本發(fā)明涉及地理建模的
技術(shù)領(lǐng)域：
：，具體說是一種基于CA-Markov模型的土地利用時(shí)空變化模擬方法。
背景技術(shù)：
：：重慶三峽庫區(qū)位于長(zhǎng)江上游下段，東起巫山縣、西至江津市、南起武隆縣、北至開縣，地理范圍在北緯28°28′～31°44′、東經(jīng)105°49′～110°12′之間，東南、東北與鄂西交接，西南與川黔接壤，西北與川陜相鄰。三峽庫區(qū)是中國乃至世界最為特殊的生態(tài)功能區(qū)，其水土保持、水質(zhì)保護(hù)和生物多樣性維持等功能對(duì)于投資龐大的三峽工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，長(zhǎng)江中下游的防洪與生態(tài)安全具有特殊的、重要的戰(zhàn)略意義，同時(shí)因工程影響廣泛，對(duì)庫區(qū)的環(huán)境、自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面也有很大的影響。三峽庫區(qū)是中國水土流失嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，庫區(qū)土地貧瘠，保土保水能力極差。三峽庫區(qū)重慶段覆蓋了三峽庫區(qū)大部分的范圍(包括22個(gè)區(qū)縣)，有著極為重要的生態(tài)地理位置，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊，地層巖性較差，一旦植被遭到破壞或過度墾殖，水土流失，生態(tài)環(huán)境將遭到徹底破壞。三峽水利工程的修建和百萬移民的搬遷安置加劇了重慶三峽庫區(qū)的土地資源和生態(tài)環(huán)境的壓力，庫區(qū)的土地利用變化問題受到了普遍關(guān)注。忠縣地處三峽庫區(qū)腹心地帶，其土地利用變化情況關(guān)系到重慶三峽庫區(qū)生態(tài)安全與否。土地利用變化既因受自然素的制約，又受社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和歷史因素的影響，具有很強(qiáng)的綜合性和地域性。從土地利用空間格局演變預(yù)測(cè)方面入手，開展重慶三峽庫區(qū)土地利用的研究對(duì)于解決重慶三峽庫區(qū)后續(xù)發(fā)展過程中土地可持續(xù)利用和生態(tài)安全等問題是十分有必要的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于CA-Markov模型的土地利用時(shí)空變化模擬方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種基于CA-Markov模型的土地利用時(shí)空變化模擬方法，包括以下步驟：S1.對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類；S2.建立Markov模型，計(jì)算研究區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣及轉(zhuǎn)移面積矩陣；S3.構(gòu)建每類用地轉(zhuǎn)化適宜性圖，合成土地利用轉(zhuǎn)移適宜性圖集；S4.利用適宜性圖集及土地利用數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)現(xiàn)有某年土地利用面積；S5.預(yù)測(cè)未來土地利用數(shù)據(jù)。進(jìn)一步，在步驟S1前還包括：將矢量數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化為ASCII文本格式，通過柵格數(shù)據(jù)的表面分析工具，提取坡度信息，再將坡度轉(zhuǎn)化為ASCII。進(jìn)一步，在步驟S3中，以水域和建設(shè)用地為約束條件，道路、行政中心、水系和坡度為限制因子。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1.本研究算法科學(xué)、簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，模型精度高。2.本研究軟件操作簡(jiǎn)便，軟件智能化較高。附圖說明為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為各類用地轉(zhuǎn)移概率圖；圖3為道路因子標(biāo)準(zhǔn)化建模過程；圖4為建設(shè)用地轉(zhuǎn)化適宜圖；圖5為2020年忠縣土地利用。具體實(shí)施方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。一種基于CA-Markov模型的土地利用時(shí)空變化模擬方法，包括以下步驟：S1.對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類；S2.建立Markov模型，計(jì)算研究區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣及轉(zhuǎn)移面積矩陣；S3.構(gòu)建每類用地轉(zhuǎn)化適宜性圖，合成土地利用轉(zhuǎn)移適宜性圖集；S4.利用適宜性圖集及土地利用數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)現(xiàn)有某年土地利用面積；S5.預(yù)測(cè)未來土地利用數(shù)據(jù)。優(yōu)選的，在步驟S1前還包括：將矢量數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化為ASCII文本格式，通過柵格數(shù)據(jù)的表面分析工具，提取坡度信息，再將坡度轉(zhuǎn)化為ASCII。優(yōu)選的，在步驟S3中，以水域和建設(shè)用地為約束條件，道路、行政中心、水系和坡度為限制因子。實(shí)施例一本研究以忠縣2000年、2005年、2010年的土地利用數(shù)據(jù)及道路、行政中心、水系、坡度等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用ArcGIS、IDRISI17.0軟件，對(duì)忠縣2020年的土地利用進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體的操作步驟為：步驟1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備IDRISISELVA17.0無法直接識(shí)別矢量與柵格文件，因此必須運(yùn)用ArcGIS將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為軟件所能識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。對(duì)于三期土地利用數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過ArcGIS工具箱中的PolygontoRaster——RastertoASCII，將矢量數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化為ASCII文本格式。DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS中進(jìn)行處理，通過柵格數(shù)據(jù)的表面分析工具，提取坡度信息，再將坡度轉(zhuǎn)化為ASCII。道路、水系、行政中心為矢量文件可以直接在IDRISI17.0中進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。將ASCII格式的忠縣土地利用數(shù)據(jù)加載到軟件IDRISI中，具體的加載步驟為File—Import—Software-SpecificFormats—ESRIFormats—ARCRASTER，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為.rst格式。土地利用數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)化過程中，將背景也進(jìn)行了賦值，為了不讓背景參加到后續(xù)的計(jì)算之中，必須將土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(reclass)，將-9999的背景值全部設(shè)置為0。步驟2)建立Markov模型選擇Modeling—Environmental/SimulationModels—Markov，調(diào)出Markov模塊的設(shè)置框，加載2000年與2005年土地利用數(shù)據(jù)，步長(zhǎng)設(shè)置5，計(jì)算得到2000-2005年的土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣、轉(zhuǎn)移面積矩陣及各類用地轉(zhuǎn)移概率圖(圖2)。步驟3)創(chuàng)建轉(zhuǎn)化適宜性圖集CA-Markov模型最復(fù)雜的就是制定其轉(zhuǎn)化規(guī)則，建立轉(zhuǎn)化適宜性圖集，以建設(shè)用地為例，對(duì)其轉(zhuǎn)化規(guī)則進(jìn)行制定。在本研究中限制已有的建設(shè)用地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從生態(tài)保護(hù)的角度出發(fā)限制水域用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，這兩個(gè)限制條件就是很簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化與不轉(zhuǎn)化，在IDRISI中直接通過分類實(shí)現(xiàn)，將建設(shè)用地和水域用地限制不轉(zhuǎn)化，其余用地可以轉(zhuǎn)化，是典型的布爾型分布。首先在Edit中編輯轉(zhuǎn)化規(guī)則，不轉(zhuǎn)化的土地利用類型賦值為0，轉(zhuǎn)化的賦值為1，將Edit中編輯好的文本導(dǎo)入Assign中，生成水域約束條件圖層，建設(shè)用地約束條件圖層。(1)道路因子標(biāo)準(zhǔn)化File—Import--Software-SpecificFormats—ESRIFormats—SHAPEIDR，加載到軟件中，采用MacroModeler宏建模模塊對(duì)道路因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，建模過程如圖3。圖3中，initial模塊是將文件轉(zhuǎn)化為空白的圖層，但空白圖層中有著原始圖層的坐標(biāo)信息，將road圖層與空白柵格圖層通過lineras連接起來，使其具有和2000年土地利用數(shù)據(jù)相同的坐標(biāo)系，distance的功能相當(dāng)于ArcGIS中做緩沖區(qū)，道路準(zhǔn)則圖層就是道路的緩沖區(qū)圖，fuzzy模塊是將道路準(zhǔn)則層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將距離對(duì)適宜性的影響轉(zhuǎn)化為0-255的數(shù)值進(jìn)行描述，fuzzy模塊需要進(jìn)行設(shè)置。在fuzzy模塊中，提供四種標(biāo)準(zhǔn)化的函數(shù)，即單調(diào)遞增或遞減的S形、J形、線性函數(shù)以及自定義函數(shù)，結(jié)合各個(gè)因子變化需求選取不同標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)。對(duì)于道路因子標(biāo)準(zhǔn)化，采用的是S型遞減函數(shù)，其中a點(diǎn)的值設(shè)置為200，b點(diǎn)設(shè)置為1000，代表的是距離道路200米以內(nèi)的區(qū)域轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的適宜性最高，200米以外適宜性逐漸降低，1000米以外區(qū)域適宜性最低，趨于零。設(shè)置好后，點(diǎn)擊run，軟件開始運(yùn)行，得到的道路準(zhǔn)則層，道路因子標(biāo)準(zhǔn)化圖層。(2)水系因子標(biāo)準(zhǔn)化將水系導(dǎo)入到IDRISI17.0中，運(yùn)用MacroModeler宏建模模塊進(jìn)行建模，水系是一個(gè)面文件，在將水系與空白圖層疊加的時(shí)候采用的是polyras模塊，這個(gè)模塊是實(shí)現(xiàn)矢量面文件與帶有坐標(biāo)信息的空白圖層進(jìn)行疊加，同時(shí)對(duì)于fuzzy模塊的設(shè)置時(shí)，水域生態(tài)用地應(yīng)加以保護(hù)，故選擇單調(diào)遞增的S型函數(shù)，a點(diǎn)100，b，c，d點(diǎn)1000，模塊運(yùn)行后得到的水系標(biāo)準(zhǔn)化圖層。(3)行政中心因子標(biāo)準(zhǔn)化行政中心因子的標(biāo)準(zhǔn)化步驟與道路因子的步驟相同，在建模上面稍有不同，與空白柵格圖層疊加的時(shí)候采用的是pointras模塊，同樣在fuzzy中設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊運(yùn)行得到行政中心準(zhǔn)則圖層和行政中心標(biāo)準(zhǔn)化圖層。(4)坡度因子標(biāo)準(zhǔn)化坡度是柵格數(shù)據(jù)，不用對(duì)其柵格文件定義坐標(biāo)系，只需轉(zhuǎn)化為IDRISI17.0所能識(shí)別的rst文件格式，坡度只需用fuzzy模塊進(jìn)行設(shè)置，采用S型遞減函數(shù)，a，b，c值設(shè)置為15，d點(diǎn)設(shè)置為最大坡度64。(5)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移概率標(biāo)準(zhǔn)化通過Markov得到了6中土地利用類型的轉(zhuǎn)移概率圖像，由于軟件運(yùn)算的需要，需要將建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移概率圖像標(biāo)準(zhǔn)化未0-255的數(shù)值，同其他限制因子統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)用地轉(zhuǎn)移概率標(biāo)準(zhǔn)化直接運(yùn)用fuzzy模塊運(yùn)算，即可得到標(biāo)準(zhǔn)化圖層。對(duì)于道路，水系，行政中心，坡度，建設(shè)用地轉(zhuǎn)移概率這5個(gè)因子采用AHP法確定其權(quán)重，在IDRISI17.0中有計(jì)算權(quán)重的功能，本研究中通過Weight模塊得以實(shí)現(xiàn)。軟件進(jìn)行計(jì)算得到5個(gè)因子的權(quán)重結(jié)果圖，得出道路因子，行政中心因子，坡度因子，水系因子，建設(shè)用地轉(zhuǎn)移概率矩陣的權(quán)重分別為：0.3804，0.1468，0.3120，0.1032，0.0575，結(jié)果中還計(jì)算出了一致性比例(Consistencyratio)簡(jiǎn)稱CR，只有當(dāng)CR<0.1時(shí)，結(jié)果通過檢驗(yàn)，模型結(jié)果中CR＝0.08，模型判斷Consistencyisacceptable，結(jié)果通過檢驗(yàn)。構(gòu)建CA-Markov模型所需的巴南區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換適宜性圖集通過IDRISI17.0軟件中多規(guī)則評(píng)價(jià)模型(MCE)生成，MCE(multi-criteriaevaluation)模型是一種通過評(píng)價(jià)與集中擬合的多種標(biāo)準(zhǔn)的方法。2個(gè)約束條件及5個(gè)限制因子生成的建設(shè)用地轉(zhuǎn)移適宜圖如圖4。其他用地適宜性圖的創(chuàng)建方法同建設(shè)用地，只是限制條件不同。耕地的轉(zhuǎn)化規(guī)則為交通沿線1500以外不適宜作為耕地，坡度25度以內(nèi)最為適宜，限制林地向耕地轉(zhuǎn)化，禁止水域轉(zhuǎn)化為耕地。水域轉(zhuǎn)化規(guī)則道路沿線不適宜作為水域。草地、林地、未利用地在其他三類土地利用的轉(zhuǎn)化規(guī)則中有所限制，不做其他的限制要求。參照建設(shè)用地適宜性圖的方法，生成耕地、水域、草地、林地、未利用地的適宜性圖。通過IDRISI17.0中的集合編輯器ColletionEditor，將各類用地的適宜性圖合成一組適宜性圖集。在柵格圖層內(nèi)包含著每個(gè)像素，在格式上，由土地利用類型轉(zhuǎn)化適宜性圖像的.rst格式轉(zhuǎn)換為適宜性圖像集的.rgf格式。步驟4)模型精度檢驗(yàn)在軟件中調(diào)出CA-Markov模塊，以2005年的土地利用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，適宜性圖集作為轉(zhuǎn)化規(guī)則，預(yù)測(cè)2010年的土地利用面積，轉(zhuǎn)移步長(zhǎng)為5，得到預(yù)測(cè)的2010年的土地利用圖。采用IDRISI軟件中的CrossTab模塊對(duì)模擬圖與土地利用圖進(jìn)行疊加分析，通過分析最終得到模擬的綜合Kappa系數(shù)為0.9588，模型的精度高，可信度滿足研究需求。步驟5)預(yù)測(cè)運(yùn)用上述模型，將步長(zhǎng)設(shè)置為15預(yù)測(cè)忠縣2020年的土地利用情況，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5。最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3