A. 土地利用/土地覆被變化研究進展
曹銀貴1，2 王靜1 程燁1，2 郝銀3 許寧1，2
（1.中國土地勘測規劃院土地利用重點實驗室，北京，100035；2.中國地質大學土地科學技術系，北京，100083；3.湖北省荊州市土地整理中心）
摘要：綜合敘述土地利用/覆被變化研究20 多年來的研究進展，總結了在土地利用數量變化研究、驅動力研究、土地利用變化模擬研究方面取得的豐碩成果。一方面是驅動力因子的多樣性；另一方面是土地利用變化模擬方法的交叉性，從數量模擬研究轉向空間模擬研究，從單方法模擬研究轉向多種方法結合的模擬研究，從生物物理驅動力的建模方式轉向生物物理驅動力與社會經濟驅動力相結合的建模方式，未來研究則要加強精度的要求，使其研究成果能真正引導土地利用規劃。
關鍵詞：土地利用/土地覆被變化；驅動力；土地利用變化模擬
土地利用/覆被變化（LUCC）研究於1995年啟動。10餘年間，LUCC 研究始終是全球變化研究的熱點之一，並取得了豐碩的研究成果［1］。除了體現在 LUCC 監測技術、驅動力、生態環境效應和建模研究等不同方面外，LUCC 研究在理論上也取得了非常大的突破。土地利用/覆被變化研究之所以能夠取得重大突破，一方面是因為土地利用/覆被變化是引起其他全球變化問題的主要原因，因而在全球環境變化與可持續發展研究中佔有重要地位；另一方面是因為地球系統科學、全球環境變化以及可持續發展涉及到自然和人文多方面的問題，而在全球環境變化問題中，土地利用/覆被變化可以說是自然和人文過程交叉最為密切的問題［2］。LUCC 的研究起初是從全球變化研究入手，發展到現在，開始重視典型區的研究；從簡單的數量研究發展到空間變化上的研究；從簡單的土地利用轉換的研究發展到生態足跡、能流與物流的轉換研究。總的來看，LUCC 的研究是越來越微觀，在此簡要回顧一下 LUCC 研究的進展。
土地覆被是指存在於地表的植被（自然的或者是種植的）以及人工建築，例如水體、冰面、裸露的岩石、沙地都可以認為是具體的一種土地覆被形式［3］，土地利用則定義為同時包括改變土地生物物理屬性的利用方式和產生這種利用方式的目的［5］。土地利用的形式是多種多樣的，耕地、林地、園地等都是土地利用的類型。從土地覆被與土地利用二者的含義來看：土地覆被主要是指自然的地表形態，而土地利用重在突出人類的社會經濟活動對土地資源的作用，體現出了土地的使用狀況或土地的社會、經濟屬性；因此土地利用和土地覆被構成了土地的兩種屬性［2］。通常情況下，土地覆被的變化會影響土地利用決策，土地利用變化則會導致土地覆被變化，再影響到土地利用決策，從而產生新一輪的土地利用變化［4，5］。由於當代的土地覆被變化主要是人類對土地利用影響造成的，所以認識土地利用變化，是了解土地覆被變化的首要條件。
自20世紀90年代以來，全球環境變化研究領域逐漸加強了對土地利用/覆被變化的研究。「國際地圈與生物圈計劃」（IGBP）和「全球環境變化人文計劃」（IHDP）於1995年共同發起了「土地利用/覆被變化」（LUCC）研究計劃，並於1996年提出了5個關於土地利用/覆被問題及3個焦點［6］。5個框架問題是：①過去的300年中人類的活動是如何改變土地覆蓋的？②在不同的歷史階段、不同地理單元，土地利用變化的主要人為因素是什麼？③在今後50～100年中土地利用變化將如何影響土地覆蓋？④直接的人文和生物物理過程是如何影響特定土地利用類型的承載力的？⑤氣候和全球生物地球化學作用怎樣影響土地利用和土地覆蓋？反之又如何？3個焦點是：①土地利用動態變化——典型對比分析研究；②土地覆被動態變化——直接觀察和診斷模型；③區域的與全球的模式——綜合評價的框架。總的來看，土地利用變化研究主要是理解土地利用變化的原因和結果，同時模擬土地轉換的時空類型［7］。
1 土地利用數量變化研究
區域土地利用變化包括土地利用類型的面積變化、空間變化和質量變化［8］。面積變化首先反映在不同類型的總量變化上，通過分析土地利用類型的總量變化，可了解土地利用變化總的態勢和土地利用結構的變化［9］。目前土地利用的數量變化指標有：土地利用變化的幅度、土地利用變化的速度和土地變化的區域差異。通過各地類之間的轉化，得出土地利用的轉化矩陣。
2 驅動力研究
有關 LUCC 驅動力的研究是探索 LUCC 驅動機制的核心問題［10］。Riebsame 認為土地利用變化的預測研究是很艱難的，因為它需要了解土地利用變化的根本性的驅動力［11］，而土地利用預測模擬研究的先決條件是要確認最重要的驅動力［12］。縱觀國際上土地利用/覆被變化的驅動機制研究，目前主要是通過大量的案例與比較，探討土地利用/覆被變化的動力學機制［13］。Fu Congbin 認為土地利用/覆被變化的驅動力是：氣候變化和人類活動［14］，由此可見驅動力研究指標的選取一方面與自然狀況有關；另一方面與人類活動有關。因此驅動力通常分為生物物理（bio-physical）和社會經濟（socio-economic）兩大類。生物物理驅動力包括自然環境的特徵和過程，例如氣候變化、地形、火山爆發、植物演替、土壤類型和過程、自然資源的有效性等［15］；而社會經濟驅動力則包括人口變化、貧富狀況、技術進步、經濟增長、政治經濟結構以及價值觀念等［6，16，17］。有的時候驅動力與被觀察的土地利用變化在空間或時間上相差甚遠，經常涉及宏觀經濟政策的轉變和政策的變化，這些都是很難預測的［18］。由於不同區域土地利用的驅動機制存在一定的差異，因此驅動力方面的研究都是以單一的區域為研究對象。A.Veldkamp 認為土地利用變化的驅動力因子隨著比例尺的不同而發生變化：在農田比例尺的情況下，主要是由社會性的和易近性的驅動因子在起作用；在景觀研究尺度內，主要考慮的是地形和農業氣候條件；在區域和國家尺度下，氣候、人口和宏觀經濟政策將共同作用［12］。
2.1 生物物理驅動力
對於區域性的土地利用/覆被變化研究而言，生物物理方面的驅動力對土地變化的影響在一個比較短的時間段內是比較小的，通常也是不顯著的。石瑞香的研究表明，自然（氣候）因素並未構成樣帶上近年來土地利用（尤其是耕地）變化的主要驅動力［19］，但是並不是沒有影響的。鄒亞榮在中國農牧交錯區土地利用變化的研究中表明，青藏高原的上升是晚新生代北半球氣候變化的重要驅動力，引起了我國北方氣候的乾旱，對我國農牧交錯區的形成，特別是對東部草地變化產生了影響［20］。葉寶瑩在嫩江中上游地區的土地利用變化研究中選取了高程、坡度作為土地利用變化驅動力的指標，結果表明二者與土地利用變化的線性關系明顯［21］。地貌類型也會影響土地利用的變化，草地受地貌條件的影響與控制較耕地小［22］；城市的邊緣區的土地利用會受到地形的影響，北京城鄉過渡區的土地利用變化的發展趨向，在地域上深受西北部山地的阻力作用，可能會形成不對稱發展［23］。袁俊在湖北省土地利用變化的研究表明，湖北省土地利用年變化率較低，主要是由特殊的地形限制的［24］。趙庚星認為50年前黃河三角洲地區的土地利用變化主要是受氣候因素、風暴潮和黃河改道等自然因素驅動［25］。
2.2 社會經濟驅動力
土地利用是社會的一面鏡子［26］，土地利用變化能夠很好地反映社會經濟發展的歷程。土地資源條件雖是土地利用結構形成的決定性因素（基礎因素），但是對於人類活動而言，這種變化是緩慢的，Elena G.Irwin 認為人類活動是引起土地利用變化的一個主要成分［7］，因此分析社會經濟因素對土地利用變化的作用擺在首要的位置［27］。陳百明認為在社會經濟驅動力方面，土地利用變化與人口增長之間有明顯的聯系，但同時這一變化與技術進步、富裕程度、經濟狀況，以至文化、宗教、軍事等之間也能找到一定的相關關系［28］。並且大部分的案例研究都突出了政策對土地利用變化的重要作用，例如京都草案這一國際性的環境政策將對未來的土地利用變化產生深遠的影響［29］。龍花樓研究表明幾年或幾十年的土地利用變化主要是由人類的社會經濟活動影響所導致［30］。袁俊認為城鎮人口的迅速增長、第二產業的發展、對土地產品的需求變化和交通條件及政府政策等社會經濟驅動力導致了湖北省的土地利用變化［24］。周青在農地利用變化驅動機制的理論分析的基礎上，構建了農地利用變化強度的指標體系，在指標體系中特別引入了鄰近城市的輻射和耕地保護政策對土地利用變化的影響［31］。陳百明為深入分析和認識耕地佔用與 GDP增長的關系，運用了 Decoupling （脫鉤）理論，開展我國耕地佔用與 GDP 增長的脫鉤研究，揭示了我國各類區域耕地佔用與 GDP增長的相互關系的典型模式［32］。王秀蘭認為隨著人口數量的變化，供人類生活、生存所需的耕地資源數量在不斷地變化，因而，耕地的生態環境背景質量發生著相應的變化［33］。對於城市土地利用而言，交通條件對土地利用類型的轉變起到了內因作用，轉化為城鎮用地的土地利用類型與距交通干線的距離有一定關系［13］。
3 土地利用變化驅動力模擬
土地利用系統的復雜性需要多學科的分析［34］。A.Veldkamp 認為土地利用模型應該代表土地利用系統部分的復雜性；能夠檢驗社會和生態系統結合的穩定性［12］。土地利用變化模擬是為了明確土地利用變化的原因，定量地證明多個因素對某一個因素的關系和影響，不同的模擬方法已經在土地利用變化中得到廣泛應用。起初，土地利用變化模擬的研究重在生物物理因子方面的模擬研究，例如海拔、坡度、土壤類型等。後來根據研究的需要，土地利用變化社會經濟驅動力方面的數據整合到模型中［35］。但是社會經濟指標缺少空間上的簡化數據，這樣將很難將社會和自然數據結合起來。A.Veldkamp 認為生物物理過程的空間單元和行為組織者決策的空間單元是不一樣的［12］。
在土地利用變化模擬研究的開始階段，基本上都是從數量上進行研究，後來由於遙感技術、空間地理信息系統技術的發展，從空間上實現了土地利用變化的模擬。同時研究的方法也有很大的提升，從單一方法的模擬研究發展到多種方法的結合。
3.1 土地利用變化的數量模擬
土地利用變化的數量模擬是從數量的角度來分析模擬土地利用變化的過程。彭文甫首先利用因子分析的方法，確定了影響土地利用變化的相關因子，然後採用多元線性回歸分析的方法，預測了土地利用的變化［36］。王波利用多元相關分析的方法對經濟管理體制對土地利用變化進行了模擬，用具體的產值代替了無法量化的經濟管理體制［37］。張海龍利用馬爾柯夫模型，確定了渭河盆地各土地利用類型之間相互轉化的初始轉移概率矩陣，從數量上預測了該研究區土地利用變化［38］。雖然馬爾柯夫模型在土地利用變化數量研究上表現出較好的應用性，但是由於這種預測是以末期和基期的時間間隔為預測單位，所以只能預測時間間隔整數倍的特定時期的情況，其靈活性和適用性受到限制［39］。由於灰色預報模型克服了統計回歸分析方法需要大樣本序列的弊端，吳素霞利用該方法預測了石家莊地區未來15年內耕地面積的變化趨勢［40］。吳普特採用 BP 神經網路的方法對耕地減少進行了預測，將影響耕地變化的各驅動因子作為神經網路的輸入層神經元，將耕地面積作為輸出層神經元，經過反復的訓練模擬，表明採用 BP 神經網路的方法在預測耕地資源減少量時精度較高，可靠性較好［41］。另外還有利用元胞自動機的方法研究土地利用變化，重在空間上的變化模擬。
3.2 土地利用變化的空間模擬
土地利用變化的空間模擬主要是從土地利用/覆被在時間序列上的變化過程進行模擬預測，另外還包括從主要的驅動力入手進行空間上的模擬預測。土地利用變化的空間模擬主要是在一些空間變數間建立關系函數，並模擬預測土地利用變化［42］。眾多學者在高度集聚尺度下進行土地利用變化的空間簡化模型研究，例如單個的景觀元胞。同時利用遙感影像獲得空間研究數據，使與土地利用變化相關的基本地理單元和環境過程概念化［7］。Kasper Kok提出了土地利用轉換及效應（CLUE）模型框架，這是一個合理的少見的空間簡化土地利用模型，該模型用來分析復合比例尺條件下的土地利用變化問題［43］。擺萬奇利用Logistic逐步回歸模型，從空間上確定了主要的驅動因素及其定量關系［10］。葉寶瑩在GIS的支持下，利用空間相關分析篩選出影響土地利用變化的主要因子，並利用空間多元線性回歸函數求得研究區土地利用程度變化模型［21］，目前應用較多的是將多種研究方法綜合起來運用。Bryan C.Pijanowski 將 GIS 和神經網路結合起來研究土地利用轉換模型（LTM），從空間上來模擬土地利用變化的復雜過程，這一模型把社會經濟、政策和環境等變數作為輸入，並建立起了土地利用變化與公路、高速公路、居民點道路、河流、湖岸線之間的空間函數關系［42］。現階段土地利用變化的模擬主要是針對單一的土地利用類型的變化模擬，例如國際上許多學者利用元胞自動機（Cellular Automata）開展城市增長的模擬研究［44，45，46］。有研究者利用神經網路的元胞自動機來模擬復雜的土地利用，整個模型的結構十分簡單，用戶不用自己定義轉換規則及參數，該模型是在ARC/INFO GRID環境下利用AML宏語言寫成［47］。侯西勇運用馬爾柯夫的元胞自動機模型模擬研究區2010年土地利用的數量和空間分布，結果比較可信［48］。
4 土地利用模型的精度分析
土地利用模型的精度分析又叫模型的不確定性評價，反映數據輸入及模型本身存在的不確定性和產生的結果［49］。模型的不確定性包含輸入數據的不確定性和模型結構的不確定，遙感數據的獲取會存在不確定性，例如在其糾正時採用的地面控制點的誤差是不可能消除的，糾正過的遙感數據或圖像產品也始終不能與地面實況完全一致，不同程度上存在著殘余誤差［50］。同時在影像解譯的過程中也會出現適當的誤差而產生不確定性。另外在數據轉換的過程中，比如矢量到柵格的轉換，就會產生新的不確定性。由於模型的結構是基於數學方法，用簡化的數學模型來模擬復雜的行為，這也是一種非常重要的不確定性。為了減小不確定性，應該避開矢量—柵格數據的轉換過程，同時使用高解析度的土地利用數據，在模擬分析的過程中，分類型單獨預測模擬，然後再綜合分析［48］。
為了增強土地利用變化科學的研究，必須從三個方面入手。首先是數據方面的准確性，其次是方法的先進性；再次是理論的新穎性，這三個方面是相互聯系的。在土地利用變化研究的過程中，要重點突出決策層思想，在空間上體現人類活動對土地利用變化的影響。要更好地發展土地利用變化的經濟模型，這需要比較成熟的空間經濟理論作為支撐，這樣才能解釋移民、僱用增長、政府行為的時空類型，這些都會影響到土地利用變化。利用相關模型分析土地利用的環境影響評價、政府決策和政策形成。同時在土地利用變化研究的過程中，應該注重多種方法的結合，選擇精度最優的方法來提高研究成果的可信度與參考性。
參考文獻
［1］路雲閣，蔡運龍，許月卿.走向土地變化科學——土地利用/覆被變化研究的新進展［J］.中國土地科學，2006，20 （1）：55～61
［2］王秀蘭，包玉海.土地利用動態變化研究方法探討［J］.地理科學進展，1998，10 （5）：51～54
［3］FAO.Integrated approach to the planning and management of land resources.Draft report of the UNSecretary-General on the implementation of Chapter 10 of Agenda 21 to the Commission on Sustainable Development ［R］，Roma，1994
［4］於興修，楊桂山.中國土地利用/覆被變化研究［J］.地理科學進展，2002，21 （1）：51～57
［5］Turner II，B.L.，W.B.Meyer etal.Global land use/land cover change：towards an integrated program of study.Ambio，1994，23 （1）：91～95
［6］Land use and land cover change science/resesrch plan.IGBP Report No.35：8
［7］Elena G.Irwin，Janqueline Geoghegan.Theory，data，methods：developing spatially explicit economic models of land use change ［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2001，85：7～23
［8］李長榮，邢玉芬，朱健康等.高吸水性樹脂與肥料相互作用研究［J］.北京農業大學學報，1989，15 （2）：187～192
［9］李忠鋒，王一謀，王建華等.基於 RS 與 GIS 的榆林地區土地利用變化分析［J］.水土保持學報，2003，17 （2）：97～99
［10］擺萬奇，閻建忠，張鐿鋰.大渡河上游地區土地利用/土地覆被變化與驅動力分析［J］.地理科學進展，2004，23 （1）：71～78
［11］Riebsame，W.E.，Meyer，W.B.etal.Modelling land use and cover as part of global environment change.Clim.Change 28：45～64
［12］A.Veldkamp，E.F.Lambin.Predicting land－use change ［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2001，85：1～6
［13］史培軍，陳晉，潘耀忠.深圳市土地利用變化機制分析［J］.地理學報，2000，55 （1）：151～160
［14］Fu Congbin，Ye Duzheng.Recent progress on global change research in China ［J］.Advance in Earth Science，1995，10 （1）：62
［15］Briassoulis，H.Analysis of land use change：Theoretical and Modeling Approaches.http：//www.rri.wvu.E/WebBook/
［16］Stern，P.C.，O.R.Young etal.Global environment change：understanding the human dimension.National Research Council Report，Washington D.C.，1992
［17］擺萬奇，趙士洞.土地利用變化驅動力系統研究［J］.資源科學，2001，22 （5）：21～25
［18］Suzanne Serneels，Eric F.Proximate causes of land use in Narok District，Kenya：a spatial statistical model ［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2001，85：65～81
［19］石瑞香，康幕誼.NECT 上農牧交錯區耕地變化及其驅動力分析［J］.北京師范大學學報，2000，36 （5）：700～705
［20］鄒亞榮，張增祥，周全斌.中國農牧交錯區土地利用變化空間格局與驅動力分析［J］.自然資源學報，2003，18 （2）：222～227
［21］葉寶瑩，黃方，劉湘南等.土地利用/覆被變化的驅動力模型研究——以嫩江中上游地區為例［J］.東北師大學報自然科學版，2002，34 （1）：100～104
［22］鄧祥征，戰金艷.中國北方農牧交錯帶土地利用變化驅動力的尺度效應分析［J］.地理與地理科學信息，2004，20 （3）：64～68
［23］王靜愛，何春陽.北京城鄉過渡區土地利用變化驅動力分析［J］.地球科學進展，2002，17 （2）：201～208
［24］袁俊.湖北省土地利用變化及其驅動力分析［J］.國土與自然資源研究，2003，（4）：33～35
［25］趙庚星，李靜，范瑞彬.黃河三角洲土地利用及土地覆蓋變化驅動力分析［J］.西北農林科技大學學報，2003，31 （3）：117～122
［26］TuanY.F..Geography，phenomenology and the study of human nature ［J］.The Canadian Geographer，1971，15：181～192
［27］張惠遠，趙昕奕.喀斯特山區利用變化的人類驅動機制研究［J］.地理研究，1999，18 （2）：136～146
［28］陳百明.試論中國土地利用和土地覆被變化及其人類驅動力研究［J］.自然資源，1997，（2）：31～36
［29］Lambin，E.F..Our emerging understanding of the causes of land use and cover change.Global Environ.Change，in press
［30］龍花樓，王文傑，翟剛等.安徽省土地利用變化及其驅動力分析［J］.長江流域資源與環境，2002，11 （6）：526～530
［31］周青，黃賢金，濮勵傑.區域農地利用強度及其驅動機制研究［J］.長江流域資源與環境，2003，12 （6）：535～540
［32］陳百明，杜紅亮.耕地佔用與GDP增長的Decoupling研究［J］.中國土地資源戰略與區域協調發展研究論文集，2006，7～13
［33］王秀蘭.土地利用/土地覆蓋變化中的人口因素分析［J］.資源科學，2000，22 （3）：39～42
［34］Clayton，A.M.H.，Radcliffe，N.J..Sustainability：A Systems Approach.1996，Earthcan，London
［35］Turner II，B.L.，W.B.Meyer etal.Land use and land cover change.Science/Research Plan.Stockholm and Geneva：IGBP Report No.35，1995
［36］彭文甫，周介銘.近50年四川省耕地變化分析［J］.資源科學，2005，27 （3）：79～85
［37］王波，唐志剛，濮勵傑等.區域土地利用動態變化及人為驅動力初步研究［J］.土壤，2001，（2）：86～91
［38］張海龍，蔣建軍，解修平等.基於 GIS 與馬爾柯夫模型的渭河盆地景觀動態變化研究［J］.乾旱區資源與環境，2005，19 （7）：119～124
［39］陳浮，濮勵傑，彭補拙等.新疆庫爾勒市土地利用變化對土壤性狀的影響研究［J］.生態學報，2001，21 （8）：1290～1295
［40］吳素霞，毛任釗，李紅軍.石家莊地區耕地與人口數量變化動態及其預測［J］.乾旱地區農業研究，2005，23 （3）：8～12
［41］吳普特，員學鋒，汪有科.BP 神經網路在耕地減少預測中的應用研究［J］.中國農業資源與區劃，2005，26 （4）：39～41
［42］Bryan C.Pijanowski，Daniel G.Brown，Bradley A.Shellito etal.Using neural networks and GIS to forecastland use changes：a Land Transformation Model ［J］.Computers，nvironment and Urban Systems，2001，inpress
［43］Kasper Kok，Andrew Farrow，A.Veldkamp etal.A method and application of multi-scale validation in spatialland use models ［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2001，85：223～238
［44］Batty M，Xie Y.From cells to cities ［J］.Environment and Planning，1994，21：531～548
［45］White R，Engelen G，Uijee I.The use of constrained cellular automato for high-resolution modeling of urbanland use dynamics ［J］.Environment and Planning，1998，25：323～343
［46］Wu F，Webster C J.Simulation of land development through the integration of cellular automata and multicriteria evaluation.Environment and Planning，1998，25：103～126
［47］黎夏，葉嘉安.基於神經網路的元胞自動機及模擬復雜土地利用系統［J］.地理研究，2005，24 （1）：19～27
［48］侯西勇，常斌，於信芳.基於 CA-Markov 的河西走廊土地利用變化研究［J］.農業工程學報，2004，20 （5）：286～291
［49］Luijten.J.C.A tool for community-based water resources management in hillside watershreds ［A］.University of Florida，Gainesville，FL，1999
［50］畢繼成，郭華東，史文中等.遙感數據的不確定性問題［M］.北京：科學出版社，2004
B. 礦區土地利用變化及其擾動影響
土地利用變化是揭示區域環境變化的重要原因，已成為全球氣候變化和全球環境變化研究關注的重要內容（Sterling et al.，2012；Mooney et al.，2013）。土地利用變化過程傳遞著人類社會活動與自然生態環境之間的物質循環與能量流動（Mooney et al.，2013）。在土地利用變化的研究中，從早期的時空變化分析逐漸過渡到變化機理機制、生態環境效應及變化過程模擬預測（蔡運龍，2001；Kalnay et al.，2003；Bakker et al.，2005；Turner et al.，2007）。伴隨著研究的深入，各個研究層面的研究方法皆向系統化（武鵬飛等，2012）、精確化（羅婭等，2014）、定量化（劉紀遠，2014）、簡明化（馬彩虹等，2013）方向發展。
在土地利用變化研究中，典型區域土地利用變化的空間格局、變化規律及生態環境響應在土地利用研究的早期就頗受關注，特別是生態脆弱區、城鄉交錯區等（陳百明，1997）。目前，礦區土地利用變化已成為小區域研究的熱點（范忻等，2012）。第一，礦區尺度較小，並且受擾動比較劇烈，挖損、壓占、佔用、塌陷等土地損毀導致礦區土地利用結構在短時間內發生明顯變化（陳龍乾，2003），並且更容易辨析引起特定土地利用變化的驅動因素（張舟等，2013）。第二，礦區土地利用變化一般是基於資源開采為原動力的時空演變過程，是采礦活動對礦區生態環境的綜合反映（卞正富，張燕平，2006）。第三，在礦產資源開發之前，多數地方以農業生產為主，在礦產資源開發之後，雖然礦產資源開發成為礦區土地利用變化的主要驅動力。此外，還存在一些其他影響因素（王行風等，2011）。第四，礦區土地利用政策頗受地方政府關注，尤其是礦業城市。有些礦山企業在城市規劃圈范圍內，工礦廢棄地復墾成為城市建新區用地指標的主要來源，尤其是在允許建設區內（羅明等，2013）。
開展礦區土地利用變化研究意義重大。第一，有助於及時掌握土地利用類型分布、時空特徵及其變化過程，在驅動機制研究的基礎上，發展土地利用變化模擬技術，完善土地利用結構優化決策技術（包妮沙等，2008；陳百明，張鳳榮，2011），實現對土地利用變化方向、過程及效應的調控，為土地利用管理及生態環境保護提供科學依據（劉惠明等，2002；高翔等，2013）。第二，有助於探討土地利用類型復雜程度和結構穩定度在時空上的演變規律，為礦區土地復墾和生態修復提供參考（李保傑等，2013）。對於大型露天礦區而言，開展土地利用變化分析，可快速准確地掌握露天礦區由采前景觀變為開采景觀，開采景觀變為采後景觀過程中土地利用類型的時空結構、不同時期不同土地利用類型的變化情況及其發展趨勢（胡振琪，謝宏全，2005；畢如田等，2007；畢如田等，2008；Larondelle，Haase，2012），為露天礦區人工復合生態系統建設及生態重建規劃決策支持（謝宏全等，2007；韓武波等，2012），使得生態恢復方案外界影響小、操作性強、生態功能多樣（Doley et al.，2012）。
從具體研究成果來看，伴隨著遙感技術、地理信息技術的發展，礦區土地利用變化的研究取得了較大發展。重點是採用一系列定量模型與方法集中展現土地利用景觀格局的劇烈擾動（Haase ＆ Haase，2002）。在地形復雜地區，礦區土地利用景觀格局擾動更為明顯，采礦活動導致耕地減少，景觀破碎化程度越來越大（高翔等，2013），並且景觀質量衰退、穩定性減弱（邱文瑋，侯湖平，2013）。在平原地區，尤其是礦 糧復合區，土地利用景觀格局變化劇烈，轉換過於頻繁，集中表現為工礦建設用地增加，地表塌陷積水增加，農用地減少，很大程度上影響了礦區生態系統的平衡（卞正富，張燕平，2006；徐嘉興等，2013；范忻等，2012）。
對於露天礦區而言，露天開采使得礦區周圍原有的景觀格局嚴重受損，受損後的地形地貌景觀、土壤景觀、植被景觀等景觀要素及景觀格局形成了新的景觀綜合體系。這樣的景觀系統與周圍未受損景觀系統協調性差，具體表現是單調、生硬和不自然。同時形成了礦區土地利用變化的高速性、突發性、破碎性及景觀要素、結構間的關聯性和後效性等特點（魏忠義等，2012）。因此將露天開采擾動後形成的土地利用景觀恢復成可接受的、可持續的土地利用景觀成為人類活動必須的選擇（Bridgewater et al.，2011；Bullock et al.，2011）。以中國山西平朔露天礦區（160 km2）研究成果為例，曹銀貴和白中科（2006）、曹銀貴等（2007）採用土地利用類型的總變化率、年變化率揭示了礦區1990～2004年土地利用類型變化的過程，突出了土地利用類型之間的時空演變規律，並反映了礦區土地利用演變迅速、損毀劇烈的特點。葉寶瑩等（2008）研究成果表明，平朔露天礦區土地利用類型由簡單到復雜，由1976年的4種類型發展到2006年的12種類型，地表遭到強烈損毀。畢如田等（2008）研究指出：1990—2005年平朔露天礦區原地貌15年間平均每年減少1 km2左右，並且露采區的面積基本保持在7 km2左右，剝離區與復墾區面積有不斷增長的趨勢，但復墾區增長速度較剝離區增長速度快。
從目前已有的礦區土地利用變化研究成果來看，其研究區以采礦核心區居多，重點剖析了由於采礦活動和土地復墾工作帶來了土地利用類型變化（曹銀貴，白中科，2006；畢如田等，2007；葉寶瑩等，2008）。而針對礦區及其一定范圍內的周邊地區土地利用變化的研究較少。對礦業型城鎮而言，城鎮依礦業生產而建，部分城鎮所在地區也是農業生產區。在這種情況下，資源開采、農業生產、城鄉建設三者之間就存在以土地利用為載體的物質循環與能量流動。盡管做了很多努力，礦區可持續發展與采礦活動仍然不協調，采礦活動對土地利用的擾動有的甚至是災難性的，並且後續的土地利用都會受到前期采礦的影響（Worrall et al.，2009）。此次研究立足平朔礦區及其周邊區域，選取礦農城復合區開展土地利用變化研究，集中挖掘礦農城復合區發展過程中的土地利用特徵、變化規律及土地利用系統狀態，並深度分析土地利用變化驅動力。
C. 基於RS和GIS技術的龍口市土地利用時空變化監測與分析
徐秋曉1 於明洋2
（1.山東省地礦工程勘察院，濟南250014；2.山東建築大學土木工程學院，濟南250101）
作者簡介：徐秋曉（1979—），女，助理工程師，主要從事遙感、水文地質、環境地質勘查工作。
摘要：遙感技術與地理信息系統技術的發展，為研究全球變化和可持續發展提供了信息源和技術手段。而土地利用作為地球表層系統最突出的景觀標志，其變化是近年來全球變化研究的重要領域。本文以山東省龍口市作為研究區，應用基於遙感影像綜合理解模型的龍口市土地利用/土地覆蓋分類方法，建立地學規律知識庫，提取不同時期的土地利用類型。最後利用地學信息圖譜監測與分析土地利用的時空變化。
關鍵詞：土地利用；遙感影像；地學輔助信息；信息圖譜
遙感技術與地理信息系統技術的發展，為研究全球變化和可持續發展提供了信息源和技術手段。而土地利用作為地球表層系統最突出的景觀標志，其變化是近年來全球變化研究的重要領域。只有對土地利用時空變化進行監測與分析，更好地了解土地利用變化的過程和機制，並且通過調整人類社會經濟活動，促使土地利用更趨合理，保證國家宏觀戰略決策的針對性、有效性，才能達到土地資源可持續利用的目的。龍口市作為我國沿海對外開放較早的城市，其土地利用變化具有代表性。
1 研究區概況
龍口市位於膠東半島西北部，東與蓬萊市接壤，南與棲霞、招遠市毗連，西、北瀕臨渤海；全境東西最大橫距46.08km，南北最大縱距37.43km；土地總面積（含桑島、依島）893.32km2。
本次研究區范圍以1∶10000 地形圖矢量化生成的研究區邊界對遙感影像進行裁剪所得，作為遙感數據信息，面積共89217.45hm2（不含桑島、依島）。
2 基於遙感影像綜合理解模型的龍口市土地利用/土地覆蓋分類
影像理解是研究通過計算機系統來解釋圖像，從而實現類似人類視覺系統理解外部世界的一門學科。在影像理解系統中，存在兩項基本的任務：從輸入圖像中提取出與模型相適應的圖像結構或線索，而後完成輸入圖像中圖像結構與模型中目標的正確影射（周成虎，1999）。影像理解不同於模式識別，模式識別通常按預先規定的測量集對對象作簡單的分類，而影像理解則要對影像作出描述和解釋，需要涉及不同處理層次實體間的相互作用（王潤生，1994）。
針對土地利用/土地覆蓋的分類特點，本文構築了基於GIS信息的遙感影像綜合理解模型。模型分為兩個過程，即遙感影像理解過程和地理信息系統處理過程，兩個過程的具體內容為：
（1）遙感影像理解過程，主要完成遙感影像的前期理解過程，包括以下幾個過程：
1）遙感影像預處理：包括圖像格式轉換，圖像糾正和圖像增強變換等。圖像格式轉換完成遙感影像到REDAS軟體系統處理格式的轉換（﹡.img）；圖像糾正完成遙感影像的大氣校正、幾何糾正、輻射增強以及遙感影像的匹配、鑲嵌等；遙感影像信息增強和變換處理可以突出相關的專題信息，本次使用方法主要有線性拉伸、K-T空間變換、邊界增強等。
2）與地學輔助信息的配准：主要完成遙感影像與地學輔助信息（各類專題GIS數據主要是坡度和高度）的坐標、投影系統轉換，使得遙感影像與所採用的輔助地學信息納入到統一坐標與投影系統下。
3）「訓練區」選擇與計算：通過對遙感影像信息特徵的初步理解，同時結合地學輔助信息以及實地考察，確定樣本「訓練區」。「訓練區」要有典型性與可分性，確定「訓練區」後，對「訓練區」數據進行計算，確定樣本的統計信息（均值、最大最小值、方差矩陣、協方差矩陣等）。
本次提取的土地利用類型為六大種類型，即建築用地、耕地、水域、園地、林地和未利用地，採用AOI擴展方式進行訓練區選擇，運用此種方法進行訓練區選擇時，初始種子（seed pixel）和光譜距離的閾值非常重要，任一訓練區初始種子和光譜距離的閾值經多次實驗後才能確定。不同地類這兩個參數是不一樣的，一般在選取了2～3個訓練區後，觀看報警掩膜的情況，即時對這兩個參數進行修改和調整。增加訓練區時，及時將報警掩膜和以前的報警掩膜疊加，判斷樣本數據的質量變化情況，並做出調整，直至報警掩膜和實際地類比較符合時，即認為這一類的訓練區選擇完畢。一種地類訓練完畢，需要對最終的訓練區作一個整體的分析，保證光譜的純度。
（2）地理信息系統處理過程，在GIS系統支持下，完成地學輔助信息的處理，主要包括以下過程：
1）專題信息導入與預處理：通過地面調查或專家知識經驗，收集地學輔助信息（包括各類專題信息、統計資料等），導入到GIS系統中，完成輔助信息的前期預處理，包括各類矢量數據的數字化、編輯、拓撲關系的建立等，統計數據的整理與地學編碼、統計數據的空間化等工作。
2）輔助數據的生成：利用前期處理好的輔助數據，進行各類數據的格式轉換，如矢量數據的柵格化，點狀統計數據插值（IDW/Kriging等方法）生成面狀數據；最後統一坐標與投影系統，達到與遙感數據的配准。
3）建立各類地學輔助因子資料庫：GIS軟體支持下，基於前面生成的各類輔助數據，建立專題資料庫，形成地學輔助因子資料庫。
（3）知識庫的生成過程，建立專家知識庫，主要是地學規律知識庫，包括以下過程：
1）知識獲取：通過對照遙感影像，進行野外考察，針對各類有代表性的影像特徵對該地區所有地貌條件下的土地利用/土地覆蓋狀況、植被分布、生態環境條件進行實地考察，獲取各類實踐知識。
2）知識庫生成：對獲取的知識進行整理，從總體上歸納出各類規律，形成知識規則，最後通過對「訓練區」的數據不斷訓練，修改和調試知識規則，形成地學規律知識庫。
土地覆蓋/土地利用類型對高程有明顯的依賴關系。對研究區已有的土地利用現狀圖分析，建築用地、園地主要分布在海拔300m以下；耕地絕大部分分布在海拔150m以下；林地的分布范圍較廣，不同海拔都有分布，分布在10m以下的林地主要是沿海防護林和公路綠化林地。350m以上的海拔，只有林地分布，沒有其他地類。
坡度數據可以用於區別某些土地覆蓋/土地利用類型。根據實地考察結果和對地形圖、已有土地利用現狀圖的分析，建築用地、水澆地、園地主要分布在坡度小於20 °區域，坡度大於10 °時很少有水澆地。所以，遙感數據的光譜特徵同樣表現為綠色植被，難以判斷是水澆地還是林地時，坡度數據是一個有價值的參數。以下是幾種地類與高程和坡度的詳細關系。
在本次的分類知識庫，專家規則採用下面的基本形式來表達：
IF（條件）THEN（結論），Confidence（結論可信度）
其中可信度的值域為［0，1］，值為0 時，完全排除當前像元為所給類別的可能性；當取值為1時，維持像元原始可信度，且表示當前結論永遠成立。可信度可以根據地學經驗或專家打分等方法來確定。
知識的表示與知識庫的構造要結合地學問題的研究特點。通過不斷修改和調試知識庫，使影像解譯結果基本達到人工目視解譯的效果。當可信度的值為0時，則排除了當前像元為（結論）所給出的類別的可能性；而當取值為1 時，已有可信度值不該變。這種表示方法，不但考慮到了遙感影像解譯的特點，而且明顯地減少了知識庫中規則的數量。這對於大數據量的遙感數據處理是極其重要的。下面給出規則庫中的規則：
IF VALUE ＝1 DEM ＜300 AND SLOPE ＜20 THEN 建築用地 CF ＝1
IF VALUE ＝2 DEM ＜50 AND SLOPE ＜10 THEN 水澆地 CF ＝1
I VALUE ＝3 THEN 水域 CF ＝1
IF VALUE ＝4 DEM ＜300 AND SLOPE ＜20 THEN 旱地 CF ＝1
IF VALUE ＝5 DEM ＜300 AND SLOPE ＜20 THEN 園地 CF ＝1
IF VALUE ＝6 THEN 林地 CF ＝1
ELSE IF DEM＞＝300 OR SLOPE＞＝20 THEN 林地 CF ＝1
ELSE IF 50＝＜DEM＜＝250 AND 10＝＜SLOPE＜20 THEN 園地 CF＝0.5
ELSE 林地 CF ＝1
本次分類結果精度評價採用分層隨機采樣法，主要參考龍口市土地利用現狀圖，同時結合目視判讀的結果以及現場驗證，對兩個時期的分類結果進行精度評價。各時期的遙感分類結果直接參照同年的土地利用現狀圖進行精度驗證。由於遙感分類體系與土地利用現狀的分類體系有一定差異，因此，在進行隨機采樣之前，將遙感分類圖像的土地利用類型和土地利用現狀的分類進行適當統一。然後分別對每期遙感分類結果選取300個樣本點，並保證每類有10個以上的樣點，用基於誤差矩陣的精度評價方法，對龍口市1989年和2003年的分類結果進行評價。實用Kappa系數計算表明1989年和2003年龍口市土地利用TM遙感分類結果的總體精度和使用者精度都在75%以上，Kappa系數也都在0.8以上，達到最低允許判別精度0.7的要求。這些表明了龍口市兩期圖像的土地利用遙感分類結果均比較理想，各地類的分類精度也較高。
3 龍口市土地利用時空變化分析
隨著地球信息科學的興起與發展，人們可獲取的資源的極大豐富以及信息處理技術的極大提高，尤其是動態可視化技術獲得新的突破。在此需求與技術背景下，陳述彭先生倡導在傳統地學圖譜的基礎上開展地學信息圖譜的探討與研究。地學信息圖譜是地學圖譜在地球信息科學基礎上的自然延伸，是按照一定指標遞變規律或分類體系排列的一組能夠反映地學空間信息規律的數字地圖、圖表、曲線或圖像。地學信息圖譜是「圖」與「譜」的結合，兼有圖形與譜系的雙重特徵。
本文所採用土地利用圖譜分析模型包括兩部分內容：①轉移矩陣，從中可以看出各個時序單元土地利用變化的主要類型以及各地類的補給來源。②不同時序單元內土地利用圖譜分析，考察圖譜單元的空間組合與時空位移。
3.1 轉移矩陣
轉移矩陣對於分析土地利用類型之間的流向具有重要作用，它不僅可以定量說明土地利用類型之間的相互轉化狀況，而且可以揭示不同景觀類型間的轉移概率，從而可以更好地了解土地利用的時空演變過程。轉移矩陣包括轉移面積矩陣、概率矩陣。
表1 1989～2003年土地利用轉移矩陣（單位：hm2）
註：R為各土地利用類型的轉移比例（%）。
從表1可以看出，在1989年至2003年，建築用地發生用途流轉面積為487.61hm2，占初始建築用地面積的比率為3.62%，不存在明顯流向。耕地發生用途流轉面積為17632.40hm2，占初始耕地面積的比率為 49.85%，主要流向是園地，該流向13835.82hm2，占初始耕地面積的比率為39.11%，其次是建築用地，該流向3508.77hm2，占初始耕地面積的比率為9.92%。水域發生用途流轉面積為492.92hm2，占初始水域面積的比率為8.72%，主要流向是園地和林地，共占初始水域面積的比率為6.4%。園地發生用途流轉面積為1316.62hm2，占初始園地面積的比率為7.89%，主要流向是建築用地，該流向 759.25hm2，占初始園地面積的比率為 4.55%。林地發生用途流轉面積為1405.45hm2，占初始林地面積的比率為 10.45%，主要流向是建築用地，該流向624.64hm2，占初始林地面積的比率為 4.66%。未利用地發生用途流轉面積為2158.74hm2，占初始未利用地面積的比率為 47.24%，主要流向是園地，該流向1306.85hm2，占初始未利用地面積的比率為28.60%，其次是流向林地和建築用地，共占初始未利用地面積的比率為12.89%。
3.2 土地利用信息圖譜
在圖譜中，共有36類圖譜單元，即土地利用變化類型，其中有30類顯示為土地利用類型發生了變化，占研究區總面積的26.34%。為了更簡單明了地讀取土地利用類型流轉的主要方向，認識土地利用變化的主要特徵，將該30類變化的圖譜單元按照面積大小進行排序，計算各類圖譜單元的轉換面積百分率和累計轉換百分率，統計其中涵蓋變化總面積的92.04%的10類圖譜單元，得到1989～2003年土地利用主要圖譜單元類型的面積排序表（表2）。
表2 1989～2003年土地利用主要圖譜單元類型的面積排序表
從表2可以看出，龍口市在1989～2003年間土地利用變化最顯著的結構特徵是耕地向園地的轉化，該流向的耕地面積共13835.82hm2，佔到整個變化面積的58.89%。其次是耕地向建築用地的轉化，面積為3508.77hm2，佔到整個變化面積的14.93%。再次是未利用地向園地的轉化，面積為1306.85 hm2，佔到整個變化面積的5.56%。可以看出，研究時段內龍口市的土地利用類型主要是流向建築用地和園地。
4 結論
（1）本研究利用陸地衛星資料ETM＋對龍口市土地利用進行了時空監測與分析，取得了較好的效果；但是ETM＋的影像解析度較低，它主要是反映一些綜合的地類信息，對於一些土地利用圖斑較為破碎，用地類型交錯復雜的地區，其地物提取就有一定的難度，因此在土地利用變化的詳細監測上就有所欠缺。在今後的研究中，應結合高解析度衛星影像進行研究，積極探求新的動態監測方法以充分利用這些高解析度的遙感數據來獲得更可靠准確的區域土地利用變化信息。
（2）如何充分地利用地理信息系統空間資料庫提供的豐富的地理輔助數據，進而自動發現知識，並融合多尺度、多時相的高解析度的遙感數據，建立靈活高效的推理機制，從而完成遙感影像的專題信息自動提取，是需要進一步的研究方向。
（3）「地學信息圖譜」是一新興的學術思想，目前還處於認識階段，對它的理解尚不很成熟，需要更多的學者和更多的研究工作來完善對其的認識。本文利用遙感技術開展土地利用演化與發展的信息圖譜研究，來反演時空變化，進而認識客觀世界，揭示和再現過去，是一先進可行的技術途徑。
（4）研究結果表明龍口市在1998～2003年間，土地利用方式相互轉化較為頻繁，變化強度大，矛盾非常突出。主要表現為耕地的不斷減少，園地和建築用地持續增長；其主要流向是從耕地流向園地和建築用地。這些變化造成了龍口市耕地質量下降和利用程度加強，給耕地保護帶來了巨大壓力。因此，土地管理部門應該從宏觀決策上給予重視，處理好社會經濟發展與土地後備資源儲備的關系實施可持續發展。
參考文獻
陳述彭.2001.地學信息圖譜探索研究.商務印書館
李小英，彭望碌，曹彤.2002.土地利用演化信息圖譜的研究——以北京市順義縣為例.地球信息科學，2：（58～63）
齊清文，池天河.2001.地學信息圖譜的理論和方法.地理學報，56（增刊）：8～18
術洪磊，毛贊猷.1997.GIS輔助下的基於知識的遙感影像分類方法研究——以土地覆蓋土地利用類型為例.測繪學報，11（4）
葉慶華.2001.黃河三角洲土地利用/土地覆蓋變化的時空復合模式研究.中國科學院地理科學與資源研究所博士學位論文
周成虎，駱劍承，楊存建，劉慶生.2001.遙感影像地學理解與分析.科學出版社，180～240
Lucas I F J，Frans J M，Wel V D.1994.Accuracy assessment of satellite derived land-cover data：a review.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，60（4）：410～432
D. 土地利用系統
土地系統動態模擬方法新進展
土地系統動態模擬方法大多包含在土地利用/覆被變化研究的相關模型中。土地系統是一定地域范圍內由地形、地貌、土壤、基礎地質、水文、氣候和植被等所有自然因素及過去和目前人類在這一地域范圍內土地利用活動及其影響結果的綜合體。土地系統動態模擬與分析需要考慮了在區域人口增長、經濟發展、社會進步、自然環境條件變化的宏觀背景下，用地類型之間在空間上相互競爭形成土地系統宏觀結構及其空間上的宏觀演替格局。土地系統動態模擬旨在回答土地系統結構在何時、何地、為何以及發生怎樣的變化與轉換，並導致何種突出的環境效應。這些目標的實現，必須運用定量分析的方法，建立土地系統動態模擬模型,闡明土地系統動態變化機制,開展區域用地結構變化情景分析。土地系統動態模擬系統的開發與應用能夠加深人們對土地系統動態變化機制的理解，並為預測區域未來土地系統動態變化趨勢提供分析工具。
土地系統動態的系統性與時空分異性特徵要求土地系統動態模擬既要從區域水平（或一定級別的行政單元）上對影響用地結構變化的因素進行宏觀分析，如建立以系統動力學理論為依據的定量分析模型，將自然因素和人類社會因素綜合到一個具有反饋特徵的系統中，充分考慮各種相關因素的影響，也需要在較精細的時空單元柵格上測度各驅動因子的變化，並將其導致的用地結構變化表徵到具有一定時空精度的單元柵格上。目前可以用來進行土地系統動態模擬的模型與方法，各有優勢與不足。
目前，可以用來進行土地系統動態模擬方法可大致分為三類：基於經驗統計的方法、基於多智能主體分析的方法、基於柵格鄰域關系分析的方法和土地系統動態模擬系統（DLS）。
最新發展的土地系統動態模擬系統（DLS）著眼於整個土地系統，以區域用地結構變化均衡理論和柵格尺度用地類型分布約束理論為理論依據，以區域土地系統為研究對象，綜合考慮驅動區域土地系統結構變化的自然控制因子和社會經濟驅動因子，定量地分析它們之間的動態反饋機制，並共同推進土地系統結構變化與格局演替（以下稱土地系統演化）的機理。DLS 將土地系統結構變化看作一個時空動態過程，通過開展情景分析，模擬區域土地系統演化時空格局。
摘自：鄧祥征【著】，土地動態模擬系統，北京：中國大地出版社，2008.
述評土地系統動態模擬（DLS）
隨著氣候變暖等全球環境變化問題的加劇，人類土地資源不合理開發導致的環境效應逐漸凸顯，作為人類社會對陸地生態系統擾動的直接體現——土地系統結構變化與格局演替（土地系統演化）也日益成為全球關注的焦點。土地系統演化不僅與人類的生產活動密切相關，而且對地球表層的生物地球化學循環產生重要影響，直接影響著人類社會與生態環境之間的相互作用，制約著人類社會的可持續發展。
盡管土地系統動態模擬已經成為全球土地計劃研究的熱點領域與核心問題，但目前常用的相關模型與方法尚有許多有待改進之處。譬如，有些土地系統動態模擬模型在方法論上存在一些難以迴避的缺陷，或者微觀機理表達不明確，缺乏精細柵格上的驅動機理分析；或者宏觀效應分析不充分，區域水平上的機制研究深度不夠；或者模擬精度難以保障，無法進行適當的情景設計等等。有鑒於此，由鄧祥征博士出版的土地系統計量模型系列書籍之一，《土地用途轉換分析》詳盡的闡述了項目組開發的土地系統動態模擬系統（DLS），其原理與方法、功能模塊以及安裝、運行步驟都詳細的闡釋，並選擇我國土地利用變化的熱點地區——太僕寺旗作為案例區，展示了DLS在用地結構變化預測及土地系統動態模擬方面的優勢。
土地系統動態模擬反映了土地系統內部自然環境條件與社會經濟因素交互作用驅動土地系統結構變化與格局演替的時空動態過程。本書通過集成相關領域的研究成果，構建模型並開發軟體，推出了可獨立安裝的土地系統動態模擬系統（DLS），為區域土地系統變化分析乃至全球土地計劃相關研究活動的開展提供了一套軟體工具。
在理論依據上，DLS區域用地結構變化預測為用戶提供了更為寬松的介面，用戶可以根據案例區土地系統演化的特徵選擇合適的機理模型預測區域用地結構變化並開展情景分析。在方法論上，DLS強調區域與柵格兩個尺度的用地類型分布驅動機理與土地供需平衡的約束條件，但同時提供了用戶選擇模擬尺度的介面，用戶可以根據當地區域尺度的大小與柵格尺度的水平，找到一個模擬精度與模擬所耗機時的平衡點。在變數選擇上，DLS提供了一個更為寬松的、用戶可以定製變數類型、數目、量綱與形式的介面，為不同級別的用戶，提供更為方便的選擇。正是由於DLS考慮到土地系統演化的復雜性及其土地系統結構變化與格局演替的區域分異性特徵，並給與了用戶在軟體使用過程中的更多彈性與自由度，從而可以增加了模型輸出結果的不確定性。所以，用戶在使用DLS開展土地系統動態模擬時，需要象書中案例研究中提及的那樣加強模型估計結果精度驗證與靈敏度分析，以保證模擬結果的准確性與精度。
DLS目前正處在不斷發展、完善過程中，利用DLS開展區域土地系統動態演化的功能必將伴隨著其在更多區域案例中的應用、完善而不斷發展、提高。隨著人們對土地系統演化機制及其土地系統內部自然、社會經濟因素之間的聯系及其相互作用認識上的提高，及其更多不同學科領域專家、學者的參與，作為一套土地系統動態模擬系統的DLS在機理揭示及其變數選擇也必將不斷深入與完善。此外，隨著遙感技術與人類對地觀測手段的不斷提高，土地系統動態模擬所需要的高時空解析度的空間數據將會得到滿足，從而將使基於DLS的區域土地系統動態模擬的精度不斷提高。可以預見，伴隨著在多源數據融合技術與空間分析技術的發展，在高精度、高空間解析度的數據的支持下，區域土地系統動態模擬系統將會得到更為廣泛的應用。
偉大的統計學家Rao(1997)先生在他的論著《統計與真理——怎樣運用偶然性》中指出：「在終極的分析中，一切知識都是歷史；在抽象的意義下，一切科學都是數學；在理性的基礎上，所有的判斷都是統計學。」正是基於這一觀點，項目組在總結相關領域專家對土地系統的認識及其對土地利用變化開展的模擬的基礎上，以土地系統的計量方法為手段，建立土地系統結構變化與格局演替的驅動機理，並在在經濟學與空間分析技術的支持下，構建柵格尺度用地類型分布均衡與土地供需平衡約束數理型的解釋模型，並運用統計的觀點來分析處理模型精度與不確定性問題。然而，再嚴密的數理模型的也是一種對現實的逼近，都無法完全的刻畫土地系統結構變化與格局演替的真實過程，因為除了歷史，世界的一切都是概率意義上的存在，DLS所能做的僅僅是最大限度的去刻畫這種概率的分布。不過， 可以預見的是，DLS提供的區域土地系統動態模擬方法將在相關空間統計理論的發展下不斷發展、完善，在得當的情景設計的前提下，預測土地系統結構變化的可能情景，並逐步逼近區域土地系統結構變化與格局演替的真實規律。我們有理由相信，DLS必將在這種思想的指導下走的更遠。
總之， DLS仍處於一個快速發展的階段，理論依據、方法論支撐與參數選擇與估計方案的設計上有待進一步擴充與完成，其在區域水平上的案例研究中獲得的結論也有待在實踐中的進一步的驗證。
部分內容摘自：鄧祥征【著】，土地動態模擬系統，北京：中國大地出版社，2008.
E. 土地利用趨勢分析地理元胞自動機
土地利用/土地覆被變化(LUCC)是全球環境變化研究的重要組成部分，是人類活動對自然環境施加影響的顯著表現形式之一。土地利用未來如何變化，當屬目前土地利用變化研究的核心問題。Lambin等人的研究表明，動態的基於過程的模擬模型比經驗的、隨機的和靜態優化模型更適合於預測土地利用(Lambin，2000)。到目前為止，直接地和明確地針對土地利用變化的理論和機理建構的模型還較少，真正將土地利用變化與其空間分布相結合，探討不同尺度上土地利用的時空演變規律的動態模型更不多見(郭程軒，甄堅偉，2003)。
土地利用趨勢預測的模型方法主要有回歸預測法、馬爾可夫法、人工神經網路、灰色模型、元胞自動機模型等方法。回歸預測法是利用表明變數之間相互關系的數學方程式，由其他變數中的已知值推斷預測變數的數值進行預測的一種方法。該方法適用於各個變數之間具有較強相關性的標准變數組。由於不同土地利用類型之間相互影響、相互制約，所以該方法常被用來研究土地利用變化與人文因素之間的關系。該模型的不足之處在於，不適合大范圍的預測以及因經濟因子難以定量化造成的預測值的誤差。
馬爾可夫過程是一種無後效性的過程，運用馬爾可夫過程模擬土地利用動態變化首先要確定土地利用類型的初始狀態矩陣和轉移概率矩陣。該預測模型的優點在於計算和實現比較簡單，可以揭示不同土地利用類型之間的數量轉化規律和總體變化趨勢。模型運算只需要考慮土地利用的現狀信息，而無需考慮土地利用變化的內在機制，不足之處在於模型缺乏揭示土地動態變化驅動機制的能力及缺乏空間表達能力，該模型適用於土地利用變化驅動力變化機制不清及預測短期土地利用變化的狀況。
人工神經網路能模擬人的部分形象思維能力，預測的過程就是利用不同時期獲取的信息源，在對它們進行綜合分析和對比的基礎上，發現土地變化的區域和變化類型。該模型的優點在於能夠對動態數據進行分析，並根據歷史資料歸納規律，不足之處是受預測區域范圍大小和時間長短的限制，一些主要因素特徵難以確定，預測結果並不十分精確。
灰色系統動態模型GM(n，h)是依據灰色系統理論原理，利用系統的離散採集數據建立其動態微分方程，以灰色模塊為基礎，微觀擬合分析為核心的建模方法。土地利用系統本質上是一個灰色系統，運用灰色模型可在土地資料不完整的情況下對中長期的土地利用結構進行過程分析。
元胞自動機(Cellular Automata)模型，是離散動態系統概念和應用建模的一種方法，其框架簡單、開放，適於模擬具有自組織結構的復雜性系統，並且具有很強的生命力。以模型「自下而上」的研究思路、強大的復雜計算功能、固有的並行計算能力和時空動態特徵，使得它在模擬土地利用變化這一空間復雜系統的時空動態演變方面具有自然性、合理性和可行性，CA模型與GIS軟體相結合為土地利用動態建模提供了新的思路和建模方法。相比較其他模型，其優勢在於:①更為簡單、自然;②建立在空間相互作用，而不是社會、經濟指標間的相互影響關系的基礎上，更能反映空間格局變化以及由此帶來的進一步反饋作用。
土地利用變化的復雜性決定了土地利用研究必須採取復雜系統的理論方法，特別是建立基於復雜系統思想的數學模型，這是土地利用過程研究的重要領域之一。因此，結合土地利用變化的規律，採用復雜系統的研究方法，建立土地利用變化的科學模型是土地變化復雜性研究的關鍵。目前國際上在復雜系統理論的背景下，利用元胞自動機模型研究地理過程的復雜行為是地理建模領域的前沿地帶，是一項跨領域的前沿技術，將它應用於土地利用變化的預測和模擬，具有較強的理論價值和實踐意義。
(1)元胞自動機模型(CA)可表現復雜系統結構的時空動態演化，利用CA對土地利用覆蓋變化(LUCC)進行動態模擬，定量探討土地利用變化過程並進行預測，對區域可持續發展、土地利用規劃與土地管理決策意義重大。模型從研究一個地區土地利用現狀入手，藉助GIS軟體分析土地利用動態變化的過程，研究不同土地利用類型的轉移規律，探求土地利用變化的內在機制，為不同發展目標的土地利用調控提供理論依據。
(2)將GIS與Geo-CA相結合用於土地利用變化分析，不僅能夠提高模型運算的效率，將模型全部過程進行計算機模擬，還能直觀地顯示土地利用性質的變化及土地預測的結果，通過調整模型參數獲得未來不同預測年份土地利用的結果，可為區域決策者進行土地利用評價提供依據。
(3)研究流域的土地利用變化不僅可以為流域土地的合理利用及河流水資源的合理調配提供重要的決策依據，同時也為流域居民的生產生活、生態環境、經濟的協調發展提供重要保障。將Geo-CA模型應用於流域土地利用變化的模擬和預測，目前尚處於探索性研究階段。通過建立較為恰當的GeoCA-Lanse模型，並將其應用於塔里木河流域，不僅開闊了 Geo-CA 模型應用的領域，同時也為其他流域土地利用預測起到了很好的示範作用。
20 世紀 80 年代至 90 年代 Batty 和 Xie 利用分形理論與 CA 相結合對城市的形成和擴展進行了細致的研究。他們設計的凝聚擴散模型 ( diffusion-limited aggregation，DLA) 可以認為是廣義的 CA 模型。1994 年 Me 提出了城市發展動態模型 ( dynamic urban evolutionmodel，DUEM) ，該模型用 CA 理論來描述具有自相似性和分形分維特徵的城市及其發展過程。Clark ( 1998) 根據城市發展的歷史數據以及交通、地形條件，設定適當的模型參數，建立了城市增長的 CA 模型，並將此模型與 GIS 平台鬆散耦合，對美國的舊金山和巴爾的摩的市區進行了成功模擬和預測。90 年代以來，Wu F. ( 1998) 將元胞自動機模型與多因子評價模型有機集成，並在 ArcInfo 中應用 AML 和 C 語言，在統一的界面上實現了GIS 和 CA 模型、MCE 模型的集成。在此平台上，實現了對我國廣東省廣州市城市擴張的模擬。加拿大的 White 和荷蘭的 Engelen ( 1994) 將約束性 CA 模型用於模擬土地利用動態變化，如美國 Cincinnati 市的城市增長、受全球氣候變暖影響 Caribbean 島土地利用構成的變化等。
武曉波、趙鍵等 ( 2002) 利用基於遙感和地理信息系統的 CA 模型模擬海口市1987 ～ 2000 年城市發展進程。陳建平、丁火平等 ( 2004) 提出了基於 GIS 軟體和 CA 模型的荒漠化演化預測模型，並以北京及其鄰區為例，取得了較好的模擬效果。陳龍泉( 2004) 從 Markov 和 CA 兩種模型所具有的特點出發，探討用 Markov-CA 模型對土地利用/土地覆蓋變化進行動態模擬和預測的可行性。Markov-CA 吸收了 Markov 和 CA 等理論對於有關時間序列的模擬和預測的優點，利用兩期 TM 數據的試驗證明，Markov-CA 模型能很好地對土地利用/土地覆蓋變化進行模擬和預測。張顯峰 ( 2000、2001) 提出了集成GIS 與 CA 模型進行地理時空過程模擬與預測的新方法，即首先將標准 CA 模型的 4 元組進行擴展以滿足 GIS 環境下時空動態模擬的要求，然後以城市土地利用演化這一動態過程為例，建立了土地利用演化動態模擬與預測模型 ( LESP) ，最後運用此模型對包頭市城市擴展和土地可持續利用演化進行了比較成功的模擬和預測。周成虎等 ( 2001) 利用 Geo-CA 構造了一個實用化且可運行的空間動力學模型 ( GeoCA-Urban) ，模型適應於模擬城市的發展和演變，模擬效果良好。
本系統的生態專業分析子系統以三源河流域和阿拉爾人工綠洲地區為研究樣區，在GIS 軟體和 Geo-CA 理論模型的支持下，從兩個時相土地利用專題圖的疊加分析和轉移分析入手，結合土地利用變化的計量模型，分析土地利用動態變化特徵，定量研究了土地利用變化與水系、交通、土壤、地形之間的關系，並據此構建控制因素層，結合社會經濟數據調整模型參數，確定合理的鄰居及轉換規則，經過反復的調試和修改，最終構架出合理的土地利用動態演變模型 ( GeoCA-Lanse 模型) 及其軟體系統。
F. 土地變更外業調查常用的方法有哪些
1、土地利用現狀變更的分類
土地利用現狀變更是指土地利用狀況發生的變化，即地類、權屬性質、所屬單位、界線等發生了變化。這種變化通過外業調繪後（手工調繪、常規測量儀器測量或應用GPS、RS監測）確定土地利用現狀空間圖形和屬性方面的變化，通過內業處理，包括變更內容的錄入（地類、權屬性質、單位、所屬系統、坡度級別等內容的錄入或數據傳輸）及處理功能（圖形分割、合並、面積平差等），對土地利用現狀資料庫進行更新，並進行統計匯總等工作。
土地利用現狀變更包括屬性數據（如地類、權屬性質等）變更和圖形數據變更兩部分；屬性數據變更通過提供錄入界面進行處理，圖形數據的變更處理方法比較多，如可以通過遙感或航空影像與矢量圖的疊加分析、GPS測量、常規儀器測量等方式進行土地利用現狀圖形的變更。具體操作上可以採用坐標的轉入、手工數字化、掃描矢量化、批量處理等方法完成。根據研究認為，土地利用現狀變更的主要類型及處理方式如下：
(1)圖斑變更的主要形式有：圖斑的分割、合並、復雜的分割合並等；
(2)線狀地物變更的主要形式：新增、分割、合並、消失、加寬等；
(3)零星地物的變更：增加和消失；
(4)行政界線的變更；
(5)變更可以處理單個物體屬性、形狀變更，也可以批量處量多個物體屬性、形狀變更。
2、土地利用現狀變更特點分析
土地利用現狀變更處理的准確性和科學性直接關繫到國土部門是否真正能夠運用系統輸出變更台帳、上報土地利用現狀地類變更平衡表及其它統計報表，同時對圖形進行適時的變更處理，得到現勢性的土地利用現狀資料庫。由於變更類型的多樣性和復雜性，變更處理是農村地籍管理信息系統開發建設的關鍵。
對於變更前後地類、權屬、面積的變化，通過疊加分析就可以方便找到，地類流向變化關系就不很容易確定。一種地類減少，幾種地類增加，稱一對多關系，或者幾種地類減少，一種地類增加，稱多對一關系，都比較容易處理。對於前者（一對多）增加的幾個地類面積都來自減少的那一個地類，對應變化量就為增加地類的面積，對於後者（多對一）增加的一個地類面積都來自減少的那幾個地類，對應變化量就為減少地類的面積。對於減少的地類是多個，而增加的地類也是多個，稱多對多關系，處理多對多的關系需要進行復雜的判斷和圖形、數據處理，所以用計算機軟體處理地類流向分析是一個技術難點，需要在GIS平台上進行大量的二次開發工作才能實現。
由於土地利用情況變更頻繁，農村地籍管理信息系統中的圖斑與屬性信息會經常變化，從而形成大量的歷史信息，這些歷史信息對於數據挖掘分析和政府決策支持都具有重要的價值，變更記錄歷史信息的存儲與管理模式直接影響到對變更歷史信息的使用，所以在變更中如何存取、管理、使用歷史數據也是變更時必須考慮的問題之一。
3、土地利用現狀變更圖形屬性數據處理的技術思路
下面用一個實例說明如何實現多對多的地類變化流向分析。
如圖2，圖斑1的地類為荒草地（311），面積為4.7畝，與圖斑2，地類為未成林地（134），面積為為10.8畝，合並成圖斑3，地類為住宅（251），其中在左上方有一個零星地物，地類為綠地（143），面積為0.7畝，我們根據變更前後面積相等很容易得到圖斑3的面積為14.8畝，通過分析得到面積減少地類：地類311減少面積4.7畝 地類134 減少面積10.8畝；面積增加的地類：地類143增加面積14.8畝地類143 增加面積0.8畝。顯然是一個多對多情況，對於這種情況建立一個數據結構（使用Dephi語言）,如下：
TChangeArea = Record
Landcode:string; //地類
Area:double; //面積
end;
定義兩個動態數組，分別存放面積減少（變更前）和增加（變更後）
Var
ForeArea:array of TchangeArea;//變更前
AfterArea:area:array of TchangeArea;//變更後
對兩個動態賦初值，分別獲得變更前後主地類（變化面積最大的），再獲得總變化主地類變化，不難知道是變化後地類為251，面積為14.8畝，這樣我們就從（變更）後的次地類開始循環（也可以比較變更前後對象個數多，切入點循環），同時定義如下流向數據結構：
TchangeFlow = Record
ForeLandcode:string; //變更前地類
aforeLandcode:string; //變更後地類
changearea: double; //變化面積
end;
changeFlow：array of TchangeFlow;//變化數組
通過圖形疊加分析，判斷變化流向，如果是一對一，變化面積就是面積小的那個面積，changeFlow增加一個紀錄，對於一（個對象）變多（個對象）和多（個對象）對一（個對象），對應changeFlow增加多個紀錄。對於多對多按比例分成。按照這種思路很容易得到表一的地類及面積變化結果。
下面的例子（圖3），由於耕地中田坎，是一種地類包括了兩種地類114，157，並且按面積成比例。具體實現：由於變更前一個對象，變更後兩個對象，從變更後開始循環，按多對多按比例分成，對於圖斑20-2，地類為住宅(251),面積為20.5,來自157和114，按比例可得157->251 面積為1.2 , 114->251面積為19.3,依次類推，由此得到表二的結果。
4、土地利用現狀變更調查的方法
4.1 常規方法
常規方法包括野外調繪法、全站儀測量法等。外野調繪法直接進行圖形的變更，系統在用戶的互動式操作下自動進行圖斑切割、面積平差量算工作。具體運算時，與變更相關的圖斑先進行切割，形成變更後的土地利用現狀圖，然後系統以與變更信息相關的圖斑、線狀地物等面積作為控制面積，使變更的相關圖斑、現狀地物面積之和等於變更前面積之和，以保持面積的一致性。
4.2 遙感影像或航空影像疊加分析處理法
隨著社會經濟的快速發展，攝影測量與遙感會越來越得到普及，逐漸應用於土地利用現狀變更調查工作。利用遙感影像或航空影像進行土地利用現狀變更調查可以在內業比較不同時期的影像圖，或與矢量圖疊加，通過識別、判讀、解譯，在必要時輔以外業調查或調繪來處理土地利用現狀變更。限於篇幅，這里不再對具體技術處理過程進行詳細的闡述。
4.3 GPS方法
GPS技術的的快速發展與應用，使得GPS將會在土地利用現狀變更調查中發揮重要的作用。GPS定位分為相對定位和絕對定位兩種方式，相對定位精度可達到毫米級，一般主要應用在精密控制測量中；單機絕對定位一般可達到5——15米，目前新一代的差分GPS（DGPS）可以達到厘米級精度，而在價格上比精密定位GPS便宜很多，非常有競爭力，能夠更好的滿足土地利用現狀變更調查的要求。因此，在未來單點定位GPS和DGPS將會成為土地利用現狀變更調查的主要應用工具。
利用GPS技術進行土地利用現狀變更調查及數據處理的過程如下：（1）在野外用GPS測定土地利用現狀變化圖形拐點，並產生坐標文件；（2）將GPS測定的坐標文件轉入農村地籍管理信息系統中；（3）由坐標生成新的圖形，並按前述方法進行圖形變更處理；
圖4 由GPS測定的坐標生成變更圖形
（4）輸入新的屬性信息，完成變更工作；（5）輸出變更紀錄表；（6）輸出匯總統計數據，並產生更新後的土地利用現狀資料庫。我們通過研究，已經形成了上述過程的理論演算法，並在我們開發的「農村地籍管理信息系統」中得到了實現，已經在土地利用現狀變更調查數據處理工作中得到了廣泛的應用
4.4 PDA與GPS、GIS集成的綜合方法
隨著移動式GIS、無線通信及計算機技術的發展，PDA作為掌上型計算機的功能得到了迅速的擴展。新一代PDA上固化有操作系統，同時其自帶的ROM還可用於保存數據或存放基於操作系統的應用程序，如小型的GIS平台或圖形處理軟體等。目前PDA發展的重點是逐步擴展其功能，開發不同的應用軟體，將PDA的應用深入到測量、智能交通、公共信息服務等不同的領域。通過利用GPS、常規測量儀器等空間定位和測量功能，加上PDA內置的基於GIS的土地利用現狀圖性屬性處理軟體，就可以構成一個集成化的土地利用現狀變更調查數據採集與數據處理系統，圖6為我們設計的系統基本機構圖。該系統的優點是：（1）提高外業變更調查作業的效率，實現外業數據採集與土地利用現狀變更數據管理的一體化；（2）在野外就可以完成對圖形、屬性數據的變更處理，並通過數據介面，方便的實現數據的導入；（3）方便的實現GPS、全站儀、GIS間的數據交換；（4）能快速判斷野外變更調查數據的准確性和真實性，提高了變更調查的質量。
5 利用屏幕數字化進行圖形變更處理
通過在屏幕上疊加顯示柵格圖和矢量圖，可以將人工數字化和自動矢量化結合起來，實現「屏幕數字化」的作業方式，它的主要特點是：疊加顯示柵格圖和矢量圖，以柵格底圖為判別和定位依據進行交互操作，輸入各種圖形對象，從而擺脫數字化儀和以紙張、像片等為媒介的原圖。
可以對柵格數據進行操作，如變形校正、去毛刺、去空洞以及其它多種柵格操作，以保證柵格圖的質量。
可以對柵格數據進行自動追蹤、自動識別等處理，但由於地形圖的復雜性和掃描質量等原因，完全自動的矢量化非常困難甚至是不可能的，在諸如斷點、交叉、粘連等地方可以交互進行引導，因此稱作「半自動化」的矢量化；在參照柵格底圖的基礎上，可以充分發揮GIS圖形平台的強大功能，利用其提供的各種圖形輸入和編輯方法，大大簡化各種人工數字化操作。
多尺度、多視野范圍地觀察圖形，綜合實現精確定位、准確判別和快速瀏覽；提供柵格數據和矢量數據的多種捕捉方式，以及自動擬合、平滑等工具，可以提高數據質量。
面向GIS的要求，提供地理要素的編碼、標識、屬性輸入以及相關的操作。利用GIS二次開發工具，可以針對作業特點和需要設計各種專用的輔助手段，進一步提高工作效率；大大改善了作業方式，降低操作員的勞動強度，從非技術因素方面有效地提高土地利用現狀變更的生產效率。
6 歷史數據的管理和查詢方法
歷史查詢一般有兩種：一種是單個歷史追蹤查詢，獲得歷史演變過程，另一種恢復任意歷史時刻的完整系統信息，前者是縱向的，後者是橫向的，歷史查詢的實現的關鍵在於變更，在變更時記錄歷史信息，歷史查詢通過變更時的變更前後對照表（變更記錄表，它也是土地利用現狀自動變更時輸出的內容，每次變更都有一個變更記錄號-與變更時間位是年月日,後4位是順序編號），存儲每一個對象的調查和注銷時間和上一次變更的記錄號，對於歷史追蹤查詢通過變更號的上一次變更記錄號的遞歸可以方便地實現；通過一個簡單查詢語句從現狀與歷史提取滿足條件的數據實現任意歷史時期的查詢，對歷史表，是上次的變更時間<=查詢的日期and變更時間>查詢的日期，現狀表中提取沒有變更加上變更時間<=查詢的日期,兩個圖層滿足條件的數據即某一查詢日期的當時土地現狀。
7、結 論
土地利用現狀圖形、屬性變更是農村地籍管理的主要工作內容之一，也是土地管理其他業務，如土地利用總體規劃、耕地保護、土地利用等工作開展的重要基礎。由於土地利用現狀變更的情況復雜，涉及到圖形、屬性等變更內容，技術處理難度較大，因此，在進行農村地籍管理信息系統開發建設時，必須解決一些關鍵形性的技術難題。本文通過對土地利用現狀變更類型的分析，在綜合利用GIS、GPS、RS和計算機等技術的基礎上，提出了圖形屬性數據變更的數據處理方法，同時對各種土地利用現狀變更調查的方法進行了分析和探討，提出了一些方便使用的方法。這些方法可以方便地實現各種各樣的土地利用現狀變更，包括點、線、面的同步變更。跳出單一零星地物，圖斑、線狀物變更，從而對各種土地利用現狀變更有了統一的解決方案，同時也很好的解決歷史數據的保存和查詢。這些成果已經在開發的農村地籍信息系統中得到了利用，取得了較好的應用效果。
G. 61 土地科學的研究方法有哪些
土地科學：
研究土地資源、土地利用和人地關系及其管理的科學。屬於自然科學和社會科學的交叉學科。
研究方法：
土地科學以土地為研究對象，包括土地利用和土地關系兩個方面。
一、研究土地資源的合理利用與保護，以及在社會經濟發展中的土地利用及其優化配置問題；
二、研究土地在社會利用過程中存在的種種矛盾的產生、發展和消亡的規律，研究、制定解決這些矛盾的相應政策、法律、技術方法和符合國家利益的利用規劃。
H. 河南省土地資源利用態勢分析
4.3.1 土地利用數量變化分析
4.3.1.1 土地利用變化的幅度
土地利用變化包括土地利用類型的面積變化、空間變化和質量變化。面積變化反映在不同類型的總量變化上，通過分析土地利用類型的總量變化，可了解土地利用變化總的態勢和土地利用結構的變化。
表4.2 河南省1996～2005年土地利用結構變化
數據來源:1996年、2005年《河南省土地利用現狀數據冊》。
從表4.2可以看出河南省土地利用變化的幅度。1996～2005年，農用地和建設用地都呈增加趨勢，增加面積分別為53081.37hm2和62841.39hm2;未利用地呈減少趨勢，減少面積為115922.76hm2。
在農用地中，除耕地面積和草地面積呈減少趨勢外，其他均呈增加趨勢。其中耕地面積減少量達到185035.05hm2，草地減少56.21hm2;園地增加9751.48hm2，林地增加187550.65hm2，其他農用地增加40870.51hm2。
在建設用地中，除農村居民點和鹽田面積減少外，其他均呈增加趨勢。其中農村居民點用地減少幅度最大，減少面積為52453.37hm2，鹽田面積減少59.38hm2;交通用地、城市用地和獨立工礦增加較多，增加面積分別為32132.89hm2、27219.05hm2和26380.56hm2。
總體上看，河南省土地利用變化幅度較大的是林地和耕地，交通用地、城市用地次之，而草地和鹽田面積變化幅度最小。
4.3.1.2 土地利用變化的速度
土地資源數量變化可以用土地利用動態度來表示。土地利用動態度可定量描述區域土地利用變化的速度，它對預測未來土地利用變化趨勢有著重要作用。
單一土地利用類型動態度表達的是研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，其表達式為:
河南省土地資源生態安全理論、方法與實踐
式中:K為研究時段內某一土地利用類型動態度;Ua，Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數量;T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區某種土地利用類型年變化率。
根據以上公式計算河南省單一土地利用類型動態度見表4.3。
表4.3 1996～2005年河南省土地利用年變化
從表 4.3 中可以看出河南省土地利用類型數量變化情況。總體情況是農用地在1996 ～2005 年之間以年均 0.05% 的速度增加，但是經歷了兩個階段。第一階段是 1996 ～ 2000 年間以年均 0.06%的速度減少，呈減少趨勢; 第二階段是 2000 ～2005 年間以年均 0.13% 的較大速度增加，呈增加趨勢。
建設用地在1996 ～2005 年間以年均0.33%的速度呈增長趨勢，但在1996 ～2000 年間增長速度較快，年均增長速度為 0.43%，而在 2000 ～2005 年間增長速度有所下降，年均增長速度僅為 0.25%。
未利用地變化情況與建設用地變化情況正好相反，在 1996 ～ 2005 年之間以年均0.58% 的速度呈減少趨勢，在 1996 ～ 2000 年間減少速度較慢，年均減少速度僅為 0.10% ，但是在隨後的幾年間減少速度猛增，以年均 0.97%的速度減少。
(1)耕地變化:1996～2005年間，河南省耕地面積總體呈持續減少趨勢，10年間共減少了185035.05hm2，平均每年減少0.25%，在這一時期，耕地面積減少大致經歷了由慢到快的兩個階段。第一階段是1996～2000年，耕地面積處於穩中有減的趨勢，較少幅度緩慢，5年共減少29083.56hm2，平均每年減少0.09%;第二階段是2000～2005年，耕地面積減少較前期快，共減少155951.49hm2，平均每年減少0.39%。耕地面積減少主要是因為隨著人口的增加，城市規模不斷向外擴展，大量耕地被非農業用地佔用，耕地面積急劇減少。農業結構的調整、生態退耕、災毀退耕等，也是耕地面積減少的原因。近幾年國家加強了土地管理工作，並把保護耕地、嚴格控制非農建設用地作為工作重點，切實保護耕地，但由於經濟發展和人口的快速增加，耕地面積依然呈減少的趨勢。
(2)園地變化:1996～2005年，河南省園地面積呈增加趨勢，10年間增加了9751.48hm2，平均每年增加0.35%。這一時期園地面積變化和耕地面積變化呈反相關，由快速減少轉變為快速增加。第一階段是1996～2000年，園地面積增加幅度不大，5年共增加1984.8hm2，平均每年增加0.16%;第二階段是2000～2005年，這一階段園地面積呈快速增長趨勢，面積共增加了7766.69hm2，年平均增加0.5%，遠高於第一階段的年平均水平。園地增加主要與農村經濟發展、農業內部結構調整，受市場導向性強有關。因為物價的上漲，使糧食生產效益下降，而農民為了提高收入，自發調整農作物種植結構，大力發展各種果樹、蔬菜等經濟作物，致使園地面積急劇增加。
(3)林地變化:林地自1996～2005年，10年間共增加187550.65hm2，年變化率為0.74%。在1996～2000年間，林地面積基本沒有變化，僅減少107.29hm2，但是從2000～2005年以後增長速度加快，以年均1.33%的速度快速增加，增加面積達187657.94hm2。林地變化主要是因為河南省生態環境建設一系列措施的實施，如退耕還林等政策的實施。特別是2001年以後，一是因為國家生態退耕政策的實施，各地退耕還林力度大大超過了原規劃的預期;二是河南省國家級生態退耕試點縣較多，如三門峽市所轄6縣區、洛陽市的新安縣、濟源市均被列為國家生態退耕試點縣;三是以荒山荒地為主的土地開發活動使林地面積得到進一步擴大，所以林地面積開始較大幅度地增加。
(4)牧草地變化:牧草地從1996年到2005年變化不大，10年間僅減少共56.21hm2，但是1996～2000年和2000～2005年兩個階段變化幅度較大。在1996～2000年間以平均每年0.39%的速度增長，面積增加226.53hm2，而在2000～2005年間卻以平均每年0.39%的速度減少，面積反而減少282.75hm2。從總體上看，1996～2000年增加和2000～2005年減少相差不大，所以總體上河南省牧草地變化不大。
(5)城市用地、建制鎮用地和居民點用地變化:1996～2005年10年間，城市用地、建制鎮用地分別以年均4.26%和3.24%的速度快速增長，而農村居民點用地卻以年均0.40%的速度在減少。城市用地在1996～2000年和2000～2005年間變化速度大致相同，分別為3.75%和4.06%;建制鎮用地2000～2005年變化速度基本是1996～2000年的1.5倍，分別為3.68%和2.28%;農村居民點用地在1996～2000年間年均變化率僅為0.06%，但在2000～2005年間，變化速度加快，年均變化率竟然達0.68%，提高了將近11倍。這主要是由於河南省城鎮化戰略的實施，特別是中原城市群的崛起，使城鎮用地迅猛增加;農村居民點用地面積減少表明近兩年「三項整治」(空心村、磚瓦窯和工礦廢棄地)已初見成果。
(6)獨立工礦用地變化:總體上1996～2005年10年間河南省獨立工礦用地增加共26380.56hm2，以年均1.46%的變化速度增長，2000～2005年變化速度比1996～2000年的變化速度稍快，分別為1.69%和1.08%。這主要是因為2000年後河南省經濟進入快速發展階段，能源、礦產開發等工礦用地增加較快。另外，由於不同統計口徑標准不一致，一些應列為城鎮用地范圍的工業園區等用地在土地利用現狀變更調查中仍統計為獨立工礦用地，因而使獨立工礦用地數量增長趨勢明顯。
(7)交通用地變化:1996～2005年間，交通用地面積由85036.53hm2變為117169.43hm2，共增加32132.89hm2，年均變化率為4.20%，交通面積總量呈快速增長趨勢。1996～2000年面積增加9313.35hm2，年均變化率為2.74%;2000～2005年變化速度明顯加快，年均變化率高達4.84%，共增加了22819.54hm2。這主要是因為河南省是全國重要的交通樞紐，河南省經濟處於飛快發展時期，加大基礎設施的投資，著重建設基礎設施，改善交通條件，大力修建鐵路、公路、農村路網等交通設施，特別是公路建設經歷了前所未有的發展時期。因此，使交通用地數量增長趨勢十分明顯。
(8)水利設施用地變化:水利設施面積從1996年的170171.4hm2增加到2005年的181558.81hm2，10年間共增加了11387.41hm2，年均變化率為0.74%。1996～2000年間增加了5371.39hm2，年均變化率0.79%;2000～2005年面積以年均變化率0.69%的速度又增加了6016.03hm2。可以看出，水域面積在此期間呈穩定增加的趨勢。
4.3.2 土地利用結構時空演變分析
4.3.2.1 土地利用結構時間變化
1996年和2005年河南省土地利用詳查資料分析見圖4.1。從圖中可以看出河南省10年間土地利用結構變化情況，總體上說，耕地、農村居民點用地和未利用地面積所佔比例減小，其中，耕地變化較大，由48.99%降低到47.88%，減少幅度達1.11%;未利用地次之，由13.46%降低到12.75%，減少幅度達0.71%;農村居民點用地變化較少，由8.80%降低到8.48%，減少幅度為0.32%。除了牧草地和鹽田面積所佔比例基本沒有變化外，其餘地類所佔比例都有所增加，其中林地變化較大，由17.11%增加到18.24%，增加了1.13%;交通用地由0.51%增加到0.71%，增加了0.20%;城市用地和獨立工礦用地都增加了0.16%;園地、建制鎮用地和水利設施用地等地類增加幅度都在0.10%左右。
4.3.2.2 土地利用結構空間變化
(1)耕地空間變化:1996～2005年，河南省耕地面積總體呈減少趨勢。其中變化幅度較大的是濟源、三門峽和平頂山市，變化幅度分別為5.40%、3.27%和3.15%;變化幅度較小的是周口、漯河和開封市，變化幅度分別為0.01%、0.27%和0.42%(圖4.2)。
(2)園地空間變化:1996～2005年，河南省園地面積總體呈增加趨勢。其中變化幅度較大的是焦作、濮陽和三門峽市，變化幅度分別為1.31%、0.64%和0.53%;變化幅度較小的是商丘、漯河、駐馬店、濟源和南陽市，變化幅度分別為0.03%、0.04%、0.04%、0.04%和0.05%(圖4.3)。
(3)林地空間變化:1996～2005年，河南省林地面積呈先減少後增加的趨勢。其中變化幅度較大的是三門峽和焦作市，變化幅度均為 5.10%; 變化幅度較小的是鄭州和漯河市，變化幅度分別為 0.01%和 0.05% (圖 4.4)。
圖4.1 河南省1996～2005年土地利用類型變化趨勢
圖 4.2 河南省 1996 ～2005 年耕地變化趨勢
圖 4.3 河南省 1996 ～2005 年園地變化趨勢
圖 4.4 河南省 1996 ～2005 年林地變化趨勢
(4)牧草地空間變化: 1996 ～ 2005 年，河南省牧草地面積呈先增加後減少的趨勢。其中變化幅度最大的是鄭州和三門峽市，變化幅度分別為 0.11%和 0.1%; 變化幅度較小的是焦作、信陽和濟源市，變化幅度基本在 0.01%左右，其餘基本沒有變化 (圖 4.5)。
圖 4.5 河南省 1996 ～2005 年牧草地變化趨勢
(5)城鎮用地空間變化: 1996 ～ 2005 年，河南省城鎮用地面積呈快速增加的趨勢。其中變化幅度最大的是鄭州和濟源市，變化幅度分別為 2.83% 和 1.48%; 變化幅度較小的是安陽、三門峽和南陽市，變化幅度分別為 0.05%、0.05%和 0.08% (圖 4.6)。
(6)農村居民點用地空間變化: 1996 ～ 2005 年，河南省農村居民點用地面積呈減少的趨勢。其中變化幅度較大的是漯河、平頂山、鶴壁和濟源市，變化幅度高達 1.84%、1.26% 、1.17% 和 1.05% ; 變化幅度 較小 的 是 周 口、安 陽 和 洛 陽 市，變 化幅度 分 別 為0.03% 、0.08% 和 0.09% 。濮陽基本沒有變化 (圖 4.7)。
圖 4.6 河南省 1996 ～2005 年城鎮用地變化趨勢
圖 4.7 河南省 1996 ～2005 年農村居民點用地變化趨勢
(7)獨立工礦用地空間變化: 1996 ～ 2005 年，河南省獨立工礦用地面積呈增長趨勢。其中變化幅度最大的是鄭州市，變化幅度達 1.29%; 變化幅度較小的是南陽、開封和三門峽市，變化幅度分別為 0.01%、0.05%和 0.06% (圖 4.8)。
(8)交通用地空間變化: 1996 ～ 2005 年，河南省交通用地面積呈快速增長趨勢。其中變化幅度較大的是焦作和鄭州市，變化幅度達 0.63% 和 0.48%; 變化幅度最小的是鶴壁市，變化幅度僅為 0.01% (圖 4.9)。
(9)水利設施用地空間變化: 1996 ～ 2005 年，河南省水利設施用地面積呈增長趨勢。其中變化幅度最大的是濟源市，變化幅度高達 2.23%; 其次是洛陽市，變化幅度為0.42% ; 變化幅度較小的是開封和南陽市，變化幅度僅為 0.01% (圖 4.10)。
圖 4.8 河南省 1996 ～2005 年獨立工礦用地變化趨勢
圖 4.9 河南省 1996 ～2005 年交通用地變化趨勢
(10)未利用地空間變化: 1996 ～ 2005 年，河南省未利用地面積呈快速減少趨勢。其中變化幅度最大的是焦作市，變化幅度高達 4.26%; 其次是三門峽市，變化幅度為2.52% ; 變化幅度 較小 的 是 開 封、周 口、濮 陽 和 駐 馬 店 市，變 化幅度 分 別 為 0.19% 、0.19% 、0.14% 和 0.13% (圖 4.11)。
4.3.3 土地利用程度變化
土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，它不僅反映了土地利用中土地本身的自然屬性，同時也反映了人類因素與自然環境因素的綜合效應。根據劉紀遠等 (1992)提出的土地利用程度的綜合分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為若干級，並賦予分級指數，從而給出了土地利用程度綜合指數及土地利用程度變化模型的定量化表達式。
圖 4.10 河南省 1996 ～2005 年水利設施用地變化趨勢
圖 4.11 河南省 1996 ～2005 年未利用地變化趨勢
4.3.3.1 土地利用程度綜合指數模型
某研究區土地利用程度綜合指數可表達為:
河南省土地資源生態安全理論、方法與實踐
式中:Lj為某研究區域土地利用程度綜合指數;Ai為研究區域內第i級土地利用程度分級指數;Ci為研究區域內第i級土地利用程度分級面積百分比;n為土地利用程度分級數。
4.3.3.2 土地利用程度變化模型
一個特定范圍內土地利用程度的變化是多種土地利用類型變化的結果，土地利用程度及其變化量和變化率可定量地揭示該范圍內土地利用的綜合水平和變化趨勢。土地利用程度變化量和土地利用程度變化率可表達為:
河南省土地資源生態安全理論、方法與實踐
式中:Lb和La分別為b時間和a時間的區域土地利用程度綜合指數;ΔLb－a為a至b時間段內土地利用程度變化量;Ai為第i級的土地利用程度分級指數;Cib和Cia分別為某區域b時間和a時間第i級土地利用程度面積百分比;Rj為土地利用程度變化率。
如ΔLb－a>0，或Rj>0，則該區域土地利用處於發展時期，否則處於調整期或衰退期。
根據劉紀遠等(1992)提出的土地利用程度的綜合分析方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為若干級，並賦予分級指數(表4.4)，從而可以計算出土地利用程度綜合指數。
表4.4 土地利用類型及分級
選用 1996 年和 2005 年數據資料，根據式 (4.3)和式 (4.4)計算出河南省土地利用綜合指數、土地利用程度變化率和變化量 (表 4.5)。
從表 4.5 可以看出，河南省土地利用程度綜合指數 (L)從 1996 年的 263.96 增加到2005 年的 264.40，土地利用程度變化量 (ΔL)為 0.44，土地利用程度變化率 (R)為0.17，說明河南省整體的土地利用處於發展期，土地利用程度較好。各地 (市)由於受影響因素的不同土地利用程度各不相同，有的處於發展期，有的則處於調整期或衰退期。從土地利用綜合指數上看，1996 年漯河市、商丘市、周口市的綜合指數較高，均大於300，最高的漯河市達到 309.34，超出河南省 40 個點以上; 2005 年綜合指數整體呈上升趨勢，但漯河市、商丘市、周口市和許昌市仍比較高，位居前列。從土地利用變化量上看，在 1996 ～2005 年間，平頂山、濟源、南陽、駐馬店、漯河、信陽和鶴壁、洛陽、三門峽共 9 個城市的變化量小於零，說明這些城市土地利用處於調整期，其餘的 9 個城市土地利用處於發展期，發展態勢良好。從土地利用程度變化率上看，鄭州市最高，為 3.35，處於快速發展期; 焦作次之，為 1.92，處於一般發展期; 新鄉、許昌、周口、商丘、安陽、濮陽和開封分別為 0.57、0.40、0.35、0.17、0.12、0.10 和 0.01，均處於緩慢發展期。
總體來說，人類活動的因素對土地利用程度影響比較大。對處於發展期的城市，如鄭州市，由於人類活動的增加，耕地和未利用地減少，城鎮居民用地和交通用地的增加，使得土地利用程度提高。而對處於調整期的城市，如平頂山市，由於耕地大幅度地減少，未利用地大幅度地增加，使得土地利用程度減小。
表 4.5 河南省土地利用程度變化率和變化量
4.3.4 土地利用變化的區域差異
土地利用變化存在著顯著的地區差異，可以用各區域某種土地利用類型相對變化率及各區域土地利用動態度的不同來反映土地利用變化的區域差異。土地利用動態度主要描述了土地利用的變化速度，研究末期相對於研究初期的變化速率，突出的是時間上的區域差異; 而土地利用相對變化率主要描述某一區域土地利用類型變化和全區域的比較，和土地利用動態度相比，選取的參照物不同，突出的是空間上的區域差異。此次研究採用兩種方法分析土地利用變化的區域差異，可以從兩個角度分析土地利用變化的區域差異，為揭示河南省土地利用變化規律提供科學依據。關於土地利用動態度前面已作了詳細說明，下面只分析土地利用相對變化率的計算。某研究區某一特定土地利用類型相對變化率 (R)可表示為:
河南省土地資源生態安全理論、方法與實踐
式中:Ka、Kb為某區域某一特定土地利用類型研究期初及研究期末的面積;Ca、Cb分別代表全研究區某一特定土地利用類型研究期初及研究期末的面積。
如果某區域某種土地利用類型的相對變化率R大於1，則表示該區域這種土地利用類型變化較全區域大。相對變化率是一種反映土地利用變化區域差異的很好的方法，河南省土地利用相對變化率見表4.6。
表4.6 河南省土地利用相對變化率
4.3.4.1 耕地相對變化率的區域差異
耕地相對變化率最大的是許昌市，達到了 1.24; 其次是開封、安陽、漯河和周口、駐馬店，其 R 值均為1 < R <1.24; 除了新鄉、焦作和濮陽、南陽的 R 為1.00 外，其餘幾個城市 R 值都小於 1，耕地相對變化率最小的是濟源市，R 值為 0.82，說明這些地區的土地利用類型變化小。
4.3.4.2 園地相對變化率的區域差異
園地變化情況比較大，相對變化率最大的是濮陽市，達到了 1.79，其次是新鄉 (R =1.48)和洛陽 (R = 1.16); 園地相對變化率最小的是焦作市，R 值為 0.63。
4.3.4.3 林地相對變化率的區域差異
林地相對變化率最大的是焦作市，達到了 1.60，其次是許昌市 (R =1.24); 林地相對變化率最小的是周口市，R 值為 0.89。
4.3.4.4 城鎮用地相對變化率的區域差異
相對變化率最大的是濟源市，達到了 4.23，其次是鄭州市 (R = 1.89)和信陽市(R = 1.05); 城鎮用地相對變化率最小的是平頂山市，R 值為 0.75。
4.3.4.5 農村居民點用地相對變化率的區域差異
相對變化率最大的是許昌市，達到了 1.31，其次是安陽市 (R = 1.05)和焦作市(R = 1.05); 農村居民點用地相對變化率最小的是平頂山市，R 值為 0.80。
4.3.4.6 獨立工礦用地相對變化率的區域差異
相對變化率最大的是鄭州市，達到了 1.31，其次是許昌市 (R =1.13); 獨立工礦用地相對變化率最小的是平頂山市，R 值為 0.85。
4.3.4.7 交通用地相對變化率的區域差異
相對變化率最大的是焦作市，達到了 1.32，其次是許昌市 (R =1.28); 交通用地相對變化率最小的是鶴壁市和平頂山市，R 值為 0.74 和 0.79。
4.3.4.8 水利設施用地相對變化率的區域差異
相對變化率最大的是濟源市，達到了 13.56，其次是洛陽市 (R = 1.62)和許昌市(R = 1.14); 水利設施用地相對變化率最小的是周口市，R 值為 0.90。
4.3.4.9 未利用地相對變化率的區域差異
相對變化率最大的是許昌市，達到了 1.22; 未利用地相對變化率最小的是焦作市，R值為 0.83。
4.3.5 土地利用變化的空間格局
土地利用的空間格局主要包含: ①土地利用的類型; ②土地利用類型的空間布局; ③土地利用的數量結構，即土地利用圖上的斑塊分布。通過土地利用空間格局的研究，可以具體地把握土地利用現狀，其分析結果可反映區域內土地資源的特點和優劣勢，診斷土地利用合理與否，從而為土地規劃設計、土地可持續開發利用、土地管理與調控提供科學依據。
此次研究運用景觀生態學中的多樣性指數、優勢度指數、均勻度指數作為土地利用空間格局指數，對河南省土地利用的空間格局進行分析。
(1)土地利用多樣性指數: 可用來描述土地利用類型的豐富和復雜程度，反映了土地利用類型的多少和各種類型所佔比例。當土地利用各種類型所佔比例差異減小時，多樣性上升。算式為:
河南省土地資源生態安全理論、方法與實踐
(2)土地利用優勢度指數: 用於表示土地利用結構中一種或幾種類型占整個土地利用的程度。其表達式為:
河南省土地資源生態安全理論、方法與實踐
(3)土地利用均勻度指數: 用於描述土地利用類型的分配均勻程度，可用 Romme相對均勻度計算。其表達式為:
河南省土地資源生態安全理論、方法與實踐
上列各式中，H為土地利用多樣性指數;pi為第i種土地利用類型占總面積的百分比;D為土地利用優勢度指數;m為土地利用類型的種類;E是土地利用均勻度指數;H'是修正的Simpson指數;H'max是在給定豐富度T條件下的最大可能均勻度。
空間格局指數的大小反映了人類活動對土地利用的干擾程度，隨著干擾度的增加，土地利用的多樣性和均勻度提高，優勢度減少。根據以上公式，計算河南省及各地(市)的土地利用空間格局指數值見表4.7和圖4.12。
表 4.7 河南省土地利用空間格局指數值
多樣性指數反映了土地利用類型的豐富和復雜程度，通常人口集中、人類活動強烈的地區，土地多被開發為農業、工礦、城市及農村居民用地，區域內土地利用類型增加，多樣性升高。河南省土地利用多樣性指數為 2.30，從各個地 (市)的情況來看，最高的是鄭州市，土地利用多樣性指數為 2.58，高於全省多樣性指數的還有平頂山、濟源、焦作、信陽、鶴壁和南陽等 6 個城市; 其餘均低於全省多樣性指數，最低的是周口市，土地利用多樣性指數僅為 1.57。
圖 4.12 河南省土地利用空間格局指數
土地利用優勢度是描述土地利用結構中一種或幾種類型支配整個土地利用的程度。優勢度越高，說明人類對土地利用的干擾度越低。與多樣性指數相比，多樣性指數高，其優勢度指數就低; 相反，多樣性指數低的，其優勢度指數就高，即人類活動對土地利用的干擾度增加。從全省各個地 (市)的優勢度指數來看，最高的是周口市，土地利用優勢度指數為 2.02，較低的是鄭州市、平頂山、濟源、焦作等城市，土地利用優勢度指數分別為 1.00、1.12、1.13 和 1.19，說明這幾個城市人類對土地利用的干擾度較高。
土地利用均勻度用於描述土地利用類型的分配均勻程度。在各個地 (市)中，大於河南省平均水平的有濟源、平頂山、鄭州、信陽、南陽、洛陽和焦作等 7 個城市。最低的是周口市，土地利用均勻度僅為 0.28。和多樣性指數的趨勢一致，而與優勢度指數成反比，即均勻度指數高者，多樣性指數也高，而優勢度指數較低，說明該地人類活動對土地利用的干擾度較大。
I. 水源區土地利用/覆被變化研究
4.1.1 遙感技術在土地利用 / 覆被變化研究中的應用
從 20 世紀 80 年代中後期以來，面向解決全球環境變化和可持續發展領域的若乾重大問題，土地利用/土地覆被變化 (LUCC)研究受到國內外學術界的重視，並在該領域開展了一系列的研究。LUCC 研究的核心目標在於探討土地利用和土地覆被變化對全球和區域生態系統的影響。目前，人類面臨的許多環境與發展問題都與土地利用/覆被變化有關，土地利用/覆被變化研究已成為地理學綜合研究的國際前沿課題。LUCC 對區域生態影響日益受到學術界的重視，一是 LUCC 過程的區域差異大，更重要的是生態建設往往通過改變土地利用方式來實現，土地利用變化導致土地覆被的變化從而影響區域或景觀范圍內環境變化。惡化等生態環境問題的出現總是與不合理的土地利用聯系在一起，而土地利用合理往往會促使區域生態環境向適應人類需求的良性方向發展。
遙感 (RS)技術是在航攝基礎上於 20 世紀 60 年代以來迅速發展起來的一門新興綜合探測技術，是在不直接接觸的情況下，對目標物或自然現象遠距離的感知，從而獲得目標物的信息。遙感技術已被廣泛應用於環境監測與評價、國土資源調查、城市規劃研究、大氣和海洋的變化研究、土地利用動態監測等方面。基於衛星遙感數據，利用 GIS 技術對研究區域在一定時期內 (通常為 5 ～10 年)土地利用類型的數量和時空變化特徵進行研究，以一定尺度的區域為基本空間分析單元，利用土地利用程度變化模型以及土地利用類型變化強度指數分析該區域在這一時段的土地利用程度及其變化的區域分異特徵，分析區域土地利用變化的空間趨向性，成為當前土地利用變化研究富有成效的研究途徑。
4.1.2 技術方法及遙感圖像處理
4.1.2.1 技術方法
採用1989 年和2000 年的 Landsat TM 全色波段影像，對全色波段影像中的4、7、3 波段對應的紅、綠、藍作假彩色合成。合成後進行色彩增強處理，調整亮度、色度、飽和度，拉開不同地類之間的色彩反差。以合成遙感影像為基本信息源，經與地形圖配准，建立了 1∶20萬的研究區土地利用/覆被動態 TM 影像庫，建立水源區的土地利用分類體系。在 MapGIS、PHOTOSHOP 等軟體平台支持下，根據影像特徵，建立判讀標志並進行人機互動式 TM 影像判讀，採用屏幕數字化方式提取兩個時相土地利用/覆被信息，將土地利用/覆被現狀數據存儲為 MapGIS 的點、線、面文件格式，將提取的水源區土地利用/覆被信息在 MapGIS 平台下將面狀信息的面積、ID 號和地類等屬性信息導入 Excell 程序，進行數據的統計和變化趨勢的分析，揭示出研究區土地利用/覆被變化與生態環境之間的關系 (圖4.1)。
圖 4.1 工作流程圖
4.1.2.2 遙感圖像處理
遙感圖像處理是為圖像分類識別提供基礎和支持。此次研究採用 1989 年 10 月 31 日和 2000 年 10 月 21 日兩時相的 Landsat TM 遙感圖像 (解析度 30 m)。遙感圖像處理包括圖像的增強處理和圖像的校正、配准。
為了獲取圖像最佳的分類效果，正確提取土地利用/覆被類別信息，在分類前對圖像進行了彩色增強處理。分別對 1989 年和 2000 年兩個時段的 TM 數據，進行了不同波段之間的融合實驗，得出信息較為豐富和目視效果最佳為 TM473 的假彩色合成，其次是TM743 真彩色合成。為了圖像分類能分出盡可能多的地類以及分類效果最好，最終選取了 TM473 這一合成方案。
在圖像處理軟體下，導入 125-37-4、7、3 三個波段的遙感數據，選擇通道合成對應紅、綠、藍作假彩色合成。波段 4 能增強土壤-農作物與陸地-水域之間的反差; 波段 3 是辨別植被的最重要的一個波段，能增強植被覆蓋與無植被覆蓋之間的反差; 波段 7 有利於區分人造地物類型。假彩色合成的圖像突出了植被、水體、裸土地及各類地物、地形和地貌的差異。在該合成圖像上，耕地為紅白色、淺綠色，水體是深藍色調，林地是紅色調，草地為灰綠色調 (圖 4.2，圖 4.3)。總體來說，TM473 彩色合成的圖像色彩豐富，信息量大。此次工作主要以 TM4、7、3 波段合成的假彩色圖像作為各種分類的基礎圖件。
4.1.2.3 遙感圖像幾何校正
所謂幾何精校正，就是利用地面控制點使遙感圖像的幾何位置符合某種地理系統，與地圖配准。幾何校正的目的是將影像的幾何位置校正到地形圖的投影位置上。此次研究對於 TM 圖像的幾何校正是在 MapGIS6.5 平台上完成的。首先是對研究區 1∶20 萬地形圖進行幾何校正。在校正過程中採用高斯-克呂格投影，1954 北京坐標系，以 111°00༼″為中央經線，按 6°帶分帶進行坐標計算。利用校正好的 1∶20 萬地形圖分別對 2000 年和 1989年的 TM 影像進行坐標配准。為保證圖像校正的精度，地面控制點的選取原則是: 有一定的數量保證，均勻分布在整個校正區域內，具有明顯精確的定位識別標志，如河流的拐點，河流、道路的交叉點等。選擇的控制點總計為 45 個，幾何校正選用二次多項式。圖像校正完後，利用 ENVI 軟體提供的 LINK 功能檢查配准精度。
圖 4.2 1989 年 TM473 合成圖像
圖 4.3 2000 年 TM473 合成圖像
4.1.3 遙感影像解譯標志的建立
4.1.3.1 遙感解譯的基本准則
在進行圖像處理、確定解譯內容、建立解譯標志後，就可在影像上進行地類判讀。在判讀過程中，應注意幾點基本准則，首先，掌握地區特點。影像反映的是地物群體，不可能識別每個像元所代表的地物，而只能把許多像元的綜合特徵定性地判讀出來，這樣區域知識和解譯經驗就非常重要。其次，了解地物空間分布的規律性。受自然因素和人為因素的影響，各種土地資源類型在空間分布上具有一定的規律，只有掌握當地各種土地利用類型空間分布的規律，並結合其他相關因素，解譯結果才能更接近實際情況。第三，分析時相和物候的關系。因不同的物候狀況在影像上具有不同的光譜特性，所以調查土地資源時，了解地面植物生長發育期的特徵，對判讀作物布局的特點有很大幫助。第四，排除影像上的 「噪音」，如雲霧信息等。此外參考地形圖、土地利用圖等其他輔助資料以幫助判別。
4.1.3.2 各地類的影像特徵
以 1984 年全國農業區劃委員會編寫的 《土地利用現狀調查技術規程》中分類體系為參考進行分類。國家土地利用分類系統的一級分類主要根據土地的用途和覆蓋特徵，二級分類主要根據土地的經營特點和利用方式，三級分類主要依據地貌特徵和覆蓋物的種類。根據國家土地分類系統、TM 圖像對土地利用狀況的識別能力，以及研究區土地利用的特點建立研究區土地利用分類體系。
遙感影像解譯標志的建立主要是結合野外調查與影像分析來確定的。土地類型在影像上的色調、形狀、紋理、結構特徵各異。結合研究區的土地利用特點，利用衛星圖像反映出的形、色、大小為主要指標，建立目視解譯標志，應用這些標志對 TM 圖像進行實際目視解譯，建立研究區土地利用 /覆被分類體系。研究區土地利用分類體系及影像標志見表 4.1。
考慮到研究重點在於水源區水體、林地、裸岩石礫地等之間的空間交替演變情況，根據研究目的和研究區域的實際情況，將研究區的土地類型劃分為耕地、林地 (包括闊葉林、混交林等覆蓋度在 80%以上的林地)、低覆蓋度林地 (包括灌木林地、疏林地以及與高覆蓋度草地混雜生長的林地，覆蓋度在 50% ～80%之間)、水體 (包括湖泊、河流、較大面積的池塘等)、居民及建設用地、草地 (主要是指低於 50% 的低覆蓋度草地)、灘塗等八大類型。
表 4.1 水源區土地利用/覆被分類體系及 TM (473)影像特徵
4.1.4 人機交互提取土地利用變化信息
遙感圖像分類的目的是提取土地利用/覆被變化信息，變化信息的提取主要有: 互動式目視解譯和計算機自動分類兩種方法。研究區地形復雜，以山地為主，地物種類復雜多樣，加上同物異譜和異物同譜的情況比較多，因此，土地覆被類型不宜單獨採用計算機自動分類，而應採用以目視判讀為主、計算機自動分類為輔的方法。以遙感圖像作為基本數據源，同時以 2000 年土地利用圖作為參考圖，還應結合研究區的地形圖、地質圖等進行判讀，按解譯標志進行土地覆被類型的目視判讀以達到提高判讀精度的目的。
人機互動式目視解譯主要是利用地理信息系統的編輯功能，在計算機屏幕上對遙感圖像進行互動式目視解譯。首先確定各類型的分布范圍，在屏幕上用滑鼠沿類型邊界進行跟蹤，邊界封閉後再賦予該圖斑所歸屬的土地利用類型的代碼。
實踐證明，在計算機屏幕上互動式的人工目視解譯提取土地利用類別的定量信息的精度比較令人滿意。因此，此次主要通過人工目視解譯和計算機的自動分類為輔助手段的方法提取土地利用/覆被的定量信息。以 MapGIS 和 PHOTOSHOP 為工作平台，以建立的研究區土地利用/覆被分類體系為依據，通過人機對話，結合研究區的土地利用現狀圖，地形圖以及野外 GPS 地類調查情況，最終生成研究區 1989 年和 2000 年土地利用/覆被圖(圖 4.4，圖 4.5)。
圖 4.4 1989 年土地利用/覆被圖
圖 4.5 2000 年土地利用/覆被圖
4.1.5 土地利用動態變化趨勢分析
對研究區各土地利用/覆被地類的面積進行了統計，其變化結果見表 4.2 和圖 4.6。結果表明，近 10 年間，地類面積發生較大變化的是耕地、河流水面的減少和疏林地及灌木叢的增加，這與該內人地矛盾尖銳、森林系統功能退化和濕地面積銳減等生態問題是吻合的。從土地利用/覆被圖上還可以看出，丹江口水庫和丹江支流淇河、老灌河周圍土地墾殖指數高、植被覆蓋低，地貌上屬低山丘陵區。該區域也是水土流失較嚴重地區。
表 4.2 水源區土地利用/覆被地類面積和變化統計
圖 4.6 1989 ～2000 年研究區土地利用/覆被變化趨勢