（土地资源管理专业论文）基于GIS的土地利用变化及驱动力研究.pdf

、 摘要 土地利用动态变化与驱动力研究是土地资源管理的前沿及热点问题，主要研究土地利用类 型变化规律、自然驱动力与人类活动对土地生态系统变化的影响作用，是当代国际地球科学， 尤其是地球表层系统研究领域的重要内容。加强土地资源在数量和质量方面变化的研究对于保 障区域经济的持续发展，保证人类的生存环境条件安全，具有十分重要的作用。 对局部或区域的实例研究，可以详细地说明土地利用，覆被变化与环境变化之间的相互关系， 并能更科学地确定变化所需的空间及时间分辨率。因此，为了研究全球土地利用土地覆被变化， 应该开展局部的或区域的个例研究。 本文利用g i s 技术，建立东宁县土地利用数据库，其中包括1 9 9 3 年到2 0 0 1 年共9 年的土 地利用项目，并以此为核心数据，结合其他自然、社会、经济数据，以区域可持续发展和土地 可持续利用为目标，对东宁县土地利用现状、土地利用数量变化、土地利用程度变化、土地利 用多样性、土地利用变化空间分布进行了分析，并利用马尔可夫模型对未来几年的土地利用情 况进行了预测，在此基础上利用主成分分析法对东宁县土地利用变化驱动力进行了深入研究。 本论文主要分为四部分： 第一部分为研究背景及基础理论概述。这部分主要介绍了土地利用变化的基本概念、发展 状况及其在国内外的相关研究和实践。同时，对本论文的研究内容、研究方法和技术路线、相 关理论、模型进行了阐述。最后，对论文中应用到的软件进行了介绍。 第二部分为应用地理信息技术对土地利用数据的处理工作。首先对收集的数据进行整理， 建立东宁县土地利用工程，其中包括了1 9 9 3 年到2 0 0 1 年共9 年的土地利用项目。在此基础上， 根据土地利用变更数据得到土地类型变化平衡表，结合地类图斑文件进行空间分析，最终得到 土地利用变化信息。 第三部分为土地利用变化分析及预测研究。本文从土地利用变化的幅度、单项土地利用类 型变化动态度、土地利用类型偏离度、土地利用类型多样性、土地利用程度的变化和土地利用 变化的空间分布等方面，对东宁县的土地利用变化规律从纵向和横向进行了分析，同时，对各 土地利用变化模型进行了修正，以满足县级区域土地利用变化研究。在此基础上应用马尔可夫 模型对东宁县的土地利用过程进行了模拟并对未来土地利用做了预测，从而达到全面把握东宁 县土地利用变化规律的目的。 第四部分为土地利用变化驱动力研究。驱动力是土地利用变化的动力源，是变化的原因。 本文在将研究区的自然和社会经济对土地利用变化的影响作了充分的定性分析之后，选取了8 个驱动因子做主成分分析，通过分析得出影响东宁县土地利用变化的主要驱动力以及研究期间 驱动力综合变化。 关键词：土地利用变化：驱动力；g 1 s ；马尔可夫模型：主成分分析 s t u d yo nl a n d u s ec h a n g ea n dd r v i n gf o r c e s a n y l y s i s b a s e do ng i s a b s t r a c t s t u d yo nd y n a m i cl a n du s ec h a n g e sa n dd r i v i n gf o r c e si saf r o n ta n dh o t p o i n tp r o b l e mt ol a n d r e s o u r c e sm a n a g e m e n t , m a i n l yr e s e a r c h e dt h et y p ev a r i e t yr e g u l a t i o no fl a n du s e ，n a t u r a ld r i v i n g f o r c e sa n dt h ei n f l u e n c ea n df u n c t i o no f h u m a na c t i v i t i e st oc h a n g el a n de c o s y s t e m i ti st h ei m p o r t a n t c o n t e n to f c o n t e m p o r a r yi n t e r n a t i o n a lg e o s e i e n c e ，e s p e c i a l l yi nt h er e s e a r c hr e a l mo f t h ee a r t hs u r f a c e l a y e rs y s t e m t h e r ei sav e r yi m p o r t a n tf u n c t i o nt os t r e n g t h e nt h er e s e a r c ho fl a n dr e s o u r c ec h a n g eo n t h ea s p e c t so fa m o u n ta n dq u a l i t yt og u a r a n t e et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fr e g i o n a le c o n o m ya n d m a k et h eh u m a ne x i s t e n c ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o nt ob es a f e t y t h er e s e a r c ha n a l y s i so fa r e ao rr e g i o n ，c o u l di nd e t a i le x p l a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el a n d u s e c o v e rc h a n g ew i t ht h ee n v i r o n m e n t a lv a r i a t i o n ，a n dc o u l dm o r es c i e n t i f i c a l l yd e t e r m i n es p a c ea n d t i m er e s o l u t i o nt h a tc h a n g e sn e e d e d t h e r e f o r e , i no r d e rt os t u d yt h el a n du s e c o v e rc h a n g ea l lo v e rt h e w o r l d ，w es h o u l dc a r r yo u tp a r t i a lo rr e g i o n a le x a m p l er e s e a r c h w i t hg i st e c h n i q u e ，t h i st h e s i sh a sc o n s t r u c t e dt h el a n db s ed a t a b a s eo fd o n g n i n gc o u n t y , i n c l u d i n gt h en i n e - y e a rl a n du s ep r o j e c t sb e t w e e n1 9 9 3a n d2 0 0 1 t a k i n gt h e s ed a t aa st h ec o r ed a t a , c o m b i n i n gw i t hp h y s i c a l ，s o c i a la n de c o n o m i c a ld a t a , r e g a r d i n gt h es u s t a i n a b l er e g i o n a ld e v e l o p m e n t a st h eg o a l ，t h ea n a l y s i so f c u r r e n tl a n du s es i t u a t i o n ，t h ea m o u n tv a r i e t yo f t h el a n du s ec h a n g e ，d e g r e e c h a n g eo fl a n dr i s e ，t h el a n du s ed i v e r s i t ya n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fl a n du s ec h a n g ei nd o n g n i n g c o u n t yh a v eb e e nc a r r i e do u t 、矾t 1 1t h em a r k o vm o d e l t h ef u r e e a s to fl a n du s es i t u a t i o ni nt h ef u t u r e s e v e r a ly e a r sh a sb e e ni m p l e m e n t e d a c c o r d i n gt ot h i sf o u n d a t i o n , t h ed r i v i n gf o r c e so fl a n du s e c h a n g ei nd o n g n i n gc o u n t yh a sb e e nd e e p l yr e s e a r c h e dw i t ht h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s m e t h o d ， t h ea r t i c l eh a sb e e nd i s t r i b u t e dt of o u rp a r t sa sf o l l o w s ： t h ef i r s tp a r ti st h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ha n dt h ee l e m e n t a r yt h e o r y t h i sp a r th a sm a i n l y i n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p to fl a n du s ec h a n g e s t h ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o na n dt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e l a t e dr e s e a r c ha n dp r a c t i c e i nt h em e a n t i m e ，t h ec o n t e n t sr e s e a r c h e d ，m e t h o do ft h e r e s e a r c ha n dt h et e c h n i q u er o u t e ，t h er e l a t e dt h e o r i e sa n dm o d e l ，a n dt h ei n t r o d u c t i o nt ot h es o f t w a r e a p p l i e dt oh a sb e e nc a r r i e do u tf i n a l l yi nt h i st h e s i s t h es e c o n dp a r ti st h el a n du s ed a t ap r o c e s sw i t hg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y f i r s tt h e c o l l e c t e dd a t ah a sb e e nd i s p o s e d ，a n de s t a b l i s h e dt h el a n du s ep r o j e c to fd o n g n i n gc o u n t y ，i n c l u d i n g n i n e - y e a rl a n du s ep r o j e c t sb e t w e e n1 9 9 3a n d2 0 0 1 o nt h eb a s i so ft h i sf o u n d a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h e v b a l a n c e dt a b l eo fl a n du s et y p ec h a n g eo b t a i n e df r o mt h el a n du s ec h a n g ed a t a , c o m b i n i n gw i t ht h e s p a t i a la n a l y s i so ft h ep o l y g o nd o c u m e n to fl a n du t y p e t h el a n du s ec h a n g ei n f o r m a t i o nh a sb e e n o b t a i n e df i n a l l y t h et 1 1 i r dp a r ti st h ea n a l y s i sa n df o r e c a s t i n gr e s e a r c ho ft h el a n du s cc h a n g e t h i sa r t i c l eh a s c a r r i e do nt h ea n a l y s i so fl a n du s ec h a n g ei nd o n g n i n gc o u r l t yf r o ml a n d s c a p ea n dp o r t r a i to r i e n t a t i o n a c c o r d i n gt ot h el a n du s ec h a n g ee x t e n t , t h ed y n a m i cd e g r e eo fm o n o m i a ll a n du s et y p ec h a n g e ，t h e d e v i a t i o nd e g r e eo fl a n du s e ，t h el a n du s et y p ed i v e r s i t y ，l a n du s ed e g r e ec h a n g ea n dt h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no fl a n du s cc h a n g e a tt h es a m et i m e ，e a c hm o d e la p p l i e dt ol a n du s ec h a n g eh a sb e e n r e v i s e d i no r d e rt om e e tt h ed e m a n do f t h el a n du s ec h a n g er e s e a r c hw i t h i nc o u n t yr e g i o n o nt h eb a s i s o fr e s e a r c ha b o v e t h es i m u l a t i o no fl a n du s ep r o c e d u r ei nd o n g n i n gc o u n t yh a sb e e nf i n i s h e dw i t ht h e m a r k o vm o d e l ，i nt h em e a nt i m et h ef o r e c a s tt ol a n du s ei nf u t u r eh a sb e e nm a d ei no r d e rt og r a s pt h e r u l eo f l a n di i s ec h a n g ei nd o n g n i n gc o u n t y t h ef o u r t hp a r ti st h ed r i v i n gf o r c e sr e s e a r c ho nl a n du s ec h a n g e t h ed r i v i n gf o r c e s 肿t h ep o w e r s u p p l ya n di c a s o no fl a n du s ec h a n g e a f t e rq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f t h ei n f l u e n c et ot h el a n du s ec h a n g e c a u s e db yt h er e g i o n a ln a t u r ea n ds o c i a le c o n o m y ，t h ea r t i c l eh a sf o u n do u tt h em a i nd r i v i n gf o r c e sa n d t h e i ri n t e g r a t e dv a r i a t i o nt h a ta f f e c t e dt h el a n du s ec h a n g ei nd o n g n i n gc o u n t yd u r i n gt h er e s e a r c hb y p r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i sw i t he i g h td r i v i n gf a c t o r s k e y w o r d s ：l a n du s ec h a n g e ；d r i v i n gf o r c e s ；g i s ；m a r k o vm o d e l ；p r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s c a n d i d a t e ：l ij i y i n g l a n dr e s o u r c em a n a g e m e n t s u p e r v i s o r ：y a n gf e n g h a i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 逵；垫遣直墓丝盏要挂型直盟丝：奎拦卫窒或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 二铭嵩静沙务归 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签谚专莨 导师签名：锡砚西 日期徊辞臼带 日期丢锯细，细 1 引言 1 1 研究的目的和意义 土地利用随着人类的出现而产生，在原始捕猎阶段，“土地最初是以食物、现成的生活资料 供给人类”，人与自然的( 土地) 的关系是消极地依赖自然、适应自然，行为上依附自然生态限 制。随着人类对自然( 土地) 利用能力的提高，人类开始加大向自然索取的力度，索取的领域 从土地延伸到整个生物圈，大大地加速了自然资源( 土地资源) 在经济过程中的消耗速度。人 类为了扩大种植面积，采用刀耕火种、不合理的垦荒、破坏草原、砍伐森林等土地利用方式， 导致严重的水土流失、河流泛滥、风沙危害和土地盐碱化、沼泽化、沙漠化等不良土地利用方 式。随着工业化和城市化的发展、耕地锐减、质量退化，造成环境污染和破坏。时至今日土地 和土地利用已成为世界性的资源、社会、经济和生态问题。 土地利用是人类根据自身和社会发展需要以及土地资源的自然特性对土地使用与改造的社 会经济行为( 王万茂，2 0 0 0 ) 。土地利用既受自然环境的影响也受社会、经济、技术和历史文化的 影响，它具有很强的综合性和地域性。土地利用的实质就是人与自然关系的一种反映。它反映 了人类与自然界相互影响与相互作用的最直接最密切的关系( 蔡运龙，2 0 0 1 年) 。人类在利用土 地以促进社会经济发展的同时也使土地覆被产生了变化，并对整个生态系统产生了很大的影响。 因此，国际土地科学对土地利用活动对生态和环境影响乃至整个地球的环境恶化都进行了越来 越深入的研究。目前，土地科学呈现出以土地利用土地覆被变化( l u c c ) 研究为中心，结合 土地质量指标体系、土地资源系统评价及土地可持续利用的综合性、系统性的发展趋势。 中国正面临着人口增长、资源短缺、生态与环境恶化等一系列与土地利用密切相关的可持 续发展的重点问题，而土地利用变化的多成因性及结构的复杂性决定了土地利用变化研究的必 要性。因此，系统她研究土地利用变化的机制、过程、及未来发展趋势对解决我国的人口、资 源、环境等问题有重要的意义。 对局部或区域的实例研究，可以详细地说明土地利用与覆被变化与环境变化相互关系，并 能更科学的确定变化所需的空间及时间分辨率( 谭永忠，2 0 0 4 ) 。因此，为了研究全球土地利用 土地覆被变化，应该开展局部的或区域的个例研究。东宁县位于黑龙江省东南部，地处边陲， 东面与俄罗斯接壤，南面与吉林省珲春市为邻，西南与吉林省汪清县相接，西面和北面与穆棱 县毗连，是一个山青水秀，气候温和，土质肥沃，物产丰富的鱼米之乡，素有黑龙江省“小江 南”之称。该县自然资源丰富。地貌多样，经济发展迅速。以该地区为研究区域，有利于研究 县域土地利用变化的机制及驱动力，建立土地利用动态变化模型。更理性地把握土地利用变化 的规律。 8 0 年代末到9 0 年代至今，我国的土地利用研究迈上了一个新台阶，进入了一个更加广泛 而深入的研究阶段。特别是随着她理信息系统( g i s ) 、遥感( r s ) 和全球定位系统( g p s ) 的 2 墼型坚鲞堡墼些兰兰生一 发展和推广，土地利用的研究得到了长足的发展。新技术的应用在土地利用的管理、研究中起 到了越来越重要的作用。应用地理信息技术能方便、快捷地提取土地利用变化的空间信息及对 它们进行科学、精确的处理。这些结果能反映土地利用变化的空间类型、变化类型的空间分布 以及区域差异，从而定量化分析土地资源的数量变化、质量变化、土地利用类型的空间分布变 化和未来土地利用的状况。因此，利用地理信息系统作为研究工具对土地利用变化有重要意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国内研究 土地利用一直是我国地理学界和土地管理及相关部门的核心研究内容。早在2 0 世纪3 0 年 代初，地理学家胡焕庸教授和农学家张心一就进行了比较系统的土地利用研究。1 9 3 7 年我国出 版了中国土地利用一书，系统的阐述了旧中国土地利用的情况和存在的问题。新中国成立 以后，随着经济的发展，我国也开展了一系列服务于农业的土地利用研究。但这些研究仅局限 于土地分类、分区、规划和管理等，而针对于土地利用变化的研究则是随着近年来国际上土地 利用土地覆被变化研究而发展起来的。中国土地利用变化研究主要是针对中国粮食安全、土地 生态环境问题、典型土地利用变化和社会经济发展之间的关系等方面发展起来的( 谭永忠，2 0 0 4 年) 。 近年来，国家自然科学基金委员会、国土资源部、中国科学院地理与资源研究所、北京师 范大学等科研单位均增强了土地利用，土地覆被变化等方面的研究，并建立了专门的研究机构。 2 0 0 1 年国土资源部将“土地利用，土地覆被变化过程与效应”作为该年度重点科技项目。2 0 0 2 年国家自然科学基金委员会地球科学部会同生命科学部在北京召开了* 土地利用土地覆被变化 过程与环境效应”学术研讨会。北京大学“地表过程分析与模拟”教育部重点实验室也把土地利 用，土地覆被变化作为重点研究方向。 这个阶段，中国主要的研究项目有： 1 9 9 8 年，蔡运龙教授与傅伯杰研究员共同主持的项目“环渤海地区土地利用变化与土地可 持续利用模式研究”。张柏“二十世纪东北平原土地覆被动态过程研究”。 2 0 0 0 年，盛学斌“冀北农牧交错地带土地利用变化与环境演变”。杨子生“云南金沙江流 域水土流失与土地利用安全格局研究”。 2 0 0 1 年，刘国华“土地利用变化对土地质量的影响”。刘彦随“经济发达地区土地利用类 型转化与土地资源优化配置研究”。刘盛和“半城市化地区土地利用变化与空间重组以绍兴 为例”。 2 0 0 2 年，国家自然科学基金加大了资助力度。中国科学院地理与资源研究所刘纪远研究员 “中国西部土地利用现代化过程的时空模式及形成演化机理”。李秀彬“潮河白河流域土地覆被 变化的水文水资源效应”、龙花楼“长江沿线样带土地利用转型与土地可持续利用研究”、赵听 奕“区域土地利用对气候变化的响应一以北方农牧交错带为例”、塔西甫拉提“塔里木盆地南部 2 土地利用土地覆盖变化及其对环境影响”、朱会义“晋北水蚀风蚀交错区土地利用变化及其侵蚀 环境效应”、满志敏“苏皖地区近百年土地利用和驱动力研究”、张小全“土地利用变化对土壤 碳的影响研究”、李森“海南岛西部土地沙漠化过程及其动力机制研究”、张落成“经济发达地 区城市用地空间扩展与生态安全研究”、藏淑英“资源型城镇土地利用与景观动态研究一以大庆 市为例”等项目。 2 0 0 3 年，土地利用= k 地覆被变化环境效应的评估模型被列为2 0 0 3 年国家自然科学基金重 大研究计划项目优先资助领域，土地利用土地覆盖变化及其环境效应被列为国家自然科学基金 委员会地球科学部重点项目“全球变化与地球系统”中拟重点研究的关键科学问题。 虽然中国开展土地利用与土地覆被变化研究的时间不长，但取得的研究成果较多，主要的 研究领域包括：利用遥感影像对土地利用与土地覆被变化的监测分析、土地利用与土地覆被变 化研究数据库的构建、土地利用与土地覆被变化对农业生态系统及全球变化的影响、土地利用 与土地覆被变化驱动力研究以及土地利用与土地覆被变化建模等方面。 对土地覆被变化一直是关注其全球方面，因为碳循环和全球变化模拟需要输入这方面的数 据。为配合国际土地利用覆被变化研究计划，中国当前的土地利用土地覆被变化研究尺度以大 中尺度的宏观研究居多，对小尺度的微观的土地利用变化研究目前主要集中在研究大城市或特 大城市的土地利用变化，如张军岩等对石家庄城市化进程中耕地变化的研究，史培军等对深圳 市土地利用变化机制的分析，何春阳等对北京地区城市化过程与机制的研究，张新长等对广州 市城市土地利用变化的研究。对县级尺度的微观的土地利用变化研究目前并不多，主要有徐梦 洁等以温州市永嘉县为例对县域土地利用变化进行的研究；赵延治等以西藏自治区拉孜县为例 对高寒地区土地利用与覆盖变化的初步研究：唐根年对浙江省台州市黄岩区土地利用与覆盖变 化的研究及谭永忠对县级尺度土地利用变化驱动机制及空间格局变化模拟研究( 2 0 0 4 年) 。 2 0 世纪8 0 年代以来，中国学者利用遥感与g i s 技术对不同区域的土地利用变化现象进行 了大量的案例研究。王秋贤在g i s 支持下对延安市城郊土地利用动态与驱动力分析研究，肖兴 媛在g i s 支持下对陕北黄土高原土地利用动态变化及驱动机制的研究，张珥对海伦市土地利用 变化的g i s 分析等。地理信息技术在土地利用变化研究中的应用主要是土地利用变化信息的提 取和处理，而对研究土地利用变化机制方面没有和土地利用变化模型和结合，今后这是研究的 一个方向。 土地利用，覆被变化的驱动力包括自然驱动力，也包括社会驱动力。气候、土壤、水文被认 为是主要的自然驱动力；社会经济因素可分为直接因素和间接因素，间接因素包括6 个方面： 人口变化、技术发展、经济增长、政经政策、富裕程度和价值取向。它们通过直接因素作用于 土地利用。后者包括：对土地产品的需求、对土地的投入、城市化程度、土地利用的集约化程度、 土地权属、土地利用政策及土地资源保护的态度等。我国地域辽阔，土地开发历史悠久，不同 时空尺度的土地利用，覆被变化驱动错综复杂，因此，我国关于土地利用履被变化驱动力研究时 空尺度十分丰富。从研究方法和技术方面看，也十分多样，遥感、地理信息系统和各种数学方 法被广泛运用到这一领域中。在宏观研究方面，李平等人站在全国的宏观角度，选取1 1 项自然 和社会经济指标，分省份计算了驱动力指数，并提取：要了解土地利用变化驱动力的作用，需 要从土地使用者个体行为和社会群体行为两个角度进行综合分析( 李平，2 0 0 1 年) 。虽然目前关 于土地利用馒被变化驱动力的研究从总体上看大都包括上述的自然和社会经济因素，但这些因 素在不同时空、不同自然和社会经济条件下，不同土地利用方式的作用程度及表现形式还是有 所不同的，进行一些特定时期典型区域的土地利用，覆被变化驱动力研究是很有必要和可能的。 从时间尺度看，土地利用，覆被变化驱动力研究跨越了距今5 0 0 多年前到未来3 0 年；从空间尺度 看，从全球到县城乃至一个特殊的自然区都有涉及。如赵赞等对1 5 0 0 - - 1 9 0 0 年间徽州地区土地 利用变化驱动力进行了分析，张晓虹、满志敏、葛全胜对清代陕南土地利用变化驱动力进行了 研究。受到认识程度、数据获取和技术手段的限制，目前国内对土地利用，覆被变化驱动力的研 究方法和模型主要有：用系统动力学方法结合经典的数理统计、多元统计分析方法和“黑箱” 理论等模型对区域性土地利用结构及其驱动因子进行统计分析，定量诊断出各驱动因子对区域 土地利用结构变化贡献作用的大小，并建立了主导因子与土地利用变化之间的模型。 1 2 2 国外研究 在系统调查基础上编制全国性土地利用图，以英国为最早。英国于1 9 3 0 年成立了不列颠土 地利用调查所( l a n du t i l i z a t i o ns u r v e y ) , 1 9 3 9 年完成了全国土地利用调查任务，该成果有大量图 表及文字说明，描述了自然条件和土地利用的关系，这是2 0 世纪3 0 年代英国土地利用实况的 一个具体的历史纪录。由于英国土地利用调查的成功，普遍引起各国地理界的重视，1 9 4 9 年里 斯本召开的第1 6 届国际地理大会决议：在国际地理联合会( l g u 下设利用调查专业委员会，推 进全世界各国i ：1 0 0 万土地利用图的编制工作。 在2 0 世纪9 0 年代以前，土地利用变化研究主要是通过综合分析影响土地利用各种因素的 变化规律及其空间联系，着眼于土地利用本身的规划和管理，研究土地利用类型与区域变化规 律( 甘超华，2 0 0 5 年) 。白1 9 9 3 年国际科学联合会与国际社会科学联合会联合成立了土地利用 土地覆被变化核心项目计划委员会以后，一些国际组织和国家相继启动了各自的土地利用土地 覆被变化研究项目。国际应用系统分析研究所于1 9 9 5 年启动了“欧洲和北亚土地利用d = 地覆盖 变化模拟”项目。这个由来自不同国家和不同学科背景的科学家联合开展的研究项目，旨在分 析1 9 0 0 年到1 9 9 0 年欧洲和北亚地区土地利用5 ：地覆被变化的空间特征、时间动态和环境效应， 并预测在全球环境、人口、经济、技术、社会及政治等因素变化的背景下，该区域未来5 0 年土 地利用5 ：地覆被的变化趋势，为制定相关对策服务。联合国环境署( u n e p ) 亚太地区环境评价计 划于1 9 9 4 年启动了“土地覆被评价和模拟”( l c a m ) 项目，旨在调查东南亚地区土地覆被的现 状和变化，确定这种变化的热点地区。为区域可持续发展决策服务。该项目目前已完成对盂加 拉、柬埔寨、老挝、缅甸、尼泊尔和越南等国家两个时段( 1 9 8 5 1 9 8 6 和1 9 9 2 - 1 9 9 3 ) 的土地覆被 调查工作。为跟进土地利用覆被变化核心项目计划，日本国立科学院提出了“为全球环境保护 的土地利用研究”项目。 国际上，土地利用与土地覆被变化研究的项目主要围绕着i g b p 与i h d p 的科学计划所倡导 的3 个重点领域： 1 土地覆被的变化机制。利用遥感技术监测土地覆被的空间变化过程，并将其与驱动因子 相联系，建立解释土地覆被时空变化及预测未来可测性变化的经验诊断模型； 4 2 土地利用的变化机制。通过区域性案例的比较研究，分析土地利用管理方式变化的主要 驱动因子，并建立区域性的土地利用和土地覆被变化的经验模型； 3 区域和全球模型。建立宏观尺度上的，包括与土地利用有关的各经济部门在内的土地利 用与土地覆被变化动态机制模型。 这3 个重点领域相互联系、相互补充，共同构筑了土地利用与土地覆被变化研究的基本框 架。 1 3 相关数学模型 1 3 1 马尔可夫模型 马尔可夫是俄国数学家。2 0 世纪初，他在研究中发现自然界有一类事物的变化过程仅与事 物的近期状态有关，而与事物的过去状态无关。这种特性称为无后效性。具有这种特性的随机 过程称为马尔可夫过程。设备维修与更新、人才结构变化、资金流向、市场需求变化等许多经 济与社会行为都可以用这一类过程来描述或近似，故其应用范围非常广泛。 马尔可夫过程分析是一种动态随机数学模型。它是建立在系统“状态”和“状态转移”的 概念上的。所谓系统，就是我们所研究的事物。所谓状态，是表示系统的最小一组变量。当确 定了一组变量的值时，也就确定了系统某一时刻的行为，并说系统处于某一状态。系统状态常 用向量表示故称为状态向量。在土地利用变化中，系统指的是土地利用及其变化过程，状态是土 地利用类型，状态转移即为土地利用各类型之间的转化。系统土地利用变化适用于马尔可夫过 程的原因：( 1 ) 在一定的区域内，一定时期的土地利用类型之间具有相互转化的可能性；( 2 ) 土地利用类型之间的转化包含很多难以用函数关系准确描述的事件( 王良健，2 0 0 0 ) 。 马尔可夫过程是指具有“无后效性”的特殊随机运动过程。所谓“无后效性”即为某随机 过程第( n + 1 ) 次状态与x ( 0 ) ，x ( 1 ) ，x ( 2 ) 的状态无关，只与第( n ) 次的状态有关，并且，第( n + 1 ) 次状态计算公式为： x = x n 状态转移概率( p ) 公式1 运用马尔可夫过程的关键在于确定土地利用类型之间相互转化的初始转移概率矩阵p ，其 数学表达式一般为： p = p l lp 1 2 p 2 1p 2 2 p 月1p n 2 公式2 上式中n 为研究区土地利用类型的数目，p i i 为研究期初期由土地类型i 转化为土地类型j 的概 ； 率，并且满足以下条件： 0 p 1 且 弓= 1 ，l i 利用马尔可夫模型可以描述土地利用类型的转移情况即每年各种变化的土地利用类型增加 面积的来源、减少面积的去向。在具体操作中，利用地理信息系统的空间分析功能对研究区几 年的土地利用现状进行叠加，结合土地利用数据库各年的土地利用项目提取，得出土地利用变 化情况。 根据土地利用变化数据可以列出土地利用转移矩阵。由于土地利用变化与土地政策、经济 发展紧密相关，如果某一年的政策变化比较大那么如果利用该年的土地利用变化数据参与预测 的话就会产生很大的误差，所以需要对土地利用变化概率矩阵进行修正。本文所采用的修正方 法是利用多年的转移概率矩阵求加权平均值。权值的确定：先对每年的数据给相同的权重，然 后利用基年土地利用数据和转移概率矩阵对已有数据的预测目标年土地利用情况进行预测，计 算预测误差，根据误差再对转移概率矩阵进行修正，反复进行直到预测误差满足要求。最后通 过确定好的转移概率对土地利用变化趋势进行预测。 1 3 2 主成分分析法的基本理论 在进行土地利用变化驱动力的定量研究时，选择的因素应要细致全面，但指标过多又会加 大分析问题的难度和复杂性，这些因素不仅与土地利用强度存在相关关系。而且相互之间也耦 合关联。在实际问题中，主成分分析可以将若干个自变量“合并”为几个独立成分变量，来减 弱自变量之间的相互干扰。 主成分分析( p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ) 是考察多个定量( 数值) 变量间相关性的一种多 元统计方法。它是研究如何通过少数几个主分量( 即原始变量的线性组合) 来解释多变量的方 差一协方差结构。具体地说，是导出少数几个主分量，使它们尽可能多地保留原始变量的信息， 且彼此间不相关。主成分分析常被用来寻找判断某种事物或现象的综合指标，并给综合指标所 蕴藏的信息以恰当解释，以便更深刻地揭示事物内在的规律。 假设有n 个样本，每个p 样本测得项指标( p n ) 。由于这p 项指标之间往往具有相关关系， 且每个样本各指标取值的单位和数量大小不同，使我们较难求利用这p 项指标的信息区别这n 个样本。因此，如何从这p 项指标中找出少数几个综合指标，使它们尽可能多地反映p 项指标 的信息，而且彼此之间不相关，这就成为一个重要问题。 设x - ( x l ，x 2 ，) 【p ) 是一个p 维随机向量，且e ( x ) = “，协差阵d ( x ) = v 。考虑它 的线性变换： 6 z l = j = i t i x l + 1 2 t x 2 + + l p l 4 z p = 0 x = 1 1 x i + 1 2 p x 2 + + l xp 则有v a r ( z o = l y ，c o v ( z i ，弓) = 阳， ( f ，) 如果z l _ z ：x 满足 ，l = 1 、z 1 ) = m a r v a r ( 1 z ) 。 则称z i 是x 的第一主成分。z l 是在x 的所有线性组合中最能综合p 个变量信息的一个特 殊的线性组合。如果一个主成分不足以代表原p 个变量所包含的信息，就考虑采用z 2 。为了最 有效地代表原变量的信息，z 1 已有的信息就不需要出现在z 2 中，即满足c o v ( z 1 ，z 2 ) = 0 ， 于是求z 2 ，使其满足巾l2 1 ；v a r ( z i ) = m a l r v a r ( 1 x ) 。此时的z 2 称为是第二主成分。 类似可得第三主成分，第四上成分等等。 令x 的协差阵v 的特征值为九1 习畦：盈柱= 0 。l l ，1 2 l 。为相应的单位特征向量，则x 的第i 个主成分为 z i = l i 。x ( i _ l 2 ，p ) 主成分分析目的是为了减少变量的个数，故一般不用p 个主成分，而用m p 个主成分。 m 的选取则要看累计贡献率。 在实际问题中，p 项指标的协方差矩阵v 往往是未知的。这时我们可以用p 项指标m 个样 本的样本协方差矩阵s 代替v 。计算s 的非零特征根及其对应的标准正交特征向量，从而得到样 本主成分，并用样本主成分去作各种分析。 1 4 研究内容 本文以黑龙江省东宁县为研究区域，在地理信息技术的支持下，以镇( 乡) 为研究单元， 根据土地利用的图件、相关资料建立东宁县土地利用数据库，该数据库包括了研究区1 9 9 3 年到 2 0 0 1 年的土地利用项目。在此基础上，本文的研究内容有： 1 分析了土地利用变化国内外研究现状的基础上，对土地利用变化数据库的建立、变化图 斑的提取等技术问题进行了研究。 7 2 分析了土地利用变化模型的作用和目的、结构、发展趋势，介绍了目前影响较大的几 种土地利用变化模型，对这些模型存在的主要不足之处进行了分析，在此基础上，对有不足的 变化模型进行了改进。 3 对马尔可夫模型在土地利用变化趋势预测中的应用进行了系统研究，并着重研究了转移 概率矩阵的确定和预测结果的检验，以减少预测误差，提高预测精度。 4 对研究区的自然驱动力进行了定性分析，在此基础上，对社会经济驱动因子进行了定量 化研究。本文选取了八个社会经济驱动因子，利用主成分分析法进行分析，得出影响该地区土 地利用变化的主要社会经济因子，并对它们进行了分类。最后，对研究期间，这些驱动因子对 土地利用变化的综合影响变化进行分析，以得出驱动力的影响强度变化。 1 5 研究方法和技术路线 1 5 1 研究方法 本论文采用的研究方法主要有定性分析、定量分析、对比方法和数学模型方法。在土地利 用变化分析上，采用对比方法和数学模型方法，应用每年土地利用数据对比分析土地利用的数 量变化，应用土地利用变化动态度模型、土地利用程度变化模型、土地利用类型景观偏离度模 型和土地利用多样性模型分析研究区的土地利用变化情况。在土地利用变化预测上，采用马尔 可夫预测链来预测东宁县未来土地利用。在分析土地利用变化驱动力分析时，采用定性分析自 然地理环境对研究区土地利用变化的影响，由于自然环境对小区域的土地利用变化影响不大， 所以重点对社会经济因素进行分析。根据东宁县和牡丹江市统计资料利用主成分分析法对选取 的驱动因子进行分析。 1 5 2 采用的数据 本文所采用的数据包括东宁县自1 9 9 3 年到2 0 0 1 年的社会经济发展数据( 总人口、城镇人口、 人均g d p 、固定资产投资、第二产业比重、第三产业比重、林牧渔业在第一产业在的比重、人 均粮食、粮食总产量、农业机械总量等社会经济统计数据) 和土地利用数据。 数据来源： 1 黑龙江省统计局编黑龙江省经济统计年鉴( 1 9 9 3 1 9 9 7 年) 冲国统计出版社 2 黑龙江省统计局编黑龙江省统计年鉴( 1 9 9 8 年2 0 0 1 年) 中国统计出版社 3 王国雄1 9 8 6 年黑龙江经济地理黑龙江教育出版社 4 东宁县国土资源局东宁县土地利用现状图( 1 9 9 3 年2 0 0 1 年) 1 5 3 采用的编码系统 8 由于本论文收集到的土地利用数据是采用1 9 8 4 年全国自然资源农业区划委员会编制的土 地利用现状调查技术规程，所以，本文在建立东宁县