复杂系统理论与Agent模型在土地变化科学中的研究进展

基于复杂系统理论与Agent 模型,分别从理论与方法的角度梳理并总结了当前土地变化科学的研究进展。复杂系统理论为研究土地变化所处的“耦合的人类-自然系统”及其复杂性问题提供理论支撑;而基于Agent 的模拟作为研究复杂系统的重要工具,为传统土地变化模拟提供新的方法支持。当前,ABMs与土地变化模型相结合(ABM/LUCC),无论是模型构建还是模型应用均取得了显著进展。然而,其也存在诸多问题,尤其是理论与应用脱节,使很多建模者容易陷入“为建模而建模”的误区。此外,现有的ABM模型设计较为随意,模型间差异太大,不利于跨区域比较研究的开展。因此,虽然ABM是认识复杂系统的有效方法,但是建模之前离不开对系统复杂性的深入研究;基于Agent 的土地变化模拟的意义在于充分表达“人类-自然”系统的综合复杂关系,从而合理的预测土地变化(结构与功能) 的动态过程,解释并评价土地变化的可能影响。     

基于Agent的土地利用/土地覆盖变化模型的研究进展

在查阅国内外大量LUCC模型应用研究文献资料的基础上,重点对基于Agent的土地利用/土地覆盖变化模型(ABM/LUCC)的研究进展进行了详细论述。首先指出ABM/LUCC模型提出的背景,并对模型的基本理论和概念进行简要介绍;其次,重点论述ABM/LUCC模型的主要研究问题以及该模型在城市土地利用、农业土地利用以及自然资源管理等领域的国内外研究进展;最后,分析总结目前模型应用中存在的主要问题,并探讨模型未来发展的主要方向。     

土地变化模型方法综述

土地系统变化长期以来不仅是地理学研究热点,也是资源环境经济学、生态学、城市规划等多学科领域关注的主题。构建模型模拟土地变化能够促进理解人地相互作用机制,模拟结果可为土地资源优化与资源环境政策制定提供依据。不同研究者基于不同学科理论、应用多种方法构建土地变化模型,模型从早期关注自然覆被类型变化发展到对人类决策行为的刻画,从统计方法发展到更突出空间分布的元胞自动机方法,以及更聚焦土地变化过程的经济学方法和多主体方法。未来土地变化模型发展方向为：在多尺度进行多方法耦合,对土地变化过程进行更为明晰地刻画,将土地变化模型与其他地球系统模型耦合等方面,进一步能够促进解释复杂人地系统,并推进模型在决策支持层面的应用。     

LUCC驱动力模型研究综述

驱动力研究是土地利用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和结果的有力工具，模型通过情景分析可为土地利用规划与决策提供依据。基于不同理论的驱动力研究方法很多，论文选取了几种国内外应用较多的LUCC驱动力模型进行综述，分析了每个模型的优缺点及适用范围，最后得出结论：1) 基于过程的动态模型更适于研究复杂的土地利用系统。2) 基于经验的统计模型能弥补基于过程的动态模型的不足。3) 基于不同学科背景的模型进一步集成将是LUCC驱动力模型未来的发展趋势。     

基于主体模型的人地系统复杂性研究

人地系统是人类社会与地理环境的耦合系统,属于典型的复杂系统。基于主体的模型(Agent-based models,ABM)作为研究复杂系统的重要工具,可以为人地系统研究提供新的方法支持。与传统模型不同,基于主体的模型更多的关注"人"的研究,注重体现人类主体行为决策在人地系统变化中的重要作用,并以一种空间显性的方式来表现人类活动对地理环境的动态影响。在总结回顾人地系统理论的基础上,介绍ABM的基本理论与技术,综述ABM在生态过程、生态系统管理和土地利用/覆被变化三个方向的应用及研究现状,分析概括ABM模拟中存在的主要问题,并对ABM未来发展的方向进行探讨。     

贵阳城市土地利用变化及共环境效应

从城市土地利用的范围（规模）、土地利用功能和用地形态等方面阐述了贵阳城市土地利用变化过程、特征、趋势,探讨了土地利用变化的驱动力因子,并对近代贵阳城市土地利用变化所带来的系列环境效应进行了分析评述。     

区域土地利用变化信息图谱模型研究

信息图谱为区域土地利用变化提供了一种谱系化、定量化与定位化相结合的研究方法,借助信息图谱模型探讨区域土地利用变化及其时空过程的多维性与复杂性,为土地利用变化的驱动力诊断、机理模型与预测模型的构建提供科学依据。选取吉林省长岭县为研究区,在遥感与GIS技术支持下,以土地利用时空演变模式、空间扩展过程、景观特征等为框架,建立土地利用变化信息图谱模型,对图谱方法在土地利用变化研究中的应用进行实证分析。     

贵阳城市土地利用变化及其环境效应

从城市土地利用的范围 (规模 )、土地利用功能和用地形态等方面阐述了贵阳城市土地利用变化过程、特征、趋势 ,探讨了城市土地利用变化的驱动力因子 ,并对近代贵阳城市土地利用变化所带来的系列环境效应进行了分析评述。     

土地利用变化的解释

用途转移和集约度变化构成土地利用变化的两种基本类型。土地特性自身的变化、土地使用者个体经济行为分析及社会群体土地管理行为分析 ,构成土地利用变化解释的理论框架。从土地特性考察 ,多宜性和限制性是土地利用发生变化的基本条件。人类对土地利用的结果 ,总是趋向于使土地的多宜性降低和功能类型减少。竞租曲线、转移边际点以及打破土地利用空间均衡的条件分析 ,是土地利用变化经济分析的理论基础 ;“土地利用 -环境效应 -体制响应”反馈环的作用机制 ,构成社会群体土地管理行为分析的理论框架。土地利用变化的机理模型 ,目前主要以新古典经济学和地租理论为基础。多视角的探索可能是土地利用变化机理综合分析的有效途径。     

土地利用功能变化与农户响应研究进展

LUCC是表达土地系统的主要方法之一，但仅利用LUCC已不能完整理解土地系统的变化，而通过土地利用功能变化的研究加深对土地系统的认识已成为国内外学者的共识。目前，探讨和分析宏观土地利用功能变化与微观主体行为间的相互影响机制，已成为土地利用功能变化研究急需解决的问题。本文从土地利用功能表达与变化研究、土地利用功能变化的微观响应机制等两个方面，对土地利用功能变化与农户响应的研究进展进行归纳与总结，结论如下：（1）需进一步完善土地利用功能类型的表达方式和方法，使其在表达宏观土地利用功能分异规律的同时，亦能表达微观主体土地利用行为的信息；（2）还需借鉴土地利用决策和多模型整合的理论与方法对土地利用功能及其微观响应进行模拟。同时，指出发展土地利用功能变化下农户响应的有限理性决策模型，探索多模型整合的方式与方法就成为今后研究的重要任务。它对于认识和理解该宏观土地利用功能变化下微观主体的响应，进而引导农户土地利用行为，具有十分重要的理论和现实意义。     

Agent-based model of land system: Theory,application and modelling framework

Land change science has become an interdisciplinary research direction for understanding human-natural coupling systems. As a process-oriented modelling approach, agent based model(ABM) plays an important role in revealing the driving forces of land change and understanding the process of land change. This paper starts from three aspects: The theory, application and modeling framework of ABM. First, we summarize the theoretical basis of ABM and introduce some related concepts. Then we expound the application and development of ABM in both urban land systems and agricultural land systems, and further introduce the case study of a model on Grain for Green Program in Hengduan Mountainous region, China. On the basis of combing the ABM modeling protocol, we propose the land system ABM modeling framework and process from the perspective of agents. In terms of urban land use, ABM research initially focused on the study of urban expansion based on landscape, then expanded to issues like urban residential separation, planning and zoning, ecological functions, etc. In terms of agricultural land use, ABM application presents more diverse and individualized features. Research topics include farmers' behavior, farmers' decision-making, planting systems, agricultural policy, etc. Compared to traditional models, ABM is more complex and difficult to generalize beyond specific context since it relies on local knowledge and data. However, due to its unique bottom-up model structure, ABM has an indispensable role in exploring the driving forces of land change and also the impact of human behavior on the environment.     

CLUE-S模型应用进展与改进研究

土地利用变化是景观生态学重要的研究领域,通过模型模拟土地利用变化趋势是该领域的主要研究内容之一。CLUE-S模型可以全面考虑自然和人文因子,通过迭代方法综合空间分析和非空间分析,较好地模拟小尺度范围内土地利用变化情景,具有综合性、开放性、空间性、竞争效率性等特点,已经在国内外多个地区的土地利用变化研究中得到广泛应用,形...     

THE DRIVING FORCES OF LAND CHANGE IN THE NORTHERN PIEDMONT OF THE UNITED STATES

Driving forces facilitate or inhibit land‐use / land‐cover change. Human driving forces include political, economic, cultural, and social attributes that often change across time and space. Remotely sensed imagery provides regional land‐change data for the Northern Piedmont, an ecoregion of the United States that continued to urbanize after 1970 through conversion of agricultural and forest land covers to developed uses. Eight major driving forces facilitated most of the land conversion; other drivers inhibited or slowed change. A synergistic web of drivers may be more important in understanding land change than individual drivers by themselves.     

千岛湖镇土地利用变化及其驱动力分析

利用GIS和Logistic回归分析方法,在分析千岛湖镇1993～2004年土地利用变化特征的基础上探讨其变化的驱动力,揭示了千岛湖镇土地利用的时空分异特征。结果表明:土地利用变化以城镇及工矿用地的输入和林地的输出为主要特点;耕地、林地、未利用地和其它未利用地的转出面积超过转入面积,而园地、其它农用地、交通用地、水利设施用地和城镇及工矿用地则相反;自然因素、城镇化、农业结构调整、比较经济利益、交通条件和政策因素是引起其土地利用变化的主要驱动力因子,距一级干道的距离是最重要的自然驱动因子。     

Causal relations and land use transformation in the Sahel: conceptual lenses for processes,temporal totality and inertia

The paper addresses the challenge of conceptualizing and analyzing complex change processes and causal explanations in human–environment systems. To illustrate this challenge empirically, the paper takes its point of departure in the apparent paradox that the agricultural practices in the desert fringe zone of the Sahel seem to remain remarkably unchanged despite huge and accelerating changes in major driving forces such as climate variations, population pressure, policies and market access. Such partly unexpected trends suggest that novel insight is needed into the human environment interactions that shape the use of land for cultivating purposes in this region. As a background for the paper’s conceptual discussion, recent developments in the Sahelian land use system are briefly described, using documentation from empirical case studies conducted in the northernmost region of Burkina Faso over the past 20?years. Specific attention is given to presenting (a) main trends in the transformation of the land use and livelihoods, (b) the co-evolution of possible driving forces that enables and constrains conditions for change and (c) characteristic trajectories of change. Inspired by the notions of process, temporal totality and inertia, the paper suggests employing a portfolio of complementary perspectives to investigate change processes. More precisely, four different conceptual lenses to analyze human–environment interaction are proposed and examined (the land change science framework, the double exposure notion, the system dynamics (SD) approach and coupled human–environmental timelines). Specific attention is given to the potential contribution of these respective lenses to enhancing our understanding of the land SD and to uncovering important causal relations. It is concluded that these conceptual lenses, in concert, can help to put process, in the sense of a sequence of successive stages, in the centre of our understanding of change and causal relationships in human–environmental systems.     

农地边际化过程中农户土地利用行为变化及其对粮食生产的影响

认识农地边际化过程中农户土地利用行为的变化及其对粮食生产的影响,对正确判断中国的粮食生产形势,制订相关政策以确保粮食安全具有重要意义。基于湖北省咸宁市4县1市1区的23个村组、1252个农户家庭的调查数据,对1981年以来农户土地利用行为变化的特征及其对粮食生产的影响进行分析。结果表明：① 农户用于粮食生产的劳动力与土地面积明显下降,农户用地方式出现“省工性”变化,劳动力被农机要素替代,农业机械、化学肥料与农药等物质投入显著上升。② 主要粮食作物的劳动生产率、土地生产率与商品率分别提高了4.61%、29.69%与50.56%,但区域主要粮食作物的总产量与农户家庭平均粮食占有量却分别下降了10.49%与10.50%,区域粮食安全的保障能力出现弱化。③ 丘陵山区主要粮食作物的“三率”提高幅度高于平原地区,丘陵山区的水稻总产量与家庭占有量均略有提高,但平原地区却出现了明显下降。产粮重心在空间上出现从平原地区向丘陵山区倾斜的现象。④ 稳定主要粮食作物的用地规模,促进农户规模经营,提高土地产出效率,是应对农地边际化作用的关键。从事规模化与专业化粮食生产的农区与农户,应成为国家惠农政策与粮食安全政策重点扶持的对象。     

石家庄城市化进程中的耕地变化

利用2000年遥感影像进行土地利用分类,并与1995年土地利用矢量图进行GIS空间叠置分析,结合数理统计分析,判定石家庄市1995~2000年耕地变动的方向与类型,揭示了该区耕地变化的数量特征和空间变化特征,全面分析了影响耕地变动的经济、人口、政策等主要因素,并重点研讨了城市化进程与耕地变动的关系,阐明了石家庄市在目前城镇发展的初级阶段用地的基本特征与存在问题。石家庄市土地利用变化值得注意的两个特殊点是：石家庄市耕地占用的主要原因是建设用地占地 (占耕地减少总量的52.3%,其次是农业内部调整占38%) ,与全国农业内部调整为耕地减少的首要原因 (占耕地减少总量的60%左右,建设占地30%左右) 不同;在石家庄市非农建设占地中,独立工矿用地占了较大部分 (40%)。     

土地利用变化的内在动力——新疆地区农业生产要素产出效率的变动趋势分析

土地利用变化的动力因子和动力机制是土地科学研究的核心问题。这一问题近30年来得到前所未有的关注,相关研究成果不断涌现,但是这些成果主要关注自然因子和社会经济因子等外在因素,却没有充分重视土地利用变化中蕴含的内在目标和由此派生的内在动力,客观上导致土地利用变化动力机制研究一直难以深入。本文以新疆地区为案例区,以土地、资本和劳动等生产要素生产效率变化为切入点,利用趋势拟合方法,分析了区域土地利用变化过程中要素产出效率的变动规律。结果显示,无论是近10年还是近30年区域棉花生产中,以及近30年区域粮食生产中,只有劳动生产率呈长期增长趋势。这一结果意味着人们对劳动生产率的追求可能是土地利用变化的内在动力。据此,进一步讨论了人们追求劳动生产率增长的原因及其与追求利润最大化等目标的关系,提出了"土地利用变化是人们在变化环境下不断追求劳动生产率增长的结果"这样一个观点。     

Land use and land cover change in Liaocheng Prefecture of China

1 Introduction1.1 Introduction to Liaocheng PrefectureLiaocheng Prefecture lies in northwest of Shandong Province and slightly north to the center of the Huang-Huai-Hai Plain with latitudes between 35(47'N and 37(02'N and longitudes between 115(16'E and 116(32'E. Administratively, it consists of two cities (Liaocheng and Linqing) and six counties (Yanggu, Shenxian, Chiping, Dong'e, Guanxian and Gaotang). It covers a total area of 8590 km2 with a maximum distance of 114 km from eas…