一種改進元胞自動機城市擴張模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改進元胞自動機城市擴張模擬方法，首先構(gòu)建指標體系對城鎮(zhèn)化發(fā)展水平以及土地利用潛力進行評價，得到一幅土地發(fā)展?jié)摿D?；诎l(fā)展?jié)摿D，對非城市像元的潛力分值進行從大到小排序，并用數(shù)組記錄下排序后的分值以及對應(yīng)的像元位置。然后遍歷數(shù)組的每一項，直到找到滿足鄰域影響的最大分值像元并將該像元轉(zhuǎn)換為城市用地類型，與此同時城市元胞數(shù)量增加1，然后更新該元胞所有鄰域的影響，從數(shù)組中刪除該項并跳出循環(huán)，判斷元胞增長數(shù)量是否滿足要求，滿足則得到模擬結(jié)果，不滿足則重復(fù)上述循環(huán)，直到城市用地增長數(shù)量滿足為止。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)元胞自動機因轉(zhuǎn)換閾值的不確定性而導(dǎo)致模擬結(jié)果不確定的難題。
【專利說明】一種改進元胞自動機城市擴張模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于城市規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及一種改進元胞自動機城市擴張模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 城市擴張元胞自動機模型是由一系列元胞來代表不同土地利用類型，并通過鄰域 狀態(tài)和轉(zhuǎn)換規(guī)則來控制非城市用地向城市用地類型的轉(zhuǎn)換，以此來模擬城市擴張的離散時 空動態(tài)模型。利用CA模擬城市空間結(jié)構(gòu)的演變過程是由轉(zhuǎn)換規(guī)則來控制的。轉(zhuǎn)換規(guī)則是 元胞自動機模型的核心，它決定了元胞自動機的動態(tài)轉(zhuǎn)化過程。以Iogistic-CA模擬城市 擴張模擬為例，最終的轉(zhuǎn)換規(guī)則由影響城市空間結(jié)構(gòu)演變的諸多自然環(huán)境和社會經(jīng)濟因素 決定（地形、高程、離市中心的距離、離道路的距離等空間變量以及鄰近范圍的影響等），這 些因素通過某種方式構(gòu)成一種綜合"效用值"來影響非城市用地向城市用地轉(zhuǎn)變的概率。在 以往的城市CA模型中，如何設(shè)置一個合理的轉(zhuǎn)換閾值來決定最終的模擬結(jié)果往往是城市 擴張模擬中的難點。閾值設(shè)置不同會導(dǎo)致最終的模擬結(jié)果也大不相同。閾值設(shè)置過大可能 導(dǎo)致CA模擬的城市元胞增長數(shù)量永遠也達不到預(yù)設(shè)的增長數(shù)量；閾值設(shè)置過小則會使得 元胞迭代的次數(shù)過少導(dǎo)致精度大大降低。因此迫切需要一種方法來解決這種因為閾值不同 而導(dǎo)致最終結(jié)果也不確定的難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種改進元胞自動機城市擴張模擬方 法。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在 于，包括以下步驟：
[0005] 步驟1 :收集研究區(qū)域數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)集A和數(shù)據(jù)集B;
[0006] 所述的數(shù)據(jù)集A包括Yl年土地利用分類圖、Y2年土地利用分類圖和Yl年統(tǒng)計年 鑒數(shù)據(jù)；
[0007] 所述的數(shù)據(jù)集B包括Yl年DEM、TM校正后影像、地類圖斑圖層數(shù)據(jù)、重要基礎(chǔ)設(shè)施 數(shù)據(jù)；
[0008] 其中Yl年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)包括城市人口、總?cè)丝?、城市建設(shè)用地面積、轄區(qū)總面積、 GDP、固定資產(chǎn)投資額、地方財政收入、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、城市居民人均可支配 收入、城市居民人均住房建筑面積、城市職工社會保障覆蓋率；重要基礎(chǔ)設(shè)施包括城市道 路、城市中心、商場、學(xué)校、醫(yī)院；
[0009] 步驟2 :利用數(shù)據(jù)集A對Yl年城鎮(zhèn)化發(fā)展水平進行評價；
[0010] 步驟3 :利用數(shù)據(jù)集B對Yl年非城市用地發(fā)展為城市用地的潛力進行評價；
[0011] 步驟4 :將步驟2和步驟3得到的結(jié)果進行"影響疊加"，得到最終的土地發(fā)展?jié)摿?面；
[0012] 步驟5 :將步驟4得到的土地發(fā)展?jié)摿γ嫔系乃蟹浅鞘性臐摿χ蛋凑諒拇?到小排序，用數(shù)組記錄下潛力值以及對應(yīng)的元胞位置；
[0013] 步驟6:從頭遍歷步驟5得到的數(shù)組，判斷遍歷的每一項元胞的鄰域個數(shù)；
[0014] 如果鄰域個數(shù)滿足增長需要的最小鄰域個數(shù)，則將該元胞狀態(tài)由非城市變成城 市，并修改該元胞所有鄰域的影響，同時數(shù)組中刪除該項，轉(zhuǎn)步驟7;
[0015] 如果鄰域個數(shù)不滿足要求，則移動到數(shù)組下一項，并回轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟6中的判斷；
[0016] 步驟7 :判斷模擬增長的城市元胞數(shù)量是否已經(jīng)達到總控制增長數(shù)量要求；
[0017] 如果達到了數(shù)量要求，則得到最終的模擬結(jié)果，轉(zhuǎn)步驟8 ;
[0018] 如果沒有達到數(shù)量要求，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述的步驟6 ;
[0019] 步驟8:對得到的模擬結(jié)果與真實結(jié)果對比進行精度評價，包括kappa評價、生產(chǎn) 者精度評價、用戶精度評價。
[0020] 作為優(yōu)選，步驟2的具體實現(xiàn)包括以下子步驟：
[0021] 步驟2. 1 :對城鎮(zhèn)化發(fā)展水平評價選取三個一級指標，包括城市化率、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)水 平、居民生活水平；并對上述三個一級指標設(shè)置一級指標權(quán)重W1、W2、W3,且W1+W2+W3 = 1 ;
[0022] 步驟2. 2 :對步驟2. 1中所述的三個一級指標下設(shè)置二級指標；其中城市化率 下設(shè)置二級指標為土地城市化率、人口城市化率，對應(yīng)權(quán)重為wll、wl2,且wll+wl2 = I;經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)水平下設(shè)置二級指標為人均GDP、人均固定資產(chǎn)投資額、人均地方財政收 入、第二產(chǎn)業(yè)占⑶P比例、第三產(chǎn)業(yè)占⑶P比例，對應(yīng)權(quán)重為w21、w22、w23、w24、w25,且 w21+W22+W23+W24+w25 =I;居民生活水平下設(shè)置二級指標為城市居民人均可支配收入、 城市居民人均住房建筑面積、城市職工社會保障覆蓋率，對應(yīng)權(quán)重為w31、《32、《33,且 w31+w32+w33 = 1 ；
[0023] 步驟2. 3:對上述評價二級指標計算值數(shù)據(jù)標準化后進行加權(quán)求和，得到研究區(qū) 每個下一級行政區(qū)的城市發(fā)展質(zhì)量評價。
[0024] 作為優(yōu)選，步驟3的具體實現(xiàn)包括以下子步驟：
[0025] 步驟3. 1 :計算研究區(qū)每個元胞坡度值（Slope_score)、歸一化植被覆蓋指數(shù) (NDVI_score)、與所述的重要基礎(chǔ)設(shè)施的距離；
[0026] 步驟3. 2:步驟3. 1中得到的每個元胞與各個重要基礎(chǔ)設(shè)施的距離值帶入到距離 衰減函數(shù)中計算每個元胞的交通通達性（Traffic_score);
[0027]步驟 3. 3:分別對得到的Slope_score、NDVI_score、Traffic_score分值得按照從 小到大間隔劃分為5個分值段，并對每個分值段賦予1、3、5、7、9分數(shù)；
[0028] 步驟3. 4:將所有圖斑類型劃分為5大類，每類賦予一個分值（TB_score);
[0029] 步驟3. 5:利用專家打分法對坡度、NDVI、交通通達性、圖斑進行權(quán)重打分，分別為 w-slope、w-ndvi、w-traffic、w-tb;
[0030] 步驟3. 6 :基于上述步驟的打分分值以及對應(yīng)權(quán)重，加權(quán)求和計算每個元胞土地 轉(zhuǎn)變潛力評價值。
[0031] 作為優(yōu)選，步驟3. 1中的所述的坡度值采用ArcGIS的分析工具計算獲取，歸一化 植被覆蓋指數(shù)利用TM影像的三四波段采用如下公式計算獲?。?br> [0032]NDVI= (Band4-Band3)/ (Band4+Band3)
[0033]其中NDVI表示得到的植被覆蓋指數(shù)，BancM為TM第四波段值，Band3為TM第3波 段值。
[0034] 作為優(yōu)選，步驟3. 2中所述的距離衰減函數(shù)為：
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 一種改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :收集研究區(qū)域數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)集A和數(shù)據(jù)集B ; 所述的數(shù)據(jù)集A包括Yl年土地利用分類圖、Y2年土地利用分類圖和Yl年統(tǒng)計年鑒數(shù) 據(jù)； 所述的數(shù)據(jù)集B包括Yl年DEM、TM校正后影像、地類圖斑圖層數(shù)據(jù)、重要基礎(chǔ)設(shè)施數(shù) 據(jù)； 其中Yl年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)包括城市人口、總?cè)丝凇⒊鞘薪ㄔO(shè)用地面積、轄區(qū)總面積、⑶P、 固定資產(chǎn)投資額、地方財政收入、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、城市居民人均可支配收入、 城市居民人均住房建筑面積、城市職工社會保障覆蓋率；重要基礎(chǔ)設(shè)施包括城市道路、城市 中心、商場、學(xué)校、醫(yī)院； 步驟2 :利用數(shù)據(jù)集A對Yl年城鎮(zhèn)化發(fā)展水平進行評價； 步驟3 :利用數(shù)據(jù)集B對Yl年非城市用地發(fā)展為城市用地的潛力進行評價； 步驟4 :將步驟2和步驟3得到的結(jié)果進行"影響疊加"，得到最終的土地發(fā)展?jié)摿γ妫?步驟5 :將步驟4得到的土地發(fā)展?jié)摿γ嫔系乃蟹浅鞘性臐摿χ蛋凑諒拇蟮叫?排序，用數(shù)組記錄下潛力值以及對應(yīng)的元胞位置； 步驟6 :從頭遍歷步驟5得到的數(shù)組，判斷遍歷的每一項元胞的鄰域個數(shù)； 如果鄰域個數(shù)滿足增長需要的最小鄰域個數(shù)，則將該元胞狀態(tài)由非城市變成城市，并 修改該元胞所有鄰域的影響，同時數(shù)組中刪除該項，轉(zhuǎn)步驟7 ; 如果鄰域個數(shù)不滿足要求，則移動到數(shù)組下一項，并回轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟6中的判斷； 步驟7 :判斷模擬增長的城市元胞數(shù)量是否已經(jīng)達到總控制增長數(shù)量要求； 如果達到了數(shù)量要求，則得到最終的模擬結(jié)果，轉(zhuǎn)步驟8 ; 如果沒有達到數(shù)量要求，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述的步驟6 ; 步驟8 :對得到的模擬結(jié)果與真實結(jié)果對比進行精度評價，包括kappa評價、生產(chǎn)者精 度評價、用戶精度評價。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟2的 具體實現(xiàn)包括以下子步驟： 步驟2. 1 :對城鎮(zhèn)化發(fā)展水平評價選取三個一級指標，包括城市化率、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)水平、 居民生活水平；并對上述三個一級指標設(shè)置一級指標權(quán)重W1、W2、W3,且W1+W2+W3 = 1 ; 步驟2. 2 :對步驟2. 1中所述的三個一級指標下設(shè)置二級指標；其中城市化率下設(shè)置二 級指標為土地城市化率、人口城市化率，對應(yīng)權(quán)重為wll、wl2,且wll+wl2 = 1 ;經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)水 平下設(shè)置二級指標為人均⑶P、人均固定資產(chǎn)投資額、人均地方財政收入、第二產(chǎn)業(yè)占 ⑶P 比例、第三產(chǎn)業(yè)占⑶P比例，對應(yīng)權(quán)重為w21、w22、w23、w24、w25,且w21+w22+w23+w24+w25 =I ;居民生活水平下設(shè)置二級指標為城市居民人均可支配收入、城市居民人均住房建筑 面積、城市職工社會保障覆蓋率，對應(yīng)權(quán)重為w31、w32、w33,且w31+w32+w33 = 1 ; 步驟2. 3 :對上述評價二級指標計算值數(shù)據(jù)標準化后進行加權(quán)求和，得到研究區(qū)每個 下一級行政區(qū)的城市發(fā)展質(zhì)量評價。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟3的 具體實現(xiàn)包括以下子步驟： 步驟3. 1 :計算研究區(qū)每個元胞坡度值（Slope_score)、歸一化植被覆蓋指數(shù)（NDVI_ score)、與所述的重要基礎(chǔ)設(shè)施的距離； 步驟3. 2 :步驟3. 1中得到的每個元胞與各個重要基礎(chǔ)設(shè)施的距離值帶入到距離衰減 函數(shù)中計算每個元胞的交通通達性（Traffic_score); 步驟3. 3 :分別對得到的Slope_score、NDVI_score、Traffic_score分值得按照從小到 大間隔劃分為5個分值段，并對每個分值段賦予1、3、5、7、9分數(shù)； 步驟3. 4 :將所有圖斑類型劃分為5大類，每類賦予一個分值（TB_sc〇re); 步驟3. 5 :利用專家打分法對坡度、NDVI、交通通達性、圖斑進行權(quán)重打分，分別為w_ slope、w_ndvi、w_traffic、w_tb ; 步驟3. 6 :基于上述步驟的打分分值以及對應(yīng)權(quán)重，加權(quán)求和計算每個元胞土地轉(zhuǎn)變 潛力評價值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟3. 1 中的所述的坡度值采用ArcGIS的分析工具計算獲取，歸一化植被覆蓋指數(shù)利用TM影像的 三四波段采用如下公式計算獲?。?NDVI = (Band4-Band3)/ (Band4+Band3) 其中NDVI表示得到的植被覆蓋指數(shù)，BancM為TM第四波段值，Band3為TM第3波段 值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟3.2 中所述的距離衰減函數(shù)為：
其中Ua表示交通通達性 ;Droa(j、Dcenter、Dcmc、 Dh()S、Dsc;h(ral分別表示所求元胞到城市道路、城 市中心、商業(yè)中心、醫(yī)院、學(xué)校的距離；P i、e 2、e 3、e 4、P 5為對應(yīng)的空間衰減系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟3. 5 中所述的 w_slope、w_ndvi、w_traffic、w_tb 為：
O
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟3. 6 中所述的的土地轉(zhuǎn)變潛力評價計算公式如下所示：
其中Psc^j為第i個元胞的土地轉(zhuǎn)變潛力的評價，Xij為第i個元胞第j項指標賦予的 分值，Wu為第i個元胞第j項指標權(quán)重，n為指標項數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟4中 所述的土地發(fā)展?jié)摿γ妫渫恋匕l(fā)展?jié)摿γ娴拿總€元胞最終值的由下面公式獲?。?RScore_i = Pscore_i* 5 其中Rsc^j為每個非城市元胞最終轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘性臐摿χ?，Psc^j為對每個非城市 元胞土地轉(zhuǎn)變潛力的評價值，由步驟3中的步驟3. 6獲取，S為該元胞所處的區(qū)域的城市 發(fā)展質(zhì)量評價值，由步驟2中的步驟2. 3獲取。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟6中 所述的修改該元胞所有鄰域的影響，假設(shè)一次迭代過程后，元胞集合狀態(tài)由a變成b，那么 將狀態(tài)b中元胞M鄰域內(nèi)的所有鄰居的鄰域影響值加1，則下一次遍歷到b中除元胞M外的 其他元胞的任一個時候判斷它新的鄰域個數(shù)都以這個更新后的鄰域影響值數(shù)計算。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進元胞自動機城市擴張模擬方法，其特征在于：步驟7中 所述的總控制增長數(shù)量由馬爾科夫鏈預(yù)測方法得到。
【文檔編號】G06F19/00GK104361255SQ201410717353
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】何青松, 劉耀林, 譚榮輝, 趙翔, 劉艷芳 申請人:武漢大學(xué)