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。     

舆论引导的元胞自动机模型研究

考虑到现实中,主流媒体、权威机构等舆论引导者对舆论演化的重要影响,利用元胞自动机模型按照少数服从多数的转换规则对舆论演化的过程进行模拟。计算机模拟结果表明了舆论引导者较强的引导作用,显示了加强舆论引导的重要性。     

空间复杂性与地理元胞自动机模拟研究

面对具有非线性、非平衡、自相似、自组织等复杂性特征的空间复杂现象,基于传统的牛顿力学和微分方程数学的地理模型显得力不从心,非线性科学作为解决地理复杂现象的有效工具成为地理学研究的前沿.基于对地理复杂性的分析、作者提出了一种基于元胞自动机(Cellular Automata)的地理模型框架,并在地理信息系统集成的基础上,对美国安阿伯波市的城市增长与扩散进行了生动地模拟和预测.     

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。     

内嵌空间聚类算法的分区地理元胞自动机建模与应用

传统的地理元胞自动机(Geo-Cellular Automata;GeoCA)模型,大多采用统一的转换规则驱动元胞空间内的所有元胞进行演变。然而,许多地理现象都存在着空间异质性,统一的元胞转换规则忽略了空间异质性的存在。针对这一问题,本文提出了空间聚类的分区地理元胞自动机模型,采用空间聚类算法对元胞空间进行分区,对不同的分区分别求取转换规则,以此来提高地理元胞自动机的模拟精度。以杭州市为案例区,采用本文提出的空间聚类的分区地理元胞自动机模型,对研究区2000-2005年的城市用地变化进行了模拟。结果表明:与采用统一转换规则的GeoCA相比,引入空间聚类算法的分区GeoCA具有较高的模拟精度,尤其是在空间形态和整体结构上,具有较好的模拟效果。     

耦合最大熵和近邻传播聚类的城市空间多模式扩展元胞自动机模型构建

多中心组团发展是优化区域空间结构的重要路径,由此带来的城市空间扩展模式包含邻接型与跳跃式,亟需研究顾及城市空间多模式扩展的模拟技术。既有研究难以较好实现跳跃式斑块的模拟,主要存在无法展现城市增长过程或选取的“扩展种子点”随机性过大或模型适用尺度较小等问题。本文提出了一种耦合最大熵模型（MaxEnt）与近邻传播聚类（AP）的MaxEnt-AP-CA模型：利用MaxEnt模型寻找跳跃式扩展备选区域并进行筛选,减小了种子点的搜寻范围,降低了随机性和运算数据量,适用于更大尺度;结合AP算法得到种子点,展现跳跃式斑块的增长过程;引入“生长系数”实现多模式扩展的同步模拟。以重庆市主城都市区为研究区,使用MaxEnt-AP-CA模拟了2010—2020年城市用地的扩展情况,研究发现：(1) MaxEnt-AP所求种子点命中实际跳跃式斑块的准确性显著提高;(2)在精度指标上,最优参数下,MaxEnt-AP-CA的FoM峰值达到0.3061,精度相比传统CA模型具有明显提高;景观形态上,MaxEnt-AP-CA在斑块规模、破碎度、聚集度上与实际情况更为接近,且能保留更多的斑块形状特征,最优模拟结果与实际...     

网络化地理空间的元胞自动机群体时空格局仿真模型研究

计算机网络的出现,显著地改变了地理空间的相关性。在网络化地理空间中,相关事件、现象、消息的特定网络信息流达到一定程度时,可能引发并塑造群体的特定时空分布格局。因此,针对网络化地理空间特性,基于元胞自动机模型,构建了网络化地理空间元胞自动机仿真模型。仿真实验结果表明：(1) 网络化地理空间中,元胞群体意见存在5种分布;(2) 元胞在空间上呈现出聚集的时空分布格局。研究结果将有助于理解网络化地理空间中针对特定事件、现象、消息的信息流对群体时空分布格局的影响,为网络环境下特定事件、现象的群体时空分布格局分析提供依据。     

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。     

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。     

基于元胞自动机的城市三维空间增长仿真模拟

目前,二维的方法不能正确描述现代城市立体空间的发展变化,因此,城市三维空间增长的研究对现代城市的发展具有重要意义。本文基于自组织理论及城市发展的自组织性,改进了Bengguigui等的城市空间模拟三维元胞自动机(3DCA)模型,在模型中添加了中心距离及交通距离评价因子,建立了城市三维空间增长的中心距离模型和交通距离模型。重点介绍了模型中评价因子的计算方法及其隐含的经济学含义、评价函数的构成和元胞空间状态的转换规则。最后使用NetLogo 3D建模工具,进行城市三维空间增长仿真模拟实验,结果表明:添加中心距离与交通距离因子后,城市三维空间增长模型更符合现实中城市三维空间扩展过程;进一步证明了城市发展的自组织性,以及他组织力量对城市向高级别发展的促进作用。     

基于遗传算法的针灸处方寻优设计

几千年来针灸处方数据的积累,为现代医务工作者提供了丰富的针灸临床经验,但是,如何借鉴海量的针灸处方生成有价值、最优的针灸处方,则是现代针灸学致力于研究的重点。搜集了跨度几千年的大部分针灸处方数据,在对其进行结构化的基础上,利用遗传算法的思想对每一朝代单独聚类产生各自的适应度函数,然后再对各个朝代的适应度函数按其权重组合形成总的适应度函数,最终通过适应度函数取值的高低获得优化后的针灸处方。将算法用于开发针灸处方决策支持系统,经临床实践,其寻优结果具有较高的适用价值。     

栅格成本距离计算的改进蚁群算法

栅格数据模型是地理信息科学领域的主要数据模型,成本距离分析是其重要的应用方向之一。但当栅格数据量较大时,传统的Dijkstra求解效率较低,因此本文提出了一种用改进蚁群算法来求解栅格成本距离的方法。首先,构建了适合人工智能算法的栅格数据模型及编码方法;然后,在此基础上初始化蚁群,采用状态概率选择机制计算相邻栅格单元之间距离成本,以及距离成本路径方向选择,同时利用改进的信息素更新机制加强蚁群之间信息交流,加快算法收敛速度;最后,引入了遗传算法的选择、交叉和变异等算子优化生产的成本距离的解,增加解的全局性。本文以北极地区的海冰密集度栅格数据为基础,求解北极地区适合航行路线的成本距离。实验表明,结合了蚁群算法和遗传算法优势的改进蚁群算法,能够快速有效地求解出基于栅格数据的成本距离。     

基于遗传算法的聚焦爬虫搜索策略设计与研究

网络爬虫是搜索引擎的重要组成部分。针对目前聚焦爬虫搜索策略的不足,提出了一种新的搜索策略解决方案。在搜索过程中对适应度高于或低于种群平均适应度的个体采用不同的交叉概率和变异概率来扩大爬虫的爬取范围、增加新个体,并通过改进遗传算子,提高聚焦爬虫的搜索效率。实验证明,基于自适应遗传算法的聚焦爬虫在一定程度上解决了传统遗传算法的"早熟"问题,而且能够爬取到更多主题相关的网页和相关度高的网页。     

一种自适应时间步长的场地地表污染扩散元胞自动机仿真模型

针对传统扩散模型难以动态模拟地表污染物时空不均匀扩散过程的问题,本文提出一种基于元胞自动机模型的污染物地表扩散仿真模型,在综合考虑地表高差及粗糙度对污染物扩散过程影响的基础上,确定了不规则污染场地的元胞边界条件、划分了元胞空间、提出了一种降雨和非降雨条件下污染物扩散流速计算方法,基于分子扩散建立了地表污染扩散模型演变规则。为更好模拟地表污染物扩散情况,本文提出了一种污染物随坡度和质量衰减的元胞自适应时间步长调整算法,该算法能够动态调整元胞自动机的时间步长,防止固定时间步长在污染物快速扩散时错过细节,而缓慢扩散时消耗计算资源。实验设计了降雨和非降雨两种情形对污染物随时间扩散的过程进行仿真与分析。实验结果表明,不同下垫面对污染物扩散速度有很大的影响,污染物在糙率为0.012的水泥地表上的扩散速度约为其在糙率为0.035的一般性土壤地表上的2.7倍;降雨强度和时长能够加快污染物的扩散,且扩散速度随着降雨曲线变化而改变,并在雨强峰值附近达到最大;污染物扩散服从坡度分布特征,且随着时间变化,高污染区域范围和污染物浓度差异渐渐变小,并在一段时间后,浓度变化渐渐趋于平稳;自适应时间步长演变算法能够较好地体现一次演变过程中污染物扩散在不同邻域元胞方向上的细微时间差异,提高污染物时空分布的计算精度。     

基于ANN-CA模型的土壤侵蚀时空演化分析

土壤侵蚀是中国乃至世界的主要环境问题之一。到目前为止,应用于土壤侵蚀研究的模型仅仅能够做一些事后的预报,并不能实现真正意义的土壤侵蚀预报,更不能反映土壤侵蚀的时空演化规律。本研究利用元胞自动机强大的空间动态模拟功能,建立了土壤侵蚀的元胞自动机模型,实现了对研究区2010年土壤侵蚀类型的空间预测,从微观的元胞状态的变化,反映了研究区土壤侵蚀的宏观变化规律。利用2000年计算出的土壤侵蚀强度类型与模拟的2000年土壤侵蚀强度类型对比,评价了土壤侵蚀强度预测的准确率,并对准确率相对较低的类型分析了原因,增加各个土壤侵蚀类型的训练样本,改进土壤侵蚀强度类型的分类标准,将大大提高ANN- CA模型的精度。同时指出,本研究建立的模型可以推广到其他土壤侵蚀区的预测研究。     

基于多目标遗传算法和FLUS模型的西北农牧交错带土地利用优化配置

西北农牧交错带生态环境脆弱,区位特殊性和生态重要性使其在我国社会经济发展和生态环境保护方面具有重要战略意义。通过对该区域进行土地利用优化配置,使有限的土地资源支撑起生态环境保护和经济发展的重任是本文的出发点。多目标遗传算法和FLUS模型的应用可以从多方面（数量结构、空间布局、综合效益）完善土地利用优化配置,为土地利用优化配置提供更多的选择方案。本文选用多目标遗传算法和FLUS模型对该区域进行2025年的土地利用变化模拟,通过设置自然发展、生态保护优先、经济发展优先、生态-经济均衡4种情景,探讨了如何在兼顾生态环境保护与社会经济发展的情况下进行土地利用的优化配置。结果表明,基于生态-经济均衡情景下的优化方案,土地利用类型的数量结构和空间布局更为合理,其综合效益优于另外3种情景。该情景在合理限制经济发展速度的前提下,使生态建设获得稳定发展,其经济效益较生态保护优先情景下增长了8.96%,生态效益较经济发展优先情景下增长了0.77%,在生态保护与经济发展2种目标之间达到平衡,为西北农牧交错带的土地利用规划提供了决策辅助。     

遗传算法优化支持向量机在大坝变形预测中的应用

建立大坝变形预测的支持向量机模型,并用遗传算法对支持向量机模型的核函数参数、惩罚参数和损失参数进行优化。将同一优化方法不同支持向量机核函数、不同优化方法同种支持向量机核函数进行横向对比,将BP神经网络、自回归AR(p)模型、多元回归分析法和周期函数拟合法进行纵向对比。结果表明,该GA-SVM(RBF)模型不仅能较好地预测大坝的变形趋势,而且能大幅提高预测精度。