一種改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)張模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)張模擬方法，首先構(gòu)建指標(biāo)體系對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展水平以及土地利用潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到一幅土地發(fā)展?jié)摿D?；诎l(fā)展?jié)摿D，對(duì)非城市像元的潛力分值進(jìn)行從大到小排序，并用數(shù)組記錄下排序后的分值以及對(duì)應(yīng)的像元位置。然后遍歷數(shù)組的每一項(xiàng)，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(shí)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(xiàng)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(dòng)機(jī)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(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)張模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 城市擴(kuò)張?jiān)詣?dòng)機(jī)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(kuò)張的離散時(shí) 空動(dòng)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(dòng)機(jī)模型的核心，它決定了元胞自動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過程。以Iogistic-CA模擬城市 擴(kuò)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)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(kuò)張模擬中的難點(diǎn)。閾值設(shè)置不同會(huì)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(yuǎn)也達(dá)不到預(yù)設(shè)的增長數(shù)量；閾值設(shè)置過小則會(huì)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?yàn)殚撝挡煌?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(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)張模擬方 法。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(jì)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(jì)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(cái)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(huì)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(chǎng)、學(xué)校、醫(yī)院；
[0009] 步驟2 :利用數(shù)據(jù)集A對(duì)Yl年城鎮(zhèn)化發(fā)展水平進(jìn)行評(píng)價(jià)；
[0010] 步驟3 :利用數(shù)據(jù)集B對(duì)Yl年非城市用地發(fā)展為城市用地的潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)；
[0011] 步驟4 :將步驟2和步驟3得到的結(jié)果進(jìn)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(duì)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(xiàng)元胞的鄰域個(gè)數(shù)；
[0014] 如果鄰域個(gè)數(shù)滿足增長需要的最小鄰域個(gè)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(shí)數(shù)組中刪除該項(xiàng)，轉(zhuǎn)步驟7;
[0015] 如果鄰域個(gè)數(shù)不滿足要求，則移動(dòng)到數(shù)組下一項(xiàng)，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(dá)到總控制增長數(shù)量要求；
[0017] 如果達(dá)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(dá)到數(shù)量要求，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述的步驟6 ;
[0019] 步驟8:對(duì)得到的模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，包括kappa評(píng)價(jià)、生產(chǎn) 者精度評(píng)價(jià)、用戶精度評(píng)價(jià)。
[0020] 作為優(yōu)選，步驟2的具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：
[0021] 步驟2. 1 :對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展水平評(píng)價(jià)選取三個(gè)一級(jí)指標(biāo)，包括城市化率、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)水 平、居民生活水平；并對(duì)上述三個(gè)一級(jí)指標(biāo)設(shè)置一級(jí)指標(biāo)權(quán)重W1、W2、W3,且W1+W2+W3 = 1 ;
[0022] 步驟2. 2 :對(duì)步驟2. 1中所述的三個(gè)一級(jí)指標(biāo)下設(shè)置二級(jí)指標(biāo)；其中城市化率 下設(shè)置二級(jí)指標(biāo)為土地城市化率、人口城市化率，對(duì)應(yīng)權(quán)重為wll、wl2,且wll+wl2 = I;經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)水平下設(shè)置二級(jí)指標(biāo)為人均GDP、人均固定資產(chǎn)投資額、人均地方財(cái)政收 入、第二產(chǎn)業(yè)占⑶P比例、第三產(chǎn)業(yè)占⑶P比例，對(duì)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(jí)指標(biāo)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(huì)保障覆蓋率，對(duì)應(yīng)權(quán)重為w31、《32、《33,且 w31+w32+w33 = 1 ；
[0023] 步驟2. 3:對(duì)上述評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)計(jì)算值數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行加權(quán)求和，得到研究區(qū) 每個(gè)下一級(jí)行政區(qū)的城市發(fā)展質(zhì)量評(píng)價(jià)。
[0024] 作為優(yōu)選，步驟3的具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：
[0025] 步驟3. 1 :計(jì)算研究區(qū)每個(gè)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(gè)元胞與各個(gè)重要基礎(chǔ)設(shè)施的距離值帶入到距離 衰減函數(shù)中計(jì)算每個(gè)元胞的交通通達(dá)性（Traffic_score);
[0027]步驟 3. 3:分別對(duì)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(gè)分值段，并對(duì)每個(gè)分值段賦予1、3、5、7、9分?jǐn)?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(gè)分值（TB_score);
[0029] 步驟3. 5:利用專家打分法對(duì)坡度、NDVI、交通通達(dá)性、圖斑進(jìn)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(duì)應(yīng)權(quán)重，加權(quán)求和計(jì)算每個(gè)元胞土地 轉(zhuǎn)變潛力評(píng)價(jià)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(jì)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(jì)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(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(jì)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(jì)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、⑶P、 固定資產(chǎn)投資額、地方財(cái)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(huì)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(chǎng)、學(xué)校、醫(yī)院； 步驟2 :利用數(shù)據(jù)集A對(duì)Yl年城鎮(zhèn)化發(fā)展水平進(jìn)行評(píng)價(jià)； 步驟3 :利用數(shù)據(jù)集B對(duì)Yl年非城市用地發(fā)展為城市用地的潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)； 步驟4 :將步驟2和步驟3得到的結(jié)果進(jìn)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(duì)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(xiàng)元胞的鄰域個(gè)數(shù)； 如果鄰域個(gè)數(shù)滿足增長需要的最小鄰域個(gè)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(shí)數(shù)組中刪除該項(xiàng)，轉(zhuǎn)步驟7 ; 如果鄰域個(gè)數(shù)不滿足要求，則移動(dòng)到數(shù)組下一項(xiàng)，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(dá)到總控制增長數(shù)量要求； 如果達(dá)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(dá)到數(shù)量要求，則回轉(zhuǎn)執(zhí)行所述的步驟6 ; 步驟8 :對(duì)得到的模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，包括kappa評(píng)價(jià)、生產(chǎn)者精 度評(píng)價(jià)、用戶精度評(píng)價(jià)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)張模擬方法，其特征在于：步驟2的 具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟： 步驟2. 1 :對(duì)城鎮(zhèn)化發(fā)展水平評(píng)價(jià)選取三個(gè)一級(jí)指標(biāo)，包括城市化率、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)水平、 居民生活水平；并對(duì)上述三個(gè)一級(jí)指標(biāo)設(shè)置一級(jí)指標(biāo)權(quán)重W1、W2、W3,且W1+W2+W3 = 1 ; 步驟2. 2 :對(duì)步驟2. 1中所述的三個(gè)一級(jí)指標(biāo)下設(shè)置二級(jí)指標(biāo)；其中城市化率下設(shè)置二 級(jí)指標(biāo)為土地城市化率、人口城市化率，對(duì)應(yīng)權(quán)重為wll、wl2,且wll+wl2 = 1 ;經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)水 平下設(shè)置二級(jí)指標(biāo)為人均⑶P、人均固定資產(chǎn)投資額、人均地方財(cái)政收入、第二產(chǎn)業(yè)占 ⑶P 比例、第三產(chǎn)業(yè)占⑶P比例，對(duì)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(jí)指標(biāo)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(huì)保障覆蓋率，對(duì)應(yīng)權(quán)重為w31、w32、w33,且w31+w32+w33 = 1 ; 步驟2. 3 :對(duì)上述評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)計(jì)算值數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行加權(quán)求和，得到研究區(qū)每個(gè) 下一級(jí)行政區(qū)的城市發(fā)展質(zhì)量評(píng)價(jià)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)張模擬方法，其特征在于：步驟3的 具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟： 步驟3. 1 :計(jì)算研究區(qū)每個(gè)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(gè)元胞與各個(gè)重要基礎(chǔ)設(shè)施的距離值帶入到距離衰減 函數(shù)中計(jì)算每個(gè)元胞的交通通達(dá)性（Traffic_score); 步驟3. 3 :分別對(duì)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(gè)分值段，并對(duì)每個(gè)分值段賦予1、3、5、7、9分?jǐn)?shù)； 步驟3. 4 :將所有圖斑類型劃分為5大類，每類賦予一個(gè)分值（TB_sc〇re); 步驟3. 5 :利用專家打分法對(duì)坡度、NDVI、交通通達(dá)性、圖斑進(jìn)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(duì)應(yīng)權(quán)重，加權(quán)求和計(jì)算每個(gè)元胞土地轉(zhuǎn)變 潛力評(píng)價(jià)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(jì)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(jì)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(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(dá)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(duì)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(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(píng)價(jià)計(jì)算公式如下所示：
其中Psc^j為第i個(gè)元胞的土地轉(zhuǎn)變潛力的評(píng)價(jià)，Xij為第i個(gè)元胞第j項(xiàng)指標(biāo)賦予的 分值，Wu為第i個(gè)元胞第j項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，n為指標(biāo)項(xiàng)數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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?，其土地發(fā)展?jié)摿γ娴拿總€(gè)元胞最終值的由下面公式獲?。?RScore_i = Pscore_i* 5 其中Rsc^j為每個(gè)非城市元胞最終轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘性臐摿χ担琍sc^j為對(duì)每個(gè)非城市 元胞土地轉(zhuǎn)變潛力的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(gè)時(shí)候判斷它新的鄰域個(gè)數(shù)都以這個(gè)更新后的鄰域影響值數(shù)計(jì)算。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)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(cè)方法得到。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104361255SQ201410717353
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:武漢大學(xué)