馮丁饒，謝炘格，雷昊儀，劉 彪，陳乃鴿，常虔浩

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

土地利用/覆蓋變化 （Land Use/Cover Change，簡稱LUCC）由國際地圈—生物圈計劃（IGBP）和全球環(huán)境變化中的人文領(lǐng)域計劃（HDP）聯(lián)合提出，土地利用／覆蓋變化是人類—自然環(huán)境相互復(fù)雜作用的結(jié)果［1］，與全球氣候、生物多樣性、生態(tài)環(huán)境、人類自然與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)［2－4］。土地利用與土地覆蓋之間既有密切聯(lián)系也有本質(zhì)的區(qū)別，土地利用是指人類活動對于土地利用的各種方式，表現(xiàn)出人類在地球上開發(fā)與改造事物的意圖。而土地覆蓋則更加偏向于自然要素，指土地本身的覆蓋物［5］。土地利用/覆蓋變化在驅(qū)動力驅(qū)動下使土地利用類型發(fā)生變化，驅(qū)動力包括自然驅(qū)動力與人為驅(qū)動力，城市擴張、農(nóng)村向城市轉(zhuǎn)型、人口快速增長是改變城市地區(qū)土地利用／覆蓋的主要動力［6］。隨著社會的不斷發(fā)展，人類對土地利用的強度不斷增加，造成一系列人與土地之間、人與大自然之間的矛盾。近20年來已有很多學(xué)者對LUCC進行相關(guān)研究。李秀彬［7］系統(tǒng)地論述了土地利用／覆被變化的研究內(nèi)容、研究方法等；王秀蘭等［8］概述了土地利用變化研究內(nèi)容，重點介紹了相關(guān)模型；劉彥隨等［9］對可持續(xù)發(fā)展的LUCC研究展開相關(guān)討論；陳佑啟等［10］重點討論了尺度與土地利用／覆蓋變化研究的相關(guān)問題；宋乃平等［11］梳理了土地利用／覆蓋變化研究熱點，并提出研究中的相關(guān)問題；張景華等［12］評述了LUCC分類系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究進展；劉紀遠等［13］重點分析了中國土地利用變化的基本特征，并概述了土地利用類型變化的主要原因。

土地利用／覆蓋變化現(xiàn)成為國際研究的前沿和熱點，在土地資源各個方面都起到了重要作用［14］。遙感技術(shù)的蓬勃發(fā)展使現(xiàn)在的土地利用/覆蓋研究更趨向于多元化，與生態(tài)、經(jīng)濟、社會、人文等要素息息相關(guān)。土地利用/覆蓋變化的熱門領(lǐng)域主要有3個方面：基于遙感技術(shù)的LUCC研究、LUCC模型研究、LUCC驅(qū)動力機制研究（表1）。3個熱門領(lǐng)域已有諸多學(xué)者做出總結(jié)與展望，陳百明等［15］對基于遙感、GIS的 LUCC研究進行了評述；唐華俊等［16］對LUCC模型理論、應(yīng)用方面進行了總結(jié)；何英彬等［17］對土地利用驅(qū)動力機制領(lǐng)域進行了探討；路云閣等［18］對這3個熱門研究領(lǐng)域進行了綜合評述。近些年遙感技術(shù)蓬勃發(fā)展，土地利用/覆蓋變化研究使用的遙感影像圖分辨率不斷提高，同時新的變化檢測方法層出不窮，使得分類和檢測精度日益提高。模型由過去的單一化、簡單化不斷趨向于高效化、多元化，土地利用／覆蓋變化模擬和預(yù)測準確度隨之增加?；谶b感技術(shù)和模型的LUCC研究成為熱門領(lǐng)域。本研究重點對這兩方面的最新研究成果進行梳理，綜述了有關(guān)土地利用變化的遙感技術(shù)與模型研究進展，并展望LUCC在這兩方面的未來發(fā)展趨勢。

表1 土地利用/覆蓋變化熱門研究領(lǐng)域

1 基于遙感技術(shù)的LUCC研究

LUCC借助遙感數(shù)據(jù)展開研究，全球各類衛(wèi)星為研究提供了數(shù)據(jù)源，尤其是Landsat衛(wèi)星為LUCC研究提供了極大幫助，其擁有其他衛(wèi)星所不具備的長時間尺度連續(xù)性和數(shù)據(jù)廣泛性，Landsat系列衛(wèi)星成為研究中使用率很高的遙感數(shù)據(jù)源。同時尺度的不同（局部、地區(qū)、國家、全球）使得遙感數(shù)據(jù)源的使用不同，大尺度的研究區(qū)域使用分辨率相對較低的Landsat衛(wèi)星，而小尺度的區(qū)域研究更加傾向于使用Spot、Quickbird等衛(wèi)星。中國的高分系列、中巴地球資源系列衛(wèi)星在國內(nèi)LUCC研究中使用率很高。

1.1 LUCC信息提取研究

LUCC研究中使用的遙感影像圖分辨率從過去的幾十米到現(xiàn)在的米級，甚至趨向于亞米級。高時間分辨率與高空間分辨率之間矛盾問題逐步解決，使得LUCC信息提取研究更加便捷化、精確化。多學(xué)科與遙感技術(shù)相融合，同時借助計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)理論等有力工具，使LUCC各領(lǐng)域研究不斷趨向精確、高速和即時。

土地利用/覆蓋變化信息提取一般基于遙感技術(shù)并結(jié)合不同的變化檢測方法完成，國內(nèi)外學(xué)者使用不同衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)同時利用各類不同檢測方法都達到了信息提取的目的。Wondrade等［19］使用3年的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，用監(jiān)督分類法、混合法判斷出研究區(qū)土地利用/覆蓋變化類型及變化比率。孟瑩［20］利用Landsat TM數(shù)據(jù)，并基于GIS技術(shù)對遼河源頭區(qū)土地利用變化進行研究，得出土地利用變化的驅(qū)動力與財政收入增加和房地產(chǎn)開發(fā)相關(guān)。謝葉偉等［21］以3年的Landsat遙感影像圖為數(shù)據(jù)，基于RS和GIS技術(shù)對海倫市研究區(qū)景觀格局特征和土地利用變化情況進行了分析研究。Wang等［22］利用間隔為5年的影像數(shù)據(jù)，使用遙感技術(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計對天津濱海新區(qū)的土地利用變化進行了分析。寧立新等［23］用Landsat影像圖對江蘇海岸帶土地利用變化特征進行了分析。遙感技術(shù)以及輔助的數(shù)學(xué)理論與計算機方法是土地利用／覆蓋變化非理論性研究的關(guān)鍵所在，更先進的方法會極大地帶動LUCC的研究，例如，Li等［24］提出一種超分辨的變化檢測方法（SRCD），使用不同時期的高分辨率土地覆蓋圖與低分辨率圖像來檢測土地覆被變化的信息，以達到高空間分辨率和時間分辨率檢測土地覆蓋變化的目的。

1.2 LUCC信息提取方法研究

1.2.1 多源數(shù)據(jù)融合法 多源數(shù)據(jù)融合法是現(xiàn)在比較成熟的提高土地利用/覆蓋變化信息提取方法之一，此方法可以吸收各個單源遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)點，豐富了地物的特征，可以有效提高某些特征地物土地利用信息的提取精度，但是同時會有部分地物的提取精度會趨于下降。Chen等［25］提出多源遙感數(shù)據(jù)融合， 以 Landsat－8 OLI與 MODIS、HJ－1A、ASTER 三者DEM數(shù)據(jù)融合后的結(jié)果與融合前進行對比，發(fā)現(xiàn)融合后比原RS數(shù)據(jù)更加準確，可以有效提高土地覆蓋分類精度，減少因精度不佳造成土地利用變化信息提取上的錯誤。王亞琴等［26］也利用了MODIS、Landsat TM、Quickbird三者融合數(shù)據(jù)對山西蘆山植被變化進行分析，提出應(yīng)采用多源數(shù)據(jù)綜合分析。翟天林等［27］以武漢中心城區(qū)作為樣本，利用Sentinel－1A和Landsat8 OLI影像融合，分別采取了最大似然法、支持向量機、CART決策樹、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提取土地利用信息，證明了融合后影像總體分類精度、KAPPA系數(shù)大于融合前影像。陳勁松等［28］將HJ光學(xué)影像、Landsat－TM／ETM、TerraSAR 數(shù)據(jù)融合，以雷州半島作為融合影像的研究區(qū)，證明融合后數(shù)據(jù)可以有效提高土地利用信息提取的精度。多源數(shù)據(jù)融合法可以結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)點，提高總體分類精度，但不可避免對某些具體地類的提取精度偏低。1.2.2 土地利用現(xiàn)狀圖與高分辨率遙感影像疊加應(yīng)用 土地利用現(xiàn)狀圖與高分辨率遙感影像的應(yīng)用主要利用高分辨率遙感影像圖與現(xiàn)有土地利用現(xiàn)狀圖相結(jié)合，通過不同方法和理論檢測到像斑或像素的變化，從而達到土地利用變化信息提取的目的。李丹丹等［29］配準套合土地利用圖和遙感影像，得到的影像像斑用聚類算法按類別進行樣本的更新，利用更新后的樣本進行土地利用變化檢測。王琰等［30］提出將不同時期高分辨率影像和土地利用圖配準套合，生成的像斑再分割形成子像斑，將子像斑的特征提取，并利用子像斑參照不同時期的分類底圖進行變化檢測，從而獲得最終變化檢測結(jié)果。王志杰［31］也將兩種圖進行疊加，分割出單元進行像素灰度值分析，成功判斷出土地利用的變化范圍。超高分辨率遙感影像圖的快速普及讓LUCC研究更加精確［32］。

以土地利用現(xiàn)狀圖作為底圖與變化年份的高分辨率圖像疊加應(yīng)用，可以有效地檢測到圖斑變化信息，但許多學(xué)者的試驗精度表明土地變化檢測的準確度并不理想。由此可見，像斑或灰度值檢測約束于檢測技術(shù)和人為誤差的限制，土地利用現(xiàn)狀圖不可避免地存在繪圖導(dǎo)致的毫米級誤差，加之檢測技術(shù)也存在一定誤差，導(dǎo)致精度檢驗結(jié)果不甚理想。但從快速檢測方面來看，此種方法具有一定推廣意義。1.2.3 降低提取錯誤率 土地利用變化的判斷是時間序列變化檢測與綜合分析的結(jié)果，但是在實際土地利用變化中有部分是由于分類錯誤導(dǎo)致土地利用／覆蓋變化判斷上產(chǎn)生誤差，并不能代表實際的土地利用變化。為此，研究中減少土地利用變化認定時的虛假判斷，盡可能降低此類狀況的產(chǎn)生。Abercrombie［33］就提出在低空間分辨率的影像中可以使用隱馬爾可夫模型框架（HMM）。在特定的MLCT產(chǎn)品中，有效地減少了一個時間序列上不同土地利用分類圖的虛假利用變化，它的框架和理論可以有效地改進傳統(tǒng)常規(guī)多時相的土地覆蓋分類方法，減少多時相土地利用覆蓋因分類錯誤產(chǎn)生較大幅度的變化。Jin等［34］開發(fā)的AKUP11綜合方法，在阿拉斯加的三個試點中檢測變化與不變化的準確度達到了90%。降低了提取錯誤，可以有效提高提取效率，增加土地利用/覆蓋變化判斷的準確性。

遙感技術(shù)與土地利用/覆蓋變化的研究息息相關(guān)，總體來說結(jié)合遙感技術(shù)的研究是從精度與準確度兩個方面進行的。精度的提高主要依托高分辨率遙感影像圖以及先進的遙感數(shù)據(jù)處理方法，準確度的提高主要依托分類方法的研究?；谶b感技術(shù)提取信息的誤差不可避免，誤差所導(dǎo)致的誤判與錯判是科學(xué)研究或?qū)嶋H工作中經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一。更高精度的空間分辨率遙感影像圖在一定程度上減少了土地利用變化的判斷錯誤，但由于高分辨率影像圖的成本相對較高，難以推廣使用，實際中往往結(jié)合實地考察以彌補遙感影像圖解譯判斷所產(chǎn)生的誤判與錯判，或通過Google Earth驗證土地利用變化判斷的成果，考察與驗證過程中工作量較大、花費時間較多。

2 LUCC數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

LUCC數(shù)學(xué)模型研究主要應(yīng)用于土地利用變化模擬與預(yù)測。不同地區(qū)具有不同的地理、經(jīng)濟和社會條件，對于模型的選取和參數(shù)的選擇有不同要求，因不同條件而產(chǎn)生不同的參數(shù)設(shè)置變化?，F(xiàn)在主要使用的LUCC模型有馬爾可夫模型（Markov）、元胞自動機模型（Cellular Automaton）、系統(tǒng)動力模型（System Dynamic）、CLUE－S 模型（表 2）。 模型建立過程中的技術(shù)方法主要依托于計算機與數(shù)學(xué)理論；該方法有效地提高了土地利用變化預(yù)測精確度，為規(guī)劃者和決策者提供了很大程度的幫助。

2.1 馬爾可夫模型

馬爾可夫鏈是預(yù)測離散隨機模型的有效方法，具有“無后效性”的性質(zhì)，該方法的基本原理為某個隨機的過程從現(xiàn)在所處的時期到下個時期的狀態(tài)按照一定的概率進行轉(zhuǎn)移，并且下個時期的狀態(tài)與以前各時期的狀態(tài)無關(guān)，只取決于這個時期的狀態(tài)［35］。馬爾可夫模型廣泛應(yīng)用于水文、氣象、林業(yè)等各個領(lǐng)域，在土地利用／覆蓋變化中，利用某一變量因素建立馬爾可夫模型，可以較為詳細地應(yīng)用于預(yù)測土地利用／覆蓋未來變化，建模得到的數(shù)據(jù)可以為土地利用規(guī)劃和土地利用／覆蓋變化研究提供有效幫助。Huang等［36］結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方法和馬爾可夫模型，預(yù)測了北京地區(qū)2015年和2019年的土地利用變化，其土地利用變化的預(yù)測準確性足以幫助規(guī)劃者和決策者尤其是此次試驗的驗證誤差低于以前研究中的驗證誤差。

表2 土地利用/覆蓋變化研究主要模型

2.2 元胞自動機模型

元胞自動機模型在城市擴張等土地利用變化模擬中被大量應(yīng)用。它是一種時間、空間和狀態(tài)均離散的動力學(xué)模型，時間與空間上整體變化模式是由個體之間局部的行為演化出來［37］。在土地利用變化模擬和城市擴展的預(yù)測中發(fā)揮著重要作用。胡茂貴等［38］利用元胞自動機模型對莫莫格土地覆蓋狀況進行研究，分析了土地動態(tài)覆蓋變化情況，并預(yù)測了未來的覆蓋變化，這對土地保護與管理起著重要的作用。楊俊等［39］用多地類元胞自動機對大連市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)土地利用變化進行模擬，結(jié)果顯示此模型具有良好的模擬精度。

2.3 系統(tǒng)動力模型

系統(tǒng)動力模型源于系統(tǒng)動力原理，最初用于評估和展示實際問題的分析［40］。其本質(zhì)上是時滯的一階微分方程，反映復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。非線性系統(tǒng)問題能夠使用系統(tǒng)動力模型進行處理，應(yīng)用于土地利用結(jié)構(gòu)的模擬和土地利用變化的預(yù)測可行性較高。秦鐘等［41］使用系統(tǒng)動力模型對廣州市的土地利用變化進行模擬，結(jié)果證明了系統(tǒng)動力模型能夠有效地模擬土地利用變化格局。Xu等［42］以山西北部地區(qū)作為研究對象，將系統(tǒng)動力模型和元胞自動機模型結(jié)合使用，結(jié)果證明了兩模型的綜合使用可以有效表征各類因素，在準確模擬土地利用／覆蓋變化方面十分有效。整合系統(tǒng)動力模型與元胞自動機模型可以有效吸收兩種模型的優(yōu)點。

2.4 CLUE-S 模型

CLUE－S模型主要基于現(xiàn)有土地利用模式的經(jīng)驗并結(jié)合自然、社會、人文等驅(qū)動因素進行空間模擬［43］，具有較高的可信度。模型基于光柵的多尺度模型，可識別未來土地利用變化概率很高的地區(qū)以及不同地域條件、不同政策法律所導(dǎo)致土地利用變化［44］。 Waiyasusri等［45］基于遙感技術(shù)，利用 CLUE－S模型對Changwat Uthaithani地區(qū)過去土地利用狀況進行模擬，并可以預(yù)測未來20年土地利用格局，這對土地利用的預(yù)測來說是比較長的時間尺度。Verburg等［46］將模型應(yīng)用于馬來西亞和新加坡地區(qū)，所得到的結(jié)果驗證說明了此模型應(yīng)用研究領(lǐng)域的廣泛性，可以適用于土地利用變化的模擬。同時小區(qū)域尺度的模擬同樣可達到較好的模擬性［47］。但此模型無法模擬沒有發(fā)生過土地利用變化的地區(qū)，CLUE－S是基于經(jīng)驗進行派生模擬土地利用的模型，對原始森林的人為砍伐就無法進行模擬。

土地利用／覆蓋變化的模型向著準確化和高效化發(fā)展，土地系統(tǒng)是有著自然、經(jīng)濟、人文、社會等諸多要素的復(fù)雜系統(tǒng)，模型的建立需要考慮到每一種驅(qū)動因子，并根據(jù)研究地區(qū)的現(xiàn)狀判斷主要驅(qū)動力和次要驅(qū)動力，從而建立適宜的模型。同時兩種或兩種以上模型的使用成為趨勢，多模型的整合使用可以有效結(jié)合不同模型的優(yōu)點，使土地利用／覆蓋變化模擬更加準確，反映各驅(qū)動力因素對LUCC的影響，可以有效預(yù)測未來土地利用變化。

3 總結(jié)與展望

1）遙感技術(shù)不斷發(fā)展，衛(wèi)星的空間分辨率向著亞米級進步，遙感影像時間尺度的連續(xù)性不斷提升，社會進入海量數(shù)據(jù)時代，利用最先進的技術(shù)和方法可以有效提高在海量數(shù)據(jù)中處理土地利用／覆蓋信息的效率和準確率。新技術(shù)、新方法緊密結(jié)合可有效解決LUCC研究中的一些問題，例如土地利用變化判斷的準確性問題、土地利用變化預(yù)測的可信度問題和土地利用變化模擬的契合度問題等。隨著衛(wèi)星分辨率的瓶頸不斷突破，LUCC研究也會隨之向著錯誤率低、分辨率高、檢測速度快、監(jiān)測成本低的方向發(fā)展。

2）土地利用系統(tǒng)是由諸多要素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這使得土地利用／覆蓋變化研究具有復(fù)雜性、綜合性。研究對象是自然與社會的一個巨大系統(tǒng)，需要地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等多學(xué)科相互協(xié)同配合，充分發(fā)揮LUCC研究所起到的紐帶作用，綜合利用各個學(xué)科已成型的理論體系與最新的研究方法?，F(xiàn)在高新技術(shù)和理論蓬勃發(fā)展，遙感技術(shù)、GIS技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)統(tǒng)計快速帶動著LUCC研究技術(shù)的提升，如何將成熟的理論體系與LUCC有效結(jié)合并應(yīng)用還需繼續(xù)研究。尺度的綜合仍是未來的趨勢，在某一尺度特定研究區(qū)域內(nèi)的研究成果應(yīng)用到其他不同地區(qū)和不同研究尺度。同時，不同尺度的綜合性研究、融合多學(xué)科理論和方法，使土地利用／覆蓋變化研究更加具有科學(xué)性，從而促進理論體系系統(tǒng)化、層次化和規(guī)模化。

3）不同的模型具有不同方法與理論基礎(chǔ)，將模型適當?shù)亟Y(jié)合使用，可以有效地吸收不同模型的優(yōu)點，土地利用／覆蓋變化模擬與預(yù)測將更加準確可信。但土地利用／覆蓋變化的“完全”模擬依然存在挑戰(zhàn)，由于LUCC涉及自然要素和社會經(jīng)濟要素等因素，在不同空間尺度內(nèi)（局部、地區(qū)、國家、全球）、時間空間尺度內(nèi)自然數(shù)據(jù)與經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)不能很好地匹配，使得模擬和預(yù)測的結(jié)果存在誤差。因此，模型的進一步發(fā)展應(yīng)彌補以上不足，以更好地模擬并預(yù)測土地利用／土地覆蓋變化。

4）在LUCC研究過程中要注重結(jié)合國家發(fā)展需求和國家相關(guān)政策。國家建設(shè)生態(tài)文明與可持續(xù)發(fā)展的大方向必然要退耕還林、植樹造林、節(jié)約資源，LUCC研究要緊密結(jié)合國家相關(guān)需要展開研究，在研究中服務(wù)國家發(fā)展需求。