基于GIS与元胞自动机的城市土地利用动态演化模拟与优化研究——以兰州市为例

摘要

元胞自动机 (Cellular Automata，CA)是一种时间、空间、状态都离散，空间上的相互作用和时间上的因果关系皆局部的格网动力学模型，它“自下而上”的研究思路，强大的复杂计算功能、固有的并行计算能力、高度动态特征及具有空间概念等特征，使得它在模拟空间复杂系统的时空演化方面具有很强的能力，充分体现了“复杂结构来自于简单子系统的相互作用”这一复杂性科学的精髓，非常适用于具有复杂时空特征的地理系统模拟，现已成为城市土地利用空间演化模拟的重要工具与研究热点。 本文在前人研究基础上较全面地综述了城市元胞自动机模型应用研究的最新进展，系统分析了基于CA的城市土地利用动态演化模拟与优化的理论基础，讨论了CA与其相关研究理论方法的异同点；侧重于从城市元胞自动机应用与扩展研究角度出发，首先详细介绍了SLEUTH和和DUEM模型的原理及实现过程，对其进行适当改进与应用；其次，综合集成GIS、神经网络(Artificial Neural Network，ANN)、遗传算法(GeneticAlgorithm，GA)和元胞自动机(CA)分别构建了城市土地利用演化ULEM(UrbanLand-Use Evolution Model) 模型和城市土地利用优化 ULOM (Urban Irand-UseOptimization Model)模型；最后，以兰州市主城区为例，分别对这四个模型进行实证研究。本文的主要研究内容和结论如下： 1 兰州市城市土地利用动态演化特征及驱动机制分析结合GIS和遥感等技术手段，建立了兰州市1949-2005年8期中等分辨率的城市空间扩展GIS空间数据库和1976-2005年4期高分辨率的城市土地利用演化GIS空间数据库。宏观尺度上，1949-2005年城市空间扩展呈现出明显的阶段性特征：1949-1959年为有机快速扩展阶段；1959-1976年为无序高速扩展阶段；1976-1980年为城市建设恢复与调整期；1980-1993年为低速扩展更新阶段；1993-2001年为城市发展加速期阶段；2001-2005年为新一轮快速扩展阶段。微观尺度上，1976-2005年城市土地利用内部演化呈现出以下特征： (1)1976-1995年以政府社团用地和公共绿地的快速增长为主；(2)1995-2001年以商业用地增长最快，其次为居住、工业和政府社团用地；(3)2001-1005年城市用地年均增长速度比前两个时期都低，主要以居住、商业和工业用地的增长为主。兰州市城市土地利用动态演化主要受自然环境、经济与人口、交通、政策和历史因素等影响。 2 基于SLEUTH模型的城市土地利用空间扩展模拟侧重于对SLEUTH模型的蒙特卡罗迭代数、繁荣系数、萧条系数、坡度阈值及校准指标的选择等进行了适当改进，应用中充分考虑了城市规划及政策等对城市空间扩展的影响。结合SLEUTH模型和景观指数重建了兰州市1949-2005年城市空间扩展过程，表现为1949-1978年以离心式发展为主、1978-1993年以向心式填充发展为主和1993-2005年再次以离心式发展为主。两种不同情景的校准显示了两种不同的城市增长形式，与建国后社会制度的变迁一致。按两种不同情景预测2006-2050年城市扩展趋势表明：(1)情景2的城市空间扩展趋势明显快于情景1；(2)情景1预测的城市增长方式以向心式内部填充与更新改造为主，情景2预测的城市增长方式以离心式外延扩展为主；(3)从兰州市土地资源紧缺性角度看，情景1预测的城市增长方式更趋向于可持续发展，而情景2预测的城市增长方式更接近于未来城市发展趋势；(4)兰州市城市发展近期内应加强城市内部土地利用的空间优化，控制城市快速扩展趋势：(5)SLEUTH模型在受地貌作用限制显著的河谷型城市应用中具有通用性。 3 基于DUEM模型的城市土地利用动态演化模拟结合GIS和DUEM模型，重建兰州市1995-2005年城市土地利用演化过程，按两种不同情景预测2006-2020年城市土地利用动态演化趋势表明：(1)兰州市城市土地利用演化主要集中在城关区雁滩、七里河区马潍和崔家大滩、安宁区安宁堡、沙井驿、崔家庄和迎门滩等：(2)情景2预测的居住用地和商业政府社团用地的增长速度明显快于情景1，工业用地的增幅也略高；(3)情景2预测的演化趋势将更接近未来真实演化趋势；(4)DUEM模型在受地貌作用限制显著的河谷型城市应用中具有通用性。 4 耦合ANN与CA的城市土地利用演化ULEM模型侧重于在空间研究尺度、土地分类标准、空间变量、模型开发方式、神经网络训练随机采样方法和算法、校准方法和模型开发平台等方面进行扩展，基于Matlab7.2平台耦合GIS、ANN和CA开发了城市土地利用演化ULEM模型。该模型在时间步长、模型循环控制及校准方法等方面存在一些不足。以兰州市主城区为例进行实证研究表明：(1)两种不同仿真方案五种不同参数组合都获得较高的模型精度；(2)仿真方案1中随机变量v的增大可以明显提高模型精度，α参数的增大使得模拟的土地利用空间分布更趋向于分散；而对仿真方案2几乎不起任何作用；(3)2006-2015年城市土地利用演化预测中，α=1.5和T=0.8的组合方案将最接近未来城市土地利用演化趋势；(4)城市规划对兰州市城市土地利用演化影响深远。 5 耦合GA与CA的城市土地利用优化ULOM模型基于土地利用的适宜性和约束性，综合考虑土地利用的效益优化、数量优化和空间优化，采用较精细的城市土地利用分类标准和微观研究尺度，基于Matlab7.2平台耦合GIS、GA与CA开发了城市土地利用优化ULOM模型。以兰州市主城区为例进行实证研究表明：(1)兰州市城关区内的工业应尽快迁出市区；(2)继续加强张掖路、白银路和雁滩路的商业开发；(3)政府社团用地的增长将主要集中在安宁区迎门滩和城关区雁滩；(4)居住用地除了城市内部用地的置换增加外，非城市用地区域的居住用地开发将是重点；(5)优化结果基本上反映了兰州市未来城市土地利用演化的趋势，与城市发展政策、城市规划和政府意愿基本保持一致；(6)ULOM模型对空间尺度具有一定的敏感性，邻居构型将影响模拟的城市发展形态或增长形式。 本文中SLElJTH和DUEM模型的应用研究、ULEM和ULOM模型的开发扩展研究，将有助于发展和丰富地理系统时空模拟的理论和方法，丰富和促进城市元胞自动机的扩展应用研究，支持与辅助兰州市城市规划和土地利用规划，具有一定的理论方法创新和实践应用价值。同时，城市CA模型研究在国内尚处在起步阶段，其理论研究基础、校准方法、模型的尺度、精度和真实性等都有待进一步探讨与扩展。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2城市元胞自动机应用研究综述

1.2.1城市模型发展史

1.2.2国外城市CA应用研究进展

1.2.3国内城市CA应用研究进展

1.2.4城市CA研究存在的问题

1.2.5城市CA研究趋势

1.3研究内容与方法

1.3.1主要研究内容

1.3.2研究方法

1.3.3技术路线

1.4小结

第二章元胞自动机理论基础

2.1元胞自动机的概念

2.1.1形式语言定义

2.1.2数学定义

2.1.3拓扑学定义

2.2元胞自动机的构成

2.2.1元胞

2.2.2元胞空间

2.2.3邻居

2.2.4规则

2.2.5时间

2.3元胞自动机的一般特征

2.4元胞自动机研究的相关理论方法

2.5元胞自动机与GIS集成方式

2.6小结

第三章研究区概况与数据处理

3.1研究区域概况

3.1.1自然条件

3.1.2社会经济

3.1.3城市建设

3.2数据收集与处理

3.2.1数据源

3.2.2城市土地利用分类标准

3.2.3数据处理

3.3兰州市城市土地利用演化特征

3.3.1指标选取与计算

3.3.2 1949-2005年城市土地利用外部扩展特征

3.3.3 1976-2005年城市土地利用内部演化特征

3.4兰州市城市土地利用演化驱动机制

3.4.1自然环境

3.4.2经济与人口因素

3.4.3交通因素

3.4.4政策因素

3.4.5历史因素

3.5小结

第四章基于SLEUTH模型的城市土地利用空间扩展模拟

4.1 SLEUTH模型概述

4.2 SLEUTH模型原理

4.2.1输入数据

4.2.2 SLEUTH模型增长系数

4.2.3 SLEUTH模型增长规则

4.2.4 SLEUTH模型校准

4.2.5 SLEUTH模型预测

4.3实证研究

4.3.1数据预处理

4.3.2模型校准

4.3.3兰州市1949-2005年城市扩展重建

4.3.4兰州市城市扩展预测

4.4模型评价

4.5 小结

第五章基于DUEM模型的城市土地利用演化动态模拟

5.1 DUEM模型概述

5.2 DUEM模型原理

5.2.1 DUEM模型结构

5.2.2土地利用演化规则

5.2.3 DUEM模型校准

5.2.4 DUEM模型预测

5.3实证研究

5.3.1数据预处理

5.3.2 DUEM模型校准

5.3.3兰州市城市土地利用演化预测

5.4模型评价

5.5小结

第六章耦合ANN与CA的城市土地利用演化ULEM模型

6.1 ULEM模型概述

6.2 ULEM模型原理

6.2.1模型结构

6.2.2输入数据

6.2.3人工神经网络模块

6.2.4 CA模块

6.2.5 ULEM模型校准

6.2.6 ULEM模型预测

6.2.7模型实现

6.3实证研究

6.3.1数据预处理

6.3.2神经网络训练

6.3.3 ULEM模型校准

6.3.4预测

6.4模型评价

6.5小结

第七章耦合GA与CA的城市土地利用优化ULOM模型

7.1 ULOM模型概述

7.2 ULOM模型原理

7.2.1模型优化目标

7.2.2模型结构

7.2.3输入和输出数据

7.2.4 CA优化模块

7.2.5 CA增长模块

7.2.6 GA优化模块

7.2.7模型实现

7.3实证研究

7.3.1数据预处理

7.3.2兰州市城市土地利用优化

7.4模型评价

7.5小结

第八章结论与展望

8.1主要研究结论

8.1.1城市CA模型研究进展

8.1.2兰州市主城区土地利用演化特征及机制

8.1.3 SLEUTH模型与城市土地利用外部扩展

8.1.4 DUEM模型与城市土地利用内部演化

8.1.5 ULEM模型与城市土地利用演化

8.1.6 ULOM模型与城市土地利用优化

8.1.7四个模型的综合比较

8.2论文创新点

8.3研究展望

主要参考文献

在校期间科研成果

(一)投稿论文

(二)发表论文

(三)参与课题

(四)获奖情况

致谢

附录A：ULEM模型原代码

A1：数据处理模块原代码

A2：人工神经网络模块原代码

A3：校准模块原代码

A4：预测模块原代码

附录B：ULOM模型原代码

B1：CA优化模块原代码

B2：CA增长模块原代码

B3：GA优化模块原代码

附录C：图索引

附录D：表索引