小流域非点源污染负荷流失特征监测研究——以广东省珠海正坑小流域为例

以GIS为技术支持,完成了以元胞自动机(CA)为模型的基于土地利用变化的土壤侵蚀空间演化分析。通过对土地利用规划前和规划后不同利用模式制约下侵蚀发展状况的模拟,预测了不同利用模式中各地块单元土壤侵蚀的发展方向,为评价土地利用合理程度提供了理论依据。     

元胞自动机在模拟土壤侵蚀时空演化过程中的应用

土壤侵蚀作为一个全球性的环境问题已经越来越受到人们的广泛关注。动态模拟和预测土壤侵蚀的发育及演化过程具有十分重要的意义。元胞自动机（Cellular Automata简称CA）是一种“自下而上”的动态模拟建模框架，具有模拟地理复杂系统时空演化过程的能力。从元胞自动机的概念和原理入手，介绍了CA模型的特征及其在土壤侵蚀学科中的应用情况和存在问题，对CA模型应用于土壤侵蚀过程的模拟、预测的可行性和可操作性进行了探讨。     

基于元胞自动机的小流域侵蚀产沙模型研究

动态模拟和预测土壤侵蚀的发育及演化过程具有十分重要的意义.传统土壤侵蚀模型从本质上来说是一种稳态模型,缺乏对土壤侵蚀发生、发展及演化过程的动态模拟能力.元胞自动机(cellular automata,简称CA)是一种"自下而上"的动态模拟建模框架,具有模拟复杂地理系统时空演化过程的能力.利用元胞自动机理论和方法,提出了将CA应用于土壤侵蚀过程模拟的基本思想.以黄土高原丘陵沟壑区小流域为例,构建了基于元胞自动机的小流域侵蚀产沙过程模型.     

基于CA模型的土壤盐渍化时空演变模拟与预测

土壤盐渍化是干旱半干旱区土地退化的主要形式之一，其发生发展是一个复杂的非线性动力学过程。该文通过对吉林省长岭县土壤盐渍化成因及特征分析，确定土壤盐渍化影响因子及动态机制，并利用地理元胞自动机对复杂系统时空动态演化过程具有较强的计算及模拟能力特点，在GIS与RS支持下，建立土壤盐渍化CA动态模型，即土壤盐渍化地理元胞自动机模型(GeoCA-Salinization)，并结合相关属性数据和空间数据，模拟长岭县土壤盐渍化发生发展的时空动态规律，并对今后的可能发展做出预测。结果表明：基于GeoCA-Salinization模型对长岭县土壤盐渍化时空演变进行的模拟与实际情况基本吻合，同时基于该模型的土壤盐渍化时空演变预测符合当前的发展态势。与其他方法相比，该方法能更好地实现任意有效离散时间距与瞬时动态可视化表达的结合，是土壤盐渍化时空演变模拟与预测较为有效的方法。     

大区域尺度下地理系统的空间直观模拟与景观演变

元胞自动机（CA）支持下的地理系统空间直观模拟（SEM）,能够以空间可视化方式显示模拟结果,不仅能够弥补缺失的资料,更能够推演土地利用的未来趋势和可能情景,从而揭示土地利用的时空过程与变化规律。基于Logistic回归的CA模型,模拟了大区域尺度下的上海市陆域土地利用变化,并利用景观指标对结果进行刻画和分析。研究表明:上海市城市建设用地面积持续增加,植被面积不断减少,而水域面积保持稳定;此外,景观指标揭示的土地利用空间形态变化过程及趋势,与所采用的元胞尺度有较大关系,即空间直观模拟结果与景观指标具有显著的尺度敏感性。     

不同空间尺度下的土壤侵蚀元胞自动机建模评述

土壤侵蚀系统是一个典型的非线性动力系统,系统内部的侵蚀发育演化过程十分复杂,为了对该过程进行精确的模拟和预测,需要发展有效的技术和方法.元胞自动机( cellular automata,CA)是一种具有时空特征的离散动力学模型,采用“自下而上”的构模方式,对于模拟和分析具有空间特征的土壤侵蚀系统具有先天优势.由于空间尺度变化所引起的土壤侵蚀因子对侵蚀产沙过程的影响不同,CA模型在坡面尺度下主要针对细沟侵蚀和土壤颗粒的变化,在小流域尺度下涉及到更多的元胞状态和更加完整的侵蚀过程,在大区域尺度下重点研究气候和地貌之间的相互作用.不同空间尺度建立的CA模型没有确定的转换规则,模型通用性较低,今后需要在三维可视化、智能化等方面深入研究CA模型在土壤侵蚀领域的应用.     

基于元胞自动机的城市地表积水模拟研究

[目的]对城市地表水文产汇流时空过程进行模拟研究,以期为城市排水防涝应急决策提供依据。[方法]针对城市地表覆盖破碎性和地形复杂性的特征,构建基于元胞自动机(CA)的城市地表积水模型,结合水力水文学原理定义元胞及其规则。[结果]与传统统计经验模型、物理模型相比,该模型避免了汇水区划分、水流路径确定、参数提取等数据预处理问题,以广州市番禺区富华东路段区域作为试验区进行参数率定及模型验证,根据规则更新每个元胞的状态参数可获得任意时刻地表积水量、径流量和水流。[结论]该CA模型可以准确模拟地表水流时空分布及其变化,模拟结果可靠、表达直观;通过雨水口不同排放量模拟和常用数学模型对比分析表明,CA城市地表积水模型在城市内涝模拟中具有良好的实用性及易操作性。     

黄河三角洲农业用地动态变化模拟与情景分析

为明确农业用地变化的动态特征和影响要素,预测不同情景下的农业用地的时空变化格局。利用遥感和地理信息系统技术对黄河三角洲地区4期TM和ETM+影像进行解译判读,获取区域内1992－2005年间农业用地动态演化特征,并构建元胞自动机模型对2001年和2005年的农业用地格局进行模拟。2001年和2005年农业用地模拟的总体精度分别为82.90%和84.48%,Kappa系数分别为0.658和0.689。模拟结果表明元胞自动机模型能够较好地模拟研究区域内农业用地动态变化,为农业用地的演变模拟提供了一种适用的工具。利用元胞自动机模型对4种情景下（面积减少5%、增加5%、10%和15%）的农业用地演变进行了预测。情景分析表明刁口故道附近的农业用地并不稳定,容易发生变化,是需要重点关注的区域。     

丹江口库区土地利用结构与格局优化

丹江口库区作为南水北调中线工程的水源区,其生态环境状况和水质安全不仅关系到库区的社会经济和环境保护的协调发展,也决定着调水工程的成败。科学量化评价丹江口库区土地利用结构并进行格局优化,对于库区可持续发展有着重要的意义。利用丹江口库区1990年、2000年、2007年TM遥感数据,在RS和GIS技术的支持下,在综合使用马尔柯夫预测模型和元胞自动机方法的基础上,建立了土地利用格局优化模拟模型,进行了丹江口库区生态安全条件下的土地利用格局优化模拟研究。通过马尔柯夫预测模型得出各土地利用总量预测结果,以宏观用地总量需求和微观土地供给相平衡为原则,利用具有复杂空间演变能力的元胞自动机完成土地空间分配。结果表明:1990—2007年期间,丹江口库区土地利用类型的面积发生了很大变化,其中主要以农田面积大幅度减少和林地、灌丛以及居民地面积的大幅度增加为主。在未来的2020年,经格局优化,农田、未利用地面积显著减少,林地、园地面积相应增加,生态环境状况良性发展。结果显示使用CA-Markov模型进行土地利用变化预测,充分利用CA模型模拟复杂系统空间变化的能力和Markov模型长期预测的优势,对于揭示土地利用变化的动态机制具有一定意义。     

坡面细沟自组织形成过程的CA模拟

细沟侵蚀作为由面蚀向沟蚀转化的重要环节,是坡面水蚀物理过程的一个重要组成部分,在坡面侵蚀产沙机理研究中具有重要意义.传统侵蚀模型很难精确地动态模拟和再现这一自组织现象的形成过程.元胞自动机是一种"自下而上"的动态模拟建模框架,通过元胞间的相互作用,能够在整体上表现出许多复杂的非线性行为和现象,具有模拟复杂地理系统时空演化过程的能力.运用元胞自动机理论和方法建立了黄土坡面细沟侵蚀时空演化过程模型--CA-Rill,对坡面细沟发育过程进行了动态虚拟实验,生动地模拟了坡面细沟自组织形成过程,并对结果进行了分析.研究突破传统试验方法的束缚,为细沟侵蚀研究提供了新的途径.     

云南省屏边县土地利用/土地覆盖时空动态研究

以卫星遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）等技术和方法为支撑,对云南省屏边苗族自治县1987年和1999年的土地利用/土地覆盖现状及空间结构演变进行了时空变化叠合分析。结果表明：从总的土地利用/土地覆盖变化（LUCC）分布格局和变化趋势上看,1987-1999年,林地为主的土地利用格局保持了一个稳定的小幅度变化;变化最活跃的是荒草地,每年平均减少3.77%,其中最大的一部分演变为耕地,占演变总数的49.30%。空间叠合分析发现：耕地的变化与海拔有着密切的联系,主要变化发生在800-1500m,以及1500m以上的中高海拔地区。人类活动的干扰是该研究区LUCC变化的主要驱动因子。     

渭河流域1980-2000年LUCC时空变化特征及其驱动力分析

流域水沙变异与土地利用/覆被变化（LUCC）有着十分密切的关系。该文基于渭河流域1980年、1990年和2000年的土地利用/覆被数据,借助ArcGIS等软件对渭河流域20 a间LUCC的时空变化特征进行分析,探讨渭河流域LUCC的时空变化规律。基于转移矩阵、综合土地利用动态度、综合土地利用程度和单一土地利用变化率等指标进行分析表明:渭河流域在1980-2000年土地利用/覆被发生了较大变化,其中草地增幅最大,达到2.09万km²;耕地和林地减幅分别达到了1.35万km²、1.11万km²;建设用地增速最快,增长了8.53倍。从综合土地利用动态度、综合土地利用程度和单一土地利用变化率时空分布图可以看出:变化的时空格局有明显的区域特征,而且前十年的变化比后十年的变化剧烈,主要地类时空变化差异明显。基于时空变化特征分析了变化的驱动力,分析得出主要受到国家土地政策、水土保持、经济发展以及人口增长等多方面因素驱动。     

1990-2018年黄河流域(河南段)土地利用格局时空演变

研究长时间序列的土地利用时空演变规律，对科学推进黄河流域生态保护和社会经济高质量发展具有重要意义。该研究基于1990、2000、2010和2018年土地利用遥感数据，以具有中游和下游双重属性的黄河流域（河南段）为研究对象，利用土地利用变化指数、弦图（Chord Diagram）可视化模型及重心迁移模型，探讨了近30年黄河流域（河南段）土地覆被变化的流量、流向、多样性程度及政策启示。结果表明：1）粮食保障用地（约55%）和生产生活用地（约10%）主要分布在平原地带，生态保育用地（约35%）主要集中在海拔较高的山地。2）1990－2018年间旱地的流出和流入行为均体现出显著的主导性，水田、水域和草地以流出行为为主导，城镇用地、农村居民点和其他建设用地以流入行为为主导。3）中心城市的土地利用变化在整个时期内具有明显的区域带动效应。4）粮食保障用地和生态保育用地的重心均向西迁移且面积呈减少趋势，说明下游平原地带的优质耕地减少且生态系统服务功能在逐步减弱；生产生活用地面积逐年增加，城镇用地重心向东迁移表明下游各城镇的社会经济发展逐渐活跃，农村居民点和其他建设用地重心向西迁移表明中游的人口规模逐渐增大。     

广东佛山市土地利用格局与生态承载力相关性研究

依据1996年和2002年佛山市土地利用数据,应用土地利用数量和程度变化模型对土地利用的时间及空间动态特征进行定量分析,得出佛山市快速城市化过程中的土地利用格局;并运用因子分析法对佛山市区域生态环境承载力进行定量评价,揭示了区域生态环境承载力与土地利用格局的相关性,从而为城市土地的可持续利用提供科学依据。     

LUCC研究进展及其对干旱区生态环境的意义

土地利用/覆被变化（LUCC）是全球变化的主要原因和核心主题之一。本文通过综述国内外LUCC研究成果,阐述了国际上LUCC研究在信息获取、数据处理、驱动力分析和模型建立等方面所取得的最新进展,分析了LUCC研究对干旱区生态环境保护与区域可持续发展实现的研究意义,介绍了LUCC研究的新趋势,并对研究过程中现存的一些如信息获取过度依赖于3S技术,忽视实地调研等传统信息获取方式与新技术手段的结合、模型功能的欠完善、干旱区土地实现可持续利用缺乏相应的比较全面的科学理论指导等问题进行了讨论。研究认为,健全LUCC研究理论体系,开展相应的理论建设将是未来整个LUCC研究工作的一个重要方向和趋势。     

2000-2020年昌吉州东部平原区地下水位埋深对土地利用及干旱时空演变的动态响应

联合土地利用与覆被变化及气象干旱综合分析区域地下水位埋深变化及其动态响应关系,明晰地下水位埋深变化的阶段性主导因素,对地下水超采地区综合治理和地下水资源有效管控具有现实意义。选取昌吉州东部平原区2000-2020年78眼地下水监测井月尺度地下水位埋深数据资料及5期遥感影像数据并结合同期多尺度标准化降水蒸散发指数SPEI,分析不同时空尺度地下水位埋深对土地利用/覆被变化及SPEI的动态响应规律,探讨研究区土地利用变化与干旱变化趋势对地下水埋深变化的综合影响。结果表明:研究区21年间地下水位埋深表现出不显著变化(2000-2005年)-显著增大(2005-2014年)-变缓(2014-2017年)-持续增大(2017-2020年)的变化特征,整体呈持续增大动态趋势,空间分布呈北向南逐渐增大特征;同期土地利用类型面积发生了显著变化,耕地为其主要的土地利用类型,面积呈持续增加趋势,分形维数呈现出先降低(2000-2005年)后升高(2005-2010年)再降低(2010-2020年)的变化特征;SPEI年际动态变化呈显著干旱趋势变化特征,年尺度序列在2012年、2017年发生突变,2016年开始气象干旱发生频次增加;2000-2015年研究区地下水位埋深动态变化对土地利用变化尤其是耕地变化响应显著,2016-2020年地下水位埋深动态变化是对土地利用变化与气候干旱因素的联合响应。     

土地利用变化对产流和产沙的影响分析

LUCC(土地利用覆盖变化)对径流的影响研究主要集中在对年径流量的影响,选用基于ArcviewGIS的SWAT模型,利用情景模拟来分析土地利用变化对产流量和产沙量的影响,并重点探讨森林对产流的影响。以黄河下游支流洛河上游卢氏水文站以上流域为研究区域,选取了1992～2000年24个雨量站的雨量资料和同期的气象资料,采用土壤类型图(1∶4000000)以及设定的不同土地利用情景,作为模型的输入,进行土地利用变化的产流量和产沙量的情景模拟。模拟表明:森林的存在增加了径流量,减少了产沙量;草地也能减少产沙量;农业用地的增加将会增加产沙量;平水年土地利用变化对产流量影响最小,降雨量的增大能弱化下垫面对产流量的影响。     

土地利用/覆被变化（LUCC）的环境效应研究进展

土地利用/覆被变化（LUCC）是全球环境变化的重要因素之一,LUCC 的环境效应也是当前的研究热点。本文总结了近 20 年 LUCC 环境效应研究的主要成果和方法,并针对当前研究中的不足之处,对未来的研究趋势进行了讨论。该文首先分别从大气、土壤、水、生物和人类等环境因子方面讨论总结了 LUCC 环境效应的主要研究成果,继而从大气效应、水环境效应、土壤环境效应和综合环境效应等方面对常用的定量研究方法作了概括。作者认为今后应加强 LUCC 的综合环境效应、城市土地利用和城市扩张的环境效应等方面的研究,同时应重视服务于决策和管理的应用研究,提高环境监测和实验分析的技术水平,开发和完善基于 RS 和 GIS 空间分析功能的 LUCC 及其效应模型,以更有效和精确地评估土地利用变化所导致的环境影响。