基于CA的城市人口密度分布动态模拟——以长沙市人口密度变化为例

利用元胞自动机(CA)进行模拟可以帮助认识城市人口密度分布的演变过程,并为相关的调控提供决策依据.以长沙市为例,由元胞自动机层构建了精确到街道的长沙市人口密度分布仿真模型,对2000～2005年人口密度分布进行重建,与实际情况对比,整体预测精确度达76%以上;并对2010年,2015年人口密度分布进行了预测,结果表明,长沙市仍处于城市发展的初期阶段,市区人口密度分布受交通通达度、距市中心距离、公共设施便利性、环境、政府主导等多因子影响,总体呈现典型的Clark分布.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于地理分区与FLUS模型的城市扩张模拟与预警

城市的快速扩张不断改变着土地资源的转化,带来了诸多生态环境问题。分析和模拟城市扩张的机制,并对城市未来土地利用变化的风险进行预警,利于合理调控城市的发展。本文提出了一种基于地理分区和未来用地模拟(Future Land Use Simulation,FLUS)模型的城市扩张模拟模型,用于模拟和预测复杂的土地利用变化。该模型利用多指标数据进行空间聚类,耦合地理分区结果进行城市扩张模拟。珠江三角洲2005-2015年的城市扩张模拟结果显示,分区下的模拟精度(FoM=0.2329,提高了9%)明显高于未分区,说明不同分区在土地利用转化上存在空间差异,该模型能更有效地模拟城市土地利用变化。另外,本文构建了一种城市扩张预警指标评价体系,用于评估城市扩张的警情。根据在2005-2015基础上预测的2025-2045年土地利用变化结果,对珠江三角洲城市扩张进行多尺度预警分析。综合预警结果显示该区域大部分城市至2045年城市扩张警情将达到中警和重警,其中东莞警情一直维持在重警。由此,未来需要加强对珠三角城市扩张的宏观调控,以此来缓解未来城市扩张的警情。     

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。     

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。     

基于GIS的哈尔滨市土地利用动态变化分析

利用哈尔滨市区2000年TM遥感影像和2005年TM遥感影像及其他辅助资料,对处理后的影像进行矢量化和人工解译,获得详细土地类别的布局信息,并使用地理信息系统的空间分析和数据统计功能,分析研究区域土地类别的数量变化,土地利用类型之间的转化情况和分布状况.     

福州土地利用变化及其驱动力多元综合分析

运用地球信息技术对福州土地利用变化特征和驱动力进行了深入分析。主要以TM数据作为信息源获取两时相土地利用状况及其变化信息:用GPS快速提供变化区准确的空间位置信息和野外调查时的快速定位;并利用GIS对多种数据进行处理、集成管理、空间统计和相关分析;对土地利用变化驱动力进一步研究。     

基于局地气候分区体系的福州城市热环境研究

局地气候分区体系(LCZ)能够有效建立城市气候与空间形态间的定量关系,揭示城市内部热环境分异特征,是当前备受关注的城市热环境研究方法。本文以我国新晋"火炉城市"福州的主城区为研究区,使用2019年9月22日过空的Landsat-8影像,对基于LCZ的热环境空间分布特征与LCZ类间/类内差异进行分析,并就福州城市热环境的改善提出规划建议。研究表明:(1)福州主城区以密集的中、低层连片建筑为主,并呈集聚式分布;(2) LCZ各类间存在明显的地表温度差异,大型低层建筑(LCZ 8)的温度最高,达41.56℃,密集低层建筑(LCZ 3)和工业厂房(LCZ 10)次之,分别为40.90℃和40.39℃,而茂密树木(LCZ A)和水体(LCZ G)的温度最低,均值为29.94℃;(3)根据福州城市发展的时空特征,将主城区分为二环区与三环区进行LCZ类内温度差异的比较分析,可以发现主城区内的主要LCZ建筑类别存在0.5～1.5℃的类内差异,造成这一差异的主要成因包括植被、水体等环境要素配置、建筑布局与邻近效应;(4)建筑层高与地表温度呈现显著的负相关关系(r=-0.858,p<0.001),并...     

不同城市规划用地类型的生态效应研究

城市发展过程中不同类型城市规划用地的建设活动会引起明显的生态效应差异,研究这种差异及其形成的原因对建设生态宜居城市具有重要意义。本文利用Landsat系列遥感影像,反演了福州市2009年和2013年的遥感生态指数（RSEI）,并结合国务院新近审批通过的福州市城市总体规划方案,对福州市建设活动较明显的5类城市规划用地的22个地块进行了研究,以揭示它们在建设前后所产生的生态质量变化情况。研究发现,2009-2013年5大类城市规划用地的生态质量均呈下降趋势,RSEI指数总体下降了近12%。其中,尤以工业用地生态退化最为严重,RSEI指数下降了18%。结果表明,植被、水体在建设中被破坏以及建筑不透水面的大量增加是导致这些城市规划用地生态质量下降的主要因素。     

肥城市采煤塌陷区动态变化遥感调查

为摸清肥城采煤塌陷区的发展变化规律,利用航天遥感技术的优势进行采煤塌陷区动态变化调查。首先依据调查区的实际情况选择了多时相的TM及2006年SPOT5数据,并对其进行图像处理;鉴于地物光谱特征作了相关性分析,确定了最佳波段组合;利用ENVI软件对塌陷区的信息进行了计算机自动提取,然后把3个时相的遥感解译成果进行叠加对比分析,总结了塌陷区的变化特征。为矿区的可持续发展提供决策支持,为下一步的地质灾害治理提供依据。     

基于逻辑回归的CA模型的重庆市沙坪坝区土地利用变化模拟研究

以重庆市沙坪坝区为研究区,利用2010年、2012年的数据得出土地利用变化信息,利用基于逻辑回归的CA模型理论对土地利用变化、城市扩展进行模拟研究,并结合实际的政策对其发展变化过程和生态环境影响进行分析与比较。结果显示该研究区域内在今后一个时期,建设用地将持续增加,耕地资源将因城市建设而继续减少。     

近20年来福州市土地利用时空变化的遥感分析

以1986、1996和2006年三期Landsat TM影像为基本数据源,采用最大似然法分类,并以同期高分辨率的SPOT5影像进行分类后处理,最后分类后变化检测法监测了福州市1986~2006年的土地利用变化及其转移模式。结果表明,福州市近20年间土地利用发生了较大的变化,城乡建筑用地处于快速增长阶段,而耕地数量却在不断下降。经济发展、人口增长、政府决策等因素是福州市土地利用发生变化的主要驱动力。     

基于NDBI指数法的城镇用地影像识别分析与制图

高级空间热辐射热反射探测仪(ASTER)遥感影像与一般遥感影像相比,能为对地观测提供更高质量的信息源。本文以福州市的ASTER影像为数据源,用归一化建筑指数(NDBI)提取城镇用地专题信息,并与非监督和监督自动分类提取的结果作比较,结果表明:运用NDBI指数法提取ASTER影像的城镇用地专题信息,不仅能获取较高精度,而且能在一定程度上区分新老建筑。     

土地利用/土地覆被变化CLUE-S模型与应用分析——以扬州市为例

本文以扬州市市辖区为例,利用2001年的ETM影像与2007年的ALOS影像两期遥感数据,采用面向对象的信息提取方法,获取了扬州市2001年与2007年两期土地利用空间分布图.在此基础上,研究了CLUE-S模型的原理及CLUE-S模型的应用;探讨了CLUE-S模型所需数据、驱动因子选取、模拟参数设置、模拟结果获取等,进...