顾及建设用地聚集与排斥性的城市扩张模拟：以义乌市为例

建设用地在空间上存在相互聚集或排斥的特性,并可能影响到城市扩张格局。本文在厘清建设用地内部以及不同类型建设用地之间聚集与排斥性的基础上,将其纳入到元胞自动机（CA）模型的发展适宜性与邻域影响因子计算中,以此构建顾及建设用地聚集与排斥性的CA-SAE模型,并将其应用于义乌城市扩张模拟的实证分析。结果表明：CA-SAE模型能够有效模拟不同类型建设用地的扩张状况,且模拟精度要优于传统CA模型。同时,多情景的模拟结果也证实了建设用地聚集与排斥性会影响到不同类型建设用地的空间分布及城市扩张形态。本文构建的CA-SAE模型创新性地将建设用地聚集与排斥性纳入到CA模型中,为开展面向不同类型建设用地的城市扩张模拟提供了思路与方法。     

基于CA-ABM模型的福州城市用地扩张研究

以中国海西地区重要门户福州市为研究区,结合其地理位置多层次约束性条件,以地理加权回归模型作为元胞自动机(CA)层的转换规则,同时以2000-2015年多期LandsatTM/ETM+影像的城市用地情况为参照,借助GIS空间分析技术,对CA和多智能体(ABM)相耦合的城市用地扩张模型进行改进。然后利用传统的和改进后的CA-ABM模型,多角度、多层次地模拟福州市2000年、2005年、2010年、2015年城市用地扩张在微观格局上的变化。结果表明,传统的和改进后的CA-ABM模型的整体精度均在80%以上,模拟结果具有较强的可信度;改进的 CA-ABM模型模拟的点对点总体精度和Kappa系数均高于传统的CA-ABM模型,而且模拟结果更加接近实际的城市用地扩张分布情况。结论可为平衡城市化进程和合理规划城市用地提供重要的理论技术支撑。     

基于元胞模型的河道纵剖面调整动态模拟

纵剖面的调整是河道演化的重要内容,其对于河道整治及水沙灾害机理研究都具有重要意义。利用多年观测资料可以较为精确地分析和推断河道纵剖面的调整过程。但是,这种方法不能从过程机理上对纵剖面的调整进行模拟分析。而自然条件下河道边界条件的复杂性使得对河道纵剖面演化的物理过程模拟有很大困难。元胞自动机是一个时间、空间和状态都离散的动力模型,是研究复杂系统动态演化过程的有力工具。本文以黄河尾闾河道为例,利用一维元胞模型对河道纵剖面的调整进行动态模拟。模拟揭示了河道纵剖面在初始形态、不同水沙组合以及河道延伸等情况下的演化规律与趋势。     

基于CA的城市增长与土地增值动态模拟方法探讨

城市增长与土地增值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。基于GIS的元胞自动机模型，具有模拟地理时空演化过程的能力。该文首先对CA模型进行扩展，再与GIS集成，提出一种模拟城市增长与土地增值时空间动态过程的新方法，并以四川省德阳市为例进行分析。     

基于动态约束的元胞自动机与复杂城市系统的模拟

为获得复杂城市系统更理想的模拟效果,提出时空动态约束的城市元胞自动机(CA)模型。用不同区域、不同时间新增加的城市用地总量作为CA模型的约束条件,形成时空动态约束的CA模型,并利用该模型模拟1988—2010年东莞市和深圳市城市扩张过程。结果表明,利用CA模型模拟的1993年城市用地总精度比静态CA模型提高了5.86%,而且模型中的动态约束条件可以反映城市发展的时空差异性。     

城市土地利用演化CA模型的扩展研究

城市土地利用演化的实质是人为干预下城市生态景观的自组织机制作用过程。根据城市土地利用演化生命机制概念,构建基于地理特征的城市土地利用演化CA模型,并以深圳特区为试验区域进行实证研究。结果表明,基于城市生命机制和地理特征的城市土地利用演化CA模型,可以有效地进行城市土地利用演化的时空模拟与预测。     

基于优化GeoCA模型的土壤侵蚀时空变化模拟——以福建省长汀县为例

土壤侵蚀动态监测是侵蚀研究体系中的重要内容, 目前研究主要集中在强度评价以及趋势预测两方面, 其中, 地理元胞自动机(Geo-Cellular Automata, GeoCA)是最常用的土壤侵蚀趋势模拟模型, 但是现有研究主要基于邻域计算规则, 强度模型的数学意义, 而忽视了元胞自身发生变化的可能性, 不能完全体现土壤侵蚀演变的复杂性, 这些问题不仅降低了模拟的精度, 而且使得趋势预测与侵蚀评价两者间的融合性降低, 不利于完整的研究体系形成。本研究认为土壤侵蚀时空变化趋势是其自身侵蚀状态、自然条件以及邻域转换规则共同作用决定, 从而设计元胞侵蚀强度指数算法、元胞侵蚀强度函数以及元胞邻域转换函数, 对传统GeoCA进行了优化, 并在GIS与遥感技术支撑下, 以福建省长汀县为研究区, 设计了上述算法的整合模型, 对福建省长汀县30 年来土壤侵蚀时空演替过程进行了测算与分析。研究结果显示: 长汀县土壤侵蚀最严重的地区主要分布在以河田镇为中心的汀中地区, 20 世纪90 年代以来, 土壤侵蚀治理工作成效显著, 改善趋势明显加快, 至2000 年以后有所放缓。预计至2020 年, 土壤侵蚀区的比重将从1990 年的约40%下降至约20%。通过比较, 整合算法的精度达到72.7%, 高于单纯的侵蚀强度评价算法以及传统GeoCA模型, 证明优化GeoCA不仅是进行土壤侵蚀时空演变模拟研究的有效手段, 更为土壤侵蚀这一复杂地理系统的元胞表述规则研究进一步深入提供了思路。     

基于Logistic回归的CA模型改进方法——以广州市为例

基于Logistic回归的CA模型因其结构简单和数据要求相对较小的优势,被广泛应用于城市模拟领域,但数据的空间自相关性影响了模型机制挖掘与模拟精度。通过将影响城市发展演变的各种约束条件划分为强制和普通约束条件,以及运用主成分分析降低普通约束条件的数据相关性,构建了改进型Logistic回归CA模型,并在2000~2008年广州市城市增长模拟研究中进行应用。结果表明:与传统型Logistic回归CA模型相比,改进型Logistic回归CA模型在模型拟合度和精度上均有4%左右的提高。其中约束条件划分对非城市像元模拟精度约有6%的提高,对整体精度有3%的提高。更为重要的是,降低数据相关性后,Logistic回归CA模型对于城市扩展机制的解释更符合实际。本研究旨在寻求一种简单可行且易于构建的CA模型,探求城市发展机理,为城市规划管理提供更为准确的科学依据。     

基于分区域的元胞自动机及城市扩张模拟

元胞自动机用于模拟城市扩张具有很好的空间建模能力,通常采用的建模方式将影响因子的空间条件作为线性要素对待,而在元胞转换规则建模中考虑影响因子的空间非线性特征更逼近真实状况.该文提出一种基于分区域的元胞自动机模型,通过划分各个全局影响因子的重要性子区域,计算不同类型区域中各因子对土地利用转换的影响强度,从而得到全区域的空间非线性转换规则.利用该模型模拟东莞市1988-1993年的城市扩展过程,并与Logistic模型模拟结果对比,表明这种有空间约束条件的分区域元胞自动机模拟精度更高,能有效模拟城市扩张的空间格局.     

城市化对传染病传播影响的动态模拟 ———以英国南安普顿市为例

在定量化和空间化模拟分析的基础上,探讨了城市化对传染病传播影响的模型框架.该模型框架是通过人口空间分布表面,集成了元胞自动机土地开发模型、人口预测矩阵模型和元胞自动机传染病模型,在动态的,随机的模拟环境中将城市化与传染病传播结合起来.以英国南安普顿市为研究区,对南安普顿市的"郊区化"对传染病传播的影响进行了动态模拟,场景模拟和定量分析.结果表明:4个模拟预测年期(2001年、2011年、2021年和2031年)的平均传染病例数没有太大的变化,"郊区化"对传染病的传播没有太大影响.但是,"郊区化"中的城市局部的家庭迁移和全市的年轻年龄组的迁移可能会通过在同年份减少平均传染病例数而影响传染病的传播.     

顾及城市空间结构信息的元胞自动机模型构建及其应用

利用衡量新增斑块空间邻接关系的多阶景观扩张指数定量识别城市组团的空间特征,结合城市组团所表现出的城市空间结构信息,构建基于MLEI的元胞自动机城市扩展（MLEI-CA）模型。针对武汉市1990、2000、2013年3期遥感影像数据,运用MLEI-CA对武汉市城市扩展进行模拟,通过与Logistic-CA模型对比验证该模型的适用性。研究结果表明,MLEI-CA模型更加准确地揭示城市扩展的空间演变过程,MLEI-CA模型精度优于Logistic-CA模型,Kappa系数、城市用地的精度分别提高6%和4%。     

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SD和CA的城镇土地扩展模拟模型——以江苏省南通地区为例

充分利用系统动力学模型(System Dynamics,SD)在情景模拟和宏观因素反映上的优势和元胞自动机模型(Cellular Automata,CA)在微观土地利用空间格局反映上的优势,构建一个耦合SD和CA的城镇土地扩展模拟模型,并以江苏省南通地区为例,对模型的实证应用做了进一步的验证。结果表明,这种耦合模型不仅能够对研究区域未来城镇土地扩展数量给予一个比较好的预测,而且还对其空间分布效果做了一定精度上的模拟,这使得城市规划在土地利用预测方面有一个相对科学的依据。     

山地城镇迁建选址模型研究——以巫山县为例

根据山地城镇建设的发展现状，运用遥感和地理信息系统技术。在获取、分析三峡库区综合环境指标如自然、技术、经济、城镇发展的区域状况等的基础上，以巫山县为例，建立了巫山县空间环境数据库，并提出了巫山县县城修建性选址模型。结果证明。好的迁建地多分布于长江及大宁河沿岸，交通条件较优越，靠近经济发达地区。此模型的建立可以为其它三峡库区城市迁建综合环境研究提供合理的方案和措施。     

基于多智能体的城市人口分布动态模拟与预测

城市人口分布变化过程是复杂的动态系统,掌握其规律在城市规划和社会可持续发展中有重要意义。用相互作用的多智能体系统(MAS)、元胞自动机(CA)环境及城市人口密度模型构建精确到街道的城市人口分布模型,并以长沙为例,分析城市人口分布的演变过程,为相关的调控提供决策依据。研究结果表明,其模拟的城市人口分布格局与实际情况吻合较好,在多种因素的影响下,长沙市将形成“市中心人口快速增长,近郊区人口缓慢增长,沿湘江畔、沿五一大道及岳麓区高新技术开发区人口密集”的发展格局。与以往的模型进行相比,所获得的模拟结果精度更高,更接近于实际的空间分布格局。     

城市空间扩展模型及对长沙市的模拟研究

借鉴传统的元胞自动机模型自下而上的运行规则,通过引入规划控制层,将自下而上和自上而下2种运行规则结合起来,构建了城市空间扩展模型,简化了传统城市空间扩展模型计算的数据量。以长沙市为例,采用1996,1999,2002,2005年城市规划资料数据,运用城市空间扩展模型将长沙城市空间分为12个组团分片模拟,并结合人口经济模型,预测了2020年长沙城市建设用地面积、人口经济与各个片区城市空间扩展等状况,为城市规划管理决策提供参考。     

基于随机森林的元胞自动机城市扩展模拟——以佛山市为例

本文提出一种基于随机森林的元胞自动机城市扩展(RF-CA)模型。通过在多个决策树的生成过程中分别对训练样本集和分裂节点的候选空间变量引入随机因素,提取城市扩展元胞自动机的转换规则。该模型便于并行构建,能在运算量没有显著增加的前提下提高预测的精度,对城市扩展中存在的随机因素有较强的容忍度。RF-CA模型可进行袋外误差估计,以快速获取模型参数;也可度量空间变量重要性,解释各空间变量在城市扩展中的作用。将该模型应用于佛山市1988-2012年的城市扩展模拟中,结果表明,与常用的逻辑回归模型相比,RF-CA模型进行模拟和预测分别能够提高1.7%和2.6%的精度,非常适用于复杂非线性特征的城市系统演变模型与扩展研究;通过对影响佛山市城市扩展的空间变量进行重要性度量,发现对佛山城市扩张模拟研究而言,距国道的距离与距城市中心的距离具有最重要的作用。     

权衡城市扩张与永久基本农田保护的城市增长边界划定——以武汉市为例

城市增长边界划定是优化城市空间结构和管理格局、增强城市综合承载力的有力手段。然而,由于城市周边的耕地质量较高,城市增长边界与永久基本农田保护在空间上存在显著的冲突。已有的城市增长边界划定研究大多忽略了城市扩张与永久基本农田保护的冲突,不利于城市周边优质耕地的保护。针对这一问题,该文利用土地系统模拟与优化模型(LANDSCAPE),以武汉市为例,开展了权衡城市扩张与永久基本农田保护的城市增长边界划定研究。结果表明:LANDSCAPE模型在城市增长边界划定过程中能够权衡城市扩张与永久基本农田保护,既能满足城市增长的需求,又有效避让了城市周边的优质耕地和重要生态用地,实现了城市扩张与永久基本农田保护的空间协调;该文提出的城市增长边界划定方法可以为快速城市化地区合理划定城市增长边界、实现区域土地资源的合理有效利用提供方法支撑。建议相关部门应同步划定城市增长边界与永久基本农田边界;同时在城市扩张与耕地保护冲突激烈区域设置耕地保护弹性区,并在该弹性区权衡城市扩张与优质耕地保护。     

基于分区异步元胞自动机模型的耕地利用布局优化——以武汉城市圈为例

以武汉城市圈为例,根据城市圈内各县域社会经济发展对土地资源需求的区域差异,探讨分区异步元胞自动机模}1_在耕地利用布局优化中的应用.模型根据各县域建设用地需求优先度确定异步演化速率,根据各县域土地利用变化的规律结合粮食自给率和建设用地满足程度确定分区转换规则,根据全区域的粮食安全得到全局终止条件,以此实现武汉城市圈2020年耕地利用优化布局.优化结果显示,在武汉城市圈耕地总量满足全区域粮食安全的基础上,黄陂区、应城市、新洲区、汉阳区、潜江市、黄冈市市辖区、鄂州市市辖区、孝感市市辖区、武昌区、仙桃市、黄梅县、武穴市、阳新县、咸宁市市辖区和赤壁市等建设用地优先度较高的区域建设用地需求均得到了满足;团风县和通城县虽然建设用地优先度较低,但是建设用地需求量较小,建设用地需求也得到了满足;其他县(市、区)由于建设用地需求量和建设用地优先度之间存在一定的矛盾,建设用地需求量没有得到完全满足.结果表明,基于分区异步元胞自动机的耕地区际优化模型在全区域耕地保护和粮食安全的基础上,考虑了社会经济发展对建设用地需求的区域差异,能够协调建设用地和耕地之间的矛盾,实现在区域间合理配置建设用地和耕地保护指标.