基于CA 模型的土地利用模擬研究

黃永堅 陳科玚 閆茂華 王景輝 張學虎

（1中國地質環境監測院，北京 100081；2廣東工業大學管理學院，廣東廣州 510520；3寧波市自然資源整治儲備中心，浙江寧波 315042；4中國地質大學水資源與環境學院，北京 100083；5自然資源部礦山生態效應與系統修復重點實驗室，北京 100081；6中國地質科學院，北京 100037）

土地利用（即土地覆蓋變化LUCC）是對生態環境產生影響的重要因素。土地利用研究的一個重要方法和手段就是對其進行建模和模擬，這也是進行有關土地利用驅動機制等方面研究的重要工具。元胞自動機CA 由一系列模型構造的規則構成[1-2]，因其時空建模能力強大，已成為當今全球土地利用研究進行模擬的主流模型。為此，本文梳理了CA模型在土地利用模擬中的相關文獻，總結了CA模型在土地利用模擬中的研究進展，并討論了土地利用模擬的發展方向。

1 研究思路與研究內容

1.1 研究思路

基于循證管理思想的系統文獻回顧法[3-4]，以結構化和系統化的研究步驟，采用明確的篩選標準對傳統文獻回顧法本身所固有的局限性進行彌補，以增強研究的客觀性與說服力，對“CA 模型是什么（What）”“CA 模型的前因與后果（Why）”及“如何有效模擬未來土地利用（How）”3 個根本問題進行綜述。第1 步：設定研究目標。系統梳理國內外在土地利用模擬中CA 模型的研究現狀，將構建CA 模型研究的知識框架作為本文研究的主要目的。第2步：明確概念邊界。CA模型概念的明晰，有利于理解其優越性和不足之處，從而有針對性地提出解決問題的辦法。第3 步：二次人工篩選。對于原始文獻中可能有與研究目標不相稱或不符合的內容，需要進一步篩選剔除[5]。①剔除非學術類文獻，如會議通知、會議綜述、新聞通訊等；②CA模型應用領域較為廣泛，要明確的是CA模型在土地利用模擬領域的應用，對文獻的研究對象以及其實施目標進行比較與判別，若偏向于其他領域，則予以剔除。第4 步：樣本編碼。首先，按照本文的研究目標，根據以下4個方面對收集到的文獻進行獨立編碼：①文獻基本信息，即出刊時間、作者、作者單位、研究對象、文獻來源及寫作目的；②CA模型的內涵；③CA模型的前因后果；④如何有效模擬未來土地利用。然后，確定最終的框架構成要素。最后，圍繞文獻編碼所形成的框架報告研究結果。

1.2 研究內容

參考學者[6]觀點，按照是什么（What）、為什么（Why）和怎么辦（How）3個基本問題，梳理并提煉文獻編碼內容，構建現有CA模型研究知識框架。研究框架如圖1所示。

圖1 CA模型研究知識框架

2 結果與分析

2.1 CA模型是什么（What）

2.1.1 土地利用模擬模型近年來，主要有ABM模型、DLR模型和CA模型等用于區域土地利用模擬方面的研究。ABM 模型由多個彼此互聯的智能體Agent 組成，其更能反映復雜的人地關系，其在模擬土地利用變化的時候會將復雜空間決策行為及人文因素考慮在內[7]，如政府、利用者、開發商等多種人文主體。DLS模型從宏觀和微觀2個方面，系統探測表征某土地系統在時間和空間上的演化過程，實現區域范圍內的土地系統結構變化及格局演變的動態模擬[8]，可以明確折射出區域社會經濟和自然系統對土地利用變化的影響。CA 模型能與GIS、RS 數據高效接合，極大地提高現有GIS 分析復雜自然現象的能力和時空動態建模的功能[6，9]。但在城市模擬過程中CA 模型偏重于自然環境因素，對于造成土地利用變化的人文影響因素考慮較少，因此在運用的時候要與其他模型結合，進一步挖掘轉換規則，以增強其模擬效果。

2.1.2 發展歷程20世紀70年代，大量學者先后對CA 模型進行了系統深入的理論研究、對城市CA研究展開了大量工作[10-15]，進一步完善CA模型的理論框架、拓展了其應用。20 世紀90 年代末，我國開始應用CA 模型與其他模型相結合來預測城市空間演化發展。周成虎[1]、何春陽[9]、黎夏[6，11]、劉小平[13，16-17]和楊青生[18-19]等都對CA 模型的城市擴展模擬研究作出了積極貢獻，提出了“地理元胞自動機”（GeoCA）的概念，并在DUEM模型的基礎上構建了GeoCA-Urban 模型[1]以及提出將地理特征、地貌實體等內容添加到CA模型的構建方法。

2.1.3 類型多年來，隨著學者們的深入研究，CA模型的研究呈現多元化發展的特點，極大地豐富了其內涵。CA按照維數可以分為一維CA、二維CA和三維CA。一維CA的元胞在一條直線上等間距排列，每個元胞只有前后2個鄰居元胞。一維CA主要被用來模擬交通流，學者們[20-22]利用一維CA來模擬高速公路或城市交通環線上的一維交通流后加入了速度變量，之后又進行簡化等多次改進。二維CA的元胞分布在一個平面上，其鄰域的定義與表示就相對復雜[23]。通過某些簡單的規則CA 模型就可以改變元胞狀態，從而使土地利用產生宏觀的明顯的變化結果，目前我國關于土地利用模擬工作絕大部分是以二維CA進行的。三維CA的元胞分布在三維空間中，其鄰域元胞的獲取比二維更復雜，目前應用范圍不如二維廣泛。

2.1.4 研究現狀

2.1.4.1 轉換規則研究轉換規則對于模擬結果的可靠性和合理性起著決定作用，是土地利用模擬的重點和關鍵。近年來，國內學者將CA模型與多學科模型進行結合，提出了利用Logistic 回歸、神經網絡ANN、主成分分析、多智能體、FLUS、馬爾科夫鏈等方法獲取CA模型的轉化規則和參數[24-27]。

2.1.4.2 元胞大小和形狀研究標準元胞自動機模型的元胞一般具備相同轉變規則的幾何形狀，如正方形、正六邊形等，是按照相同規則且嚴格定義鄰域范圍的元胞來構成的，這與現實中紛繁復雜的土地利用類型并不相符[28-29]。有學者探索用不規則的元胞來代替規則元胞來構建模型，如，劉興權等[30]利用二分Logistic 回歸方法，引入鄰域因子，并建立了可控鄰域元胞自動機模型，成功模擬并預測了長沙市區及其周邊地區的城市擴張過程。

2.1.4.3 矢量元胞自動機的研究因柵格數據易于匹配遙感數據、數據計算方便等優點，現有的CA模擬研究中大都是以柵格數據的像元作為元胞[31-33]。基于柵格數據建立的元胞自動機模型，元胞形狀統一、大小一致，但是現實中大部分地理實體都是不規則的形狀，將對模擬結果造成影響。因此現階段學者們探討如何用矢量數據來代替柵格數據，以使其模擬結果更貼合現實。

2.1.4.4 多種土地利用類型之間的演變為了響應近年來提出的國土空間規劃、閑置宅基地整治等措施，土地利用模擬也需作出相應變動[34-36]。以往的土地利用模擬往往只是模擬非城市用地到城市用地的轉變，隨著土地利用的集約化、高密度化利用趨勢，單一的土地利用類型轉化方式已不合時宜。比如，有學者利用2 種方案對廣州市未來土地利用方案進行CA預測模擬的對比研究等[37]，因此多種土地利用類型之間的演變模擬成為相關專業學者新的研究方向。

2.2 CA模型的前因后果（Why）

2.2.1 研究進展現有CA 模型的研究在2 個方面得到了發展：①虛擬城市模擬與理論驗證。在地理學領域，CA模型早期用于對虛擬城市的模擬和某些城市理論的驗證上。如，應用CA對虛擬城市進行模擬時，余洋等[38]證明了即使很復雜的宏觀格局，通過CA 簡單的部分規則就可以形成。②現實城市模擬與規劃評估。隨著CA理論和應用的日臻成熟，學者們應用城市CA 模擬現實中城市的擴張、蔓延等。比如，馬世發等[39]用CA模型評估預測土地規劃是否合理，是否達到規劃目的。郭歡歡等[40]將多主體與元胞自動機結合，初步探討并分析了該模型的應用優勢及存在問題。

2.2.2 存在問題通過梳理相關文獻可以發現，目前CA 模型的研究主要存在以下3 個問題：①Kappa 等驗證模型精度的指標存疑。國內學者們的研究通常是CA 模型上套取研究區以往一段時間的數據，得到模擬結果后與已發生的結果作比較來論證模型精度，Kappa≥0.75 就能得出模擬結果與現實結果一致性較好的結論[41-43]。但在對研究區進行模擬時，一般來說城鎮用地的面積、比例是最大的，而學者們設定的模擬時間一般是未來的10~20 年，短時間內那些占比小的非城鎮用地原本變化就不大，作為基數最大的城鎮用地面積已經對Kappa 等指標作了極大的解釋成分，因此即便模型預測精度一般，也不會對Kappa 等指標造成大的影響，那僅靠這類指標如何能說明模型可行呢？②模擬所用的數據都是研究區往年的經驗數據，用來預測未來的土地利用欠妥。一般情況下用間隔較短的數據來模擬未來利用的誤差是較小的[44-47]，但得排除個別極端事件的發生，如我國2016 年全面放開二胎政策和2020 年發生的新冠疫情，人口的井噴式增長和經濟的停滯都是影響極大的不可預測事件，再用以往的經驗數據來預測未來所得出的結論明顯偏頗，因此要謹慎選擇基礎數據，所選擇的數據要具有普遍性。此外還要探討新的方式來預測模擬，利用動態的、時效性強的數據或動力模型會使得結果更準確。③近年來，學者們把CA 模型和多學科模型結合進行模擬，或是加入更多的變量因子、追求更復雜精細的轉化規則來提高模擬精度，忽視了土地利用模擬的根本目的。模擬精度固然重要，但對未來土地利用的模擬原本是為政府規劃、決策提供參考的，最終目的是服務于現實生活的[48-50]。因此，應該在模擬相對“準確”的基礎上提出相應的、有效的措施來改善現狀，而不是一味追求“精確”。

2.3 如何有效模擬未來土地利用（How）

在新的時代背景下，信息、科技和全球化發展迅猛，有必要進一步認識和理解城市地理系統演變的基本機理和規律，向大尺度城市擴展CA 模型、描述微觀細致的方向轉變[51-54]。為此，本文針對以上提出的現狀和不足，為CA模型的進一步研究提出自己的見解。

2.3.1 二維模型向三維模型發展在高樓林立的現代城市，若僅用二維空間動態發展的模擬，已不能滿足準確描述現代城市空間的發展變化。正如前文提到的對未來模擬“不準確”的問題，已有的土地利用模擬模型大多基于二維平面角度，無論再結合更多的模型或者是考慮更多的因子變量，始終是需要突破到三維地理空間的。因此在構建CA 元胞空間時，需要充分考慮建筑物高度、建筑物三維形態的影響，提高土地利用的模擬精度、準確度將是重要的發展方向和趨勢[6，9]。

2.3.2 結合地理時空大數據傳統的土地利用數據主要來源于地區統計年鑒或具體的樣本調研數據，所得出的模擬結果缺乏普遍性和可復制性。近年來，隨著大數據信息的發展，挖掘個體行為空間再結合時空數據、城市擴張CA 模型和諸如ABM 模型等，使綜合模型不僅能反映人地交互關系，而且比傳統的數據模擬更真實精準體現個體屬性。

2.3.3 高性能并行元胞自動機隨著全球信息化發展的趨勢和全球生態環境變化整體研究的深入，土地利用模擬研究將向著大區域尺度的方向發展。為了滿足城市精細化發展的需求，城市CA的數據信息和運算時間會呈指數級增長，在實際應用時要達到此類運算的要求，高效率的CA并行運算算法就顯得格外迫切[54]。結合目前已有的圖形處理器GPU通用計算技術與地理元胞自動機構建GPU-CA 模型，在保證模擬結果有效性的基礎上可大大提高計算效率[21]。

3 討論與結論

本文通過對元胞自動機模型的類型、發展歷程、研究現狀、研究進展、存在問題和未來發展方向等內容進行了論述和分析，將以上知識模塊構成1 個元胞自動機模型研究的“2W1H”知識框架。通過文獻梳理，在“CA 模型是什么（What）”上，發現土地利用模擬模型包括DLR、ABM、CA 等模型，通過整理CA模型的發展歷程，按照模型維度劃分成一維、二維和三維3種類型，并有轉換規則研究、元胞大小和形狀研究、矢量元胞自動機和多種土地利用類型之間的演變4 個研究熱點；在“CA 模型的前因后果（Why）”上，分析了已有研究中的相關進展和存在問題；在“如何有效模擬未來土地利用（How）”上，根據CA模型在土地利用模擬的現狀和相關研究，對未來的研究方向和內容提出建議和參考。

然而，由于研究按照框架模塊進行分析，在一定程度上弱化了成果階段發展特征與具體內容。未來，相關研究可以按照不同階段對有關內容加以豐富、完善，逐步實現對元胞自動機模型知識模塊與知識框架動態變化的綜合分析與趨勢研判。