一种村镇聚落空间发展数字模拟方法及系统

摘要

本申请实施例公开了一种村镇聚落空间发展数字模拟方法及系统，在模型初始化后，进行路网变化的模拟，再根据变化后的路网，更新土地利用变化驱动力，再按照更新后的土地利用驱动力，使用土地利用模型模拟土地利用变化。再在此基础上，根据土地利用变化模拟结果，进行下一时间段的路网模拟。通过模拟时间段的累加，从而实现基于土地利用与交通互动的村镇聚落数字化模拟，克服传统的空间模拟模型使用静态路网、不能够反映土地利用与交通相互作用这一缺陷。

说明书

技术领域

本申请实施例涉及村镇聚落模拟技术领域，具体涉及一种村镇聚落空间发展数字模拟方法及系统。

背景技术

快速城镇化、工业化、信息化背景下，我国乡村地域面临资源环境约束、区域发展不平衡、人口流失严重、地域文化衰微等突出问题，迫切需要科学转型与重构。村镇聚落空间发展的数字化模拟是基于村镇聚落发展内外的驱动机制，通过模拟村镇聚落空间要素与其发展驱动力间相互作用关系，模拟村镇聚落要素的空间演变过程，进而为科学制定村镇聚落转型与重构相关政策和村镇空间规划提供支撑。

交通与土地利用的动态交互作用是村镇空间动态变化的一个主要驱动力。已有的空间演变模拟模型通常使用静态不变的路网，因而不能表达交通与土地利用之间的动态交互作用过程。

发明内容

为此，本申请实施例提供一种村镇聚落空间发展数字模拟方法和系统，基于道路增长与土地利用变化同步模拟，从道路需求和路线选择的角度构建道路增长模型。在此基础上，改进原有的土地利用变化模拟模型，模拟土地利用变化，实现村镇聚落土地利用与路网的同步变化模拟，为村镇聚落数字化模拟提供一种新的模拟方法。

为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种村镇聚落空间发展数字模拟方法，所述方法包括：

初始化模拟模型基础参数，所述基础参数包括初始路网、初始土地利用分布、土地利用变化模拟需求矩阵、初始驱动力分布、初始土地利用驱动力权重、初始模拟时段T、模拟时段间隔和路网变化结果；

基于初始路网和初始土地利用分布，使用路线增长模块计算初始模拟时段T的新增道路，并更新新增线路池和当前T时段路网；

根据所述路网变化结果更新土地利用驱动力权重；

使用土地利用模拟模型，进行T时段的土地利用变化模拟，得到T时段的土地利用空间分布；

根据预设值，判断是否达到模拟终止条件，若未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；若达到模拟终止条件，模拟结束。

可选地，所述土地利用模拟模型的土地利用变化模拟需求矩阵是根据基期与模拟目标期的土地利用分布数据按照如下公式得到：

ΔL

其中，ΔL

可选地，所述根据所述路网变化结果更新土地利用驱动力权重，包括：

据所述路网变化结果更新T时段土地利用变化驱动力，重新计算元胞的交通通达性指标；其中，交通通达性指标按照如下公式进行计算：

Dist

可选地，所述基于初始路网和初始土地利用分布，使用路线增长模块计算初始模拟时段T的新增道路，包括如下：

步骤1：计算新增路线需求，所述新增路线需求包括道路需求指数和新增道路起点；

步骤2：进行路线查询方向集合θ初始化；

步骤3：查询方向θ

步骤4：判断是否查询成功，若成功，加入路线备选方案集；若没有成功，执行步骤5；

步骤5：判断是否在所有方向都寻找过，若否，执行步骤3；若是，进行路线选取，并将选取的路线加入新增路段池。

可选地，所述使用土地利用模拟模型，进行T时段的土地利用变化模拟，得到T时段的土地利用空间分布，包括如下步骤：

步骤1：计算变化后的路网，重新计算各元胞的交通通达性指标；

步骤2：根据重新计算后的元胞交通通达性指标，重新计算元胞的转换概率；

步骤3：根据变化后的元胞转化概率，进行土地利用需求空间分配模拟；

步骤4：判断是否达到模拟终止条件，若未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；若达到模拟终止条件，模拟结束。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种村镇聚落空间发展数字模拟系统，所述系统包括：

初始化模块，用于初始化模拟模型基础参数，所述基础参数包括初始路网、初始土地利用分布、土地利用变化模拟需求矩阵、初始驱动力分布、初始土地利用驱动力权重、初始模拟时段T、模拟时段间隔和路网变化结果；

路网更新模块，用于基于初始路网和初始土地利用分布，使用路线增长模块计算初始模拟时段T的新增道路，并更新新增线路池和当前T时段路网；

土地利用变化驱动力更新模块，用于根据所述路网变化结果更新土地利用驱动力权重；

土地利用模拟模块，用于使用土地利用模拟模型，进行T时段的土地利用变化模拟，得到T时段的土地利用空间分布；根据预设值，判断是否达到模拟终止条件，若未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；若达到模拟终止条件，模拟结束。

可选地，所述土地利用模拟模型的土地利用变化模拟需求矩阵是根据基期与模拟目标期的土地利用分布数据按照如下公式得到：

ΔL

其中，ΔL

可选地，所述土地利用变化驱动力更新模块，具体用于：

据所述路网变化结果更新T时段土地利用变化驱动力，重新计算元胞的交通通达性指标；其中，交通通达性指标按照如下公式进行计算：

Dist

可选地，所述路网更新模块，具体用于：

步骤1：计算新增路线需求，所述新增路线需求包括道路需求指数和新增道路起点；

步骤2：进行路线查询方向集合θ初始化；

步骤3：查询方向θ

步骤4：判断是否查询成功，若成功，加入路线备选方案集；若没有成功，执行步骤5；

步骤5：判断是否在所有方向都寻找过，若否，执行步骤3；若是，进行路线选取，并将选取的路线加入新增路段池。

可选地，所述土地利用模拟模块，具体用于：

步骤1：计算变化后的路网，重新计算各元胞的交通通达性指标；

步骤2：根据重新计算后的元胞交通通达性指标，重新计算元胞的转换概率；

步骤3：根据变化后的元胞转化概率，进行土地利用需求空间分配模拟；

步骤4：判断是否达到模拟终止条件，若未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；若达到模拟终止条件，模拟结束。

综上所述，本申请实施例提供了一种村镇聚落空间发展数字模拟方法及系统，在模型初始化后，进行路网变化的模拟，再根据变化后的路网，更新土地利用变化驱动力，再按照更新后的土地利用驱动力，使用土地利用模拟土地利用变化模拟。再在此基础上，根据土地利用变化模拟结果，进行下一时间段的路网模拟。通过模拟时间段的累加，从而实现基于土地利用与交通互动的村镇聚落数字化模拟，克服传统的空间模拟模型使用静态路网、不能够反映土地利用与交通相互作用这一缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本申请实施例提供的一种村镇聚落空间发展数字模拟方法流程示意图；

图2为本申请实施例提供的模拟村镇土地利用与交通网络的互动变化过程实施例示意图；

图3为本申请实施例提供的道路增长模拟流程图；

图4为本申请实施例提供的土地利用模拟流程图；

图5为本申请实施例提供的一种村镇聚落空间发展数字模拟系统框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

近年来，研究者基于活动的出行模型、元胞自动机模型、多智能体模型等微观模拟的方法，使用至下而上的模拟框架研究土地利用与交通关系，形成了一系列的成果，如Urbansim(Waddell，2002；Waddell等，2003；Waddell等，2007)，ILUTE(Salvini，2005)及ILUMASS(Wagner，2007)等。其中，交通网络模型用于计算通勤时间和成本、交通分配、拥堵程度土、居民活动、出行模式等交通相关变量。但这些研究研究仅简单使用一个静态的道路网络计算不同主体的通达性。

交通对土地利用的驱动作用是土地利用模型、城市扩展模型等空间模拟模型的主要考虑因素。已有的土地利用变化、城市扩展模型通常将交通的通达性指标作为土地利用变化主要的驱动因素之一。研究者通过不同的指标来衡量交通通达性，如到道路的距离(刘小平等，2007；杨青生和黎夏，2007，2006；Feng等，2011；Huang和Gao，2011；Mitsova等，2011；Santé等，2010；Stevens等，2007)，交通通达性指标(周淑丽等，2014)等。与交通与土地利用一体化模拟模拟模型类似，道路网络在已有城市土地利用变化、城市扩展模拟中通常保持，因而不能够反映土地利用与交通间的动态相互作用关系。

总之，交通与土地利用的动态相互作用是土地利用空间形态变化的主要驱动因素，因此通常将交通作为土地利用动态变化的主要驱动因素之一。但目前已有的空间演变模拟模型通常使用一个静态的固定道路网络，假设道路网络在模拟期间保持不变。当进行长时间段的空间变化模拟时，鉴于土地利用与交通动态相互作用关系，这种静态道路网络假设具有明显缺陷。

本申请实施例的目的就是提出一种基于道路与村镇聚落土地利用变化同步模拟的村镇聚落空间发展数字模拟技术，根据土地利用变化模拟道路增长，进一步通过模拟路网的动态变化模拟土地利用变化，实现在村镇聚落空间动态变化模拟中对土地利用与路网的同步变化的模拟，克服现有土地利用变化模拟模型中使用静态道路网络不能够动态模拟路网与土地利用间的互动变化的缺陷。

图1示出了本申请实施例题提供的一种村镇聚落空间发展数字模拟方法，所述方法包括如下步骤：

步骤101：初始化模拟模型基础参数，所述基础参数包括初始路网、初始土地利用分布、土地利用变化模拟需求矩阵、初始驱动力分布、初始土地利用驱动力权重、初始模拟时段T、模拟时段间隔和路网变化结果；

步骤102：基于初始路网和初始土地利用分布，使用路线增长模块计算初始模拟时段T的新增道路，并更新新增线路池和当前T时段路网；

步骤103：根据所述路网变化结果更新土地利用驱动力权重；

步骤104：使用土地利用模拟模型，进行T时段的土地利用变化模拟，得到T时段的土地利用空间分布；

步骤105：根据预设值，判断是否达到模拟终止条件，若未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；若达到模拟终止条件，模拟结束。

在一种可能的实施方式中，所述土地利用模拟模型的土地利用变化模拟需求矩阵是根据基期与模拟目标期的土地利用分布数据按照如下公式(1)得到：

ΔL

其中，ΔL

在一种可能的实施方式中，所述根据所述路网变化结果更新土地利用驱动力权重，包括：

据所述路网变化结果更新T时段土地利用变化驱动力，重新计算元胞的交通通达性指标；其中，交通通达性指标按照如下公式(2)进行计算：

Dist

在一种可能的实施方式中，所述基于初始路网和初始土地利用分布，使用路线增长模块计算初始模拟时段T的新增道路，包括如下：

步骤1：计算新增路线需求，所述新增路线需求包括道路需求指数和新增道路起点；

步骤2：进行路线查询方向集合θ初始化；

步骤3：查询方向θ

步骤4：判断是否查询成功，若成功，加入路线备选方案集；若没有成功，执行步骤5；

步骤5：判断是否在所有方向都寻找过，若否，执行步骤3；若是，进行路线选取，并将选取的路线加入新增路段池。

在一种可能的实施方式中，所述使用土地利用模拟模型，进行T时段的土地利用变化模拟，得到T时段的土地利用空间分布，包括如下步骤：

步骤1：计算变化后的路网，重新计算各元胞的交通通达性指标；

步骤2：根据重新计算后的元胞交通通达性指标，重新计算元胞的转换概率；

步骤3：根据变化后的元胞转化概率，进行元胞空间分配模拟；

步骤4：判断是否达到模拟终止条件，若未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；若达到模拟终止条件，模拟结束。

图2示出了本申请实施例提供的实施例示意图，通过将村镇聚落土地利用与聚落路网络交互式模拟框架，将村镇聚落土地利用变化模拟模型和村镇聚落交通网络交互模型进行整合，模拟村镇土地利用与交通网络的互动变化过程，具体步骤如下：

步骤1：初始化。

初始化模拟模型基础数据和参数，包括初始路网、初始土地利用分布、土地利用变化模拟需求矩阵、初始驱动力分布、初始土地利用驱动力权重、初始模拟时段(T)、模拟时段间隔(Δt)、路网变化结果等。

步骤2：T时段路网更新。

基于初始路网和土地利用分布，使用道路增长模型计算T时段的新增道路；基于建设进度，更新新增路线池和当前T时段路网。

步骤3：T时段土地利用变化驱动力更新。

根据路网变化，更新土地利用变化驱动力，如交通通达性土地利用变化驱动力等。

步骤4：T时段土地利用空间分布模拟。

使用土地利用模拟模型，进行T时段的土地利用变化模拟，获得T时段土地利用空间分布。

步骤5：判断是否达到模拟终止条件。

根据预设值，判断是否达到模拟终止条件。模拟终止条件包括是模拟时段T否已到模拟结束时间，土地利用变化预设总量是否已完全满足等。

如未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；否则，模拟结束。

在一种可能的实施方式中，土地利用变化模拟需求矩阵可由以下两种方法获得：

(1)根据基期与模拟目标期的土地利用分布数据计算获得，计算模型如公式(1)。

(2)使用情景假设的方法土地利用变化模拟需求。

在一种可能的实施方式中，道路增长模拟流程图如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤1：道路需求指数计算。

步骤2：新增道路起点寻找计算。

步骤3：路线查询方向集合θ初始化。

步骤4：方向θ

步骤5：判断是否查询成功，若成功，执行步骤6；若没有成功，执行步骤7；

步骤6：加入路线备选方案集。

步骤7：判断是否在所有方向都寻找过，若否，执行步骤4；若是，执行步骤8：

步骤8：路线选取；

步骤9：路线加入新增路段池。

在一种可能的实施方式中，土地利用模拟流程如图4所示，具体包括：首先进行初始化，对交通可达性驱动力进行计算，并进行其他驱动力计算，例如土地利用适宜性。进一步，进行领域作用计算，元胞转换概率计算，元胞转换约束条件计算，土地利用需求空间分配。根据模拟终止条件判断是否满足终止条件，若满足，终止模拟，若不满足，根据更新后的领域作用计算，其中T＝T+△t。

在一种可能的实施方式中，路网变化结果可根据情景假设的方法进行设置，或根据目标期土地利用变化计算。

在一种可能的实施方式中，土地利用变化模拟可基于元胞自动机机模拟方法进行计算。

在一种可能的实施方式中，T时段土地利用变化驱动力更新根据路网变化，重新计算元胞的交通通达性指标。交通的通达性指标拟采用指数距离衰减函数表示，公式如公式(2)。

可以看出，本申请实施例在模型初始化后，首先进行路网变化的模拟，再根据变化后的路网，更新土地利用变化驱动力，再按照更新后的土地利用驱动力，使用土地利用模拟土地利用变化模拟。再在此基础上，根据土地利用变化模拟结果，进行下一时间段的路网模拟。通过模拟时间段的累加，从而实现基于土地利用与交通互动的村镇聚落数字化模拟。

与现有技术相比，本申请实施例基于土地利用与交通相互作用这一基础理论，提出的基于土地利用与交通网络互动的村镇聚落数字模拟方法，动态模拟土地利用与交通交互作用，从而实现基于土地利用与交通互动的村镇聚落数字化模拟，克服传统的空间模拟模型使用静态路网、不能够反映土地利用与交通相互作用这一缺陷。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种村镇聚落空间发展数字模拟系统，如图5所示，所述系统包括：

初始化模块501，用于初始化模拟模型基础参数，所述基础参数包括初始路网、初始土地利用分布、土地利用变化模拟需求矩阵、初始驱动力分布、初始土地利用驱动力权重、初始模拟时段T、模拟时段间隔和路网变化结果；

路网更新模块502，用于基于初始路网和初始土地利用分布，使用路线增长模块计算初始模拟时段T的新增道路，并更新新增线路池和当前T时段路网；

土地利用变化驱动力更新模块503，用于根据所述路网变化结果更新土地利用驱动力权重；

土地利用模拟模块504，用于使用土地利用模拟模型，进行T时段的土地利用变化模拟，得到T时段的土地利用空间分布；根据预设值，判断是否达到模拟终止条件，若未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；若达到模拟终止条件，模拟结束。

在一种可能的实施方式中，所述土地利用模拟模型的土地利用变化模拟需求矩阵是根据基期与模拟目标期的土地利用分布数据按照如下公式得到：

ΔL

其中，ΔL

在一种可能的实施方式中，所述土地利用变化驱动力更新模块，具体用于：

据所述路网变化结果更新T时段土地利用变化驱动力，重新计算元胞的交通通达性指标；其中，交通通达性指标按照如下公式进行计算：

Dist

在一种可能的实施方式中，所述路网更新模块502，具体用于：

步骤1：计算新增路线需求，所述新增路线需求包括道路需求指数和新增道路起点；

步骤2：进行路线查询方向集合θ初始化；

步骤3：查询方向θ

步骤4：判断是否查询成功，若成功，加入路线备选方案集；若没有成功，执行步骤5；

步骤5：判断是否在所有方向都寻找过，若否，执行步骤3；若是，进行路线选取，并将选取的路线加入新增路段池。

在一种可能的实施方式中，所述土地利用模拟模块504，具体用于：

步骤1：计算变化后的路网，重新计算各元胞的交通通达性指标；

步骤2：根据重新计算后的元胞交通通达性指标，重新计算元胞的转换概率；

步骤3：根据变化后的元胞转化概率，进行土地利用需求空间分配模拟；

步骤4：判断是否达到模拟终止条件，若未达到模拟终止条件，设T＝T+Δt，进行下一时段模拟；若达到模拟终止条件，模拟结束。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种设备，所述设备包括：数据采集装置、处理器和存储器；所述数据采集装置用于采集数据；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于执行一个或多个程序指令，用以执行所述的方法。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质中包含一个或多个程序指令，所述一个或多个程序指令用于执行所述的方法。

本说明书中上述方法的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

上述实施例阐明的单元、装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。