土地利用變化空間多尺度驅動力耦合模型構建

趙俊三，袁 磊，張 萌

（1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.云南師范大學信息學院，云南 昆明650500；3.西部資源環(huán)境地理信息技術教育部工程研究中心，云南 昆明 650500）

土地利用變化空間多尺度驅動力耦合模型構建

趙俊三1，袁 磊2，3，張 萌1

（1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.云南師范大學信息學院，云南 昆明650500；3.西部資源環(huán)境地理信息技術教育部工程研究中心，云南 昆明 650500）

研究目的：從多尺度空間關聯(lián)耦合的角度，構建一個能夠動態(tài)、定量表征不同尺度土地利用變化及其驅動機理的土地利用變化多尺度驅動力系統(tǒng)動力學耦合模型。研究方法：以系統(tǒng)動力學理論與方法為指導，構建耦合模型主控反饋環(huán)與耦合關系模塊形成耦合模型總體框架，并對該耦合模型進行實現(xiàn)與應用驗證。研究結果：該耦合模型模擬結果相對誤差的均值為-0.155%，相對誤差分布在［-3.91%，4.98%］區(qū)間內(nèi)的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的90.3%，基本達到了對三級實證研究區(qū)土地利用變化及其多尺度驅動機理時域行為的再現(xiàn)與模擬。研究結論：耦合模型構建思路與方法較為可靠，能夠為土地利用規(guī)劃數(shù)量結構在不同尺度間的配置與協(xié)調(diào)提供有效的預測手段。

土地利用；變化驅動力；空間多尺度；系統(tǒng)動力學；耦合模型

土地利用變化是不同的土地利用需求和自然演化與土地利用類型的耦合，是當今經(jīng)濟社會中最普遍、最活躍的地球景觀現(xiàn)象[1]。2005 年，IGBP 和IHDP聯(lián)合推出全球土地計劃研究（Global Land Project，GLP），并確立今后一段時間將在土地系統(tǒng)變化動力學、土地系統(tǒng)變化后果、土地可持續(xù)性綜合分析與模擬三個重點領域開展研究，而且這三大主題均涉及尺度問題[2-5]。可見，土地利用變化的驅動力多尺度問題的研究已經(jīng)成為土地科學領域極具創(chuàng)新性探索的重要研究方向之一。

系統(tǒng)動力學模型（System Dynamics，SD）作為一種從系統(tǒng)內(nèi)部關系入手的綜合研究方法，其最大的優(yōu)勢在于能夠通過狀態(tài)變量（Stock）、流量函數(shù)（Flow）、輔助變量（Convertor）、流線（Connector）等基本要素，構成模型決策反饋環(huán)[6-8]，從而能夠從宏觀上反映土地利用系統(tǒng)的結構、功能和相互作用，并可以根據(jù)研究需要，設定不同的約束條件，對系統(tǒng)的發(fā)展變化進行模擬，從而為決策提供依據(jù)[9-11]。因此，近年來將系統(tǒng)動力學模型應用于土地系統(tǒng)動力學方面的研究成果較多， 例如，Rosimeiry等構建了綜合土地利用系統(tǒng)動力學模型，對美國大平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)過程進行模擬[12]；Lee利用系統(tǒng)動力學模型，分析了巴西亞馬遜流域不同類型的土地利用對生態(tài)系統(tǒng)功能退化的影響[13]；譚術魁構建了區(qū)域耕地壓力系統(tǒng)動力學模型，通過仿真技術預測了2000—2020年湖北省耕地面積、耕地缺口、糧食產(chǎn)量、耕地壓力指數(shù)等的變化趨勢[14]，取得了理想效果。以上研究大都針對單一尺度下的典型區(qū)域、熱點區(qū)域及生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)開展研究，而基于土地利用變化系統(tǒng)的大背景，從多尺度角度，注重土地利用變化驅動力系統(tǒng)內(nèi)部不同尺度層級間土地利用變化及其核心驅動因素之間的相互作用、相互聯(lián)系的反饋機制、控制機制和運行機制的耦合模型的研究成果卻鮮有報道。

基于此，本文從多尺度耦合的角度，將土地利用變化及其多尺度驅動力看作多尺度空間上的耦合大系統(tǒng)，在對該耦合系統(tǒng)特點分析的基礎上，探討土地利用變化多尺度驅動力系統(tǒng)動力學耦合模型構建的理論與實現(xiàn)方法，形成耦合模型構建的核心思路，選擇云南省、昆明市、宜良縣組成上下關聯(lián)的三級實證研究區(qū)，對耦合模型構建進行了實證研究，并通過對研究區(qū)土地利用變化及其多尺度驅動機理的模擬，對模型構建的理論與方法進行檢驗。

1 空間多尺度的內(nèi)涵及耦合系統(tǒng)特點

本文將空間多尺度的概念界定在兩個方面：一是行政尺度，即行政體系涉及的范圍，如省、市、縣各級行政區(qū)組成的具有上下包含關系的空間多尺度研究區(qū)；二是具體的比例尺概念。因為行政尺度一旦確定，其對應的比例尺往往也不會孤立存在。例如，在國家比例尺系列中，云南省省級一般定義為1∶50萬比例尺，市（州）定義為1∶10萬比例尺，縣級定義為1∶5萬或1∶1萬比例尺系例。綜上，本文空間多尺度是指以現(xiàn)行行政區(qū)域所組成的多尺度空間區(qū)域。

基于上述空間多尺度內(nèi)涵的界定，按照系統(tǒng)論的觀點，本文研究的土地利用變化及其多尺度驅動力系統(tǒng)便是一個由若干相互影響、相互作用的子系統(tǒng)通過相互之間自身存在的關聯(lián)關系而耦合在一起所形成的具有特定功能的耦合大系統(tǒng)。在這個復雜的系統(tǒng)之中，某一尺度層級的土地利用變化與該尺度上的社會、經(jīng)濟、自然生物物理等諸多因素的發(fā)展聯(lián)系在一起。不僅如此，該尺度層級上的土地利用變化還會受到其上級尺度或下級尺度的土地利用變化及相應社會、經(jīng)濟與自然生物物理因素的影響，即不同尺度層級之間的地類與地類、地類與驅動因素也存在著相互影響、相互作用的耦合關系。因此，要對這樣一個復雜大系統(tǒng)進行系統(tǒng)動力學建模，首先必須抓住其核心要素、主體結構及核心因果反饋關系，這也是耦合模型構建的前提基礎。

歸納起來，耦合系統(tǒng)的核心要素主要有三大類：地類要素、驅動因子要素和尺度要素。地類要素即根據(jù)土地利用分類體系劃分出的不同尺度上的不同地類，如耕地、園地、林地等；驅動因子要素即影響不同尺度上的各個地類變化的驅動因素，如人口因素、GDP總量、自然環(huán)境演化等；尺度因素界定為與中國行政體系劃分相對應的行政尺度，如本文研究的省級尺度、市級尺度、縣級尺度等。這三類要素是整個系統(tǒng)存在的基礎。基于三大類核心要素，結合系統(tǒng)的層級關系，可將耦合系統(tǒng)的主體結構抽象如圖1所示。

圖1 耦合系統(tǒng)的主體結構關系圖Fig.1 Main structure diagram of the coupling system

圖2 耦合系統(tǒng)的根本因果關系Fig.2 Fundamental causation of the coupling system

顯然，土地利用變化多尺度驅動力耦合系統(tǒng)是由若干相互影響、相互作用的子系統(tǒng)共同組成。子系統(tǒng)的劃分依據(jù)不同的行政尺度，由此劃分為省級子系統(tǒng)、市級子系統(tǒng)、縣級子系統(tǒng)等。子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間主要通過地類面積之間的相互依存及對應的社會、經(jīng)濟及自然生物物理因素的相互影響、相互制約形成關聯(lián)；每一個子系統(tǒng)即為某一行政尺度下的土地利用變化系統(tǒng)，由該尺度下的若干系統(tǒng)單元構成。各個系統(tǒng)單元之間通過各個地類之間的轉移變化關系構成該子系統(tǒng)的主要因果反饋關系；系統(tǒng)單元指每一地類與其驅動因素的集合，如耕地與其驅動因素組成一個系統(tǒng)單元，園地與其驅動因素也同樣形成一個獨立的系統(tǒng)單元。系統(tǒng)單元內(nèi)部也同樣存在著自己的因果反饋關系，例如，某一時期農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值影響了耕地的變化，而耕地的變化又隨之影響農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值的增減。

可見，對應于耦合系統(tǒng)的主體結構，存在如圖2所示的根本的因果關系：驅動因子對某一尺度下的土地利用變化產(chǎn)生影響，該尺度土地利用變化又通過尺度之間的相互作用影響著其他尺度地類的變化，所有地類的變化又反過來作用于驅動因素的改變。

2 耦合模型構建的核心思想

由上述耦合系統(tǒng)的主體結構及根本因果關系分析可知，該耦合系統(tǒng)具有如下顯著特征：（1）層次性。耦合系統(tǒng)總體是由不同尺度的土地利用變化及其驅動因素組成的一個個相對獨立的系統(tǒng)單元共同構成，各個系統(tǒng)單元之間隨著行政尺度的不同呈現(xiàn)多級層次特征。（2）非線性。耦合系統(tǒng)內(nèi)部土地利用要素及其與驅動因素之間存在著多重、復雜的反饋關系，這些反饋關系并不都是簡單的線性關系，往往還呈現(xiàn)高階次、非線性特征。（3）結構復雜性。該耦合系統(tǒng)不再局限于某一類或某些簡單因素，而是對整個土地利用生態(tài)系統(tǒng)中不同空間尺度下的各個地類及與之相關的經(jīng)濟、社會、自然生物物理環(huán)境等諸多因素的綜合描述。這些紛繁的因素之間又分別存在著錯綜盤結的關聯(lián)關系，因此，結構復雜。（4）動態(tài)性。耦合系統(tǒng)的狀態(tài)和過程隨著時間的推移都處于不斷的運動變化之中。

可見，對于這樣的復雜系統(tǒng)，要對其狀態(tài)及行為進行模擬，就不能完全依靠推理計算和定性分析的手段或方法，而應考慮由靜態(tài)模型向動態(tài)模型的方向轉變。由耦合系統(tǒng)的主體結構關系和根本因素關系分析可知：土地利用變化多尺度驅動力耦合系統(tǒng)盡管其結構復雜，但因其基于不同的行政尺度區(qū)域共同組成，具有明顯的多級層次結構特征，因此，一旦行政尺度的具體空間范圍確定，系統(tǒng)的邊界及子系統(tǒng)的劃分都會較為明晰。例如，如果在省級尺度范圍內(nèi)來研究問題，那么省級行政界線便可作為整個系統(tǒng)的邊界，而其所包含的各個市、縣則可作為系統(tǒng)中一個個獨立的子系統(tǒng)來進行研究。如果需要，市級尺度區(qū)域還可以依此縣級行政單元劃分為子系統(tǒng)的子系統(tǒng)。而且，從橫向關系來看，各個市或縣所對應的子系統(tǒng)之間（橫向子系統(tǒng)），單就在地類數(shù)量結構關系上而言，也存在著此消彼長的依存關系。同樣，從縱向關系來看，則表現(xiàn)為系統(tǒng)或者子系統(tǒng)與其下級子系統(tǒng)之間的層次結構關系（縱向子系統(tǒng)），只要行政單元不變，縱向子系統(tǒng)之間各地類數(shù)量結構間也同樣存在著一定的制約與反饋關系。實質(zhì)上，系統(tǒng)與子系統(tǒng)、子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的反饋關系，遠遠不局限于地類數(shù)量結構上的依存，它們還會通過省、市、縣上下級之間的社會、經(jīng)濟、自然生物等諸多因素共同耦合在一起。因此，結合系統(tǒng)動力學原理與方法，采用系統(tǒng)動力學模型對其建模，對深刻刻畫耦合系統(tǒng)的結構特征及動態(tài)行為較為可行。

鑒于以上考慮，從多尺度耦合的角度，形成耦合模型構建思路：（1）系統(tǒng)邊界及子系統(tǒng)的劃分與行政體系空間劃分相對應。例如，如果以省級行政體系對應的空間范圍作為整個系統(tǒng)的研究區(qū)，則省域空間就作為整個系統(tǒng)的邊界，以下進一步劃分為市級子系統(tǒng)、縣級子系統(tǒng)等。（2）根據(jù)耦合系統(tǒng)的根本因果關系，只選取其中1個子系統(tǒng)模塊作為整個耦合系統(tǒng)的主控反饋環(huán)，并通過不同尺度相同地類之間的相互依存關系建立主控反饋環(huán)與其他子系統(tǒng)之間的耦合關聯(lián)，從而形成耦合模型的基本結構框架。（3）參變量的考慮上，主控反饋環(huán)保留原有的地類要素不變，驅動因子的選取兼顧考慮不同尺度土地利用變化的核心驅動因子。（4）尺度因素主要體現(xiàn)在系統(tǒng)邊界及子系統(tǒng)與子系統(tǒng)的劃分與耦合方面，不單獨作為變量出現(xiàn)，而是隱含于不同行政尺度下各個子系統(tǒng)的耦合關系之中。

3 耦合模型構建方法

3.1 耦合模型指標體系的確定

指標體系指一組變量的集合，即這些變量通過相互間的反饋機制而形成一個有機整體，其目的是用來表征系統(tǒng)的主要特征。本文研究的耦合系統(tǒng)主要涉及地類要素、驅動因子要素和尺度要素三大類核心要素。因此，圍繞三大類核心要素，假如研究尺度定位于省、市、縣三級空間尺度，在耦合模型構建時，首先需要重點考慮三大類指標體系，通過這些指標之間的數(shù)量依存關系建立起耦合系統(tǒng)內(nèi)部的互動反饋機制。在對耦合系統(tǒng)因果關系全面把握的基礎上，集中于模型構建的本質(zhì)問題，著力關注主導性反饋回路，使得模型行為和產(chǎn)生的策略確切可用、可信賴，即依據(jù)“就簡原則”和“有效原則”建立耦合模型的指標體系：（1）地類要素變量集。主要包括不同尺度（省、市、縣）的地類及各地類之間面積的相互轉移量及轉移概率。例如，市級尺度將會產(chǎn)生以下變量：市域耕地、市域園地、市域林地等地類；市域耕地至園地面積轉移量、市域園地至耕地面積轉移量、市域耕地至林地面積轉移量、市域林地至園地面積轉移量等；市域耕地至園地面積轉移概率、市域園地至耕地面積轉移概率、市域耕地至林地面積轉移概率、市域林地至園地面積轉移概率等。（2）驅動因子要素變量集。主要是不同尺度（省、市、縣）影響各個地類變化的核心驅動因子，包括經(jīng)濟、社會、生物物理、人文、政策等。（3）尺度要素變量集。例如省級尺度、市級尺度、縣級尺度等。

3.2 耦合模型主控反饋環(huán)構建

假設研究尺度涉及省、市、縣三級空間尺度，按照前述耦合模型構建思想，將研究區(qū)土地利用變化及其多尺度驅動力系統(tǒng)動力學耦合模型劃分為省級土地利用變化驅動力子系統(tǒng)、市級土地利用變化驅動力子系統(tǒng)、縣級土地利用變化驅動力子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)模塊，其系統(tǒng)邊界即為省域界線。其中，省、市、縣三個土地利用變化驅動力子系統(tǒng)模塊分別描述省域尺度、市域尺度和縣域尺度各個地類之間的土地利用變化轉移及核心驅動因子與其影響的地類之間的相互作用機制。每個子系統(tǒng)本身都是一個獨立的地類變化與驅動因子反饋系統(tǒng)。以市級土地利用變化驅動力子系統(tǒng)模塊為例，假設市域尺度上土地利用類型有耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、居民點及獨立工礦用地、交通水利設施用地和未利用地8大地類，而由市域土地利用變化驅動力分析假設得到：市域尺度影響耕地變化的核心驅動因子是固定資產(chǎn)投資總額（mx7）和社會消費品零售總額（mx8），林地變化的核心驅動因子是第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（mx5）和社會消費品零售總額（mx8），牧草地變化的核心驅動因子是總人口（mx1）和農(nóng)業(yè)人口（mx2），居民點及獨立工礦用地變化的核心驅動因子是第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（mx3）和農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值（mx9），交通水利設施用地變化的核心驅動因子是農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值（mx9），未利用地變化的核心驅動因子是第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（mx5）、固定資產(chǎn)投資總額（mx7）和社會消費品零售總額（mx8）。進一步結合市域土地利用轉移變化狀況，得到市級土地利用變化驅動力子系統(tǒng)模塊結構（圖3）。同理，根據(jù)不同尺度地類變化的驅動機理及各地類間的轉移變化，省級和縣級子系統(tǒng)模塊也可表達為類似的結構。考慮市級土地利用變化驅動力子系統(tǒng)在省、市、縣三級空間尺度組成的耦合系統(tǒng)中承上聯(lián)下的作用，將其作為耦合系統(tǒng)的主控反饋環(huán)能夠降低耦合系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的關聯(lián)復雜度，因此將其作為耦合系統(tǒng)的主控反饋環(huán)較為適宜。

3.3 耦合模型關聯(lián)模塊構建

耦合模型關聯(lián)模塊描述了不同尺度相同地類之間的相互依存關系及影響地類變化的核心驅動因子在尺度層級間的動態(tài)關聯(lián)關系，并通過地類之間的相互依存關系實現(xiàn)核心驅動因子對地類變化的影響效應在不同尺度層級之間的關聯(lián)，從而將省、市、縣三個土地利用變化及其驅動力子系統(tǒng)模塊耦合為一個完全的有機整體。其結構如圖4所示。

圖3 市級土地利用變化驅動力子系統(tǒng)模塊結構圖Fig.3 Structure diagram of the module for the driving force subsystem of municipal land use change

3.4系統(tǒng)流圖與方程式的構造

對主控反饋環(huán)和關聯(lián)模塊所包含的因果關系進一步具體化、詳細化，并根據(jù)各變量在模型所起的作用和擔當?shù)慕巧孟到y(tǒng)動力學的狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量及信息流、物質(zhì)流等專用符號進行描述，從而形成耦合模型的流圖。在此基礎上，對流圖中的每一反饋關系根據(jù)因果聯(lián)系構建方程式，即根據(jù)系統(tǒng)的因果反饋關系，來確定系統(tǒng)中各變量之間的數(shù)學函數(shù)關系，從而把非正規(guī)的、概念性的構思轉換成正式的、定量的數(shù)學表達式。方程式的確定可采用多種方法，如采用回歸分析、曲線估計等確定驅動因子與地類之間定量驅動關系，基于多水平模型分析驅動因子在不同尺度層級間的動態(tài)關聯(lián)關系，采用算術平均值法確定研究期內(nèi)地類轉移變化過程中各地類平均轉移概率，必要時也可結合對實際系統(tǒng)的認識和把握，對模型參數(shù)與定量關系進行修正，通常的辦法可采用灰色系統(tǒng)預測模型進行參數(shù)修正。一旦方程全部構建完畢，耦合模型也即建立起來，接著便可借助計算機對整個耦合系統(tǒng)進行仿真與模型檢驗。

圖4 多尺度土地利用變化關聯(lián)模塊結構圖Fig.4 Structure diagram of the relationship module for multi-scale land use change

4 耦合模型應用實證

4.1 多尺度研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

本文選擇中國西南典型高原山區(qū)——云南省、昆明市、宜良縣組成上下互聯(lián)的三級實證研究區(qū)。該多尺度研究區(qū)位于東經(jīng)97°31′39″—106°11′47″、北緯21°8′32″—29°15′8″之間，東西橫跨864.9 km，南北縱距990.0 km。西部為橫斷山脈高山峽谷區(qū)，東部屬云貴高原區(qū)，南部為中、低山寬谷盆地區(qū)，全區(qū)以高原山地為主。研究期內(nèi)，一批支柱產(chǎn)業(yè)與特色產(chǎn)業(yè)得到培育，社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，土地利用/覆蓋格局變化顯著，具有一定的代表性。

實證研究中分別采用了云南省、昆明市、宜良縣三級尺度1999—2008年的二大類核心數(shù)據(jù)：（1）土地利用數(shù)據(jù)。主要包括土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、土地利用變更數(shù)據(jù)及由此派生的DEM、地形圖、坡度圖、坡向圖、交通分布圖、水系分布圖等。該類數(shù)據(jù)分別來源于云南省國土資源廳及昆明市和宜良縣國土資源局；（2）統(tǒng)計類數(shù)據(jù)。主要包括1999—2008年云南省、昆明市及宜良縣的社會、經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)。統(tǒng)計類數(shù)據(jù)來源于云南省圖書館館藏的2000—2009年云南省、昆明市各年統(tǒng)計年鑒及地方志資料，部分來源于相關部門官方網(wǎng)站。

4.2 多尺度研究區(qū)耦合模型實現(xiàn)

實證研究中，耦合模型對不同尺度土地利用變化及其核心驅動因素之間的相互作用、相互聯(lián)系的反饋機制、控制機制和運行機制進行模擬，并通過對模擬結果的檢驗來驗證耦合模型構建理論與思路是否可行。按照耦合模型構建思想，選取昆明市市級尺度土地利用變化驅動力子系統(tǒng)模塊作為整個耦合模型的因果關系的主控反饋環(huán)，主控反饋環(huán)上以昆明市各地類及地類之間的相互轉移量及轉移率為基準，驅動因子變量選取昆明市土地利用變化核心驅動因子與云南省和宜良縣土地利用變化核心驅動因子三者結果的交集，通過昆明市、云南省、宜良縣各地類面積依存關系建立三級空間尺度耦合關系，最終確定耦合模型變量及其含義列表如表1。

表1 耦合模型參變量及其含義Tab.1 Parameters and its meaning of the coupling model

在Vensim PLE可視化建模軟件環(huán)境中，根據(jù)上述各變量在模型中所起的作用和擔當?shù)慕巧ζ湎嗷ブg的因果關系以系統(tǒng)流圖和定量方程式進行表達，形成以昆明市土地利用變化驅動力子系統(tǒng)模塊為主控反饋環(huán)的省、市、縣三級尺度土地利用變化多尺度驅動力系統(tǒng)動力學耦合模型（圖5）。

關于模型中地類要素及其核心驅動因子在不同尺度層級間的系統(tǒng)動力學耦合方程的定量表達，限于篇幅此處僅以耕地為例：My1 = INTEG（（My2y1+My3y1+My4y1+My5y1+My6y1+My7y1+My8y1）-（My1y2+My1y3+ My1y4+My1y5+My1y6+My1y7+My1y8）, 508561+355.005×mx7-687.746×mx8）；Cy1=17587.2+0.063×My1；Py1=（2.95703e+006）+7.817×My1

4.3 耦合模型模擬與檢驗

4.3.1 量綱一致性檢驗 耦合模型采用Vensim 軟件建模，該軟件本身具備量綱檢驗和方程檢驗功能[19]。借助軟件本身的功能對耦合模型檢驗發(fā)現(xiàn)，耦合模型方程式未見錯誤，量綱一致性檢驗通過。

圖5 土地利用變化多尺度驅動力系統(tǒng)動力學耦合模型Fig.5 The system dynamic coupling Model of multi-scale land use change driving forces

4.3.2 模型結構與實際系統(tǒng)的一致性檢驗 耦合模型構建中，前提是已對研究區(qū)地類變化及其驅動機理有了充分的分析，對系統(tǒng)中存在的因果關系有了足夠認識和把握。在此基礎上，在建模時特意將地類要素和驅動因子要素2大類核心要素作為耦合模型的內(nèi)生變量，并遵循現(xiàn)實空間中不同尺度地類資源的數(shù)量依存建立耦合關系；在耦合模型參數(shù)及其值的確定上，也均直接來源于官方數(shù)據(jù)或基于原始的官方數(shù)據(jù)經(jīng)嚴密的數(shù)理統(tǒng)計分析而來。因此，耦合模型盡可能地表征了實際系統(tǒng)。

4.3.3 模型行為與實際系統(tǒng)的一致性檢驗 以1999年研究區(qū)土地利用格局為基準狀態(tài)，將已知數(shù)據(jù)輸入耦合模型，對研究區(qū)1999—2008年地類變化及其驅動機理進行模擬，并將模擬結果與實際數(shù)據(jù)進行對比，以檢驗耦合模型行為與實際系統(tǒng)的一致性。經(jīng)整理，模擬結果與實際數(shù)據(jù)對比如表2所示。

由表2研究區(qū)三個尺度共72組模擬值與實際值的相對誤差結果可知，除Py2（2008，-7.79%）、Cy7（1999，11.36%）、Cy6（2008，-7.54%）、Cy2（2003，-9.52%）、My6（2003，6.98%）5組值相對誤差較大之外，其他各組值的相對誤差均在[-5.98%，4.98%]范圍以內(nèi)。從總體上看，耦合模型相對誤差的均值為-0.155%，相對誤差分布在[-3.91%，4.98%]區(qū)間內(nèi)的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的90.3%。可見，耦合模型的行為基本反映了研究區(qū)土地利用變化及其空間多尺度驅動機理。

5 結果與討論

本文從多尺度耦合的角度，給出了土地利用變化多尺度驅動力系統(tǒng)動力學耦合模型構建的思路與實現(xiàn)方法，并選取中國西南典型高原山區(qū)——云南省、昆明市、宜良縣組成上下關聯(lián)的三級實證研究區(qū)對其進行了應用實證研究。結果表明，該耦合模型基本達到了對三級實證研究區(qū)土地利用變化及其多尺度驅動機理時域行為的再現(xiàn)與模擬。

但不可否認，由系統(tǒng)動力學模型本身缺乏空間概念，使得模擬結果無法在空間上進行直觀表達，因此，如果能夠將系統(tǒng)動力學模型與具有空間模擬功能的CA模型、CLUE模型等進行整合，構建能夠將土地利用變化及其驅動機理在空間和數(shù)量結構上同時再現(xiàn)、跟蹤與模擬的耦合模型，對多尺度研究區(qū)未來50年或100年更長時期土地利用變化及其驅動機理進行模擬與預測，將會更具現(xiàn)實意義。此外，由于多尺度耦合本身是一個較為復雜的現(xiàn)象，本文在耦合模型驅動力因子選取上也僅選擇了短期內(nèi)對土地利用變化起顯著作用的社會經(jīng)濟因子，下一步研究可考慮加入政策、自然等因子，以使得模型更加逼近現(xiàn)實。同時，因本文實證研究案例區(qū)僅以云南省、昆明市及宜良縣這樣的典型高原山區(qū)為例，因此，尚缺乏多樣性樣區(qū)的實證研究，耦合模型的普適性也有待進一步檢驗。

表2 耦合模型模擬結果與實際值對比表Tab.2 Comparison table of results and actual values of the simulation

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（本文責編：仲濟香）

Driving Forces Coupling Model for Multi-scale Land Use Change based on System Dynamics

ZHAO Jun-san1, YUAN Lei2,3, ZHANG Meng1
（1. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. School of Information Science and Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China; 3. Engineering Research Center of Ministry of Education on Geography Information Technology of Western Resource Environment, Kunming 650500, China）

The purpose of this study is to develop a new driving forces coupling model for multi-scale land use change based on System Dynamics, which can measure land use change and its driving mechanism of different scales dynamically and quantitatively. A main control feedback loop and a coupling relationship module are constructed with the theory and method of System Dynamics. We applied the new model to a case study. The results of simulation and test of the new model have shown that the mean of relative error is -0.155%, the relative error values distributed in [-3.91%, 4.98%], which accounts for 90.3% of the total samples. It is concluded that the construction idea and method of the new model is reliable, and it can provide a prediction method effectively for the configuration and coordination of quantitative structurein land use planning for different scales.

land use; change driving forces; spatial multi-scale; system dynamics; coupling model

F301.2

A 文章編寫：1001-8158（2015）06-0057-10

10.13708/j.cnki.cn11-2640.2015.06.008

2014-11-04

修改日期：2015-05-04

國家自然科學基金（41161062）；云南師范大學博士科研啟動項目（01000205020503063）。

趙俊三（1964-），男，河南鄧州人，教授，博士，博士生導師。主要研究方向為GIS/LIS、土地資源管理、土地規(guī)劃、國土資源信息化等。E-mail: junsanzhao@netease.com

袁磊（1977-），男，河南潢川人，講師，博士。主要研究方向為GIS理論與應用、土地規(guī)劃、國土資源信息化。E-mail: v_ict@163.com