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.     

地理元胞自动机模型研究进展

元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)是一种基于微观个体的相互作用空间离散动态模型,其强大的计算功能、固有的平行计算能力、高度动态及空间概念等特征,使它在模拟空间复杂系统的时空动态演变研究具有较强的优势。文章回顾了元胞自动机的发展历程,阐述了CA在地理学中的主要应用领域和研究进展,在此基础上,以现实世界地理实体及现代城市扩张特征为视角,分析目前CA研究所面临的问题,并对其未来的研究趋势进行了初步探讨,认为以下3个方面将是未来CA研究的热点：① 利用不规则元胞及可控邻域的CA模型,对不同规则或不同邻域地理实体的模拟研究;② 采用三维元胞自动机对现代城市扩张进行立体化模拟,以克服二维CA模型的缺陷;③ 将矢量元胞自动机模型应用于地理实体的模拟研究,进一步提高模拟精度。     

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。     

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。     

地理元胞自动机模型的尺度敏感性及原因

地理元胞自动机模型的模拟精度会受到元胞尺度的影响。以杭州市土地利用变化模拟为例,分析了元胞尺度分别为50m×50m、100m×100m、150m×150m和200m×200m时地理元胞自动机模型的模拟精度,对地理元胞自动机模型的尺度敏感性进行了分析;并从元胞转换规则入手,研究了元胞自动机模型尺度敏感性产生的原因:(1)元胞尺度会对地理元胞自动机模型的模拟精度产生影响,元胞尺度越精细模拟精度越高;(2)元胞自动机模型的尺度敏感性与元胞尺度相关,在有些尺度区间上表现得明显,而在有些尺度区间上表现并不明显;(3)孤立元胞是元胞自动机模型尺度敏感性产生的主要原因。研究表明,随着元胞尺度的增大,元胞空间的孤立元胞增多,这些孤立元胞本身及其周围元胞具有较低的邻域函数值和较小的转换概率值,并影响了地理元胞自动机模型的模拟精度。     

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。     

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。     

土地变化模型方法综述

土地系统变化长期以来不仅是地理学研究热点,也是资源环境经济学、生态学、城市规划等多学科领域关注的主题。构建模型模拟土地变化能够促进理解人地相互作用机制,模拟结果可为土地资源优化与资源环境政策制定提供依据。不同研究者基于不同学科理论、应用多种方法构建土地变化模型,模型从早期关注自然覆被类型变化发展到对人类决策行为的刻画,从统计方法发展到更突出空间分布的元胞自动机方法,以及更聚焦土地变化过程的经济学方法和多主体方法。未来土地变化模型发展方向为：在多尺度进行多方法耦合,对土地变化过程进行更为明晰地刻画,将土地变化模型与其他地球系统模型耦合等方面,进一步能够促进解释复杂人地系统,并推进模型在决策支持层面的应用。     

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。     

基于多智能体的土地利用模拟与规划模型

利用多智能体和元胞自动机对城市土地资源的可持续利用进行了规划。根据环境经济学资源分配原理和可持续发展理论,提出结合多智能体及元胞自动机的微观规划模型,在时间和空间上合理分配及规划城市土地资源的利用,以避免浪费不可再生的土地资源。该模型由相互作用的多智能体层、元胞自动机层和环境因素层组成,可方便地探索不同土地利用政策下城市土地利用发展情景,能够为城市规划提供有用的决策依据。以广州市海珠区为实验区,在可持续发展为前提的规划下,模拟了1995-2010年的城市扩展的动态变化,并讨论了在不同规划情景下城市土地资源的利用效率及合理性。     

模拟区域土地利用变化的多主体模型及其在鄱阳湖区的应用(英文)

在较大区域内,城市用地扩张和农村土地利用发展一般同步进行。为了能够正确理解这类区域内土地利用/土地覆被变化的动力机制,本研究开发了一个基于多主体系统的土地利用模型。模型将鄱阳湖区视为一个典型区域,利用有限扩散聚合算法模拟城市主体的行为,采用基于涌现理论的主体模型模拟农村土地利用。农村子模型包括多种类型的主体和环境影响层,其中最重要的是农户主体,农户主体可以根据自身条件和周围的环境影响参数确定下一步土地利用的决策,政府主体则通过实施不同的政策对土地利用进行宏观控制。我们根据农户总收入和外出务工人员比例将农户主体分为6类,每种类型的农户主体遵循不同的决策规则。结果表明,本模型的模拟结果与鄱阳湖区1985 – 2005年的土地利用/土地覆被变化趋势高度相符。尤其重要的是,模拟结果充分表明农户主体的土地利用决策与国家政策紧密相关。这表明本研究建立的基于多主体的土地利用模型是一种评估政府土地管理政策效果的有效手段。     

基于CA与AO的区域土地利用变化模拟研究——以三峡库区为例

运用元胞自动机(Cellular Automata)与AO(ArcObject) 相结合的方法, 在VB 环境下编程来 进行三峡库区地类变化模拟研究。以1995 年和2005 年的土地利用图为基础数据, 比较研究期各 地类的变化数量与方向以确定地类转换之间的优先级, 然后确定地类的转换概率。研究结果表明 此方法便于理解与操作, 同时模拟精度高; 预测结果说理性强, 其结果显示三峡库区城镇建设用 地增加, 耕地面积减少, 水域的面积在增加。其预测结果可以指导库区的土地利用规划, 为库区有 效土地管理提供参考。     

国际LUCC模型研究进展及趋势

LUCC模型有助于深刻理解土地利用系统动态.经过10多年的发展,LUCC模型在理论和实践方面有了很大发展.开发新一代LUCC模型成为了GLP的一项重要任务.在大量阅读分析国际上LUCC模型应用研究的基础上.基于土地利用变化与骄动力之间相互作用表征方法的差异,从认识论的角度出发,本文将LUCC模型概括为经验一统计模型、概念机理模型和综合模型,并分别对各类模型的概念、技术方法、应用以及存在的缺陷等进行了分析.发现各种模型均能够解决特定的LUCC问题,同时也存在着缺陷和局限性.目前,LUCC建模中仍存在着时空尺度和数据方面的问题,未来LUCC模型发展趋势主要表现在解决LUCC中多尺度问题,评价和解决空间领域效应和时间动态方而的问题,土地系统可持续性综合分析与建模等方面.     

土地利用转型--土地利用/覆被变化综合研究的新途径

该文简介弛土地利用转型这一新的土地利用／覆被变化（LUCC）综合研究途径，借鉴国外土地利用转型研究成果，结合我国国情，分析了在中国开展土地利用转型研究的局限性，并选取主要由于区域社会经济发展程度的差异而导致在同一时段内含有不同土地利用转型阶段的长江沿线样带为研究区，来开展中国的土地利用转型研究。     

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。     

土地利用变化空间模拟的进展--CLUE-S模型及其应用

土地利用变化的空间模拟是进行土地利用情景分析的重要基础。本文在介绍了国际上常用的细胞自控模型(CA)、土地利用变化及效应模型(CLUE)的基础上,重点分析了小尺度土地利用变化及效应模型(CLUE-S)的方法,并以邯郸地区为例进行了案例研究。认为CLUE-S模型采取经验模型的方法,通过建立土地利用空间分配和驱动因子之间的统计关系模拟近期土地利用变化的情景。同时也考虑了不同土地利用方式之间的竞争关系,因此可以较好地模拟小尺度地区的近期土地利用变化情景;考虑到短期或近期土地利用变化的因子主要与人类的社会经济活动有关,而社会经济因子的空间化尚存在一定难度。因此,突破这一瓶颈成为CLUE-S模型发展和应用的关键;CLUE-S模型主要解决的是不同空间尺度上的土地利用空间分配问题,在土地生产潜力评价、土地利用规划等方面具有广阔的应用前景。     

区域土地利用变化信息图谱模型研究

信息图谱为区域土地利用变化提供了一种谱系化、定量化与定位化相结合的研究方法,借助信息图谱模型探讨区域土地利用变化及其时空过程的多维性与复杂性,为土地利用变化的驱动力诊断、机理模型与预测模型的构建提供科学依据。选取吉林省长岭县为研究区,在遥感与GIS技术支持下,以土地利用时空演变模式、空间扩展过程、景观特征等为框架,建立土地利用变化信息图谱模型,对图谱方法在土地利用变化研究中的应用进行实证分析。