基于元胞自动机模型的土地利用变化模拟——以大连经济技术开发区为例

元胞自动机模型已经成为模拟土地利用变化的重要方法。传统土地模拟方法中侧重于通过分析影响土地利用变化的因素来构建预测模型,较少从土地利用类型变化及其相互作用的空间角度来关注模型构建。本文以1998年、2004年和2009年1:10000土地利用数据,利用Python语言结合GDAL与Numpy类库实现局部土地利用竞争的元胞自动机模型原型开发,并用于模拟大连市经济技术开发区1998-2009年土地利用变化模拟。研究结果:1建立了发掘多地类之间相互作用关系的试验方法,研究适用于具有明确物理意义的多地类元胞自动机模拟模型;2该模型具有好的模拟精度,对建设用地、农用地和林地等3种不同类型用地进行同时模拟,其对应Kappa系数分别为0.762,0.634和0.678;3该模型建立了研究不同种地类协调作用的基本方法,可以用于进一步研究土地利用变化地类之间驱动原理。     

基于神经网络的元胞自动机及模拟复杂土地利用系统

本文提出了基于神经网络的元胞自动机(CellularAutomata),并将其用来模拟复杂的土地利用系统及其演变。国际上已经有许多利用元胞自动机进行城市模拟的研究,但这些模型往往局限于模拟从非城市用地到城市用地的转变。模拟多种土地利用的动态系统比一般模拟城市演化要复杂得多,需要使用许多空间变量和参数,而确定模型的参数值和模型结构有很大困难。本文通过神经网络、元胞自动机和GIS相结合来进行土地利用的动态模拟,并利用多时相的遥感分类图像来训练神经网络,能十分方便地确定模型参数和模型结构,消除常规模拟方法所带来的弊端。     

基于区块特征的元胞自动机土地利用演化模型研究

针对传统元胞自动机模型中栅格式规则空间模拟复杂地理元素精度不高的问题,提出一种基于土地区块特征的非规则空间元胞自动机模型,以地理单元实质不规则实体形状作为元胞空间单元,进行土地利用变化的仿真模拟,运用MapInfo建立非规则空间元胞自动机模型的应用软件.对头灶镇土地利用演化的实证研究表明,非规则空间元胞自动机模型可以更真实地描述元胞地理信息、局部空间关系和演化规则,可为城市规划提供决策支持.     

土地利用系统动态变化模拟研究进展

土地利用/覆被变化与环境要素的动态作用过程自LUCC相关研究计划开展以来一直是重点内容,并且愈来愈受到重视.将土地利用主体的决策过程和环境要素变化过程综合起来研究土地利用系统动态变化,是实现土地自然生态系统与社会经济系统耦合研究的途径与方法.本文在对土地利用系统复杂性分析的基础上,提出目前土地利用系统变化模拟需要解决的基本科学问题,主要包括土地自然环境要素对土地利用主体决策的影响、不同空间尺度土地利用主体及主体间相互作用及在此基础上的区域土地利用动态变化模型研究.土地利用模型是分析土地利用系统结构与功能的有力工具,通过分析土地利用系统模拟研究进展发现国内外真正实现了自然生态系统和社会经济系统综合研究的模型尚不多见.基于主体的土地利用模拟方法综合了土地利用变化中空间变化和主体决策过程,适合于分析土地利用系统变化的空间过程、空间相互作用和多尺度现象.本文在对国际上基于多主体模型进行土地利用系统模拟的相关进展、模拟平台等分析评述的基础上,提出未来我国开展基于多主体模型进行土地利用变化研究的建议.     

基于多目标决策和CA 模型的土地利用变化 预测模型及其应用

结合宏观用地总体需求与微观土地利用适宜性, 集成灰色预测模型、多目标决策模型、 元胞自动机模型、地理信息系统技术方法, 建立了GCMG 土地利用变化预测模型。GCMG 模型包括非空间和空间2 个模块, 非空间模块侧重依据宏观社会经济发展趋势预测研究区未 来的总体用地需求变化, 而空间模块集成多目标决策模型、元胞自动机、地理信息系统等技 术方法实现了基于土地适宜性的土地利用空间配置。运用该模型对龙海市2000-2010 年土地 利用变化进行了情景模拟, 结果表明园地和建设用地是该区域内变化最为显著的用地类型, 基本农田保护政策严格实施与否将对龙海市未来土地利用变化产生深远的影响。GCMG 模型 在龙海市的应用实例表明, 该模型将土地利用系统作为一个整体, 兼顾到区域宏观水平上的 土地利用需求与局部尺度上的土地利用适宜性, 能够较好地同时模拟不同土地利用类型以及 不同人类决策情景下的土地利用转换概率, 因而可为理解土地利用多尺度复杂系统提供一定 的帮助。     

基于GA-MCE算法的不规则邻域CA土地利用模拟

不规则邻域元胞自动机通过定义一定的邻域规则,将对中心元胞影响较大的邻域元胞进行识别与计算从而确定邻域形态与影响范围,与传统元胞自动机模型相同尺寸邻域形态相比,模拟更加真实有效。基于不规则邻域识别算法对元胞邻域范围进行划分,再通过遗传算法和多准则评价相结合获取转化规则参数,继而对大连市金石滩国家旅游度假区2004年和2010年土地利用变化进行模拟研究,通过比对分析以及Kappa系数检验法对模拟精度做一检验,研究模拟结果总体Kappa系数为81.62%,具有一定的可靠性,研究显示该模型在多地类碎小斑块之间的转化模拟具有一定的优势,对于模拟土地利用/覆盖变化模型具有一定的改进。     

基于随机森林CA的东莞市多类土地利用变化模拟

城市土地利用及其变化对城市环境有着重要影响。很多学者已经结合元胞自动机和机器学习算法对城市扩张进行了相关的模拟研究,但针对复杂的多类土地利用相互变化过程的研究仍然较少。该文提出了一种基于随机森林算法的多类元胞自动机(RFA-CA)模型,并将其用于模拟和预测复杂的多类土地利用变化。该模型使用随机森林算法提取元胞自动机的转换规则,并计算了各空间变量的重要性,在东莞市2000-2014年土地利用动态模拟结果中,Kappa系数和整体精度分别为0.73和84.7%。针对每一种土地利用类型,计算了影响东莞市土地利用变化的各空间变量的重要性,结果显示,交通、区位因素对东莞市土地利用变化格局的形成有重要影响。文中引入的POIs邻近因素反映了城市空间开发程度的高低,同样对多类土地利用格局的形成具有重要作用。     

元胞模型在地貌演化模拟中的应用浅析

元胞自动机是一个时空离散的动力学模型,是复杂系统的研究方法之一。从80年代后期开始,在许多领域都得到广泛的应用与发展。地貌是一个非线性动态复杂系统,元胞自动机模型(或更广意义上的元胞模型)为研究复杂地貌系统的动态演化提供了新的方法论工具。本文根据近些年国内外该领域的研究成果,对元胞模型在地貌演化模拟中的应用及进展进行了探讨,并分析了元胞模型方法在地貌演化模拟中的优势和不足。     

多尺度联合驱动的城市增长模拟建模

元胞自动机是模拟土地利用时空演变的重要建模工具,但其经典框架主要根据历史变化规律进行空间"自下而上"驱动,这种模拟机制缺乏对宏观土地供需平衡以及空间发展政策等"自上而下"机制的整合,难以科学解释中长期土地利用变化过程。该文利用金字塔架构解释城市空间增长的复合驱动力,提出了"顶层土地供需平衡-中层空间政策引导-底层元胞状态演化"多尺度联合驱动的土地利用变化模拟框架。以广州都市区为案例,利用改进模型对其2010-2030年的城市扩张过程进行了模拟,并对结果进行了精度对比和案例举证。研究表明,多尺度联合驱动进一步增强了元胞自动机模型对现实世界的仿真能力,多尺度空间协同是地理时空过程建模的发展方向。     

基于局部化转换规则的元胞自动机土地利用模型

传统土地利用元胞自动机(Cellular automata,CA)模型基于空间同质性假设,使用全局性模型建立元胞转换规则,忽略了土地利用变化驱动因素的驱动作用在空间上的变化。以美国佛罗里达州的橙县(Orange County)2003-2009年土地利用变化为例,提出了基于局部化转化规则的CA土地利用模型,其中元胞的土地利用类型适宜性由地理加权多项logit模型(Geographically weighted multinomial logit,GWML)获得。结果表明:GWML模型较传统全局性多项logit(Multinomial logit,MNL)模型有更高的数据解释能力。基于GWML模型的土地利用CA模型能反映局部土地利用变化模式,因而较基于MNL模型的CA模型具有更高的模拟精度。所得结论对未来国内地区的研究有借鉴意义。     

基于多智能体建模技术的城市用地时空演化研究

为应对现代城市发展在用地资源分配和生态环境保护上遇到的巨大挑战,研究在综合复杂系统理论、城市经济学以及地理信息系统等多种学科技术的前提下,应用多智能体建模软件NetLogo构建了一个以“由下至上”运行机制为主的城市用地拓展模型,通过不同微观个体之间的互动反馈行为来实现对圣地亚哥城市宏观用地布局的模拟,并应用逐点比对和整体比对两种不同的精度检验方法来测算模型分析结果的准确性;针对当前模型研究存在的问题和未来可能的改进方向进行了归纳分析。     

LUCC驱动力模型研究综述

驱动力研究是土地利用变化研究中的核心问题。土地利用变化驱动力模型是分析土地利用变化原因和结果的有力工具，模型通过情景分析可为土地利用规划与决策提供依据。基于不同理论的驱动力研究方法很多，论文选取了几种国内外应用较多的LUCC驱动力模型进行综述，分析了每个模型的优缺点及适用范围，最后得出结论：1) 基于过程的动态模型更适于研究复杂的土地利用系统。2) 基于经验的统计模型能弥补基于过程的动态模型的不足。3) 基于不同学科背景的模型进一步集成将是LUCC驱动力模型未来的发展趋势。     

城市交通与土地利用一体化模型的理论基础与发展趋势

城市交通与土地利用间的协调发展是科学调控城市发展的重要环节。在基于地租理论的微观区位决策与土地利用与交通系统宏观动态交互理论基础上,回顾了城市交通与土地利用一体化模型的发展过程及不同依据下的分类特征,对空间相互作用和重力模型理论模型、空间经济学理论模型、随机效用和离散选择模型和基于行为的微观模型4类一体化模型的优劣进行了系统梳理分析。分析表明,具有合理理论基础、科学数据处理方法、较高模型精度和政策评估适用性的一体化模型仍存在巨大发展空间。近年来西方学者研究趋向微观化、综合化和简约化,而国内一体化模型发展相对滞后,要求模型理论与综合实证开发的进一步突破。特别是在新数据、新交通技术、国土空间规划体系背景下,城市交通与土地利用一体化模型将从“空间”模型向“时空间”模型转变;从“宏观”集计模型向“微观”行为模型转变;从“交通-土地”模型向“综合系统”模型转变;从“样本数据”模型向“大数据”模型转变;从“交通规划”应用向“国土空间规划”应用转变。旨在对城市交通与土地利用一体化模型的一般结构、原理类型、当前面临的问题和挑战进行深入剖析,以推进一体化模型在中国的研究与开发。     

多智能体城市土地扩张模型及其应用

传统的城市土地扩张模型多为静态模型,无法呈现空间上每一时间点的土地利用状况,以元胞自动机（Cellular Automata）模型为代表的新型城市土地扩张模型虽然具有动态特性,但其无法描述影响城市土地扩张的智能体（Agent）之间所产生的多元变化结果。以多智能体系统（Multi—Agent System）理论为基础,建立城市土地资源时间和空间配置规则,构建了动态且能描述影响城市土地扩张的智能体（Agent）间互动关系的城市土地扩张模型,并以长沙市区为例,应用所构建之模型进行了城市土地扩张的实证分析。结果表明：该模型可以反映城市土地扩张的基本特征和规律．对于解释城市土地扩张的成因、理解智能体行为对城市土地扩张过程的影响是合适的。并且将模拟结果与遥感土地利用解译结果对比．1998年、2001年、2005年城市土地扩张模拟的点对点精度均达到68％以上,从而能够为政府和城市规划者制定用地政策提供辅助决策支持。     

CLUE-S模型应用进展与改进研究

土地利用变化是景观生态学重要的研究领域,通过模型模拟土地利用变化趋势是该领域的主要研究内容之一。CLUE-S模型可以全面考虑自然和人文因子,通过迭代方法综合空间分析和非空间分析,较好地模拟小尺度范围内土地利用变化情景,具有综合性、开放性、空间性、竞争效率性等特点,已经在国内外多个地区的土地利用变化研究中得到广泛应用,形...     

耦合自然-人文因素的沙漠化动态系统动力学模型

沙漠化土地是自然、人文因素共同作用下的地表复杂系统,建立耦合自然-人文因素的沙漠化动态模型对于理解沙漠化演变过程、预测发展趋势以及进行科学调控具有重要的意义。本文以鄂尔多斯为典型研究区,利用系统动力学的方法,针对气候变化、土壤水分、人口、经济、放牧、土地利用六大沙漠化驱动力建立其与植被NPP的影响与反馈,结合不同沙漠化等级对应的NPP阈值范围,构建耦合自然-人文因素的沙漠化动态系统动力学模型。模拟的植被NPP与基于MODIS影像反演的实际NPP的对比表明,模型总体较为可靠。对不同情景下研究区2011-2030年植被NPP及沙漠化动态模拟分析表明,降雨是控制研究区沙漠化动态的主要因素,但在未来人类活动不变的情况下降雨量增加50%仍不能改变现有的沙漠化状态; 禁牧休牧相对于退耕还林还草、植树种草等政策更有利于植被恢复,但总体成本较高; 单独政策均无法改变现有的沙漠化状态,而这些政策的取消则会在不同的时间内导致沙漠化朝重度和极重度方向发展。对于地方政府而言,则需要根据自身经济状况合理选择不同政策组合来确保沙漠化的持续改善。     

多层次矢量元胞自动机建模及土地利用变化模拟

城市规划对土地利用变化起着重要的引导作用,各层次规划相互支撑、互为补充,自上而下影响着土地利用格局的演变。矢量元胞自动机以不规则的地理实体作为基本单元,可以更逼真地表达客观复杂的城市用地空间结构。然而,当面向具有层次协同性、空间引导性和管控传导性等特征的城市规划时,其元胞多层次体系构造、层次间协同方法和转换规则获取等关键问题凸显出来。本文以江阴市2007年、2012年、2017年3期土地利用现状数据为基础,在多层次矢量元胞自动机建模基础上,模拟了2017年土地利用变化,通过模拟结果与用地现状对比分析,对模型个别参数进行了修正,进一步提高了模型的可行性与适用性,进而预测了2022年城市土地利用格局。模拟结果显示,中心城片区建设用地发展已经趋于饱和,澄南、澄东南和澄东片区建设用地扩张较为明显,有逐步形成“中心城区—城镇组团—村庄”三级城乡空间聚落体系的趋势。最后利用FoM指标对模拟结果进行了评价,得到整体和各片区的精度基本都大于或接近于0.21,表明模拟结果精度较高,其构建的模型在面向多层次规划的用地变化模拟方面具有更好的效果。     

土地系统优化助推乡村发展转型研究进展与展望

优化土地系统是实现乡村转型与振兴的重要抓手。论文在概念解析与进展研究的基础上,构建了土地系统优化助推乡村发展转型的研究框架,探究了研究关键与重点并对未来研究进行了展望。当前系统论证土地系统参与乡村发展转型的过程、格局、机理与效应的综合研究尚显不足,急需建立应有的科学范式与方法论体系,明确并拓展研究的分析工具,并逐渐建立起该领域的话语体系。土地系统优化助推乡村发展转型研究需要在机制解析、水平评估、效应与发展模式、未来图景模拟与优化调控等研究的基础上,进一步拓展土地系统优化对城乡融合发展、区域可持续发展乃至全球治理的影响与边际贡献研究。未来需要重点关注土地系统过程机理与区域实践、巩固拓展脱贫攻坚成果同乡村振兴有效衔接的关键土地科学问题、乡村发展转型与振兴的动力机制与情景模拟、土地系统参与城乡融合发展的机理与效应以及土地系统与乡村振兴和农业农村现代化等主题。     

Agent-based model of land system: Theory,application and modelling framework

Land change science has become an interdisciplinary research direction for understanding human-natural coupling systems. As a process-oriented modelling approach, agent based model(ABM) plays an important role in revealing the driving forces of land change and understanding the process of land change. This paper starts from three aspects: The theory, application and modeling framework of ABM. First, we summarize the theoretical basis of ABM and introduce some related concepts. Then we expound the application and development of ABM in both urban land systems and agricultural land systems, and further introduce the case study of a model on Grain for Green Program in Hengduan Mountainous region, China. On the basis of combing the ABM modeling protocol, we propose the land system ABM modeling framework and process from the perspective of agents. In terms of urban land use, ABM research initially focused on the study of urban expansion based on landscape, then expanded to issues like urban residential separation, planning and zoning, ecological functions, etc. In terms of agricultural land use, ABM application presents more diverse and individualized features. Research topics include farmers' behavior, farmers' decision-making, planting systems, agricultural policy, etc. Compared to traditional models, ABM is more complex and difficult to generalize beyond specific context since it relies on local knowledge and data. However, due to its unique bottom-up model structure, ABM has an indispensable role in exploring the driving forces of land change and also the impact of human behavior on the environment.     

土地系统多主体模型的理论与应用

土地变化科学是理解人类—自然耦合系统的交叉学科研究方向。多主体模型（ABM）作为过程导向模型,对揭示土地变化驱动力,理解土地变化过程有重要作用。本文从理论、应用与建模框架三方面出发,总结了ABM理论基础和相关概念;阐述了ABM在城市和农业土地系统两方面的应用与发展,进一步介绍了横断山区退耕还林ABM研究案例;在梳理ABM建模协议的基础上,提出了主体视角的土地系统ABM建模框架和实施流程。在城市土地利用方面,ABM研究从最初基于景观研究城市扩张,到研究城市内部居住分隔,规划分区,生态功能等多方面;在农业土地利用方面,ABM应用则呈现出更加多样化和个性化的特征,包括农民行为、农户决策、种植系统、农业政策等。相比于传统模型,ABM因其依靠本地知识与数据而使得其构建更为复杂,且不易推广;但因其独特的自下而上模型构架,在探究土地变化驱动力、刻画人类行为对自然环境影响等方面具有不可或缺的作用。