基于GIS與元胞自動(dòng)機(jī)的城市土地利用動(dòng)態(tài)演化模擬與優(yōu)化研究——以蘭州市為例.pdf

1、元胞自動(dòng)機(jī) (Cellular Automata，CA)是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，空間上的相互作用和時(shí)間上的因果關(guān)系皆局部的格網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型，它“自下而上”的研究思路，強(qiáng)大的復(fù)雜計(jì)算功能、固有的并行計(jì)算能力、高度動(dòng)態(tài)特征及具有空間概念等特征，使得它在模擬空間復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)空演化方面具有很強(qiáng)的能力，充分體現(xiàn)了“復(fù)雜結(jié)構(gòu)來自于簡(jiǎn)單子系統(tǒng)的相互作用”這一復(fù)雜性科學(xué)的精髓，非常適用于具有復(fù)雜時(shí)空特征的地理系統(tǒng)模擬，現(xiàn)已成為城市土地利用空間演化模

2、擬的重要工具與研究熱點(diǎn)。 本文在前人研究基礎(chǔ)上較全面地綜述了城市元胞自動(dòng)機(jī)模型應(yīng)用研究的最新進(jìn)展，系統(tǒng)分析了基于CA的城市土地利用動(dòng)態(tài)演化模擬與優(yōu)化的理論基礎(chǔ)，討論了CA與其相關(guān)研究理論方法的異同點(diǎn)；側(cè)重于從城市元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用與擴(kuò)展研究角度出發(fā)，首先詳細(xì)介紹了SLEUTH和和DUEM模型的原理及實(shí)現(xiàn)過程，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)與應(yīng)用；其次，綜合集成GIS、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network，ANN)、遺傳算法

3、(GeneticAlgorithm，GA)和元胞自動(dòng)機(jī)(CA)分別構(gòu)建了城市土地利用演化ULEM(UrbanLand-Use Evolution Model) 模型和城市土地利用優(yōu)化 ULOM (Urban Irand-UseOptimization Model)模型；最后，以蘭州市主城區(qū)為例，分別對(duì)這四個(gè)模型進(jìn)行實(shí)證研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下： 1 蘭州市城市土地利用動(dòng)態(tài)演化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析結(jié)合GIS和遙感等技術(shù)手段

4、，建立了蘭州市1949-2005年8期中等分辨率的城市空間擴(kuò)展GIS空間數(shù)據(jù)庫和1976-2005年4期高分辨率的城市土地利用演化GIS空間數(shù)據(jù)庫。宏觀尺度上，1949-2005年城市空間擴(kuò)展呈現(xiàn)出明顯的階段性特征：1949-1959年為有機(jī)快速擴(kuò)展階段；1959-1976年為無序高速擴(kuò)展階段；1976-1980年為城市建設(shè)恢復(fù)與調(diào)整期；1980-1993年為低速擴(kuò)展更新階段；1993-2001年為城市發(fā)展加速期階段；2001-2005

5、年為新一輪快速擴(kuò)展階段。微觀尺度上，1976-2005年城市土地利用內(nèi)部演化呈現(xiàn)出以下特征： (1)1976-1995年以政府社團(tuán)用地和公共綠地的快速增長(zhǎng)為主；(2)1995-2001年以商業(yè)用地增長(zhǎng)最快，其次為居住、工業(yè)和政府社團(tuán)用地；(3)2001-1005年城市用地年均增長(zhǎng)速度比前兩個(gè)時(shí)期都低，主要以居住、商業(yè)和工業(yè)用地的增長(zhǎng)為主。蘭州市城市土地利用動(dòng)態(tài)演化主要受自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與人口、交通、政策和歷史因素等影響。 2 基于

6、SLEUTH模型的城市土地利用空間擴(kuò)展模擬側(cè)重于對(duì)SLEUTH模型的蒙特卡羅迭代數(shù)、繁榮系數(shù)、蕭條系數(shù)、坡度閾值及校準(zhǔn)指標(biāo)的選擇等進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，應(yīng)用中充分考慮了城市規(guī)劃及政策等對(duì)城市空間擴(kuò)展的影響。結(jié)合SLEUTH模型和景觀指數(shù)重建了蘭州市1949-2005年城市空間擴(kuò)展過程，表現(xiàn)為1949-1978年以離心式發(fā)展為主、1978-1993年以向心式填充發(fā)展為主和1993-2005年再次以離心式發(fā)展為主。兩種不同情景的校準(zhǔn)顯示了兩種不同

7、的城市增長(zhǎng)形式，與建國(guó)后社會(huì)制度的變遷一致。按兩種不同情景預(yù)測(cè)2006-2050年城市擴(kuò)展趨勢(shì)表明：(1)情景2的城市空間擴(kuò)展趨勢(shì)明顯快于情景1；(2)情景1預(yù)測(cè)的城市增長(zhǎng)方式以向心式內(nèi)部填充與更新改造為主，情景2預(yù)測(cè)的城市增長(zhǎng)方式以離心式外延擴(kuò)展為主；(3)從蘭州市土地資源緊缺性角度看，情景1預(yù)測(cè)的城市增長(zhǎng)方式更趨向于可持續(xù)發(fā)展，而情景2預(yù)測(cè)的城市增長(zhǎng)方式更接近于未來城市發(fā)展趨勢(shì)；(4)蘭州市城市發(fā)展近期內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)城市內(nèi)部土地利用的空間

8、優(yōu)化，控制城市快速擴(kuò)展趨勢(shì)：(5)SLEUTH模型在受地貌作用限制顯著的河谷型城市應(yīng)用中具有通用性。 3 基于DUEM模型的城市土地利用動(dòng)態(tài)演化模擬結(jié)合GIS和DUEM模型，重建蘭州市1995-2005年城市土地利用演化過程，按兩種不同情景預(yù)測(cè)2006-2020年城市土地利用動(dòng)態(tài)演化趨勢(shì)表明：(1)蘭州市城市土地利用演化主要集中在城關(guān)區(qū)雁灘、七里河區(qū)馬濰和崔家大灘、安寧區(qū)安寧堡、沙井驛、崔家莊和迎門灘等：(2)情景2預(yù)測(cè)的居住用

9、地和商業(yè)政府社團(tuán)用地的增長(zhǎng)速度明顯快于情景1，工業(yè)用地的增幅也略高；(3)情景2預(yù)測(cè)的演化趨勢(shì)將更接近未來真實(shí)演化趨勢(shì)；(4)DUEM模型在受地貌作用限制顯著的河谷型城市應(yīng)用中具有通用性。 4 耦合ANN與CA的城市土地利用演化ULEM模型側(cè)重于在空間研究尺度、土地分類標(biāo)準(zhǔn)、空間變量、模型開發(fā)方式、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練隨機(jī)采樣方法和算法、校準(zhǔn)方法和模型開發(fā)平臺(tái)等方面進(jìn)行擴(kuò)展，基于Matlab7.2平臺(tái)耦合GIS、ANN和CA開發(fā)了城市土

10、地利用演化ULEM模型。該模型在時(shí)間步長(zhǎng)、模型循環(huán)控制及校準(zhǔn)方法等方面存在一些不足。以蘭州市主城區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證研究表明：(1)兩種不同仿真方案五種不同參數(shù)組合都獲得較高的模型精度；(2)仿真方案1中隨機(jī)變量v的增大可以明顯提高模型精度，α參數(shù)的增大使得模擬的土地利用空間分布更趨向于分散；而對(duì)仿真方案2幾乎不起任何作用；(3)2006-2015年城市土地利用演化預(yù)測(cè)中，α=1.5和T=0.8的組合方案將最接近未來城市土地利用演化趨勢(shì)；(4

11、)城市規(guī)劃對(duì)蘭州市城市土地利用演化影響深遠(yuǎn)。 5 耦合GA與CA的城市土地利用優(yōu)化ULOM模型基于土地利用的適宜性和約束性，綜合考慮土地利用的效益優(yōu)化、數(shù)量?jī)?yōu)化和空間優(yōu)化，采用較精細(xì)的城市土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)和微觀研究尺度，基于Matlab7.2平臺(tái)耦合GIS、GA與CA開發(fā)了城市土地利用優(yōu)化ULOM模型。以蘭州市主城區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證研究表明：(1)蘭州市城關(guān)區(qū)內(nèi)的工業(yè)應(yīng)盡快遷出市區(qū)；(2)繼續(xù)加強(qiáng)張掖路、白銀路和雁灘路的商業(yè)開發(fā)；(

12、3)政府社團(tuán)用地的增長(zhǎng)將主要集中在安寧區(qū)迎門灘和城關(guān)區(qū)雁灘；(4)居住用地除了城市內(nèi)部用地的置換增加外，非城市用地區(qū)域的居住用地開發(fā)將是重點(diǎn)；(5)優(yōu)化結(jié)果基本上反映了蘭州市未來城市土地利用演化的趨勢(shì)，與城市發(fā)展政策、城市規(guī)劃和政府意愿基本保持一致；(6)ULOM模型對(duì)空間尺度具有一定的敏感性，鄰居構(gòu)型將影響模擬的城市發(fā)展形態(tài)或增長(zhǎng)形式。 本文中SLElJTH和DUEM模型的應(yīng)用研究、ULEM和ULOM模型的開發(fā)擴(kuò)展研究，將有助