基于GIS的地理元胞自动机模拟框架及其应用

提出了一种基于GIS的地理元胞自动机模型框架:SimUrban,用于城市发展和演化的模拟与预测。该框架基于面向对象技术,在GIS环境下利用VS.NET开发而成,可以集成遥感和GIS数据以及新的转换规则和地理CA模型,从而模拟城市演化并进行精度评定。以上海市嘉定区为例,在SimUrban环境下利用基于主成分分析(PCA)的地理CA模型模拟了该区域1989-2006年城市发展和演化过程。     

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。     

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细观非均匀性对脆性岩石材料宏观破坏形式的影响

岩石材料的宏观力学特征是材料内部细观力学特性的综合反映。对于脆性岩石材料,其内部的非均匀性对材料的宏观破坏形式有着重要的影响。应用演化细胞自动机方法（ECA）对岩石的非均匀性进行了初步的探讨。该方法以位移、力、应力和应变等矢量和张量作为系统的基本变量,定量计算了反映岩石破坏过程中应力集中以及应力重新分布的过程。在宏观上则认为脆性岩石材料是一种非均匀性材料,并假定脆性岩石材料的非均匀性符合Weibull分布,坡度参数m是Weibull分布中的反映分布非均匀程度的重要参数。通过对符合Weibull分布中不同坡度参数的脆性岩石材料进行数值模拟试验,发现由Weibull分布中的坡度参数表示的非均匀性是影响脆性岩石材料破坏方式的重要因素,材料的坡度参数越小,材料越不均匀,其破坏形式则越具有随机性;材料的坡度参数越大,材料越趋于均匀,其破坏形式越具有规则性,即趋于弹性材料的破坏形式,这与试验结果是吻合的。     

基于元胞自动机模型的堆积体动力学参数研究

堆积体是一种典型的二元介质,由软弱的基质土与坚硬的碎、块石构成。利用元胞自动机模型对随机离散单元进行演化,模拟堆积体的分布结构、“聚团”特征;利用弹性应力波传播原理计算波的等效速度,研究了堆积体内介质分布、软硬程度对动力学参数的影响规律。研究发现,堆积体内的波速由基质与充填物共同决定,基质材料越弱,地震波传播速度越慢,二者呈对数变化;堆积体内碎石含量越高,则波速越快,波速与充填碎石块含量呈对数关系增长,而振幅系数与碎石含量关系不大,主要取决于碎块石的分布结构;由于堆积体介质密度不均,导致堆积体内波传播速度与入射波频率密切相关,高频波速度快、低频波速度慢,横波速度与入射波频率成指数递增关系。研究表明,采用基于元胞自动机模型研究动变形参数,可以更好地反映出堆积体的波动力学性能,是一种获得复杂介质动参数的重要方法,可以弥补室内及现场试验的不足。     

基于CA的小流域分布式降雨径流模拟

构建基于元胞自动机(CA)模型的分布式水文模型,模拟小流域内降雨径流过程。从元胞状态、转换规则与时间步长3个方面扩展普通CA模型,包括5个子状态、5个元胞系数及两条转换规则,并实现模型与GIS的集成。以黄土高原岔巴沟流域的降雨径流观测数据对模型进行了验证分析。试验结果表明,确定性系数、峰现时差与洪峰误差3个评价指数都达到一定精度,实现了流域内径流过程的可视化。结合CA模型与GIS技术可以较为有效地模拟流域次降雨径流过程,模型在该试验区是基本适用的。     

改进的案例推理CA模型及土地覆盖变化模拟

对基于案例推理的元胞自动机模型(CBR-CA)进行改进,将各类别的宏观转移概率添加到目标函数中,体现各类别的转变特征,并增加时间权重来确定转移概率,实现时间尺度上的模拟;由于土地覆盖变化的多样性和空间结构的复杂性,利用Monte Carlo(M-C)法确定土地覆盖的最终转换类别。选择黄河源区为试验区,利用1977年、1985年土地覆盖数据建立原始案例库,模拟了该区域1995年、2000年和2006年的土地覆盖变化,模拟的各类别转换的数量精度与实际相吻合,各年份的总体误差分别为0.002%、0.012%和0.005%,空间位置精度总体在70%以上,并进行未来土地覆盖情景预测。该模型可用于多类别、长时间序列区域土地覆盖变化的模拟与预测。     

A new tool for modeling dune field evolution based on an accessible, GUI version of the Werner dune model

Research into aeolian dune form and dynamics has benefited from simple and abstract cellular automata computer models. Many of these models are based upon a seminal framework proposed by Werner (1995). Unfortunately, most versions of this model are not publicly available or are not provided in a format that promotes widespread use. In our view, this hinders progress in linking model simulations to empirical data (and vice versa). To this end, we introduce an accessible, graphical user interface (GUI) version of the Werner model. The novelty of this contribution is that it provides a simple interface and detailed instructions that encourage widespread use and extension of the Werner dune model for research and training purposes. By lowering barriers for researchers to develop and test hypotheses about aeolian dune and dune field patterns, this release addresses recent calls to improve access to earth surface models.     

基于CA和神经网络的长江三角洲区域承载力定量分析

近些年来,越来越多的学者开始关注人类的可持续发展问题,而与之有着密切关系的承载力理论研究可以说是人类研究可持续发展战略的一个分支.本文以长江三角洲地区为研究区,着重介绍了如何用元胞自动机和神经网络相结合的方法对区域承载力进行定量分析,希望对长三角地区的可持续发展提供一些理论依据.     

Exploring the impacts of future tourism development on land use/cover changes

Land use/cover changes (LUCC) are central to tourism because land is used in multiple ways as a resource for tourism-focused activities. Tourism is essentially a geographical phenomenon, encompassing the movement and flow of people (seen as the demand side) and spatial distribution patterns relating to land use consumption (seen as the supply side). However, the impacts of tourism on LUCC are difficult to track and monitor. Contributing factors of this problem include a lack of empirical studies, shortage of micro-level LUCC datasets, and scarce methodological frameworks which can be used for assessments. This paper aims to provide a LUCC modelling approach in order to explore the impacts of tourism development on built-up areas. We developed a Cellular automata model (CA) which integrates Markovian transition probabilities and logistic regression transition suitability maps. LUCC rules for tourism development are framed within the national land use policy guidelines for the development of new tourism accommodation establishments (TAE). This primarily takes into consideration land cover compatibility and the proposed development's proximity to the coastline.Three scenarios were established to explore the impacts of tourism development in LUCC for the year 2020 in a Portuguese coastal region: business as usual (BAU); tourism trends (TOUR); and natural restrictions (NATR). TOUR results indicate that the tourism and urban land use/cover growth is higher and focuses heavily on the coastal region (within 5,000 m) when compared to the other scenarios. The overall results for BAU and NATR show a general convergence with the land use policy guidelines in terms of tourism nucleation and new TAE distance to the coastline.