（土地资源管理专业论文）基于GIS和CAMARKOV模型的土地利用变化研究——以招远市为例.pdf

山东农业大学硕十学位论文 摘要 土地利用及其变化是社会经济发展过程的反映，它既受自然因素 的制约，又受社会、经济、技术等因素的强烈影响，具有明显的综合 性和地域性。同时，土地利用变化对区域和经济环境变化又起着十分 重要的作用。因而，土地利用变化研究已成为国内外近期研究的热点 问题之一。目前我国新一轮的土地利用总体规划已经开始，对土地利 用变化的研究可以总结过去土地利用的特点，预测未来土地利用的状 况，对改进土地利用结构和布局具有理论意义和实践意义，对土地利用 总体规划的编制起到一定的参考作用。 元胞自动机和马尔可夫模型在土地利用变化研究方面都有很大的优 势，但二者同时也存在各自的缺点，吸收了m a r k o v 和元胞自动机等理 论对有关时间序列和空间预测二者优点的c a m a r k o v 模型，可在数量 和空间两方面较好地进行土地利用变化时空格局模拟；同时c a m a r k o v 模型还考虑到土地利用变化适宜性，充分考虑了土地利用变化的自 然、社会和经济因素的影响，弥补了元胞自动机和马尔可夫模型对外 界影响因素考虑不周的缺陷。本文选用c a - m a r k o v 模型和g i s 软件相 结合的方法对招远市的土地利用变化进行研究可以充分利用现有矢量 数据资料，提高了结果的准确性。 本文以招远市为典型进行研究，对研究区的土地利用现状、土地利 用变化的影响因素等进行了分析，为下面土地变化适宜性图像集的生 成打下基础。 对研究区的数据资料进行处理，使矢量数据能应用到元胞自动机的 研究中；在i d r i s i 中利用m a r k o v 模块生成了土地利用转移矩阵，利 用m c e 模块生成了土地利用适宜性图像，设置好c a m a r k o v 模块所需 要的条件，运行模型对研究区2 0 1 2 年的土地利用现状进行模拟。得出 了研究区的农用地减少，建设用地增加，但减少和增加的速度都在放 慢的结果，同时，2 0 0 4 2 0 1 2 年研究区的土地利用变化主要分布在北部 建设用地集中的区域。 基于g i s 与c a m a r k o v 模型的十地利用变化研究一以招远市为例 最后，提出了本文在矢量数据应用于c a m a r k o v 模型和c a - m a r k o v 模型应用于县级土地利用变化研究中的两个创新点，以及本文 在影响因素选择、元胞大小划分方面的不足。 研究结果证明，将c a - m a r k o v 模型应用于县级土地利用变化研究 中具有可行性和准确性，可以将其应用于同类地区的土地利用变化研 究中。 关键词：土地利用变化矢量数据 c a m a r k o v 2 山东农业入学硕士学位论文 a b s t r a c t l a n d u s ec h a n g ei st h er e f l e c to fs o c i a la n de c o n o m i n cd e v e l o p m e n t ；i ti s n o to n l yc o n s t r a i n e db yn a t u r a lf a c t o r s ，b u ta l s oi n f l u e n c e db yt h es o c i e t y 、 e c o n o m ya n dt e c h n o l o g yf a c t o r s i th a st h eo b v i o u sc o m p r e h e n s i b i l i t ya n d r e g i o n a ln a t u r e a tt h es a m et i m e ，l a n d u s ec h a n g ep l a y sas i g n i f i c a n tp a r t i nt h er e g i o n a la n de c o n o m i ce n v i r o n m e n tc h a n g e a sar e s u l t s t u d yo n l a n d u s ec h a n g eh a db e c o m eo n eo ft h eh o tt o p i c si nt h er e c e n tr e s e a r c ha t h o m ea n da b r o a d t h en e wo n el a n du s eo v e r a l l p l a nh a sb e g a n s t u d yo n l a n d 。u s e c h a n g e c a ns u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a n du s ei n t h e p a s t ，f o r e c a s tt h e 】a n du s ec o n d i t i o ni nt h ef u t u r e ，t h i sw o r kh a so r e t i c a ia n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gl a n du s es t r u c t u r ea n dl a y o u t s t u d yo n l a n d u s ec h a n g ep l a y sar e f e r e n c er o l ei nt h ec o m p i l a t i o no ft h el a n du s e o v e r a l lp l a n n l ec e l l u l a ra u t o m a t aa n dm a r k o vm o d e la l lh a v eg r e a ta d v a n t a g ei n t h e s t u d yo nl a n d u s ec h a n g e ，w h i l eb o t h o ft h e mh a v et h er e s p e c t i v e s h o r t c o m i n g s ，c a m a r k o vm o d e lw h i c ha b s o r b st h eb o t hb e n e f i t sf o rt i m e s e r i e sa n ds p a t i a lp r e d i c t i o no ft h em a r k o va n dc e l l u l a ra ut o m a t at h e o r y ， a n di tc a nw e l l c a r r y o u tt h e s p a t i a l t e m p o r a l p a t t e m s t i m u l a t i o n ； m e a n w h i l e ，c a m a r k o vm o d e la l s oc o n s i d e r st h el a n d u s ec h a n g es u i t a b i l i t y a n da l s oa d e q u a t e l yc o n s i d e r st h ee f f e c to fn a t u r e ，s o c i e t ya n de c o n o m y f a c t o r sa b o u tl a n d u s ec h a n g e ，i tm a k e su pt h es h o r t c o m i n g sa b o u tc e l l u l a r a u t o m a t aa n dm a r k o vm o d e ld on o tc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e rt h ei n f l u e n c e o fe x t e r n a lf a c t o r s t h i sp a p e rs t u d i e dt h el a n d u s ec h a n g ef o rz h a o y u a n c i t yw h i c hb a s e do ns e l e c t i n gt h ec a m a r k o vm o d e lc o m b i n e dw i t ht h eg i s s o f tm e t h o d ，i tc a na d e q u a t e l yu s et h e e x i s t i n gv e c t o rd a t am a t e r i a la n d i m p r o v e st h ea c c u r a c yo fr e s u l t s t h i sa r t i c l et a k e sz h a o y u a na sa ne x a m p l et os t u d y ，a n a l y s i n gt h el a n d u s es t a t u s ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fl a n d u s ec h a n g ea n ds oo n l a i dag o o d f o u n d a t i o nf o rt h et r a n s i t i o ns u i t a b i l i t yi m a g ec o l l e c t i o n t h e n ，d e a l sw i t ht h ev e c t o rd a t af o rt h eu s i n gi nc e l l u l a ra u t o m a t a ；i nt h e i d r i s i ，u s i n gm a r k o vm o d u l eg e n e r a t et h el a n du s et r a n s f e rm a t r i xa n du s e d m c em o d u l eg e n e r a t et h el a n du s es u i t a b i l i t yi m a g e s t h e n s e tt h e n e c e s s a r y c o n d i t i o n sf o rc a m a r k o vm o d u l e 。r u nt h em o d e lt of o r c a s tt h el a n du s e 基于g i s 与c a m a r k o v 模犁的士地利用变化研究一以招远市为例 s t a t u si n2 012 t h i sa r t i c l e g e t s t h er e s u l tt h a tt h e a g r i c u l t u r a l l a n do f r e s e a r c ha r e as t i l lr e d u c ea n dt h ec o n s t r u c t i v el a n ds t i l li n c r e a s e b u tt h e s p e e do fr e d u c i n ga n di n c r e a s i n gi ss l o w i n g ；a tt h es a m et i m e ，l a n du s e c h a n g ef r o m2 0 0 4t o2 0 12 i nz h a o y u a n m o s t l yd i s t r i b u t ei nt h ed i s t r i c to f c o n s t r u c t i o nl a n d f i n a l l y ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e st w oc r e a t i v ep o i n t so ft h i sr e s e a r c h ：u s i n g v e c t o rd a t ai nc a m a r k o va n du s i n gc a m a r k o vi nc o u n t yl e v e i l a n d u s ec h a n g e t h i sa r t i c l ea l s op r o p o s e st w o d i s a d v a n t a g e si nc h o o s i n gi n f l u s e f a c t o r sa n dd e f i n i n gs i z eo fc e l l t h er e s u l to ft h i ss t u d yp r o v e st h a tu s i n gc a m a r k o vi nt h er e s e a r c h o fc o u n t yl e v e ll a n d u s ec h a n g eh a sf e a s i b i l i t ya n dv e r a c i t y ，t h i sm e a s u r ec a n u s ei nt h er e s e a r c ho t h e rs i m i l a ra r e a k e yw o r d s ：l a n d u s ec h a n g ev e c t o rd a t ac a m a r k o v 4 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导；i l j t r 导下，独立进行科学研究所 取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个 人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解i j 东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同 意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子 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论文的选题和研究意义 基t - g i s 与c a m a r k o v 模型的十地利用变化研究一以招远市为例 区域土地利用变化是全球变化研究的重要内容，伴随着社会经济 的发展，耕地逐渐减少，建设用地无限扩展，导致土地利用与有限土 地资源之间的矛盾趋于激化。因此，如何合理利用区域内有限的土 地，成为土地利用中的关键问题。土地利用变化研究其中一个方面是 在历史数据的基础上进行预测，以便了解未来土地的变化趋势，为土 地的合理利用提供依据和参考。 土地利用变化是一个相当复杂的现象与过程，各种描述土地利用 变化的模型可以分为两类m 1 ：一类是对土地利用现状进行优化设计的静 态模型；另一类是通过对土地利用变化的影响因子进行模拟分析的动 态模型，到目前为止，直接的和明确的针对土地利用变化的理论和机 理构建的模型还不多，真正将土地利用变化与其空间分布相结合，探 讨不同尺度上土地利用的时空演变规律的动态模型更不多见。元胞自 动机作为一种时空动态模型，不是由严格定义的物理方程或函数确 定，而是由一系列模型构造的规则构成，这使得元胞自动机不同于一 般的动力学模型。元胞自动机具有鲜明的时空耦合特征，特别适于 复杂地理空间系统的动态模拟研究。在模拟空间现象时具有时间和空 间动态变化上的直观、生动、简洁、高效、实时性等其它模型所不具 备的优越性。因此，采用元胞自动机对土地利用变化进行模拟研究具 有其内在的实用性、合理性。同时，在网络化和信息化的推动下，地 理信息系统数据处理的功能越来越强大，但由于其时空分析与动态模 拟能力不足，无法满足土地利用变化预测的要求，于是，很多专家、 学者开始将元胞自动机与g i s 的相结合进行土地利用变化的研究，有 的侧重于系统的开发，如6 i s 与6 e o - - u r b a n 模型的结合用于城市扩张 的研究，基于6 i s 和元胞自动机的荒漠化演化预测模型的研究等；有 的侧重于应用，如基于c a - m a r k o v 的河西走廊土地利用变化研究等。 因此，将g i s 与c a m a r k o v 模型相结合用于县级土地利用变化研 究中，将土地利用的空间与时f u j 变化相结合，不仅证明了地理信息系 统和元胞自动机模型相结合在土地利用变化研究中的优势，而且还探 索出一条土地利用变化研究的新路子，对有效地进行土地利用的调 整、优化，合理而高效地利用有限的土地具有重要的意义。 6 山东农业大学硕十学位论文 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 土地利用变化研究现状 土地是指地球陆地表面和近地面层，包括气候、地貌、土壤、水 文和植被及过去和现在人类活动影响在内的自然环境综合体。联合国 粮农组织和致力于土地资源研究的许多国际组织，均采用这一定义 3 1 。土地是人类生产、生活必不可少的基本资源之一，是人类活动的 基本场所，是人类生存的基本空间引。土地利用土地覆被变化 ( l u c c ) 是全球生态环境变化研究的核心之一引。土地利用( 1 a n d u s e ) 和土地覆被( 1 a n dc o v e r ) 是既相互区别又紧密联系的两个概 念。i g b p ，i h d p ，u s s g c r 和f a o 等科学组织及许多从事l u c c 研究的学 者均对二者加以了明确的定义9 | 。i g b p 和i i i d p 将土地覆被定义为“地 球陆地表层和近地面层的自然状态，是自然过程和人类活动共同作用 的结果”；美国全球环境变化委员会( u n i t e ds t a t e so f g l o b a l c l i m a t er e s e a r c h ，u s s g c r ) 将其定义为“覆被着地球表面的植被及其 它特质”。狭义的土地利用，是指对地球表面上的农田、林地、草地 的经济利用，即农业的土地利用。广义的土地利用是指人类根据土地 的自然属性和社会经济发展的需要，有目的地长期改造、开发和利用 土地资源的一切人类活动，如农业用地、工业用地、交通用地、居住 用地等都是土地利用的概念，土地利用更多的指人类对土地的使用状 况、使用方式以及土地的社会、经济属性心o 删，是人类为获取所需的 产品或服务而进行的长期性或周期性土地资源利用活动，具有很强的 目的性瞄引。土地利用既受自然条件制约，又受社会、经济、技术条件 的影响，可以说是这些因素共同作用的结果。t u r n e r 认为土地覆被是 指地球陆地表面和近地表某一部分在生物、土壤、地形、地表地下水 以及人为建造物等方面的特征和属性，如森林、草原和湿地等；土地 利用则是指人类开发利用土地覆被的用途和目的，如农耕、放牧、城 镇建设等瞄引。摆万奇等0 1 认为，土地覆被是指覆盖地面的自然物体和 人工建筑物，反映的是地球表面的自然状况；而土地利用是指人类对 土地自然属性的利用方式和利用状况，包涵着人类利用土地的目的和 意图，是一种人类活动。陈佑启等m 1 认为，土地覆被是指地表自然形成 7 基于g i s 与c a m a r k o v 模型的十地利用变化研究一以招远市为例 的或者人为引起的覆盖状况，而土地利用则是指人类有目的地开发利 用土地资源地一切活动。 总之，从l u c c 计划诞生至今近二十年间，l u c c 的概念和内涵发生 了明显的变化。早期的“l u c c ”专指i g b p 和i h d p 共同制定的全球变 化八大核心研究计划中的土地利用覆被变化研究项目，是个研究框 架计划，现在直接把土地利用覆被变化现象研究简称为l u c c 研究 2 7 】 o ( 1 ) 国外的研究现状 自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- h 地覆被变化核心项目计划委员会以后，进入了土地利用土地覆被研究 发展的黄金时代，特别是与全球环境变化研究领域具有全球影响的两 大组织“国际地圈与生物圈计划”( i g b p ) 和“全球环境变化人文因 素计划”( i h d p ) 的推动有关，于1 9 9 5 年两组织共同拟定并发表了 土地利用土地覆被变化科学研究计划引。使土地利用土地覆被 变化研究成为全球环境变化和可持续发展重要研究领域之一。在这期 间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。 图际应用系统分析研究所( i i a s a ) 于1 9 9 5 年启动了“欧洲和北 亚土地利用土地覆被变化模拟”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土地覆被变化的空问特征、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 年土地利用土地覆被的变化趋势，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。该项目已完成对孟加拉、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。 8 山东农业大学硕上学位论文 美国的全球变化研究委员会将土地覆被变化与气候变化、臭氧层 的损耗起列为全球变化研究的主要领域之一，主要集中于全球和区 域性土地覆被变化的监测、土地覆被( 主要是森林) 变化与温室气体 的释放及减少温室气体释放的土地利用对策与技术( 如免耕、少耕及 精细耕作) 等方面。 为跟进i g b p i h d p 的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。该项目着眼 于亚太地区可持续的土地利用，第一阶段的研究目标主要是预测2 0 2 5 年和2 0 5 0 年该地区土地利用土地覆被状况( 包括耕地、林地、城市 用地和荒漠化土地) 及土地第一性生产力的变化，同时采用地方性个 例分析，研究土地利用土地覆被变化的空问分布、时间动态及驱动因 子，并强调相应对策和技术的研究n 3 1 。 i g b p 和i h d p 执行1 5 年，取得巨大进展，于2 0 0 2 年进入了一个新 的阶段h 8 1 。作为i g b p 八大核心研究计划和i h d p 五大核心计划之一的 l u c c 研究，也发展到了g l o b a ll a n dp r o j e c t ( g l p ) 阶段。2 0 0 3 年， i ( ；b p 和i h d p 为g l p 制定了研究重点并提出了相关的科学问题阿“，为新 时期l u c c 研究指明了方向。2 0 0 5 年，i g b p 和i t d p 再次联手为g l p 制 定了科学计划和实施策略阵，使得新时期的土地利用覆被研究更加具 有可操作性啦7 1 。 ( 2 ) 国内的研究现状 我国正面临着人口增长、资源短缺、生态环境恶化等与土地利用 密切相关的可持续发展问题，而土地利用变化的多成因性及其问题结 构的复杂性决定了丌展土地利用综合研究的必要性与价值1 。因此，系 统研究土地利用变化的机理、过程及其未来趋势，尤其是研判我国在 食物安全、资源安全、生态安全与经济持续增长的国家目标下土地利 用覆被变化的驱动机制和未来情景，必将成为新的学术热点拉5 | 。寻求 解决上述重点问题的科学途径，建立国家尺度综合调控的规划与措施 体系，保障中国可持续发展战略的实施，更具有重要的科学价值和战 略意义h o 。 9 基于g i s 与c a m a r k o v 模瑟! 的十地利用变化研究一以招远市为例 鉴于i g b p 这一前沿性国际科学计划的重大意义与中国土地利用的 研究需要，1 9 8 7 年中国科学院资环局向中国科学技术协会申请成立 i g b p 中国全国委员会，以国际地圈生物圈计划中国全国委员会的名义 加入i g b p 。土地利用与土地覆被计划工作组是c n c i g b p 下设的1 0 个 工作组之一。 据不完全统计，“九五”、“十五”以来，中国科学院、国家科 学与技术部、国家自然科学基金委员会及国家有关部委支持了2 4 0 多 项全球变化项目，来自5 0 多所科研部门和高等院校的1 5 0 多位科学 家、教授出任项目负责人。到2 0 0 3 年年底，己完成4 4 项，为国际全 球变化研究和国家需求做出了巨大贡献蝎引。 9 0 年代中后期以来，国内配合国际l u c c 研究计划，并主要针对我 国粮食安全、土地生态环境问题、典型地区土地利用变化与社会经济 发展关系的研究逐渐开展起来。扦侧。并取得了批有价值的研究成 果。2 0 0 0 年，土地利用变化与中国可持续发展重点问题相互关系的宏 观分析被列为中国科学院创新工程重点项目的研究课题；国土资源部 也将土地利用土地覆被变化过程及效应，作为2 0 0 1 年科技专项研究 计划重点项目。总之，面向解决我国所面临的可持续发展重点问题而 开展的土地利用覆被变化及其效应研究，以及同现代社会经济结构变 化耦合关系的研究，成为当前和今后一个时期内学术研究的重要领域 前沿。 综合而言，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。( 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凸们 1 9 。 1 0 山东农业大学硕十学位论文 1 3 2 主要的土地利用变化预测模型 ( 1 ) c a 模型 元胞自动机模型( c a ，c e l l u l a ra u t o m a t a ) 是在4 0 年代由u l a m 首先提出。后被y o nn e u m a n n 一用来研究自组织系统的演变过程。单 元、状态、规则和邻域是c a 模型的主要组成部分。每个单元具有有限 数目的状态中的一种，同时所有单元的状态根据转移规则同时更新。 某时刻的单元状态依赖于其前一时刻的自身和邻域。史培军等结合 c a 模型和经验模型模拟深圳市2 0 0 0 ，2 0 0 5 ，2 0 1 0 年的土地利用变化取 得了较好的成果绁9 。 ( 2 ) i m a g e 模型 i m a g e 模型( i n t e g r a t e dm o d e lt oa s s e s st h eg r e e n h o u s e e f f e c t ) 是一个比较清楚地描述土地利用和土地覆盖变化的全球综合 系统，它包括了一个由农产品需求变化所驱动的土地覆被变化模块。 其总体目标是：以一种地理关系明确的形式，把全球能源和农业系统 中的人类活动与气候和生物圈的变化联系起来，试图为在农业需求、 植被情况、土地覆被变化和生物圈一大气圈的温室气体交换等方面构 造全球变化模型提供一个框架。 ( 3 ) c e n t u r y c e n t u r y 是一个影响较大的生态模型1 ，通过输入降水、气温j 土 壤质地以及土地经营措施等因子，可以模拟植物生产、土壤有机质动 态和养分循环。它曾被用于温带农业生态系统、热带草原疏林，以及 温带和热带森林系统。c e n t u r y 的农业生态系统模型综合了气候、土壤 和耕作活动，曾经为一个农业土地利用模型模拟生态过程。由于这一 农业生态系统模型需要土地利用作为输入项，因此，它可以将社会过 程与生态过程很好地联系起来。 ( 4 ) 】i a s a 模型 国际应用系统分析研究所( i i a s a ) 建立的世界粮食与农业系统全 球模型是一个将农业与其它经济部分之间的复杂关系以模型方式表现 出来的尝试。它由以福利经济学和经济学中的应用一般均衡( a p p l i e d g e n e r a le q u i l i b r i u m ) 原理为基础的一系列国家模型所组成。该模型 基于g i s 与c a m a r k o v 模型的土地利用变化研究一以招远市为例 系统包括了人口及其在城乡间的迁移动态、社会一经济因素、资本积 累和对全国供求及农业土地利用影响很大的市场条件。但由于该模型 只是把土地作为一种生产要素，所以无法预测土地利用变化的环境影 响。 ( 5 ) g e o m o d 模型 g e o m o d 模型最初由马里兰大学和美国纽约州立大学联合开发，是 一个基于地理的土地利用变化模拟模型，在原来的基础上不断修改完 善，先后出现了g e o m o d l 和g e o m o d 2 。该模型虽然可以模拟各种土地利 用类型的变化，但主要是用来预测“已开发土地”与“未开发土地” 之间的变化，如原始森林遭受砍伐后被开垦成耕地嫡6 。模型假设所有 的转化均是由有意识的人类活动造成的，并且假定这些人类活动及其 造成的土地类型转化遵循以下几条基本原则，即最大功率原则、相邻 开发原则、扩散原则和均速变化原则1 。 ( 6 ) g t r 模型 g t r ( g e n e r a l i z e dt h u n e n r i c a r d i a n ) 模型是传统杜能模型的扩 展，它将城市化作为土地利用变化的主要驱动因子。当地的自然条件 也被考虑到了模型中，并与城市化一起并列为模型的两大解释成分。 其中的t h u n e n 成分包括城市中心人口和农村与城市间的距离，代表着 来自区域城市中心的影响方面的两个状态变量。r ic a r d i a n 成分包括代 表当地自然条件的海拔和坡度这两个自然条件变量h 引。 ( 7 ) c l u e 模型 土地利用变化及其效应( c o n v e r s i 0 1 3o f l a n du s e a n di t s e f f e c t s ) c l u e 模型于一种动态的、多尺度的土地利用变化空间分布模 拟模型。该模型主要适用于大尺度的宏观研究，所模拟的单元土地利 一用特征用复合类型表示，即不同土地利用类型所占的百分比，主要用 于发现土地利用变化的热点地区。c l u e 模型由四个主要的模块组成， 即需求模块，人口模块，产量模块和空间分配模块娜儿例。需求模块用 于在国家级层次上计算国家农产品需求时主要考虑人口增长，膳食结 构变化和进出口数量；人口模块将利用历史时期的人口统计数据进行 人口变化的趋势预测，求算各地区预测期内各年份包括总人口、城镇 1 2 山东农业大学硕士学位论文 人口、农村劳动力、农业劳动力等的增长率、人口结构变化以及相关 的特征；产量模块以空问解释的办法计算产量水平的变化：空间分配 模块直接受需求和人口模块的影响，是整个模型的核心部分。该模块 将利用统计分析模块在不同规模尺度上对土地利用与自然生态条件、 社会经济因素之间复杂的相互作用关系的分析结果，根据需求模块所 确定的土地利用变化目标进行优化。 1 3 3 元胞自动机在地理学方面的研究现状 元胞自动机可以用来研究很多一般现象，其中包括通信、信息传 递、计算、构造、生长、复制、竞争与进化等。元胞自动机自产生以 来，被广泛应用到社会、经济、军事和科学研究的各个领域。应用领 域涉及社会学、经济学、生物学、生态学、信息科学、计算机科学、 数学、物理学、地理等。 ( 1 ) 国外的研究现状 在国外，地理学家对c a 模型进行了大量的研究工作，c a 模型广泛 被应用于城市空间扩展和土地利用的模拟中。他们的研究主要集中在 两方面，一方面论述c a 在城市研究中的合理性和前景，另一方面则致 力于设计各种具体的c a 模型来模拟城市空间扩展，利用遥感数据和c a 模型来分析城市土地利用的变化情况。 克拉克( c l a r k e ，1 9 9 8 ) h 朝在美国地质调查局的支持下，利用大 型的空问数据库，采用g i s 和r s 进行了华盛顿一巴尔迪摩都市区的城 市增长变化的研究；怀特和恩格伦( r o g e rw h i t e & e g e n l e n ，1 9 9 3 ， 1 9 9 4 ) 踟州。利用元胞自动机和g i s 结合进行了城市增长方面的研 究；科诺内( c o l o n n a ) 和帕皮尼( p a p i n i ) ( 1 9 9 7 ) 等人将智能识别 系统引入c a ，建立学习型的元胞自动机( l e a r n i n gc e l l u l a r a u t o m a t a ) ，并以罗马地区为例，利用遗传算法从经验数据库中学习 并归纳出元胞转换规则，根据这些规则来模拟城市土地利用形态的变 化，其中1 9 9 1 年的模拟结果与实际的城市土地利用状况问的差异仅仅 只有4 2 刚。 ( 2 ) 国内的研究现状 基于g i s 与c a m a r k o v 模犁的十地利用变化研究一以招远市为例 我困在元胞自动机的研究方面虽然起步较晚但是也取得了一定的 成果。 2 0 0 0 年中国科学院的张显峰、崔伟宏将元胞自动机模型的四元组 进行了扩展，形成了扩展的e 元胞自动机模型，并将其作为g i s 的一 个模块，在a r c i n f o 的g r i d 环境下，用a m l 和v i s u a lb a s i c 语言将 其集成到系统。利用该模型对包头市自1 9 9 2 年以来的城市扩展情况进 行了模拟，模拟的结果与实际情况比较吻合n 引。 2 0 0 6 年赖日文等提出将适用于城市规划的g i s 相关软件与适用于 土地利用演化模拟的元胞自动机模型结合起来，建立土地利用类型之 f n j 的关系模型，运用于土地规划，并将此运用于福建省建瓯市玉山镇 镇区土地利用规划的实际操作中，验证了该方法的可行性5 | 。 2 0 0 4 年侯西勇等利用基于河话走廊19 9 0 年、2 0 0 0 年土地利用矢 量数据，通过空间叠加和构建土地利用分布与变化的lk m g r i d 数据 集以研究2 0 世纪9 0 年代土地利用分布与变化的数量特征和空间格局 特征，并运用c a m a r k o v 对2 0 1 0 年土地利用分布情景进行预测。 2 0 0 5 年熊利亚等采用地理元胞自动机进行土地利用变化研究的优 点、原理及方法，并以河西走廊地区为实例，采用i d r i s i 的c a m a r k o v 模块进行了土地利用变化的分析和预测，得出河西走廊地区 1 9 9 5 年到2 0 0 5 年土地利用变化的特点口5 j 。 1 3 4 研究现状中存在的不足 目前g i s 和元胞自动机模型用于土地利用变化研究已经取得了一 定的成果，并且理论也已经比较成熟，但同时也应该看到，现行的研 究还存在以下不足： ( 1 ) g i s 与元胞自动机模型集成开发难度大 现今大多数的研究者侧重于g i s 与元胞自动机模型集成的开发， 这样可以更好地将g i s 与元胞自动机结合，但由于土地利用变化是一 个非常复杂的过程，涉及的因素比较多，普通的研究者仅靠一己之力 1 4 山东农业大学硕+ 学位论文 所开发的模型都不是很完善，并且在具体的应用中存在着运行速度 慢、模型建立过程考虑不全面等问题。 ( 2 ) 元胞自动机模型应用到土地利用的矢量数据探讨较少 侧重于应用的研究者利用国内外已有的元胞自动机模型进行土地 利用变化的研究，已经有了一定的进展，但在源数据上大多数都是直 接应用了遥感图像等栅格数据，对矢量数据的应用较少，而数据库中 的土地利用数据多为矢量格式，所以，丌展这方面研究有重要的现实 意义。 ( 3 ) 目前尚未有c a m a r k o v 模型应用在县域土地利用变化研究 中的例子 随着新一轮土地利用总体规划的开始，县域土地利用变化的研究 也越来越重要，但目前尚未有将c a m a r k o v 模型应用在县域土地利用 变化研究中的例子。 因此，本研究主要侧重于模型的应用，以现有的研究区的矢量数 据为基础，应用m a p g i s 、a r c g i s 软件进行数据的处理，应用目前国际 上比较成熟的i d r i s i 软件中的c a - m a r k o v 模型来进行将来土地利用状 况的预测，既克服了模型开发中一己之力所不能解决的问题，又解决 了矢量数据在c a m a r k o v 模型应用中的问题。 1 4 研究目的和内容 1 4 1 研究目的 基于g i s 与元胞自动机模型的土地利用变化研究，是以土地利用 变化、g i s 以及元胞自动机模型的知识为指导，将m a p g i s 、a r c g i s 和 i d r i s i 软件相结合，进行土地利用变化的分析和预测，研究的结果可 为土地利用规划管理和政策的制定提供科学依据，研究方法为土地利 用变化预测研究提供一种思路。 1 4 2 研究内容 基于g i s 与c a m a r k o v 模型的十地利用变化研究一以招远市为例 ( 1 ) 研究区土地利用状况分析：对研究区的土地利用现状，土地 利用中存在的问题，土地利用变化情况及土地利用变化的影响因素进 行分析，为应用c a - m a r k o v 模型进行预测打下基础。 ( 2 ) 矢量数据的处理：将现有的m a p g i s 矢量数据进行处理，包括 土地利用类型的重新分类，数据格式的转换等。 ( 3 ) 土地利用转移矩阵的生成：在i d r i s i 中利用相应的功能生成 土地利用转移矩阵，为c a m a r k o v 的利用提供数据基础。 ( 4 ) 生成适宜性图集：根据所选择的土地利用变化影响因素，将 相应的图件在i d r i s i 中生成土地利用适宜性图集，作为元胞自动机运 行的限制条件。 ( 5 ) 生成预测年份的图像：对c a m a r k o v 模块的其他条件进行设 置，运行模型，生成预测年份的图像并进行结果的分析。 ( 6 ) 对预测结果进行验证，以证明该种方法的准确性。 1 5 技术路线 本文在研究区的土地利用状况资料、社会经济资料等的基础上， 寻找影响土地利用变化的因素，应用m a p g i s 、a r c g i s 和i d r i s i 软 件，进行数据的处理，构造c a m a r k o v 模型所需要的土地利用转移矩 阵和适宜性图集，运行c a m a r k o v 模型进行预测，得出预测结果，运 用灰色g m ( 1 ，1 ) 模型对结果进行验证，对c a m a r k o v 模型运行结果 进行分析评价。 具体的路线为： 1 6 山东农业大学硕+ 学位论文 图1 1 技术路线图 f i 9 1 1 t e c h n o i o g yr o a d m a p 1 7 基于g i s 与c a m a r k o v 模犁的十地利用变化研究一以招远市为例 1 6 研究方法 ( 1 ) 在研究区图件数据和社会经济资料的基础上，通过分析土地利 用变化的程度，变化动态度、程度等，对研究区的土地利用变化情况 进行分析。 ( 2 ) 运用m a p g s 、a r c g i s 和i d r i s i 软件的数据转换功能对矢量数 据格式进行处理。 ( 3 ) 运用i d r i s i 的m a r k o v 模型生成研究区的土地利用转移矩阵。 ( 4 ) 运用i d r i s i 中的m c e 模块和图像集合器生