謝一茹，高培超 ，葉思菁，沈 石，張瀟丹

1. 北京師范大學(xué) 環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；

2. 北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；

3. 北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 地理數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析中心，北京 100875

0 引 言

人類的開發(fā)和利用是造成地球表面尤其是陸地表面改變的主要原因[1-2]。人類對地表改造的目的是為了獲取更多的土地資源以滿足人類在發(fā)展過程中的多樣需求[3]。然而，土地資源是有限的，為了滿足需求而不合理地改造地表會(huì)直接影響生態(tài)環(huán)境、生物多樣性等諸多方面，這樣的改造帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和資源短缺問題已經(jīng)使人類為了自身生存和發(fā)展而不得不去思考和關(guān)注[4]。因此，為了使土地在滿足人類需求的同時(shí)能夠被充分、合理地利用，土地在未來的改造需要政策規(guī)劃和引導(dǎo)，土地變化模擬成為人類對未來土地規(guī)劃的重要手段和依據(jù)[5]。土地變化模擬通過對未來土地變化軌跡和發(fā)展模式的預(yù)測，得到未來不同發(fā)展情景下最適宜的土地利用空間格局[6]。它既能通過特定情景的預(yù)測結(jié)果對可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考和決策支持，也能夠在多個(gè)情景的預(yù)測結(jié)果對比中揭示土地變化在不同自然社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境中的響應(yīng)[7]。

土地變化模型是用于模擬土地空間格局變化的重要工具，一直以來都是土地變化研究的核心內(nèi)容[8-10]。早在1989年，Baker[11]便指出學(xué)術(shù)界已研發(fā)出整體性景觀模型、分布式景觀模型、空間景觀模型等不同的土地變化模型。2000年前后，人類決策過程開始納入模型、人地系統(tǒng)耦合機(jī)制被廣泛探討，元胞自動(dòng)機(jī)模型、模擬城市擴(kuò)張模型等空間網(wǎng)格模型應(yīng)運(yùn)而生[12]。戴爾阜等[12]根據(jù)人們對人地系統(tǒng)認(rèn)識(shí)需求的增加將土地變化模型根據(jù)模型方法分為機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)模型、元胞模型、經(jīng)濟(jì)學(xué)方法模型、多主體模型和混合方法模型共5個(gè)類別。其中，機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)模型作為基于數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)方法[13]，其優(yōu)勢在于不依賴于復(fù)雜的土地變化機(jī)理過程，依靠充足的格局相關(guān)數(shù)據(jù)即可進(jìn)行土地變化模擬。在統(tǒng)計(jì)模型中，以邏輯回歸建立土地與生物物理經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的CLUE（Conversion of Land Use and its Effects）系列模型自公開以來受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛使用，本文將聚焦于CLUE系列的最新進(jìn)展的最新版本——CLUMondo模型。

CLUMondo模型是van Asselen和Verburg 2013年提出的應(yīng)用于大尺度區(qū)域的土地變化模型[14]。該模型是一個(gè)能夠同時(shí)滿足多種外生需求驅(qū)動(dòng)土地變化的動(dòng)態(tài)、空間顯式模型，是以土地系統(tǒng)為研究單元，根據(jù)需求和區(qū)域自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)空間特征模擬土地系統(tǒng)變化的前瞻性模型[3,14-15]。自提出以來在全球、國家及省市等不同空間尺度均得到應(yīng)用。相比于其他土地變化模型，CLUMondo的優(yōu)勢在于：能夠在土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上使用表征土地利用強(qiáng)度（或類型占比）的土地系統(tǒng)進(jìn)行土地變化的模擬；在CLUMondo允許滿足的多樣需求中，不僅可以是對土地面積的直接需求，而且可以是土地所承載的間接需求；CLUMondo能夠反映供給（即土地系統(tǒng)類型）與需求之間多對多的對應(yīng)關(guān)系，不同土地系統(tǒng)類型的變化依靠這些需求驅(qū)動(dòng)。由于CLUMondo模型的優(yōu)勢顯著，自模型面世以來，針對該模型的研究不斷增加，在多個(gè)領(lǐng)域開展多樣應(yīng)用。但面對日益紛雜的CLUMondo模型研究，目前缺乏關(guān)于該模型研究的綜述。因此，本文旨在對已有CLUMondo研究進(jìn)行總結(jié)與分析，并嘗試為模型的未來發(fā)展指明方向。

1 CLUMondo核心原理與文獻(xiàn)計(jì)量

1.1 核心原理

在介紹CLUMondo模型的原理之前有必要介紹土地系統(tǒng)的概念。土地系統(tǒng)在CLUMondo中是指一種土地分類數(shù)據(jù)，既可以是簡單的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，亦可以是基于土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理得到的、反映與土地相關(guān)的特征的分類數(shù)據(jù)。

CLUMondo本質(zhì)是一個(gè)需求驅(qū)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，模型將用戶輸入的土地系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)在一定內(nèi)部機(jī)制下不斷迭代、配置、更新，最終輸出滿足需求的土地系統(tǒng)空間分布預(yù)測數(shù)據(jù)。在模擬過程中驅(qū)動(dòng)土地發(fā)生轉(zhuǎn)變的是不平衡的“供”與“需”，具體解釋為當(dāng)前土地系統(tǒng)所提供的供給量與設(shè)定需求的不平衡。當(dāng)供需差距超過一定閾值，需求將驅(qū)動(dòng)土地發(fā)生變化，直到所配置的土地系統(tǒng)供給與需求的差距小于設(shè)定閾值，模型停止迭代。模型邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CLUMondo的邏輯架構(gòu)（改自文獻(xiàn)[16]）Fig.1 The logical framework of CLUMondo（modified from reference [16]

在模型迭代過程中，土地轉(zhuǎn)變?yōu)楹畏N類型由每個(gè)地塊的土地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換潛力決定。土地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換潛力具體解釋為一個(gè)地塊發(fā)生土地系統(tǒng)類型的轉(zhuǎn)變時(shí)每種類型出現(xiàn)的概率，模型將會(huì)為每個(gè)地塊配置概率最高的土地系統(tǒng)類型。土地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換潛力受4個(gè)因素影響。

1）土地系統(tǒng)適宜性。通過邏輯回歸建立土地系統(tǒng)現(xiàn)狀與區(qū)域自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)特征之間的關(guān)系，并在未來土地發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)根據(jù)邏輯回歸方程提供每種類型出現(xiàn)概率的參考。

2）競爭優(yōu)勢。由于每種土地系統(tǒng)類型對需求的供給能力不同，模型會(huì)根據(jù)每種土地系統(tǒng)類型的供給能力分配不同的競爭優(yōu)勢，供給能力越強(qiáng)的土地系統(tǒng)類型其競爭優(yōu)勢越大，越能分配更多的面積。

3）土地系統(tǒng)特征。包括土地轉(zhuǎn)換特征和鄰域特征，土地轉(zhuǎn)換特征具體解釋為根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況限制某些土地系統(tǒng)類型之間的轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換的難易程度，如水域類型不能轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，林地比建設(shè)用地更容易轉(zhuǎn)換為耕地。鄰域特征具體指由于土地?cái)?shù)據(jù)的空間自相關(guān)性，一個(gè)地塊周圍土地的類型將會(huì)影響該地塊類型的判斷，如周圍全部是耕地的地塊也成為耕地的概率將大于成為其他類型。

4）禁止轉(zhuǎn)換區(qū)域。指由于國家政策或發(fā)展要求，一些區(qū)域不允許土地發(fā)生變化，模型將禁止對區(qū)域范圍內(nèi)的土地進(jìn)行再分配。

1.2 文獻(xiàn)計(jì)量分析

文獻(xiàn)檢索時(shí)間為2013年1月至2021年1月，檢索數(shù)據(jù)庫為Google Scholar，文獻(xiàn)檢索方式為強(qiáng)制匹配CLUMondo關(guān)鍵詞。共計(jì)檢索中英文文獻(xiàn)101篇，排除提及CLUMondo但并未使用的文章，統(tǒng)計(jì)自CLUMondo提出以來使用該模型的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量及趨勢（圖2）。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，CLUMondo研究在近4年（2017―2020年）的文獻(xiàn)數(shù)量增多，且在2020年顯著增加，文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢，未來研究有較大的探索空間，CLUMondo模型在土地變化模型中正逐漸流行。

圖2 使用CLUMondo的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 The statistical result of the published quantity of CLUMondo literature

2 CLUMondo應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 土地系統(tǒng)的制備方法

前文中指出共有兩種土地系統(tǒng)，分別是土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)和再分類產(chǎn)品。前者通常直接獲取和使用，后者需要一定的制備方法。對于基于土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)一步制備的土地系統(tǒng)，其制備的本質(zhì)是對土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類細(xì)化。分類標(biāo)準(zhǔn)取決于研究需要，反映了與土地相關(guān)的特征[3,17]?；趦舫跫壣a(chǎn)力劃分耕地類型[18]、基于牲畜密度劃分土地利用強(qiáng)度[3,15,19]、基于土地覆蓋占比劃分土地類型[17,20-23]等，這些特征也可以混合使用、多標(biāo)準(zhǔn)地分類。其中，基于土地利用/覆蓋占比劃分土地類型是最廣泛使用的分類標(biāo)準(zhǔn)，是許多研究中制備土地系統(tǒng)的第一層標(biāo)準(zhǔn)。土地利用/覆蓋占比數(shù)據(jù)可直接獲取或自行制備。對于直接獲取，當(dāng)前已有較多土地占比數(shù)據(jù)公開發(fā)布[24]并可免費(fèi)獲取與使用；對于自行制備，原始土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)要求具備較高空間分辨率（30 m），通過對高分辨率柵格數(shù)據(jù)升尺度至相對低分辨率（1 km）的柵格數(shù)據(jù)，便可在相對低分辨率的柵格中計(jì)算出占比結(jié)果[17]。

2.2 模擬變化的宏觀需求

本文歸納已有研究中涉及的需求，主要集中于糧食、牲畜、人口和生態(tài)環(huán)境4個(gè)方面。鑒于CLUMondo模型能夠同時(shí)滿足多需求的特征，研究通過多情景設(shè)置的方法同時(shí)考慮多個(gè)需求。這4方面需求的研究分別占已有研究的76%、64%、48%和44%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，已有研究中約32%同時(shí)探究了糧食、牲畜和人口需求[14-15]，約32%同時(shí)探究了糧食、人口和生態(tài)環(huán)境需求，約20%同時(shí)探究了糧食、牲畜和生態(tài)環(huán)境需求。

需求在模型中具體表現(xiàn)為不同指標(biāo)的設(shè)置。在糧食需求中，約17篇89%的研究根據(jù)糧食產(chǎn)量指標(biāo)探究土地變化的軌跡和發(fā)展方向，約4篇21%的研究直接根據(jù)耕地面積指標(biāo)，約兩篇10%的研究同時(shí)使用糧食產(chǎn)量與耕地面積指標(biāo)預(yù)測未來土地發(fā)展方向。在牲畜需求中，11篇92%的研究將牲畜頭數(shù)或牲畜密度作為指標(biāo)，有兩篇間接通過牧草地面積探究未來土地變化對牲畜產(chǎn)生的影響。人口需求由人口數(shù)量和建設(shè)用地面積指標(biāo)反映，16篇94%的研究根據(jù)建設(shè)用地面積探究城市擴(kuò)張情況，以達(dá)到承載人口的需求，有1篇研究直接以人口數(shù)量判斷未來土地系統(tǒng)發(fā)展格局。在生態(tài)環(huán)境需求中，已有研究反映在碳存儲(chǔ)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以及自然用地（林地、保護(hù)區(qū)）面積中，以林地面積作為指標(biāo)的研究約占所有需求研究的64%，有7篇。其他針對性需求根據(jù)不同研究未來發(fā)展的側(cè)重設(shè)置了不同指標(biāo)，如生物多樣性保護(hù)指標(biāo)、文化需求指標(biāo)、氣候變化指標(biāo)等。

2.3 多對多供需關(guān)系的量化方法

已知CLUMondo研究中使用的多對多供需關(guān)系的量化方法總結(jié)為兩步。第一步將需求空間化。CLUMondo中可使用的多樣需求包括與土地利用無直接關(guān)聯(lián)的，如生物多樣性保護(hù)、人口密度，這些需求并非均以空間數(shù)據(jù)的形式表達(dá)，需要通過數(shù)據(jù)空間化的方法實(shí)現(xiàn)在空間上的表達(dá)。第二步將土地系統(tǒng)與需求疊置，計(jì)算第i種土地系統(tǒng)類型的單位需求供量ωi。以一個(gè)簡單的示例（圖3）作為演示，計(jì)算土地系統(tǒng)類型1的單位需求供量ω1的方法為：對整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)土地系統(tǒng)類型1所對應(yīng)的需求量d求和，得到土地系統(tǒng)類型1供應(yīng)的總需求量D1，后用總需求量D1除以土地系統(tǒng)類型1的總面積S1即得到土地系統(tǒng)類型1的單位需求量。計(jì)算公式如下：

圖3 土地系統(tǒng)單位需求供量的計(jì)算演示Fig.3 Calculation schematic diagram of unit demand supply of land system

式中，ωi為第i種土地系統(tǒng)類型供應(yīng)的單位需求量；Di為第i種土地系統(tǒng)類型供應(yīng)的總需求量；di為與第i種土地系統(tǒng)類型對應(yīng)的每個(gè)像素的需求量；Si為第i種土地系統(tǒng)類型的總面積。

2.4 模型耦合研究

目前已有的與CLUMondo耦合的模型包括InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型[25]和 BBN（Bayesian Belief Network）模型[26]。這些耦合模型依靠從CLUMondo模型中輸出的土地空間分布數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，探究土地變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響，進(jìn)而評估和判斷政策或發(fā)展目標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響。Nie等[25]使用CLUMondo模型得到不同主體功能區(qū)規(guī)劃政策下2030年的土地空間分布，并與InVEST模型耦合，同時(shí)借助其他數(shù)據(jù)得到2030年碳存儲(chǔ)狀況及2015―2030年碳存儲(chǔ)的變化情況。Zhu等[26]采用CLUMondo模型模擬出2025年土地利用圖，使用BBN模型基于CLUMondo的模擬結(jié)果以及相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測2025年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間概率分布。這兩個(gè)模型與CLUMondo模型耦合的方法相似，先利用CLUMondo模型得到未來土地系統(tǒng)空間分布圖，后將空間分布圖作為InVEST模型和BBN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入數(shù)據(jù)之一，最終計(jì)算出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)結(jié)果。

3 相關(guān)改進(jìn)

當(dāng)前，未有針對CLUMondo模型的改進(jìn)研究，但是對其前身、使用非常廣泛的CLUE-s（Conversion of Land Use and its Effects at Small region extent）模型確有改進(jìn)研究，也同樣適用于CLUMondo模型，卻未在CLUMondo模型中應(yīng)用。CLUE-s模型的改進(jìn)主要包括：Logistic回歸改進(jìn)和土地需求的設(shè)置[27-28]兩類。對于Logistic回歸改進(jìn)，由于Logistic回歸模塊內(nèi)部的運(yùn)算可與CLUE-s和CLUMondo模型分離，因此可通過改進(jìn)Logistic回歸、并將回歸結(jié)果引入模型的方式改進(jìn)模型。Jiang等[29]、Mei等[30]將空間自相關(guān)因子、豐度因子引入Logistic回歸以考慮土地?cái)?shù)據(jù)的空間效應(yīng)，改進(jìn)結(jié)果的精度評價(jià)，顯示出改進(jìn)回歸后的模擬結(jié)果比原本結(jié)果的精度更高。對于土地需求設(shè)置，劉欣等[31]使用嵌入CLUE-s的灰色預(yù)測模型和目標(biāo)優(yōu)化模型計(jì)算需求，改進(jìn)后的模型模擬精度Kappa系數(shù)達(dá)到0.88，說明改進(jìn)能夠?qū)ρ芯繀^(qū)起到良好的模擬效果。梁友嘉等[32]改進(jìn)未來土地需求計(jì)算，使用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測2000―2035年不同情景下土地利用類型的需求量，并通過CLUE-s模型實(shí)現(xiàn)基于需求的土地變化模擬，改進(jìn)后模型的整體精度較高。

4 結(jié) 論

本文聚焦土地變化模型中能夠滿足多對多供需關(guān)系動(dòng)態(tài)、空間顯式模型CLUMondo，詳細(xì)總結(jié)歸納了該模型的核心原理、文獻(xiàn)計(jì)量分析、應(yīng)用現(xiàn)狀及改進(jìn)。首先，介紹模型的核心原理，在迭代過程中，由土地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換潛力決定土地轉(zhuǎn)換類型，土地系統(tǒng)轉(zhuǎn)換潛力有4個(gè)影響因素；其次，根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量分析發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢，模型正逐漸流行；然后，對已有研究中土地系統(tǒng)制備方法、宏觀需求、多對多供需關(guān)系量化方法，以及與CLUMondo耦合的模型進(jìn)行歸納和詳細(xì)解釋；最后，針對模型的相關(guān)改進(jìn)提出見解。

本文在總結(jié)歸納上述4方面內(nèi)容后，認(rèn)為CLUMondo是土地變化模型中獨(dú)具優(yōu)勢、將日益成為主流的模型，可能成為未來土地變化的核心模型。在繼續(xù)應(yīng)用CLUMondo解決更多領(lǐng)域多樣問題的同時(shí)，為了使模型向著更加貼合實(shí)際的方向模擬土地變化，對決策和規(guī)劃的制定提供更加有力的支持，建議對模型內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制和外部嵌入模塊進(jìn)行改進(jìn)。以下是對CLUMondo研究在模型自身和模型耦合兩方面的展望。

1）CLUMondo模型自身研究，仍未有針對模型中的Logistic回歸方法的改進(jìn)研究。如果將autologistic回 歸[33]、multinomial logistic回 歸[34]、NE-logistic回歸[30]等應(yīng)用于CLUMondo，這些已經(jīng)應(yīng)用于CLUE-s模型的改進(jìn)將同樣適用于CLUMondo模型。

2）CLUMondo模型耦合研究，尚未有與主流目標(biāo)優(yōu)化模型等的耦合。借助CLUMondo模型需求類型豐富、不限于土地面積的直接需求特點(diǎn)，可將這些模型作為CLUMondo模擬土地變化的需求輸入模型，使得CLUMondo預(yù)測更加科學(xué)合理。