土地系统多主体模型的理论与应用

土地变化科学是理解人类—自然耦合系统的交叉学科研究方向。多主体模型（ABM）作为过程导向模型,对揭示土地变化驱动力,理解土地变化过程有重要作用。本文从理论、应用与建模框架三方面出发,总结了ABM理论基础和相关概念;阐述了ABM在城市和农业土地系统两方面的应用与发展,进一步介绍了横断山区退耕还林ABM研究案例;在梳理ABM建模协议的基础上,提出了主体视角的土地系统ABM建模框架和实施流程。在城市土地利用方面,ABM研究从最初基于景观研究城市扩张,到研究城市内部居住分隔,规划分区,生态功能等多方面;在农业土地利用方面,ABM应用则呈现出更加多样化和个性化的特征,包括农民行为、农户决策、种植系统、农业政策等。相比于传统模型,ABM因其依靠本地知识与数据而使得其构建更为复杂,且不易推广;但因其独特的自下而上模型构架,在探究土地变化驱动力、刻画人类行为对自然环境影响等方面具有不可或缺的作用。     

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。     

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。     

基于Agent建模在旅游模拟研究中的回顾与展望

旅游模拟是认识旅游复杂系统内部要素相互作用及其演化发展的重要方法.国际上对旅游模拟的研究始于1970s的荒野使用模型(WUSM),经缓慢发展在1990s分化出现了Extend和RBSim两个代表性旅游模拟模型,其历史轨迹表明,基于Agent建模(ABM)将成为一种重要的旅游模拟工具.目前,旅游模拟可用的ABM平台(软件)日趋成熟,一个完整的ABM系统包括模型输入、规则及模型输出3个基本部分,其中"规则"的制定是ABM的核心,也是ABM实现对复杂系统"局部简单行为导致宏观复杂现象"进行模拟的关键.今后ABM将通过与3S技术的进一步结合和对CA模拟的深度融合而呈现更强大的旅游模拟能力,并在应用领域突破荒野旅游地游憩使用模拟的单一格局,开辟旅游者行为、旅游地演化和旅游应急管理等旅游模拟新领域.     

土地利用系统动态变化模拟研究进展

土地利用/覆被变化与环境要素的动态作用过程自LUCC相关研究计划开展以来一直是重点内容,并且愈来愈受到重视.将土地利用主体的决策过程和环境要素变化过程综合起来研究土地利用系统动态变化,是实现土地自然生态系统与社会经济系统耦合研究的途径与方法.本文在对土地利用系统复杂性分析的基础上,提出目前土地利用系统变化模拟需要解决的基本科学问题,主要包括土地自然环境要素对土地利用主体决策的影响、不同空间尺度土地利用主体及主体间相互作用及在此基础上的区域土地利用动态变化模型研究.土地利用模型是分析土地利用系统结构与功能的有力工具,通过分析土地利用系统模拟研究进展发现国内外真正实现了自然生态系统和社会经济系统综合研究的模型尚不多见.基于主体的土地利用模拟方法综合了土地利用变化中空间变化和主体决策过程,适合于分析土地利用系统变化的空间过程、空间相互作用和多尺度现象.本文在对国际上基于多主体模型进行土地利用系统模拟的相关进展、模拟平台等分析评述的基础上,提出未来我国开展基于多主体模型进行土地利用变化研究的建议.     

人工免疫系统与嵌入规划目标的城市模拟及应用

人工免疫系统(AIS) 具有强有力的计算能力, 可以通过免疫识别、克隆选择、免疫学 习、免疫记忆等功能来进行模式识别和自适应学习。AIS 所具有的自学习、自适应和记忆的能力非常适合于复杂地理过程的研究。而元胞自动机(CA) 是研究复杂系统非常方便和有效的工具。将人工免疫系统和元胞自动机相结合, 建立了城市演变的模拟和规划模型。该模型通过改变抗体的进化变异机制, 把规划目标嵌入到AIS 算法中, 抗体将会逐渐朝着规划目标“进化”, 从而模拟出基于不同规划情景的城市发展空间格局, 为城市和土地利用规划提供决 策支持。设计了6 种不同的城市发展方案, 利用该模型模拟了不同规划方案下珠江三角洲城市的发展情景(1988-2002 年)。并比较了不同模拟情景结果城市的紧凑性: “城市中心” 和 “城市中心-高速公路”发展模式的城市形态更为紧凑, 破碎度较低; 而“镇中心” 和“道路”发展模式形成的城市形态则比较凌乱和分散。模拟结果和分析表明: “城市中心-高速 公路”是珠江三角洲最适合的城市发展模式。     

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。     

基于RBF的湖南省土地生态安全动态预警

基于1996-2010 年湖南省土地生态安全的相关数据, 从压力、状态、响应3 方面构建湖南省土地生态安全预警指标体系, 运用RBF模型对2011-2015 年湖南省土地生态安全演变趋势进行预测, 并结合预警指数和警度标准对1996-2015 年湖南省土地生态安全警情状况进行分析, 结果表明:① RBF模型有较高的模拟精度, 能够较好地拟合2011-2015 年湖南省土地生态安全各系统的发展趋势。② 就各子系统的安全警度而言, 1996-2010 年湖南省土地生态安全的压力和状态系统的警度呈波动上升趋势, 响应系统的警度呈下降趋势, 2011-2015 年, 压力系统将逐步由“中警”(黄灯) 转变为“重警”(橙灯), 状态系统将处于“中警”(黄灯) 状态, 响应系统将处于“无警”(绿灯) 状态。③ 总体而言, 1996-2010 年, 湖南省土地生态安全警度呈略有下降态势, 2011-2015 年, 预警指数将处于0.42 左右, 警度将处于“中警”(黄灯) 状态。④ 影响湖南省土地生态安全的主要因素包括农业经济比重、建设占用耕地面积量、自然灾害受灾面积比重、人均建设用地面积、第三产业比重、自然保护区面积比重等, 是今后调控的重点。     

交通运输网络的复杂性研究

通过分析复杂网络理论在航空、轨道交通(地铁和铁路)、城市交通(公交和道路)等中的应用,指出系统复 杂性是交通运输网络复杂性的根源,以及复杂网络分析方法中忽视地理空间性所引起的问题,即一般性地认为交 通运输网络为小世界网络或无标度网络。目前基于统计物理学的交通运输网络的复杂性研究多为拓扑化的理论分 析或数据建模,与实际网络结构特征及动力学机理仍存在较大差距。研究进一步指出,交通运输网络由需求网络、 组织网络、径路网络和设施网络四种网络结构组成,是一类具有“开放性”复杂系统的网络化复合结构。交通运输作 为一门实践应用性较强的学科,应围绕“理论→模型与方法→实践”模式前向性循环推进。综合分析复杂网络的理 论与实践情况,提出未来交通运输网络的复杂性研究的主要内容：①对交通运输系统的网络结构复杂性的基础认 识;②以地理空间特性为基础的网络复杂性分析;③基于组织与效率的网络结构复杂性分析及应用;④相互作用产 生的各种流与网络结构的互动关系;⑤网络局域结构特征及对广域结构的影响;⑥系统开放性对网络演化的影响。     

基于GIS的时空复合体-土地利用变化图谱模型研究方法

本文以地学信息图谱理论、地球空间信息认知理论、地球系统科学与地理综合体理论、地理信息系统中的时空复合体模型为依据 ,提出了研究土地利用 /土地覆被变化的基本单元 ,即“图谱单元”,它是记录时空复合信息的基本单元 ,由“相对均质”的地理单元和“相对均质”的时序单元复合而成 ,并提出了研究土地利用 /土地覆被变化图谱的概念模型。     

国际LUCC模型研究进展及趋势

LUCC模型有助于深刻理解土地利用系统动态.经过10多年的发展,LUCC模型在理论和实践方面有了很大发展.开发新一代LUCC模型成为了GLP的一项重要任务.在大量阅读分析国际上LUCC模型应用研究的基础上.基于土地利用变化与骄动力之间相互作用表征方法的差异,从认识论的角度出发,本文将LUCC模型概括为经验一统计模型、概念机理模型和综合模型,并分别对各类模型的概念、技术方法、应用以及存在的缺陷等进行了分析.发现各种模型均能够解决特定的LUCC问题,同时也存在着缺陷和局限性.目前,LUCC建模中仍存在着时空尺度和数据方面的问题,未来LUCC模型发展趋势主要表现在解决LUCC中多尺度问题,评价和解决空间领域效应和时间动态方而的问题,土地系统可持续性综合分析与建模等方面.     

元胞自动机和多主体模型在土地利用变化模拟中的应用

土地利用变化模拟研究是土地利用变化研究的重要分支。复杂系统理论的完善和系统模拟平台的发展使得复杂系统模拟方法在土地利用变化模拟研究中的优势越来越明显,元胞自动机模型和多主体模型正是基于复杂系统理论模拟研究的代表。本文简要回顾了土地利用变化模拟研究进展,探讨了土地利用变化的内在机理,着重分析了元胞自动机和多主体模型的内涵、研究热点、模拟平台和优缺点等,并对其今后在土地利用变化模拟研究的发展趋势进行了展望,以期为土地利用变化模拟研究提供参考。     

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.     

基于复杂网络的官厅水库流域土地利用/覆被变化

以北京西北部的官厅水库流域为研究区,以1978-2009 年之间的6 期Landsat 系列遥感影像为基础数据解译土地利用图。将土地利用/覆被变化(LUCC) 过程中的转移矩阵作为一种网络进行分析,土地利用类型是网络中的节点,不同地类之间的相互转化是网络的连线(边)。应用度、介数、网络平均最短路径等复杂网络方法,从土地利用系统整体的角度识别LUCC过程中的关键变化地类,评价土地利用系统的稳定性,分析生态环境变迁。研究结果表明：① 在近30 年的时间尺度上,旱地、天然草地和人工水域始终是转移矩阵中3 种关键变化地类,LUCC主要围绕这3 种地类进行;② 5 期转移矩阵网络的平均最短路径值均小于1.5,土地利用系统的活动性强、稳定性差,但五期网络的平均最短路径值总体上呈现增大趋势,土地利用系统向稳定方向发展;③ 近30 年来,自然生态系统不断被人工生态系统取代,自然生态系统中的天然草地面积减少了62.1%,未利用地的面积减少了65.1%。     

土地利用与生态文明:实证研究

生态文明建设的目标是实现人与自然的和谐共生。国土是生态文明建设的空间载体。土地利用的方式或行为反映土地资源集约节约利用水平,导致不同的生态环境效应,从而影响区域生态文明建设水平。本专辑"土地利用与生态文明"通过优选14篇代表性论文,从土地利用效率、土地生态演化、土地多功能权衡、土地生态系统服务和土地生态风险等方面,探讨了生态文明视域下的土地利用管理理论和方法,为形成生态文明的土地利用方式、行为和制度体系提供了实践参考。本专辑研究层次多样,文献覆盖村庄、县域、省域等多级研究尺度,山地、平原和丘陵等多种地貌类型,以及华东、华中、西北、长江经济带和日本等国内外土地利用典型地区;研究方法前沿实用,包括文献研究法、分形理论、定性比较分析、VAR模型、计量经济学方法等多学科研究方法;研究主题鲜明,聚焦当前土地利用过程中的热点话题与突出问题,对土地生态效率、空间行为特征、土地利用结构优化、生态风险评价等土地利用热点问题进行了深入探讨,其中既有对耕地撂荒、土地利用风险等当前迫切的土地利用问题的文献梳理与述评,也尝试对农村景观和生态系统的多功能进行权衡与协同分析,为破解生态文明视域下的土地利用问题提供了理论与实证依据。本专辑从现实与理念等全方面、多层次地反映了以生态文明理念指导土地利用的现实迫切性,并从方法和研究框架等方面提供了理论指导与技术支撑。最后,提出了未来生态文明视域下土地利用研究领域需重点关注的五大热点方向:土地利用结构的生态化管理、土地利用过程的生态演化机理、土地生态利用模式、土地生态安全格局预警与调控、土地利用行为的生态化管控。     

基于土地系统科学的土地利用转型与城乡融合发展

土地系统科学的研究视角可为促进城乡融合发展的土地利用转型研究提供参考借鉴。本文在梳理国际上土地系统科学发展历程基础上,基于土地系统科学研究视角探讨了土地利用转型影响城乡融合发展的理论框架、方式与路径以及促进城乡融合发展的土地利用转型调控途径与措施。土地系统科学致力于监测土地变化,解释驱动因素和反馈机制,理解发生于土地上的人类—环境相互作用,实现将对土地系统的科学发现转化为可持续土地利用解决方案。土地系统运行以土地可持续利用与人类福祉为准绳,显化为土地利用的多维效应。通过科学管控土地利用转型实现土地系统的良好运行能够影响城乡融合发展进程。土地利用转型通过效率提升、价值显化、要素流通与结构优化4大渠道,在“强整体”效应与“补短板”效应的作用下助推城乡融合发展。基于土地系统科学视域下促进城乡融合发展的土地利用转型调控需要重塑土地权能体系,推进国土空间综合整治,健全土地利用转型管控体系。     

智能体模型在微观土地利用行为模拟中的应用及启示

分析智能体模型在国内外微观土地利用行为模拟中的研究现状,指出研究中主要存在行为人行为规则简单、模型定量化方法单一、实证模型解释力不强等不足,提出进一步改进的方向和建议:在研究内容上应加强行为人决策机制研究;在研究区域上应加强农业土地利用变化及相关政策分析研究;在研究方法上应综合集成多学科相关研究成果。     

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。     

复杂性科学视角下的土地利用/覆被变化

土地利用/覆被变化(LUCC)是当前全球变化研究的热点问题之一,它既是全球变化的重要原因之一,一定程度上又是全球变化的反映。土地利用／覆被变化和全球变化之间存在着极为复杂的反馈联系,片面的研究方法难以从整体上把握问题的本质。该文从复杂性科学的角度出发,分析土地利用/覆被变化的复杂性,认为驱动因素的多样性、系统要素作用的非线性和多方向性、时空异质性以及时空尺度多变性是土地利用／覆被变化复杂性的集中表现。实际研究中应注意把复杂性当作复杂性,通过定性与定量结合、微观研究与宏观研究结合等途径开展多学科综合研究,全面揭示土地利用/覆被变化问题的本质。