福州城市用地变化的CA模型动态模拟研究

城市用地变化是一种时空动态变化的复杂地理过程,如何有效地模拟这一过程是该研究领域的一个重要问题,在诸多模拟模型中元胞自动机具有明显优越性。本研究根据福州市1988年TM影像和2001、2004年ASTER影像提取城市用地信息,运用元胞自动机对未来20年城市用地变化进行模拟,并用2004年ASTER影像进行验证,结果表明:用元胞自动机对福州城市用地扩展的模拟达到较高的精度,未来20年内扩展平均速度将达7km²/年,远大于规划速度,扩展的主导方向为南部的南台岛,另一个重要扩展因素是乡村城市化加强,与此同时城市绿地不断被蚕食而减少。     

城市扩张驱动下植被净第一性生产力动态模拟研究——以广东省为例

城市间相互作用对城市扩张时空演变及其植被碳循环效应具有重要影响。本文将城市相互作用因子引入到元胞自动机(CA)的城市扩张模拟中,使用极限学习机(ELM)来自动获取CA的转换规则,并提出了ELM-CA模型;结合Biome-BGC模型,以广东省为例,对未来城市扩张及其植被净第一性生产力(NPP)效应进行耦合研究。结果表明:ELM-CA模型无需人工确定各变量权重大小,在不同类型变量的参数获取方面具有优势。通过嵌入城市间相互作用,ELM-CA模型能较好地模拟广东省城市用地扩张过程和格局。另外,广东省城市用地扩张对植被NPP具有重要影响,主要表现为城市用地的增加显著地降低植被NPP。按2000-2005年间城市扩张趋势,到2020年,由城市用地扩张导致的植被NPP降低约占广东省植被NPP的1.79%。引导城市合理扩张,对于维持生态系统碳平衡、促进社会经济的可持续发展具有重要意义。     

基于Agent和CA的城市土地利用变化研究

分析了元胞自动机在土地利用变化研究的基础上,将Agent引进元胞自动机模型中,在元胞自动机模拟土地利用变化自然性、连续性规律的基础上,将Agent的人为性、不确定性加入到模型模拟中,对CA模型中以随机数体现的不确定性通过Agent给予地理意义的解释,并以城市郊区--樟木头镇为例,对1988-1993年间城市用地变化进行了模拟研究,得到了良好的模拟精度,模拟结果符合土地利用变化的自然性、人文性特征。     

加权人口密度连续分布模拟模型

人口分布是人文科学的重要研究对象。如何在数据不足的情况下获得较为符合实际的人口分布数据是业界的一大难题。为了解决这个问题,本文依照人口分布的规律,以人口统计数据、高程、海岸线、城市中心、河流和行政区划为影响因子,通过距离计算、重分类、加权计算等方法,建立了加权人口密度连续分布模拟模型,并进行了改进。基于2011年的福建省县级人口统计数据,本文在ArcGIS平台上模拟了该省的人口密度空间分布,模拟结果表明：各县人口总数误差与平均人口误差在40%以下的百分比分别为89%与84%,突出了福建省在城市中心、沿海、沿江,以及平原地区的人口聚集规律;各个县级行政区域内的数据集中,相对独立;县与县之间的区分边界数据又相互联系,变化连续,符合人口分布的实际情况。该模型相比于其他的人口模型易于理解,结构简单,可应用于各省的人口密度分布模拟,能有效地解决人口数据不足的问题。     

城市快速扩张驱动下的耕地演化模拟与预测——以广东省东莞市为例

在快速城市化进程中,有效地保护耕地数量和质量是一个重要的科学命题。本文以广东省东莞市为例,通过构建Logistic-CA城市扩张模型,试图探明城市快速扩张主导下的耕地演化特征和机制,对耕地演化进行模拟与预测,为城市的可持续发展规划和耕地保护提供科学的参考依据。首先,分析了1998-2013年东莞市各用地类型间的转换关系,对城市扩张与耕地演化的机制进行了探究;其次,综合考虑地理、经济与政策因子,通过对地理因子模拟和地理与经济结合模拟2种结果的比较分析,选取最优因子组合定义了CA转换规则,构建Logistic-CA模型;最后,基于该模型,依据2006-2020年东莞市土地利用总体规划图,对耕地演化进行预测,并进行数量、质量和空间形态上的分析。模拟结果表明,在耕地演化机制上,东莞市在2003-2008年和2008-2013年2个时段中新增城市用地分别有71.96%和80.86%直接或间接来源于耕地,且相应时段内的耕地补给量远小于耕地流失量;在空间形态上,呈现大块耕地边缘破碎化,细碎耕地逐步消亡的空间演化模式。模型的预测结果表明,至2020年耕地将会减少8205.4 hm²,且优等耕地和高等耕地的减少比重分别达到5.16%和5.27%。     

基于影响因子动态更新的都市圈国土-人口协同模拟

都市圈作为典型的复杂巨系统,其国土、人口、交通等要素呈现出共同演化、协同发展的特征。现有基于元胞自动机的空间模拟方法通常分别进行国土或人口模拟,忽略了国土、人口之间的协同演化,从而限制了模拟性能。本文提出一种影响因子动态更新策略用以表征国土、人口两种要素间的相互作用,拓展经典元胞自动机模型构建协同模拟算法,实现了都市圈国土与人口空间分布态势的精准模拟。本文以深莞惠都市圈为例,对提出算法进行了实验验证。实验结果表明,本文提出协同模拟算法在深莞惠都市圈的国土模拟品质因素为0.274、人口模拟平均绝对百分比误差23.55%,分别优于传统基于随机森林的元胞自动机算法0.24和29.33%;相较于传统模型,在国土模拟中本模型在对于建设用地的模拟准确度提升了约3%,在人口模拟中本模型在对人口高密度的区域模拟误差降低了约6%。本文进一步预测了深莞惠都市圈2030年国土和人口发展空间态势。研究结果可为都市圈重大基础设施选址和发展情景推演提供技术支撑。     

生态约束性城市扩展模型构建与应用分析——以南宁市区为例

以生态安全理论与方法为基础,地理信息系统（G IS）和元胞自动机（CA）为技术支持,集成宏观的生态经济学Tietenberg资源分配模型和微观的GEOMOD模型,构建一种生态约束性城市扩展优化模型（Ecological Re-straintUrban Expansion Model,ERUEM）,进行了广西南宁市2005～2020年城市空间扩展情景模拟研究。通过Tietenberg模型完成未来各个时段内城市用地数量的最优分配;从满足局部土地生态适宜性、土地利用继承性和邻域影响的角度,利用GEOMOD模型结合城市用地生态适宜性评价,完成城市用地的空间分配,最终实现城市空间扩展优化模拟。模拟结果表明,该模型在生态安全约束下,南宁城市空间扩展主要占用农村居民地、工矿用地、未利用土地和园地,减少对林地、水田和旱地的占用,增加和保育了城市生态系统服务功能,优化了城市空间的扩展;该模型方法可为南宁市土地利用规划和城市规划管理提供参考依据。     

基于城镇化背景下的城郊土地利用模拟研究——以广州市花都区为例

本文以广州市花都区1990年和2008年TM影像作为数据源,在分析花都区2个时期土地利用格局时空特征的基础上,结合人工神经网络与元胞自动机(ANN-CA)模型对研究区的土地利用空间布局进行模拟。研究表明:根据研究需求构建的ANN-CA模型在实际模拟过程中无需人工定义模型结构和转换规则,只需通过3层神经网络即可模拟复杂的城市形态。因此,通过构建ANN-CA模型对土地利用空间布局进行模拟,可以合理预测城市土地利用发展趋势,具有较强的科学性和可靠性。     

基于CA模型的佛山市建设用地动态变化研究

元胞自动机具有能模拟复杂动态系统的强大能力,本文采用了多约束条件的元胞自动机模型,以广东佛山市2000年、2006年和2012年建设用地的变化为例,从自然、社会经济发展等方面综合考虑选取了高程、坡度、人口密度、道路交通、水系等对城市建设用地发展变化起决定作用的诸多因子,利用马尔科夫概率矩阵计算2000年~2006年建设用地变化,推算建设用地转移总量。结合Logistic-CA模型和决策树-CA模型,预测模拟了2012年的建设用地分布并与实际相比较,分析其整体精度和误差来源。结果显示基于CA模型的建设用地动态发展模拟具有良好的效果,可以为城市的发展规划,过程演变提供虚拟的实验手段和科学依据。     

城市形态演化的粒子群智能随机元胞模型与应用——以上海市嘉定区为例

城市形态演化是一个非线性的复杂时空动态过程,认识、理解和模拟此变化过程,有助于探索城市扩展的机理。地理元胞自动机(CA)因其较强的复杂系统模拟和预测能力,越来越多地应用于城市形态的演变研究。CA"自下而上"的结构特性,与粒子群智能(PSO)由底层单元交互而呈现系统全局的自组织性,本质上是一致的。本研究将两者结合,以模拟结果和真实形态的差异最小化为基础,利用粒子群智能,以快速随机搜索的方式,获取CA参数的优化组合和模型结构,从而建立了一种粒子群智能地理元胞自动机模型(PSO-CA)。以上海市嘉定区为案例,通过较长时段的历史数据对PSO-CA模型进行校正,成功模拟了该区域1989-2006年的城市形态演化过程,并进行了2010年发展预测。与传统地理CA模型比较,PSO-CA模型模拟结果的精度更高。     

基于GIS的闲置土地管理信息系统功能设计——以长沙市为例

利用以GIS为代表的信息技术对土地利用进行动态管理是当前的发展趋势.以湖南省长沙市为例,针对闲置土地管理的需要,设计基于组件式地理信息系统技术的闲置土地管理信息系统的功能,为开发具备对闲置土地认定、分类、查询、处置、监控和信息发布等功能的信息系统做好技术准备.     

基于ANN-CA的银川平原湿地景观演化驱动力情景模拟分析

本文通过对湿地景观的时空动态发展过程其形成空间格局的分析,构建了基于ANN-CA的银川平原湿地景观时空模拟模型,并对湿地景观格局过程与主要驱动力因子间的响应关系进行了情景模拟。研究结果表明:年降水量对天然湿地中的河流湿地和湖泊湿地的驱动作用呈正相关关系,对水稻田和坑塘湿地的影响不显著;人口密度对人工湿地的驱动作用呈正相关,随着人口密度的增加,水稻田和坑塘向各个方向大面积蔓延,河流和湖泊等天然湿地的面积则逐渐减少;随着农业生产活动的加强、农业总产值的增加,河流和湖泊缓慢减少,水稻田和坑塘等人工湿地分布迅速扩张。     

基于元胞自动机模型的河道汇流过程模拟

对河道汇流过程进行模拟可为洪水灾害预警预报提供参考。利用水力水文学方法能很好地模拟河道汇流过程,但需要输入的参数多,运算过程复杂,对数据精度要求高,而且在无资料区流域无法确定河道上断面流量情况下,该方法具有一定局限性。本文将元胞自动机模型与水文模型相结合,构建了河道汇流过程中的元胞自动机模型和产流汇流规则。通过建立河道坡面拓扑关系,利用SCS-CN（Soil Conservation Service-Curve Number）模型逐个计算河道元胞上的坡面入流,并利用曼宁方程模拟河道汇流过程,最后在ArcEngine平台下进行二次开发,实现了河道汇流可视化。本文以厦门市茂林溪流域为研究区,对1997年5月6日至7日的一场降雨进行了模拟。将本文模拟结果与该流域其他学者的研究进行了对比分析,结果表明在输入数据与水文模型参数相同的情况下,本文不仅模拟出每次降雨间隔产生的较小洪峰,并且整场降雨产生的最大洪峰流量精度与时间精度均提高了5倍,可以更准确地模拟河道汇流过程,适用于河道汇流可视化,该模拟可以为洪水灾害预警预报提供一定参考。     

一种考虑空间增长潜力的城市扩张灰度CA模型与应用

元胞自动机（Cellular Automata,CA）是进行城市空间演变模拟的重要建模工具。经典城市扩张CA模拟规则提取,主要利用一段历史变化样本对城市化（1值）和未城市化（0值）进行双向拟合,存在0值过度拟合现象,即历史观测不变化的元胞样本并不代表其没有转变的潜在可能性。为此,本文将城市空间增长潜力引入CA模型,重新构建CA规则学习样本和参数拟合目标,并利用粒子群优化算法进行参数挖掘,弥补传统CA规则提取的局限性。研究以广州市为案例区,基于主体功能区规划思想构建空间开发潜力,对改进的城市扩张CA模拟模型进行实例应用。结果表明,本文改进的CA模型不论在整体格局还是细节呈现上,均比传统CA模型表现出更高的可信度,模型整体评估精度高于70%,结果可为中长期城市规划提供更好的参考。     

基于生态空间胁迫的大都市区增长情景模拟

大都市区增长是当前中国城镇化发展的一种主要模式,如何确定其最佳空间增长形态是新型城镇化关注的重要内容之一。本研究立足于未来“生态城市”建设理念,从自然资源生态敏感性和城市发展适宜性角度构建双重约束条件,利用元胞自动机模型构建了生态空间胁迫下的城市增长过程模拟框架,探讨了边缘性增长、生态性增长与协调性增长3种发展模式,并从建设适宜性、生态安全性与斑块紧凑性等角度构建评价指标对模拟方案进行定量化对比。最后,以长江中游城市群的南昌大都市区进行实例应用,结果表明,协调性空间增长模式能最大程度降低城市建设对生态安全空间的侵蚀,大都市区在制定城市增长边界等空间政策时宜参考此种发展模式,基于生态空间胁迫分析的城市增长过程建模是一种有用的规划决策情景分析工具。     

土地资源的动态监测和动态模拟研究

本文结合国家“九五”攻关项目 ,介绍了有关利用 3S技术进行县级土地资源动态监测的最新研究成果 ;将细胞自动机 (Cellular Automaton,CA )与 GIS系统集成 ,构建了基于 CA的土地利用演化模型.     

城市人口空间分布模拟与格局分析——以沈阳市为例

人口分布空间结构是城市空间结构的重要组成部分。为准确地模拟城市人口分布,清晰地反映城市人口分布格局,本文利用沈阳市第五次人口普查资料,采用网格计算方法空间化人口数据、地统计学的空间插值方法模拟人口分布。同时,用DEM模型方法识别城市人口分布格局,分析人口分布特征。结果是:沈阳城市内部人口分布具有较高的不均衡性和聚集性;城市人口密度分布不符合单核心圈层式范式,具有11个明显的人口分布核心;在城市中心区域,人口分布的区域化特征更为显著;人口分布主要受到相近的两个人口核心的影响。该研究同时表明中国市场经济体制背景下,城市人口分布特征具有较高的复杂性。对于城市人口分布规律及影响人口分布的动力机制,需进一步研究。     

基于GIS的公园绿地可达性与服务水平研究——以长沙市岳麓区为例

可达性作为城市绿地评价的重要指标愈加受到重视。在计算方法上,GIS网络分析法以实际交通网络为基础,相比于其他直线距离测算方法,从一定程度上真实反映了公园绿地的可达性,因此得到越来越多的应用。以长沙市岳麓区为例,运用GIS软件的网络分析法,基于步行、非机动车和机动车3种交通出行方式,定量分析了不同等级公园绿地的可达性。研究结果表明:长沙市岳麓区公园绿地整体步行可达性较差,15 min有效服务范围仅覆盖了研究区域的22.4%;社区级公园的步行可达性较差,仅有14.5%研究区域内的居民可以在15 min内到达最近的社区级公园,而基于非机动车的可达性较好,大部分居住区域的居民(占比76.2%)可以在15 min内到达最近的社区级公园;风景名胜级公园的非机动车的可达性较差,15 min可达的有效服务面积占比为30%,而机动车的可达性较好,20 min可达的服务面积覆盖了大部分研究区域(占比82.2%)。     

基于GIS的土地利用生态保护度评价——以长沙市为例

土地利用生态保护度评价是对土地资源需要保护的优先级别进行评价。以长沙市为例,利用GIS技术的空间分析和数据管理功能,采用栅格数据作为主要数据源,针对研究区域主要土地利用和生态保护问题,建立土地利用生态保护度评价模型,实现土地利用生态保护度评价,评价结果为统筹区域土地利用提供决策支持。     

顾及地类转换差异的城市空间扩展元胞自动机模型及应用研究

元胞自动机模型已经成为城市空间扩展模拟研究的重要方法之一,并得到广泛应用。然而,现有的城市扩展元胞自动机模型仍存在不足。由于元胞状态设置较为简单,从而使模型转换规则中对不同用地类型向城市用地转换的差异与强度考虑不够。基于此本文在元胞自动机模型的框架下,设计了多元结构的元胞状态及转换规则,提出了顾及地类转换差异与强度的城市扩展元胞自动机模型。在计算非城市用地向城市用地转换的转换概率时,该模型考虑了3个方面的概率：① 地形地貌、经济发展等城市发展的驱动因素对城市用地扩展的影响概率,该概率采用logistics方法进行计算;② 邻域元胞的用地类型对中心元胞转换概率的影响,该概率采用扩展摩尔型方法进行计算;③ 不同类型的非城市用地（本研究中包括耕地、林地和裸地3种类型）向城市用地转换的强度,该概率由模拟基期土地利用数据与目标年份土地利用数据的叠加,得出不同类型的非城市用地在此时间段内向城市用地转换的规模,进而确定不同类型的非城市用地向城市用地转换的强度。最后,将以上3种概率的乘积作为元胞转换的概率。通过转换概率与转换阈值的对比判断中心元胞是否在下一个阶段转换为城市用地。经过迭代计算,不断增加城市用地元胞的数量。当模拟城市用地的结果与目标年份的城市用地规模差值在一定的范围内时停止模拟,得出最终结果。模型构建完成后,本文以长株潭城市群核心区为例进行了模拟实验。以2001年该地区的土地利用数据为基期数据,模拟2010年该地区的城市用地规模和空间分布。研究结果表明,根据本文提出的模型模拟的城市扩展结果与真实数据相比具有较高的一致性。模拟结果正确率达到68.66%,比基于传统logistics回归的元胞自动机模型的模拟精度提高了4.25%,Kappa系数为0.675。该模型较好地模拟了长株潭城市群核心区城市扩展,在城市空间扩展模拟中具有较好的适应性与有效性。