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２００７年第１０期福建电脑元胞自动机在农村土地利用动态模拟中的应用研究成筠１，２，陶刘强２，刘文宝１（１．山东科技大学地球信息科学与工程学院山东青岛２６６５１０２．三峡大学经济与管理学院湖北宜昌４４３００２）【摘要】：本文从元胞自动机的原理、特征出发探讨了元胞自动机（ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔａ）在模拟农村土地利用演化格局应用中的可能性，并对利用元胞自动机进行农村土地动态模拟的核心问题－－转换规则进行了初步探讨。
【关键字】：元胞自动机；转换规则；农村土地利用；动态模拟１．引言随着全球变化研究的深入，人们认识到土地利用／覆盖变化（ＬａｎｄＵｓｅＣｈａｎｇｅｓ／Ｃｏｖｅｒｓ，简称ＬＵＣＣ）是造成全球气候变化的重要原因。
中国作为一个农业大国，对土地利用／土地覆盖的研究已经有很长的时间，但是以前的很多研究多侧重土地资源的调查、分区、分类、规划等等。
农村土地动态演化具有明显的复杂性和非线形特征，属于复杂巨系统。
显然，靠牛顿力学等确定型数理模型的＂移植＂来建立的地理模型难以模拟这种复杂现象。
系统动态学模型在地球复杂系统研究中应用较为广泛。
但系统动态学模型也有＂先天不足＂，表现在缺乏对空间因素的处理，同时，它是基于微分方程的，不利于ＧＩＳ环境下以离散为特征的计算机建模。
近年来，建立于微观动态模拟理论基础上的一些微观离散模拟方法如ＣＡ（ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔａ）等被引入到ＧＩＳ环境建立时空动态模拟分析引擎。
目前的ＣＡ都用在模拟城市交通流、城市扩展和林火的模拟和预测。
基于此，本文从农村土地利用／覆盖的特点出发，提出用ＣＡ模拟农村土地的动态演化机制。
２．ＣＡ及其在模拟农村土地利用变化中的可行性２．１ＣＡ及其特点元胞自动机是一种具有时空计算特征的动力学模型，或者说是一种时间、空间、状态都离散，空间上相互作用及其时间上因果关系皆局部的网络动力学模型。
标准的ＣＡ系统是一个由元胞（Ｃｅｌｌ）、状态（Ｓｔａｔｅｓ）、邻域（Ｎｅｉｇｈｂｏｒｓ）、和规则（Ｒｕｌｅｓ）构成的四元组。
《基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型研究》篇一一、引言随着城市化进程的快速推进，土地资源的合理利用成为当前亟待解决的问题。
准确模拟和预测土地利用变化，对土地资源的保护和可持续发展具有重要意义。
本研究结合系统动力学模型（SDM）和元胞自动机模型（CAM），构建土地利用情景模型，旨在更精确地模拟和预测土地利用变化，为土地资源的合理利用提供科学依据。
二、文献综述近年来，众多学者对土地利用变化进行了深入研究。
系统动力学模型因其能够处理复杂非线性问题，广泛应用于土地利用变化的研究中。
元胞自动机模型则能模拟空间格局的变化，为土地利用的时空演变提供了有力的工具。
然而，单一模型的应用存在局限性，因此，将两种模型相结合，发挥各自优势，成为当前研究的热点。
三、研究方法本研究结合系统动力学模型和元胞自动机模型，构建土地利用情景模型。
首先，通过系统动力学模型分析土地利用变化的内在机制和影响因素。
其次，利用元胞自动机模型模拟土地利用的空间格局变化。
最后，将两者相结合，构建土地利用情景模型，以更全面地模拟和预测土地利用变化。
四、模型构建与实证分析（一）模型构建1. 系统动力学模型构建：通过分析土地利用变化的内在机制和影响因素，构建系统动力学流图和因果关系图，确定模型的主要变量和参数。
2. 元胞自动机模型构建：确定元胞的划分、状态、转换规则等，构建元胞空间和元胞的转换规则集。
3. 情景设置：根据研究区域的特点和需求，设置不同的土地利用情景。
（二）实证分析以某城市为例，应用本研究所构建的土地利用情景模型进行实证分析。
通过对比不同情景下的土地利用变化，分析各种情景下的土地利用特点、优劣及影响因素。
同时，结合实际数据，对模型的模拟结果进行验证和修正，以提高模型的准确性和可靠性。
五、结果与讨论（一）结果分析1. 系统动力学模型分析结果：揭示了土地利用变化的内在机制和影响因素，为土地资源的合理利用提供了科学依据。
2. 元胞自动机模型模拟结果：成功模拟了土地利用的空间格局变化，为土地利用的时空演变提供了有力的工具。
第24卷 第1期2005年1月地 理 研 究GEOGRAPH I CAL RESE ARCH Vol 124,No 11Jan 1,2005 收稿日期:2004205225;修订日期:2004209201 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40471105);高等学校博士学科点专项科研基金资助(20040558023) 作者简介:黎夏(19622),男,广西梧州人,中山大学特聘教授,博士生导师。
1983年硕士毕业于北京大学,1996年获香港大学博士学位,1997～98年在香港大学进行博士后研究。
主要从事遥感和地理信息系统研究。
在国内外刊物上发表近100篇学术论文。
Email:gp lx@zsu 1edu 1cn基于神经网络的元胞自动机及模拟复杂土地利用系统黎 夏1,叶嘉安2(11中山大学地理科学与规划学院,广州510275;21香港大学城市规划及环境管理研究中心香港)摘要:本文提出了基于神经网络的元胞自动机(Cellular Aut omata ),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GI S 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。
关键词:神经网络;元胞自动机;遥感;土地利用;GI S文章编号:100020585(2005)01200192091 引言 土地利用及其变化对全球的环境有着明显的影响,了解土地利用的动态过程是地理学的一个重要领域。
土地利用的变化是复杂的动态系统,具有变化不连续性、景观镶嵌、土地利用类别混合、变化不可逆等特点[1]。
《基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型研究》篇一一、引言土地利用变化是全球环境变化的重要组成部分，对于社会、经济、环境等众多领域有着深远的影响。
为准确模拟和预测土地利用变化及其带来的影响，研究者们发展了多种模型与方法。
本文提出了一种基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型，以期更深入地理解和模拟土地利用变化过程。
二、系统动力学模型概述系统动力学模型是一种定性与定量相结合的方法，通过建立系统的因果关系和反馈机制，模拟系统的动态行为。
在土地利用变化的研究中，系统动力学模型可以有效地描述土地利用变化的复杂过程，包括社会经济因素、政策因素等对土地利用变化的影响。
三、元胞自动机模型概述元胞自动机模型是一种空间离散化模型，通过模拟空间单元的演变过程，反映空间格局的动态变化。
在土地利用变化的研究中，元胞自动机模型可以有效地模拟土地利用的空间格局变化，包括土地利用类型的转移、空间分布的变化等。
四、基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型构建本文提出的土地利用情景模型结合了系统动力学模型和元胞自动机模型的优点，既考虑了土地利用变化的动态过程，又考虑了土地利用变化的空间格局。
模型构建包括以下步骤：1. 确定研究区域和土地利用类型；2. 建立系统动力学模型，描述社会经济因素、政策因素等对土地利用变化的影响；3. 建立元胞自动机模型，模拟土地利用类型的空间转移和空间分布的变化；4. 将系统动力学模型和元胞自动机模型进行耦合，形成土地利用情景模型；5. 通过历史数据对模型进行验证和优化。
五、模型应用与结果分析以某研究区域为例，应用本文提出的土地利用情景模型进行模拟和预测。
结果发现，模型能够有效地描述土地利用变化的动态过程和空间格局，预测结果与实际情况较为吻合。
进一步地，通过对不同情景的模拟和比较，可以评估不同政策措施对土地利用变化的影响，为政策制定提供科学依据。
六、结论与展望本文提出了一种基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型，通过历史数据的验证和优化，证明了模型的有效性和可靠性。
第24卷 第5期自 然 资 源 学 报V ol 24N o 5 2009年5月J OURNAL OF NATURAL RESOURCES M ay ,2009收稿日期:2008-08-22;修订日期:2008-12-02。
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(40830532);国家自然科学基金资助项目(40801236);国家杰出青年基金资助项目(40525002);国家高技术研究发展计划资助项目(2006AA12Z206)。
作者简介:杨青生(1974-),男,青海乐都人,讲师,博士,主要研究遥感与地理信息模型及应用。
E m ai :l qs y ang2002@基于元胞自动机的土地资源节约利用模拟杨青生1,2(1 广东商学院资源环境学院,广州510230;2 中山大学地理科学与规划学院,广州510275)摘要:为模拟节约土地资源的城市可持续发展形态,以珠江三角洲城市快速发展的东莞市为例,运用元胞自动机(C A )、地理信息系统(G IS)和遥感(RS)从历史数据中建立城市空间扩展的C A,将土地资源节约利用程度与城市用地空间聚集程度相结合,在评价城市用地空间聚集程度的基础上,通过不断增加离市中心距离权重和离公路距离权重,调整CA 的参数,模拟节约土地资源,城市用地在空间上紧凑布局的城市形态,并以调整参数的模型(离市中心距离权重为-0 006,离公路权重为-0 024)模拟结果为基础,分析了实现城市用地空间上紧凑发展,土地资源节约利用的政策:到2010年,东莞市离市中心27k m 范围内的适宜地区可规定为鼓励城市发展区,27~34k m 范围内的适宜地区可规定为限制性城市发展区,其它地区为非城市发展区。
关 键 词:土地资源;节约利用;紧凑;元胞自动机中图分类号:F301 24;P208 文献标识码:A 文章编号:1000-3037(2009)05-0753-101 引言元胞自动机(C ellular Auto m ata ,简称CA )具有强大的空间运算能力,可以有效地模拟复杂的动态系统。
近年来,CA 已被越来越多地运用在城市模拟中,取得了许多有意义的研究成果[1~3]。
CA 可以模拟虚拟城市,验证城市发展的相关理论,也可以模拟真实城市的发展,如W u 等模拟了广州市的城市扩展[4];黎夏和叶嘉安模拟了东莞市的城市扩张[5]。
同时,用CA 可以模拟未来的城市规划景观,如黎夏等模拟了珠江三角洲地区城市不同发展条件下的规划景观[6,7]。
这些研究表明,C A 能模拟出与实际城市非常接近的特征,可以由此预测未来城市的发展及土地利用变化,为城市和土地利用规划提供决策依据。
CA 的特点是通过一些简单的局部转换规则,模拟出全局的、复杂的空间模式。
为了模拟城市,除了运用CA 的局部转换规则外,还要在转换规则中引入影响城市扩展的区域变量和全局变量。
转换规则中的这些变量对应着很多参数,这些参数值反映了不同变量对模型的 贡献 程度。
研究表明,这些参数值对模拟的结果影响很大。
目前,C A 主要通过多准则判断(MCE )[8]、层次分析法(AH P)[9]和主成分分析[10]、自适应模型[11]、人工神经网络模型[5]、决策树[12]等方法确定模型的参数值。
笔者也采用粗集[13]、支持向量机[14]、贝叶斯分类[15]、空间动态转换规则[16]等方法研究了非线性、动态转换规则模拟城市发展。
目前,采用CA 模拟虚拟城市系统和真实城市系统已经非常成熟,模型的精度也越来越高,而模拟可754自 然 资 源 学 报24卷持续发展的城市系统模型较少,可持续发展的城市系统模拟对城市发展更有意义,也可以扩展CA在城市系统模拟中的应用,是目前城市C A研究的重点之一。
为节约土地资源,形成土地资源可持续发展的城市形态,以珠江三角洲城市高速发展的东莞市为例,采用CA建立城市空间增长的一体化模型,将土地资源节约利用情况与城市用地空间聚集度相联系,评价城市用地聚集程度的基础上,交替动态地调整CA模型的参数,模拟节约土地资源,城市在空间上 沿市中心发展的紧凑发展形态,探讨了实现城市紧凑发展的对策。
2 方法2 1 城市CA利用CA模型可以有效地模拟城市空间结构的演变过程,其模拟过程是由转换规则来控制的。
在定义CA的转换规则时,需要确定模拟对象的一系列影响因素。
城市空间结构演变受诸多因素影响,包括区域的社会经济条件、人口状况等;离市中心的距离、离道路的距离等空间变量也对城市的发展有重要的影响;另外,邻近范围的影响是CA模型的主要考虑因素。
城市空间结构演变和空间变量之间的关系,可以利用城市经济学中投标地租理论来说明。
按照单一中心城市投标地租理论,城市土地利用变化的主要因素是离市中心的距离。
随着离市中心距离的增加,可进入性降低而交通费用在增加。
不同的土地利用者按照土地利用的方式会支付不同的地租,这种支付的地租就是投标地租。
土地交易中,支付最高地租的用户就可以得到这块土地,从而使土地利用类型发生转化。
当然,实际的土地转换非常复杂,不仅受到土地元胞本身的属性、所处的区位、交通条件和地理条件、邻近范围土地利用类型等的作用,政府规划因子、保护区等对城市发展的空间结构有重要的影响。
因此,在城市模拟中,需要根据这些诸多因素来确定土地转化的概率。
这种土地转化的概率可以通过多元逻辑回归模型表达。
运用逻辑回归模型的CA模型为城市模拟提供了新的思路。
模拟城市时,元胞的城市发展概率与这些全局变量、区域变量、局部变量有关。
这种关系可以用逻辑回归模型表示,逻辑回归模型的变量参数值可通过历史数据校正,基于逻辑回归模型校正CA转换规则的公式如下:p ij=exp(z i,j) 1+exp(z i,j)=11+exp(-z ij)(1)式中,p ij表示i,j元胞在交通、商业中心、居住中心等区域空间变量的作用下,元胞的城市发展条件概率。
其中,z ij的计算如下:z ij=a0+a1x1+a2x2+!+a n x n(2)式中,x1,x2,!,x n为区域空间变量,如离公路的最短距离,离铁路的最短距离,离商业中心、居住中心的最短距离等,a0,a1,!,a n为相应各变量的回归系数。
考虑到邻近范围城市化元胞对中心元胞的影响,定义邻域作用值:t ij=∀3#3con(s ij=urban)3#3-1(3)5期杨青生:基于元胞自动机的土地资源节约利用模拟755式中, t ij表示t时刻i,j元胞的3#3邻域作用值。
其中,con()为条件函数,如果元胞为城市元胞,则值为1,否则为0。
道路、河流、陡峭的山地、优质的农田等发展为城市用地的概率较小,需加一约束条件。
这样,综合考虑局部邻近范围、元胞约束条件的作用及区域道路、商业中心等变量的作用下,某元胞在t+1时刻发展为城市用地的概率p t+1c,ij为:p t+1c,ij=p ij#con(s t ij=s u itable)# t ij(4)式中,con()为条件函数,取[0,1]间的值。
如果元胞的约束性很大,无法转变为城市用地,该值为0。
如果完全没有约束性,该值为1。
由于城市系统的不确定性,有必要引入一随机变量[13]。
该随机项可以表达为:RA=1+(-ln )(5)式中, 为[0,1]间的随机数,为控制随机变量大小的参数。
综合考虑上述因素,某元胞t+1时刻发展为城市用地的概率p t+1d,ij为:p t+1d,ij=RA#p t+1c,ij=[1+(-ln )]#11+exp[-(a0+a1x1+a2x2+!+a n x n)]#con(s t ij)# t ij(6)式中, t ij随着时间t的变化而动态计算。
在每次循环中,将该发展概率与预先给定的阈值进行比较,确定该元胞是否发生状态的转变,即:p t+1d,ij∃P threshold转换为城市用地p t+1 d,ij <P threshold不转换为城市用地(7)2 2 土地资源节约利用的CA参数调整城市形态是影响土地资源节约利用和可持续发展的一个重要因素,城市的发展应该更紧凑一些而不是像现在这样凌乱,紧凑发展的城市可以节约土地资源、降低交通能耗,然而城市紧凑度并不是越高越好,但是合理的紧凑度对城市的可持续发展是很关键的[17,18]。
我国现阶段,人均土地面积和耕地面积均较少,采用紧凑发展的模式是非常有必要的。
而采用CA模拟土地资源节约利用的模型可以为紧凑城市的发展提供依据。
CA参数的权重可以反映影响城市空间增长要素的重要程度,如果对城市形态进行评价,可以研究不同空间变量的城市空间增长效应,如,城市用地沿公路增长时,可能会出现条带式蔓延增长的分散城市形态,这种增长方式会导致公路沿线大量的农田流失。
因此,在评价城市形态的基础上,可以调整CA参数的权重,形成节约优良农田的紧凑发展城市形态,并研究与CA权重调整相对应的政策。
采用城市用地的聚集度评价城市形态。
为了节约土地资源和能源消耗,希望城市的发展是紧凑的,城市斑块空间上呈聚集状态,常用聚集指数(Agg regation Index,AI)评价城市发展的紧凑程度[19],AI按下式计算:AI=g iim ax g ii#100(8)其中,AI为某一土地利用类型的聚集程度,g ii表示第i类斑块像元的邻接数,m ax g ii按下式计算:m=0m-1,m%n2m-2,m>n(9)756自 然 资 源 学 报24卷其中,m=a i-n2,a i为i类斑块的面积,n为面积小于a i的最大正方形的边长。
AI越大,表明该类型斑块聚集程度越高。
如果实际城市用地聚集指数较低,可以调整CA参数的权重,形成城市用地较为聚集、城市紧凑发展的形态。
C A参数权重的调整采用逐步交叉调整的方法进行,即,首先将各空间变量的权重设置为模型的下限临界值,这时,城市空间增长受到空间变量的影响很小而主要源自邻域城市元胞的动态增长;为了形成相对聚集的城市形态,不断增加离市中心距离空间变量的权重,此时,城市用地沿市中心不断增长,形成以市中心为聚集的城市形态;在这种城市形态的基础上,不断增加离公路距离变量的权重,此时,城市用地还是沿市中心不断增长,同时城市用地沿公路呈现规律性的分布,形成沿 市中心&公路分布的聚集状态。
基于CA的土地资源集约利用模型研究流程如图1。
图1 基于CA的土地资源节约利用流程F i g 1 Procedu re of s avi ng land res ources b ased on CA3 模型应用及结果分析3 1 研究区概况与数据获取本文以东莞市1988~2004年城市用地的扩张为例,采用CA研究城市空间形态与土地集约利用的关系。
首先利用遗传算法来寻找C A模型的最佳参数。
