蚁群算法求解三维表面路径方法的研究

针对不规则三维表面路径寻优的问题，提出了一种将连续三维表面进行格网离散化的基于蚁群行为的解决方法，对基本蚁群算法的信息素更新策略进行了改进，并通过实验进一步验证了算法的有效性。     

海上距离元胞自动机分析法

针对障碍存在情况下距离变换研究较少的问题,提出了一种基于元胞自动机的绕障欧氏距离变换方法。以南海为例,基于海陆分布数据和目标点数据,以最短绕障路径长度为元胞状态,设计了包含距离算子的元胞状态转换规则。通过元胞自动机模拟距离扩散计算过程,得到绕障距离变换结果,并分析了绕障效果和精度。结果表明:本文方法动态直观地展示了绕障距离变换过程,能够自动计算绕过障碍的最短距离;具有更新机制,能够根据邻域的变化修正状态值;为绕障距离变换问题提供了一种近似的解决途径,错误率低于3.96%,可应用于航线设计、海上救助等领域。     

水系元胞自动机的设计与实现

水系元胞自动机模型是应用元胞自动机理论对水系的形成与发展的随机过程进行模拟的模型。本文使用DEM作为基础数据,针对水系元胞自动机模型的建模过程和模型结构,详细阐述了将其抽象为计算机中具体的数据模型,以及使用C#程序设计语言实现该模型对水系进行模拟的具体过程,模拟了南流江流域局部地区的水系发展过程,为元胞自动机与水文学研究的结合提供了参考。     

基于数据同化的元胞自动机

提出基于集合卡尔曼滤波(EnKF)的元胞自动机(CA)模型。在CA模型中,由于不同的样本会训练出不同参数值 的转换规则,且获取的转换规则在整个模拟过程中不能改变等原因,误差在模拟过程中会不断累积。本文在CA模型中 引入集合卡尔曼滤波的数据同化方法,建立了基于集合卡尔曼滤波的数据同化CA模型,同化遥感观测数据,根据得出 的同化值修正模拟结果使之向真实情况逼近。利用该模型模拟了广东省东莞市的发展情景(1995年—2005年),实验表 明,与传统CA模型相比,基于集合卡尔曼滤波的CA模型能够融合遥感观测数据,并能更有效地模拟城市扩张过程,达 到良好的模拟效果。     

基于GIS和元胞自动机的荒漠化演化预测模型

荒漠化是当今全球最严重的环境与社会经济问题之一 ,荒漠化以其发展速度和严重的灾害性而引起国际学术界的广泛关注。开展荒漠化变化的驱动因素及其作用机制研究 ,尤其是在此基础上对荒漠化与其驱动因素之间的关系进行量化及动态模拟模型研究 ,对荒漠化的防治和治理具有十分重要的意义。尝试利用3S技术 ,结合元胞自动机理论架构出一套荒漠化动态模拟模型 ,进而对北京及邻区荒漠化的发展趋势进行预测。实验证明 ,这套系统是对荒漠化演化机制从宏观和微观角度进行模拟的有效方法。     

基于约束条件的元胞自动机土地利用规划布局模型

分析了我国当前土地利用规划布局的不足,对标准的元胞自动机模型的元胞涵义、规则定义等进行了扩展,探讨了元胞自动机模型在政策及相关规划约束、邻域耦合、适宜性约束、继承性约束及土地利用规划指标约束下的土地利用规划布局的元胞自动机模型。以广西东兴市为例进行了模型的仿真运行和结果分析。     

地理特征元胞自动机及城市土地利用演化研究

将综合了几何和非几何属性的地理特征概念引入元胞自动机,构建了地理特征元胞自动机概念模型。通过对深圳特区土地利用演化的实证研究表明,地理特征CA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,理论上是可行的;基于地理特征的城市土地利用演化CA在城市规划中具有很大的应用价值。     

基于最大发展潜力值的元胞自动机城市扩张模型

在城镇化发展水平及土地开发评价的基础上,评价待扩张区域土地转变潜力分值,基于最大转变潜力分值,提出一种有别于传统元胞自动机模拟城市扩张的新方法。该方法与传统元胞自动机模拟城市扩张相比在迭代方式上存在不同,它克服了传统元胞自动机因阈值设置不同而导致结果不确定的难题。分别将该方法与传统元胞自动机模型应用于武汉主城区,模拟了其2003年到2013年的城市扩张情况,最后,将模拟结果与实际土地利用现状图进行对比发现改进后的新方法在模拟精度上大大提高。     

基于元胞自动机的土地利用图斑综合语义评价研究

研究基于栅格数据利用数学形态学中的膨胀、腐蚀等算法结合元胞自动机理论实现土地利用数据的图斑综合,从语义角度选取了语义一致性、语义完整性两个评价元素分别从地类、地图两个层次对综合结果进行评价研究。结果表明：1.在地图尺度上,综合结果语义一致性趋近于1,而语义完整性仅为0.019,面积保持上趋于平衡,但语义冗余较大,综合土地类别缺失严重。2.在地类尺度上,各地类语义一致性均在0.95以上,而语义完整性,采矿用地等地类达最大值1,而耕地最低仅为0.011,由于土地利用类型分布比重上的差异,使各地类在语义上有不同程度上的遗漏。     

Fisher判别及自动获取元胞自动机的转换规则

提出一种基于费歇尔(Fisher)判别和离散选择模型相结合来自动获取地理元胞自动机转换规则的方法。CA的核心是如何定义转换规则,但目前主要是采用启发式的方法来定义转换规则,受主观因素影响较大。本模型结合离散选择模型,通过对Fisher判别方法进行改进,可以成功搜索最佳分隔单元发展和不发展的变量组合,自动确定模型参数值。与常用的Logistic回归模型进行对比分析,结果表明,所提出的方法具有更高的模拟精度,转换规则有着清晰的物理意义。此外,本模型在模拟多类复杂的土地利用变化时可能更具有优势。     

基于并行元胞自动机的水体污染物扩散模拟

研究影响水体污染物扩散的因素,使用计算机快速地对水体污染物进行模拟,能够为水体污染物的控制提供决策支持。将元胞自动机与并行计算相结合,能够高效地模拟水体污染物扩散。分析了元胞自动机的构成,综合考虑了污染物浓度、风向、风速、水流方向、水流速度、水体边缘等因素对污染物扩散的影响,设计了面向水体污染扩散的元胞自动机模型。分析了MPI(Message Passing Interface)在并行计算方面的优势,设计了面向水体污染物扩散的并行元胞自动机模拟算法流程,实现了水体污染物扩散的模拟。对比分析了面向水体污染物的元胞自动机串行计算、单机并行计算和多机并行计算的执行时间,结果表明,运用并行元胞自动机可以节省计算时间,提高计算效率。     

基于遗传神经网络获取元胞自动机的转换规则

采用面向对象建模思路,综合遗传神经网络和元胞自动机,构建了一个基于Matlab平台的遗传神经网络-元胞自动机模型,并以长江口北岸为例,构建了其土地利用变化模型,进行土地利用演化模拟与预测,为土地利用规划提供理论依据。结果表明:GANN-CA模型有较好的仿真效果,充分利用了人工神经网络获取模型大量空间变量参数的优势,简化了土地利用转化规则的定义。该模型更全面地考虑了土地利用演化的空间影响因子,并采用遗传算法优化神经网络的连接权值和阈值,是对人工神经网络-元胞自动机模型的改进和拓展。     

基于支持向量机的元胞自动机及土地利用变化模拟

提出了利用遥感数据，并采用支持向量机来确定元胞自动机非线性转换规则的新方法。元胞自动机在模拟复杂地理现象时，需要采用非线性转换规则。目前元胞自动机主要采用线性方法来获取转换规则，在反映复杂的非线性地理现象时有一定的局限性。以城市扩张的模拟为例，将模拟城市系统的主要特征变量映射到Hilbert空间后，通过SVM建立最优分割超平面，分割超平面的分类决策函数由径向基核（Radial Basis Kernel）构造。利用历史遥感数据校正超平面的决策函数，确定城市元胞自动机的非线性转换规则，计算出城市发展概率。利用所提出的方法，对深圳市1988-2010年的城市发展进行了模拟，取得了较理想的模拟效果。研究结果表明，基于SVM-CA模型的模拟精度比传统MCE方法模拟精度高，MoranⅠ指数与实际更为接近。     

扩展邻域元胞自动机模型城市扩张研究

元胞自动机近年来被广泛应用于动态模拟城市扩张,但其邻域类型一般固定于摩尔邻域.文章基于Geo-CA理论,自定义扩展邻域类型,并结合特定地理位置多层次约束性条件构建CA模型,扩展了CA模型的空间建模功能.以武汉市为例,将2000年和2009年TM遥感影像和城市用地数据作为基础,结合武汉市城市规划图、DEM、道路交通图、水域等多层次图像,构成空间数据库,建立武汉市城市扩张扩展邻域CA模型.最后以2009年数据为基础,对武汉市2018年城市用地扩张情况进行预测,为武汉市城镇建设提供参考.     

元胞自动机的遥感影像混合像元分类

通过对元胞自动机理论的研究,提出元胞自动机的遥感影像混合像元分解模型。利用多波段遥感数据验证混合像元分解算法的可行性,并将结果与线性分解模型进行比较。结果表明,元胞自动机混合像元分解模型在分解的准确性方面,明显优于一般线性模型的精度。最后,将分类结果与传统的监督分类算法比较,得出元胞自动机的混合像元分解模型明显优于监督分类精度的结论。     

基于元胞自动机的多尺度下制图综合效应研究

研究基于数学形态学中的膨胀、腐蚀运算结合元胞自动机等理论,利用Python脚本编写的相关程序将1:10000研究区土地利用数据分别综合至1:25000、1:50000、1:100000,分析了多尺度下土地利用数据的制图综合尺度效应。研究结果表明：1.随尺度的增大,研究区各地类斑块数目明显降低,最小上图面积增大,斑块趋于整体化,综合概括程度增大。2.各地类面积综合前后变化各异,但总面积保持平衡。其中,林地、采矿用地等面积随尺度的增大而增大;城镇用地、其他农用地面积等随尺度的增大而降低。耕地等面积保持不变。     

基于粒子群算法的矢量元胞自动机转换规则获取

本文提出了一种基于粒子群算法来自动获取矢量元胞自动机转换规则的新方法。采用粒子群算法所提取的转换规则毋需通过数学公式来表达,能更方便和准确地描述自然界中的复杂关系,并且这些规则比数学公式更容易让人理解。以丹阳市城市扩展为例,使用粒子群算法挖掘元胞自动机转换规则模拟该研究区域的城市扩展过程,并对模拟结果进行了精度评价。     

基于元胞自动机的崂山林火蔓延模拟

采用流行的林火蔓延模型结合元胞自动机理论,对崂山地区进行了给定气象、地形等参数条件下的林火蔓延情况模拟,模拟过程综合考虑了林火在地形、风、植被等因素影响下的蔓延扩散速度及元胞燃烧状态,最后对模拟蔓延结果的可靠性进行了分析.     

元胞自动机最短路径算法优化

概括了当前GIS中最短路径算法,分析了元胞自动机在最短路径分析算法中的原理及应用现状,并从两个方面对基于元胞自动机的最短路径算法进行优化即直线优化的元胞自动机最短路径算法。(1)将A*算法中的启发函数引入元胞自动机模型,提出了直线优化元胞自动机最短路径模型;(2)考虑道路网特征对最短路径算法的影响,得出具有道路网自适应性的最短路径分析模型。最后选取不同形态特征的shp道路网数据,验证了优化算法在实际应用中的适用性和高效性。     

利用元胞自动机作用域构建林火蔓延模型

在现有的基于元胞自动机的林火蔓延模型的基础上,提出了元胞作用域的概念,将元胞自身属性与外界影响通过作用域的概念归纳为一个整体。建立的基于元胞作用域的林火蔓延模型不仅包括中心元胞的属性,如可燃物类型、气温等,还将邻居元胞的点燃系数、距离系数、风作用项及地形作用项纳入考虑范畴,其中距离系数以基于地图代数的障碍距离为基础,地形作用项则以DEM为基础求取。模拟结果表明,基于元胞作用域的林火蔓延模型能够真实地反映现实世界林火蔓延的过程。