论文部分内容阅读
摘要土地利用变化一直是当前研究的热点，情景模拟预测也越来越受到学者的关注。该研究以陕西米脂马蹄坬为例，运用NetLogo平台，设置了经济效益最大、风险投资最小以及正常发展状态3种情景的模拟研究，较好地模拟了农户的土地利用行为，为土地利用情景预测提供一种新的方法途径。
关键词NetLogo；土地利用；情景模拟
中图分类号S27文献标识码
A文章编号0517-6611（2015）25-310-02
Abstract Land use change has been the focus in resent researches， scenarios predictions are becoming more and more popular. Three scenarios including the largest economic simulation scenario， the risk of investment minimum scenario and the normal development scenario were studied through Netlogo platform. The results shows that Netlogo can simulate the behavior of farmers in land use better， and it provides a new method for land use scenario forecasting.
Key words Netlogo； Land use； Scenario simulation
1979年农村经济体制改革以来，作为我国农村社会基本细胞的农户，逐渐成为农村社会经济活动的主体[1]。随着改革的深入，农户土地利用行为与农村资源的利用与开发、农业景观格局演变、农村可持续发展等方面的联系日益紧密[2]，从微观视角探讨农户土地利用行为已经成为学者们关注的热点[3-4]。
目前，常用的计算机模拟平台有NetLogo、SWARM、CORMAS 和REPAST等。与其他模拟软件相比，NetLogo（见http：//ccl.northwestern.edu/netlogo）具有安装方便，用户界面友好，对使用者计算机水平要求不高等特点；并且它具有GIS接口，使得利用GIS数据进行空间分析成为可能，同时，NetLogo目前已经有了一个具有相当规模且比较成熟的模型库（Model Library），用户可以将已有模型修改合并后存储成一个新的模型或者在这一环境下完成新的模型的编写[5]。目前，国外对于NetLogo软件在土地利用方面的应用有：体现农户——地块之间的主体决策[6-7]和空间决策[8-9]等。笔者以陕西米脂马蹄坬村为例，设置3种模拟情景，通过NetLogo软件展示不同情景下农户的土地利用情况。
1研究区概况与数据来源
1.1研究区概况
马蹄坬位于陕西省米脂县中部（110°9′53″～110°11′08″E、37°51′40″～37°50′11″ N），距米脂县城约 5 km （图1）。所属区域为中温带半干旱性气候区，年平均气温8.5℃，无霜期 162 d，平均降雨量 451.6 mm。该村农户数约为140户。土地总面积约534 hm2，主要有山地、川地和坝地3种土地类型。山地主要种植经济林，坝地多种植玉米，川地多种植经济作物。
1.2数据收集及处理①土地利用类型数据。利用手持 GPS及购买的航片，获取了马蹄坬710 块土地的权属图。②模型数据。为适应NetLogo数据格式，考虑模型运行速度，将土地利用数据重采样成5 m分辨率的栅格数据。
根据退耕还林政策及马蹄坬的实际情况，利用ArcGIS10.1将基本不发生变化的农村居住区、道路、生态林地、草地等剔除，只保存大葱、果树、土豆、玉米、杂粮等5类土地利用类型。计算每一地块的种类、面积及距村路的距离，根据NetLogo的需要全部转为ASCII码格式。
2模拟平台
2.1系统建构
基于NetLogo的土地利用情景模拟平台由3个主要部分组成：①全局变量，用来存储整个模拟过程所有代理人或栅格都能使用的信息；②栅格空间，表达物理环境，为土地利用类型图、地块面积图及距村路距离3种5 m×5 m图像，有栅格图像转为ASCII码通过编程导入NetLogo。③操作界面，提供方便控制和实时观察模拟环境变化的媒介。
2.2模拟情景及规则设置
研究设置了经济效益最大、风险投资最小以及正常发展状态3种情景的模拟研究。
2.2.1情景1：土地利用经济效益最大化情景。
通过调研发现，研究区玉米、果园和杂粮等土地利用类型受地形和作物本身种植特性限制，土地利用变化不明显；而土豆和大葱受到外界影响相对较大。较土豆而言，大葱经济效益和风险都较高，所以在考虑经济效益最大化时，农户在自身土地总量有限的条件下只能是减少土豆的土地利用。该研究设定经济效益最大化情景为当地农户把种植土豆的土地全部转化为种植大葱。
2.2.2情景2：投资风险最小情景。
由于当地土豆销售市场相对稳定，所以对农户来说种植土豆是风险较低的一种土地利用方式。农户为了使土地利用风险降到最低，只能种植更多的土豆并减少大葱的种植面积。所以设定农户把种植大葱的土地全部改种土豆来达到土地利用的风险最小化的目的。
2.2.3情景3：正常发展状态情景。
农户的土地利用决策会受到市场、当地政策与其他农户等众多因素的影响，他们在决策时既会考虑到土地利用风险，也想提高土地利用的经济效益。在研究中考虑到自然因素，如地块面积、距道路远近等及实际情况，把面积小于0.152 hm2的地块都用于种植杂粮，并且为了方便大葱的销售运输，将距离村路135 m的地块设为种植大葱。 3模拟结果
通过NetLogo软件编程及运行，得出3种情景的土地利用类型。其中大葱、果树、土豆、玉米及杂粮分别用绿色、红色、黄色、灰色及蓝色表示，结果见图2。从图2可以看出：
情景1中红色、灰色和蓝色部分没有变化，绿色和黄色部分的颜色全部变化为绿色。也就是果树、玉米、杂粮的土地利用情况没有发生变化，原先种植土豆的土地全部改为种植大葱。由此可以看出，当研究区农户想要得到更大的经济效益的时候，会考虑到大葱的经济效益远大于土豆，在进行土地利用决策时会选择大面积种植大葱。
情景2中红色、灰色和蓝色部分依然没有发生变化，绿色和黄色部分的颜色全部变化为黄色。也就是果树、玉米、杂粮的土地利用没有发生变化，原先种植大葱的土地全部改为种植土豆。由此可以得出，研究区的农户在考虑到种植风险情况下，会采取相对保守的种植方式，在决策时通过把种植大葱的土地转变为种植低风险的土豆来规避风险。
情景3与前两者相比，红色和灰色部分面积没有发生较明显的变化，绿色、蓝色、黄色发生转化，即果树和玉米的种植情况没有发生变化，杂粮、大葱、土豆的土地利用情况发生转变。通过分析得出：玉米种植受水分条件限制，果树受自身特性所致在短时间内一般不改变其土地利用类型；在既追求经济效益又要考虑风险的条件下，农户会缩小杂粮种植面积，并为方便销售运输也会将距道路近的杂粮和土豆地块转为种植大葱。
4结论与讨论
实例研究结果表明，农户土地利用的模拟可以在NetLogo平台界面中显示出来，为研究农户土地利用变化提供依据。但是，此研究方法也有一定的局限性，比如农户个体间的影响不容易观察得到，农户的土地利用决策过程难以体现，这些还有待进一步的研究。
参考文献
[1]
张小林，盛明.中国乡村地理学研究的重新定向[J].人文地理，2002，17（1）：81-84.
[2] 张保华，谷艳芳，丁圣彦，等.农业景观格局演变及其生态效应研究进展[J].地理科学进展，2007，6（1）：114-121.
[3] 陈海，王涛，梁小英，等.基于 MAS 的农户土地利用模型构建与模拟：以陕西省米脂县孟岔村为例[J].地理学报，2009，64（12）：1448-1456.
[4] 钟太洋，黄贤金.农户层面土地利用变化研究综述[J].自然资源学报，2007，22（3）：341-352.
[5] 韩丹.基于智能体模型的广西生态移民区土地利用动态模拟研究[D].北京：中国地质大学，2014.
[6] LE Q B，PARK S J，VLEK P L G，et al.Landuse dynamic simulator （LUDAS）： A multiagent system model for simulating spatiotemporal dynamics of coupled humanlandscape system. I. Structure and theoretical specification[J]. Ecological informitics，2008，3：135-153.
[7] 韩丹.基于智能体模型的广西生态移民区土地利用动态模拟研究[D].北京：中国地质大学，2014.
[8] FEITOSA F，LE Q B，VLEK P L G. Multiagent simulator for urban segregation （MASUS）： A tool to explore alternatives for promoting inclusive cities[J]. Computers， environment and urban systems，2011， 35（2）： 104-115.
[9] FILATOVA T，VOINOV A，VAN DER VEEN A. Land market mechanisms for preservation of space for coastal ecosystems： An agentbased analysis[J]. Environmental modelling& software， 2011， 26（2）： 179-190.
关键词NetLogo；土地利用；情景模拟
中图分类号S27文献标识码
A文章编号0517-6611（2015）25-310-02
Abstract Land use change has been the focus in resent researches， scenarios predictions are becoming more and more popular. Three scenarios including the largest economic simulation scenario， the risk of investment minimum scenario and the normal development scenario were studied through Netlogo platform. The results shows that Netlogo can simulate the behavior of farmers in land use better， and it provides a new method for land use scenario forecasting.
Key words Netlogo； Land use； Scenario simulation
1979年农村经济体制改革以来，作为我国农村社会基本细胞的农户，逐渐成为农村社会经济活动的主体[1]。随着改革的深入，农户土地利用行为与农村资源的利用与开发、农业景观格局演变、农村可持续发展等方面的联系日益紧密[2]，从微观视角探讨农户土地利用行为已经成为学者们关注的热点[3-4]。
目前，常用的计算机模拟平台有NetLogo、SWARM、CORMAS 和REPAST等。与其他模拟软件相比，NetLogo（见http：//ccl.northwestern.edu/netlogo）具有安装方便，用户界面友好，对使用者计算机水平要求不高等特点；并且它具有GIS接口，使得利用GIS数据进行空间分析成为可能，同时，NetLogo目前已经有了一个具有相当规模且比较成熟的模型库（Model Library），用户可以将已有模型修改合并后存储成一个新的模型或者在这一环境下完成新的模型的编写[5]。目前，国外对于NetLogo软件在土地利用方面的应用有：体现农户——地块之间的主体决策[6-7]和空间决策[8-9]等。笔者以陕西米脂马蹄坬村为例，设置3种模拟情景，通过NetLogo软件展示不同情景下农户的土地利用情况。
1研究区概况与数据来源
1.1研究区概况
马蹄坬位于陕西省米脂县中部（110°9′53″～110°11′08″E、37°51′40″～37°50′11″ N），距米脂县城约 5 km （图1）。所属区域为中温带半干旱性气候区，年平均气温8.5℃，无霜期 162 d，平均降雨量 451.6 mm。该村农户数约为140户。土地总面积约534 hm2，主要有山地、川地和坝地3种土地类型。山地主要种植经济林，坝地多种植玉米，川地多种植经济作物。
1.2数据收集及处理①土地利用类型数据。利用手持 GPS及购买的航片，获取了马蹄坬710 块土地的权属图。②模型数据。为适应NetLogo数据格式，考虑模型运行速度，将土地利用数据重采样成5 m分辨率的栅格数据。
根据退耕还林政策及马蹄坬的实际情况，利用ArcGIS10.1将基本不发生变化的农村居住区、道路、生态林地、草地等剔除，只保存大葱、果树、土豆、玉米、杂粮等5类土地利用类型。计算每一地块的种类、面积及距村路的距离，根据NetLogo的需要全部转为ASCII码格式。
2模拟平台
2.1系统建构
基于NetLogo的土地利用情景模拟平台由3个主要部分组成：①全局变量，用来存储整个模拟过程所有代理人或栅格都能使用的信息；②栅格空间，表达物理环境，为土地利用类型图、地块面积图及距村路距离3种5 m×5 m图像，有栅格图像转为ASCII码通过编程导入NetLogo。③操作界面，提供方便控制和实时观察模拟环境变化的媒介。
2.2模拟情景及规则设置
研究设置了经济效益最大、风险投资最小以及正常发展状态3种情景的模拟研究。
2.2.1情景1：土地利用经济效益最大化情景。
通过调研发现，研究区玉米、果园和杂粮等土地利用类型受地形和作物本身种植特性限制，土地利用变化不明显；而土豆和大葱受到外界影响相对较大。较土豆而言，大葱经济效益和风险都较高，所以在考虑经济效益最大化时，农户在自身土地总量有限的条件下只能是减少土豆的土地利用。该研究设定经济效益最大化情景为当地农户把种植土豆的土地全部转化为种植大葱。
2.2.2情景2：投资风险最小情景。
由于当地土豆销售市场相对稳定，所以对农户来说种植土豆是风险较低的一种土地利用方式。农户为了使土地利用风险降到最低，只能种植更多的土豆并减少大葱的种植面积。所以设定农户把种植大葱的土地全部改种土豆来达到土地利用的风险最小化的目的。
2.2.3情景3：正常发展状态情景。
农户的土地利用决策会受到市场、当地政策与其他农户等众多因素的影响，他们在决策时既会考虑到土地利用风险，也想提高土地利用的经济效益。在研究中考虑到自然因素，如地块面积、距道路远近等及实际情况，把面积小于0.152 hm2的地块都用于种植杂粮，并且为了方便大葱的销售运输，将距离村路135 m的地块设为种植大葱。 3模拟结果
通过NetLogo软件编程及运行，得出3种情景的土地利用类型。其中大葱、果树、土豆、玉米及杂粮分别用绿色、红色、黄色、灰色及蓝色表示，结果见图2。从图2可以看出：
情景1中红色、灰色和蓝色部分没有变化，绿色和黄色部分的颜色全部变化为绿色。也就是果树、玉米、杂粮的土地利用情况没有发生变化，原先种植土豆的土地全部改为种植大葱。由此可以看出，当研究区农户想要得到更大的经济效益的时候，会考虑到大葱的经济效益远大于土豆，在进行土地利用决策时会选择大面积种植大葱。
情景2中红色、灰色和蓝色部分依然没有发生变化，绿色和黄色部分的颜色全部变化为黄色。也就是果树、玉米、杂粮的土地利用没有发生变化，原先种植大葱的土地全部改为种植土豆。由此可以得出，研究区的农户在考虑到种植风险情况下，会采取相对保守的种植方式，在决策时通过把种植大葱的土地转变为种植低风险的土豆来规避风险。
情景3与前两者相比，红色和灰色部分面积没有发生较明显的变化，绿色、蓝色、黄色发生转化，即果树和玉米的种植情况没有发生变化，杂粮、大葱、土豆的土地利用情况发生转变。通过分析得出：玉米种植受水分条件限制，果树受自身特性所致在短时间内一般不改变其土地利用类型；在既追求经济效益又要考虑风险的条件下，农户会缩小杂粮种植面积，并为方便销售运输也会将距道路近的杂粮和土豆地块转为种植大葱。
4结论与讨论
实例研究结果表明，农户土地利用的模拟可以在NetLogo平台界面中显示出来，为研究农户土地利用变化提供依据。但是，此研究方法也有一定的局限性，比如农户个体间的影响不容易观察得到，农户的土地利用决策过程难以体现，这些还有待进一步的研究。
参考文献
[1]
张小林，盛明.中国乡村地理学研究的重新定向[J].人文地理，2002，17（1）：81-84.
[2] 张保华，谷艳芳，丁圣彦，等.农业景观格局演变及其生态效应研究进展[J].地理科学进展，2007，6（1）：114-121.
[3] 陈海，王涛，梁小英，等.基于 MAS 的农户土地利用模型构建与模拟：以陕西省米脂县孟岔村为例[J].地理学报，2009，64（12）：1448-1456.
[4] 钟太洋，黄贤金.农户层面土地利用变化研究综述[J].自然资源学报，2007，22（3）：341-352.
[5] 韩丹.基于智能体模型的广西生态移民区土地利用动态模拟研究[D].北京：中国地质大学，2014.
[6] LE Q B，PARK S J，VLEK P L G，et al.Landuse dynamic simulator （LUDAS）： A multiagent system model for simulating spatiotemporal dynamics of coupled humanlandscape system. I. Structure and theoretical specification[J]. Ecological informitics，2008，3：135-153.
[7] 韩丹.基于智能体模型的广西生态移民区土地利用动态模拟研究[D].北京：中国地质大学，2014.
[8] FEITOSA F，LE Q B，VLEK P L G. Multiagent simulator for urban segregation （MASUS）： A tool to explore alternatives for promoting inclusive cities[J]. Computers， environment and urban systems，2011， 35（2）： 104-115.
[9] FILATOVA T，VOINOV A，VAN DER VEEN A. Land market mechanisms for preservation of space for coastal ecosystems： An agentbased analysis[J]. Environmental modelling& software， 2011， 26（2）： 179-190.