态良性循环提供了决策依据。
系统动力学模型的缺点在于对模拟结果的评价存在一定困难，并且其在反映土地利用空间格局方面存在明显不足【１２】，因此，系统动力学方法和具有空问概念的地理信息系统技术结合将是未来系统动力学模型发展的一个方向。
３细胞自动机模型（ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔａ）
细胞自动机是２０世纪４０年代由Ｊ．ＶｏｎＮｅｕｍａｎｎ和ＳｔａｎｉｓｌａｗＵｌａｍ最早提出来的。它是一种基于计算机的模拟技术，被广泛的用来模拟复杂系统。它是时间、空问、状态都离散，（空间的）相互作用及（时间上）因果关系皆为局部的网格动力学模型。模型把每个格子划分为大小适合的细胞，每个细胞都有一个特定的状态，未来的状态由根据邻域的条件制定的转换规则决定。虽然细胞自动机很简单，却能够描述局域中相互作用的多主体系统的集体行为随时问的演化情况，也能表现出区域的环境条件、周围土地利用类型以及土地利用类型之问的相互作用关系［１３】。目前，这种模型在城市扩展研究中应用较为广泛。比如，Ｔｏｂｌｅｒ在２０世纪７０年代首次正式使用细胞自动机的概念来模拟当时美国五大湖区底特律市的迅速扩展。黎夏等嗍在对广东东莞土地利用变化系统研究的基
础上利用约束ＣＡ模型对该地区的土地利用变化进行了成功的模拟。但也有研究者将细胞自动机模型应用于其他和地理位置相关的系统的模拟，比如张萍等㈣利用细胞自动机模型模拟了城市化对传染病传播的影响。
细胞自动机的显著优点在于其可以模拟复杂系统的行为，并可以对系统未来的发展做出情境分析［ｔ６ｑｇ］，比如，Ｓｙｐｈａｒｄ等嗍利用细胞自动机模型研究了不同坡度限制下城市化导致的景观变化，认为该模型能够模
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拟这些复杂的行为，并且表现土地利用变化的过程。细胞自动机的另外一个优点在于其能够可视化地模拟ＬＵＣＣ时空分布的动态过程。
但是，细胞自动机模型也有显著的缺点。首先，模型使用人为制定的规则代替人类的决策，如果能够很
好的定义周围环境对各个主体的作用，这种替代方法是切实可行的，但是如果不能合理地定义这种关系，模型就会得到与事实不符的结果【１９１。其次，细胞自动机的一些限制因素制约了其模拟现实世界的能力。在细胞自动机中，细胞都有规则一致的形状，有规律地在细胞空间中排列，并且，细胞邻居的规则定义也比较严格，但是在现实世界中，很少有如此规则和一致的空间系统，地理和环境系统更多的是呈现不规则的复杂特征嘞。
４基于Ａｇｅｎｔ模型（Ａｇｅｎｔ—ｂａｓｅｄＭｏｄｅｌｓ）
基于Ａｇｅｎｔ模型是随着复杂科学理论的出现的而出现的一种研究方法。复杂科学理论指出，复杂系统中大量的微观主体（，Ａｇｅｎｔ）之间随时问的推移相互作用能够在系统宏观尺度上突现新的结构和功能，局部的规则转换可以导致系统宏观全局的变化，关注数量众多的这种主体聚在一起而产生的宏观现象，为不同的Ａｇｅｎｔ赋予不同的行为频率和时空跨度，那么，基于Ａ．ｇｅｎｔ的模型就在一定程度上表现出传统数学模型几乎无法描述的多尺度特性。很多研究者将基于Ａｇｅｎｔ模型引入到土地利用／覆盖变化研究中，来探索“人地关系”中“人”的作用。
虽然细胞自动机模型和基于Ａｇｅｎｔ模型都可以模拟空间复杂系统，但是在细胞自动机模型中，能动的微观个体（细胞）的状态仅仅取决于邻域的状态和转化规则，而非周围能动微观个体直接作用的结果。基于Ａ．ｇｅｎｔ模型则可以直接模拟系统中具有能动性，适应性的微观个体的局部决策和相互作
用，从而表达宏观空间结构的自组织过程。在基于Ａｇｅｎｔ模型中，Ａｇｅｎｔ可能是土地经营者个体，也可能是更高级实体或者社会组织，比如乡村组织，当地政府或者邻国。
基于Ａｇｅｎｔ模型的最大优点在于可以从微观方面解释土地利用变化细节，并且可以模拟决策者，制度，以及自然环境之问的相互作用。比如，Ｍａｎｓｏｎ口１】使用Ａｇｅｎｔ模型和遗传算法对墨西哥Ｙｕｃａｔａｎ半岛南部地区的土地利用变化进行了模拟，分析了主要的社会经济因素和政治环境对土地利用变化的影响。另外，当基于Ａｇｅｎｔ模型与细胞自动机模型结合起来描述行为者所作用的景观时，这些模型能够明确地表述空间过程、空间相互作用和多尺度现象【－９１。
基于Ａｇｅｎｔ模型所遇到的主要限制和挑战是需要详细的、较为系统的数据来构建分析模型，模拟土地利用的决策行为并验证模型，但是往往通过遥感等手段得到的土地利用／覆盖变化的结果并不能满足模型要求【１９１。
５最优化模型（ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｓ）
最优化模型是表达人类决策过程的有用的工具，这种模型基于个人的目的和约束，假定个人的行为方式是对他最有利的。其中，线形规划是农业土地利用／覆盖研究中最经常用到的最优化分析，它是基于利润最大化原则，为农民选择种植作物提供决策参考。
这种模型的优点在于其可以对地理空间结构的基础过程提供决策依据。由于许多该类型模型源于地租理论，考虑到土地的位置与属性，所以，能够把各种政策对土地利用／覆盖位置选择的影响考虑在内。
这种模型的缺点在于在确定土地目标功能和人类最佳行为是具有任意性，这是由于价值取向、世界观和文化差异造成的。在大尺度，这种差异并不十分重要，但在小尺度的土地利用／覆盖变化过程中，则显得十分重要。
６混合／综合模型（Ｈｙｂｒｉｄ／ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭｏｄｅｌｓ）
这种模型是将不同的建模技术综合起来使用。对于不同的问题，综合不同的建模方法，从而寻最合适的解决手段。尽管在许多研究中，由于综合水平不高，它们被称为混合模型更为合适，但是，这类综合性的模型还是越来越多地被开发圆。
这种模型中最有代表性的就是土地利用变化及其效应（ＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＬａｎｄＵｓｅａｎｄｉｔｓＥｆｆｅｃｔ，ＣＬＵＥ）模型。ＣＬＵＥ模型是一个基于系统理论的、通过考虑社会经济和生物物理驱动因子，综合分析土地利用变化的多尺度动态模型。其优点是嘲，（１）用空间明确的方式模拟土地利用变化及结果，模拟的空间分辨率是根据研究范围和数据的空间分辨率确定的。（２）能够在动态模拟不同土地利用类型竞争关系的基础上，确定土地利用变化的时空分布。（３）可以模拟土地利用发展的趋势。比如，张永民等吲使用小尺度土地利用变化及其效应（ＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＬ
ａｎｄＵｓｅａｎｄＩｔｓＥｆｆｅｃｔａｔＳｍａｌｌＲｅ—ｇｉｏｎＥｘｔｅｎｔ，ＣＬＵＥ．Ｓ）模型，以内蒙古奈曼旗为研究对象，根据１９８５年的空间图形数据，结合道路、居民点等驱动因素，对其２０００年的土地利用变化格局进行了模拟，取得了较好的结果。
尽管混合／综合模型综合了不同学科的研究方法，但它们仍然相当依赖一门特定的学科［９１。因此，进一步促进多学科研究方法的综合，提高模型的模拟能
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力将是今后的发展方向。ｓｃａｐｅ
Ｆ．ｃｏｌ
Ｅｎｇ，２００７，３（１）·２１·３１－
７结论与展望
【６】
张明，朱会义，何书金·典詈相关分析在土地利用结构研究中的应
”土越利用Ｉ
忉芝＝嚣譬霎怒裟：＝嚣：ｒｒｏｐ渤。蛐卜践方面取得了很大的发展，在多学科背景下，涌现出了一
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ｅｘｐｌｉｅｉｔ，
许多建模方法和技术。但是，通过以上分析可以发现，Ｂａｙｅｓｉａｎｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｓ．ＥｃｏｌｏｇｉｃａＩＭｏｄｅｌｉｎｇ，２００５，１８５（１）：
没有一种模型是完美的，都有各自的适用范围和适合１０５·１３１．
解决的问题。
【８】Ｖｅｒｂｕｒｇ，Ｐ·Ｈ·，Ｗ·Ｓｏｅｐｂｏｅｒ，Ａ·Ｂ。Ｉｄｋａｍｐ，。２ａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｓｐａ‘
基于经验的统计模型能够简化问题，抓住复杂系：誓：：：菱焉誉茹雾茹裟ｃＬＵＥ￥ｍ０拟·ＥⅡ咖皿卧
统中的主要矛盾，但是却面临着因变量量化的难题，并【９】
张华，张荔．国际三地磊用‘／囊盖变化模型研究综述．自然资源学报，
且，建立的关系并不是确定的因果关系。对于那些有详２００５，２０（３）：４２２－４３１．
细的土地利用／覆盖变化记录的地区，可以考虑使用【１０】Ｌｉ…Ｌ
Ｓ．Ｐ．Ｓｉｍｏｎｏｖｉｃ．Ｓｙｓｔｅｍｄ”ａｌＩｌｉｃｓｍｏｄｅｌｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｆｌｏｏｄｓ
统计模型。
ｆｒｏｍｓｎｏｗｍｅｌｔｉｎＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａｎＰｒａｉｒｉｅ
Ｗａｔｅｒｓｈｅｄｓ·Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ
…。委统翌妻妻篓型氅从妻垩亡曼璧圭竺型思量誓Ⅲ，篆ｅ挪ｓ，荔篇嚣兰釜墨侵蚀发展动态仿真虢地理的结构、功能和相互作用，还可以设定不同的约束条…１学报……，１９９…９，５…４（１；荔；…～一……………～……
件，对系统的以后的发展变化进行模拟，从而为决策提【１２】裴相斌，赵冬至．基于ＧＩＳ—ＳＤ的大连湾污然时空模拟与调控策略
供依据，但是由于其缺乏对空间因素的处理能力，这限研究．㈣，２０００，４（２２）：１１８．１２４．
制了它的应用。因此，和ＧＩＳ技术结合将是系统动力
【１３】Ｗｕ，Ｆ－ＳｉｍｕｌａｔｉｎｇｕｒｂａｎｅｎｃｒｏａｃｈｍｅｎｔＯｉｌｒｕｒａｌｌａｎｄｗｉｔｈｆｕｚｚｙ－ｌｏｇ－
学模型今后发展的一个方向。
１ｃ吒ｏｎ咖１１ｅｄｃｅｕｕｍａｕ的ｍ如１ｎｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｍ幻咖ａ乜ｏｎ８），ｓｔｅｍ‘
细胞自动机模拟复杂系统的能力使其成为研究土
【１４】＝娄嘉磊装蒜慧誓薹蒜萎．城市发展形
地系统强有力的工具，但是，如果要发挥更大的作用，
态的模拟地理学报，１９９９，５４（５）：２８９－２９８．
必须解决好规则的制定的问题。
【１５】张萍，张柏，ＰｅｔｅｒＭ．Ａｔｋｉｎｓｏｎ．城市化对传染病传播影响的动态模
基于Ａｇｅｎｔ模型能够模拟决策者，制度，以及自然拟一以英国南安普顿市为饥地理学报，２００７，６２（２）：１５７－１７０．环境之问的相互作用，将是ＬＵＣＣ驱动力研究的一个
【１６】Ｂ越ｅｄｏ，’·１‘，Ｍ·Ｋａｓ８ｎｋｏ，Ｎ’Ｍ。ｃｏ∞ｉｃｋ，。‘ａ１．ｍｏ出１ｉｎｇｄｙｎａｍｉ。
重要方向，具有很好的前景。：：：罴三？：：：豪嚣Ｘ嚣＝一ｕ班∞ｕ小
由于土地利用系统是一个非常复杂的系统，单一
【１７】Ｈｅｃ．Ｙ．，Ｙ．ｚ．Ｐ．Ｄｅ‘ｖｅｌｏｐｉｎｇｌａＩｌｄ
ｓｃｅｎａｒｉｏ
ｄｙｎ枷ｃｓｍｏｄｅｌｂｙ
依赖于某一门学科而建立的模型很难全面地对其进行ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｓｙｓｔｅｍｄｙｎａｍｉｃｓｒｏｏｄｅｌａｎｄｃｅｌｌｕｌａｒａｕｔｏｍａｍｍｏｄ－
模拟。因此，建立综合性模型将是今后ＬＵＣＣ驱动力ｅ１．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｌＧＡＲＳＳ，２００４，４（２０－２４）：２６４７－２６５０．
研究的一个必然趋势【３１。这就要求研究者必须超越他
【１８】ｓｙｐｈａｒｄ，Ａ·Ｄ·，ｋｃ·ｃｌａｒｋｅ，’·ｎａｎｋｌｉｎ．Ｕｓｉｎ９８ｃｅｌｌｕｌａｒａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
们的学科传统，抛弃原有学科的理论束缚，广泛采用不：慧。：：篡＝竺羔曩篡。笼：！：墨麓：Ｉ裟毳主筹缸Ｉ口Ｊ削子科仪不。
【１９】Ｐａｒｋｅｒ’Ｄ．Ｃ…Ｓ
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【５】Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｍ．，ＹｏｓｈｉｎｏｒｉＯｋａｎｉｓｈｉ．Ｌａｎｄｕｓｅ／ｃｏｖｅｒｃｈａｎｇｅａｎｄｉｔｓ
万方数据
LUCC驱动力模型研究综述
作者：韩超峰， 陈仲新， Han Chaofeng， Chen Zhongxin
作者单位：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室，北京,100081
刊名：
中国农学通报
英文刊名：CHINESE AGRICULTURAL SCIENCE BULLETIN
年，卷(期)：2008，24(4)
引用次数：0次
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