【word】 基于可控邻域作用CA的城市扩张研究
基于可控邻域作用CA的城市扩张研究
第2期,总第89期
2011年6月15日
国土资源遥感
REMOTESENSINGFORLAND&RESOURCES
No.2,2011
Jun.,2011
基于可控邻域作用CA的城市扩张研究
刘兴权,吴涛,甘喜庆
(中南大学GIS研究中心,长沙410083)
摘要:为了进行城市扩张研究,在使用二分Logistic回归方法从历史数据中挖掘位置特征变量对元胞状态转换影响
的基础上,通过引入邻域因子实现了可控邻域作用.研究中,首先建立了一种新的城市元胞自动机(Cellular
Automata,CA)模型,然后用该模型在长沙市区及部分周边地区进行了城市扩张进程的模拟和预测,并对结果进行
了
分析.
关键词:元胞自动机(CA);可控邻域作用;城市扩张
中图法分类号:TP79:F291文献标识码:A文章编号:1001—070X(2011)02—0110—05
0引言1可控邻域作用的城市CA模型
随着计算机技术的不断发展,自2O世纪70年代
以来,越来越多的基于元胞自动机(CA)的地理模型,
尤其是城市模型被提出.在国外,美国Couclelis对
CA在地理学中的应用潜力从理论上进行了充分阐
述,尤其是在用CA模拟城市扩张领域;英国Batty
应用分形理论和CA理论对城市的形成和扩展进行
了较为深入的研究;Clarke结合大型空间数据库
和遥感影像数据,采用CA模型从宏观以及中观尺度
来模拟由道路网,坡度和可开发土地等外部限制因素
造成的土地利用变化;White多次应用CA模型成
功模拟了土地利用变化J.在国内,以黎夏和叶嘉安
等学者也曾将主成分分析法J,遗传算法及人工神
经网络等方法与CA模型相结合,在珠江三角洲地
区进行了一系列的模拟研究.CA在城市建模领域内
的优势在于它能以”自下而上”的演化方式很好地反
映出城市发展的自组织特性.但是,城市这个复杂巨
系统的发展除了受到自组织特性的控制之外,还受到
广泛的外部限制因素影响,如规划因素,自然社会条
件因素等;除此之外,城市的发展具有显着的不确定
性,即受到随机因素的影响.所以,
的CA还不
足以真实地对城市发展过程进行模拟,必须进行适当
的扩展.上述各国内外学者所做的工作,很大程度上
都是对标准的CA模型进行扩展,这些扩展包括向标
准的CA模型中引人外部限制因素和引入随机作用
影响等.本文在以上扩展的基础上,着重于对标准
CA的邻域作用进行扩展,通过引入一种邻域作用因
子,并改变该邻域因子的值,可以模拟出不同空间特
征的城市扩张过程.
收稿日期:2010—09—19;修订日期:201t一03—01
基金项目:湖南省自然科学基金项目(编号:07JJ6076).
对于任何一种CA模型,元胞状态转换规则都
是其核心.本模型的元胞状态转换规则由位置特征
变量作用,邻域作用,约束条件作用以及随机因素作
用4个部分构成.整个转换规则的功能是通过这4
个部分来判断每个元胞的状态转换概率(由于本文
只研究城市的扩张,故状态转换只包括非城市状态
向城市状态的转换),再将这个概率与一个阈值相
比较,若达到阈值,则判定该元胞在本次迭代过程中
的状态发生转换;否则,维持当前状态.
1.1位置特征变量作用部分
Logistic回归方法是一种用于分类因变量的回
归方法,当因变量可能的取值为0,1时,称为二分
Logistic回归.由于它不假设因变量分布的正态
性,并且克服了一般线性回归因变量范围不受限的
弱点,因此特别适合带有概率判断性质的应用.
McMillen和Wu提出用Logistic回归的方法从历史
数据中获取一些属性变量来衡量对土地利用类型变
化的影响.本文采用二分Logistic回归的方法,从过
去两期土地利用数据中挖掘出如表1所示的4个位
置特征变量来评价对元胞状态转换的作用.
表1参与回归的位置特征变量
Tab.1Positioncharacteristicvariables
inregressionanalysis
第2期刘兴权,等:基于可控邻域作用CA的城市扩张研究
将城市状态记为1,非城市状态记为0,两期历
史数据求差后的值为1即是在该时间段内发生了城
市化的元胞,值为0的即是状态未发生转换的元胞.
Logistic回归方程如下
PLogistic==_丽(1)一1+exp[一(+ldc+2R.d+dRiI+dw)],’
式中,P表示在4个位置特征变量作用下各
元胞的状态转换概率;3o为常数项,(i=1,2,…,
)为各特征变量的回归系数.
1.2邻域作用部分
邻域作用是CA转化规则中的重要组成部分,
它体现了CA”自下而上”自组织演变的本质.在本
模型中,邻域函数通过一个5X5大小的窗口来计
算土地利用在空间上的相互影响,其值按式(2)计
算,即
?=1一q(R—
A)(2)
式中,/v为邻域函数,其值即邻域作用对元胞状
态转换概率的作用值;A为邻域因子,其在(0,1)范
围内取实数值;R为邻域开发率mj,表示邻域窗El内
(不包括中心元胞)的土地开发率,其计算方法如下
~COn(s:1)
R=一(3))
×)一l
式中,COlt()是一个条件函数,s为元胞状态,
如果邻域窗口内(不包括中心元胞)的元胞C(i,)状
态s,=1,则返回1,否则返回0.对其求和后即表
示某个元胞的24个邻域元胞中城市元胞的数量.
若邻域函数具体到每一个元胞上,则邻域作用
对该元胞状态转换概率的影响表示为p,这个
值在模型每一步迭代的过程中是不断发生变化的,
因为每个元胞的邻域状态在每一步迭代过程中都有
可能发生改变.当邻域开发率取邻域因子A时,则
邻域函数值最大,这表示邻域窗口内有比例为A的
元胞被开发时,中心元胞被开发的可能性最大.当
开发率接近1或者0时,由于开发已接近饱和或者
周围资源不足,从而导致中心元胞被开发的可能性
相对较小.本文通过引入邻域因子A实现了模型
邻域作用的可控性.
1.3约束条件作用部分
非城市用地向城市用地的转化,除了受上述两
部分中的空间变量影响之外,还受到一些约束条件
的影响.例如城市总体规划过程中通常会有一部分
土地,例如重要森林,自然保护区,基本耕地等被划
为禁建区;另外,受到自然条件的影响,如地表坡
度,土壤性质等,一部分土地被作为城市用地进行开
发的可能性也是相当小的.
受到数据来源的制约,在本模型中,只考虑了两
个限制因素,即地表坡度及重要水体.如果某个元
胞c(,.)处的坡度大于25%或者该元胞处于主要的
水体之中,则认为它是不可能向城市元胞发生转化
的,记P…=0,其表达式如下:
fPain=1,g?25%ANDc(i,)…
【P..rai=0,g>25%ORc(i,)?W
式中,g为地表坡度;C(i,)代表元胞;W为水
体元胞集合.
1.4随机因素作用部分
城市化过程中通常存在随机因素和偶然事件的
影响.为了体现这一点,本文向模型中加入随机因
素的作用.该项可表达为
Pndo=1+(一lg7)(5)
式中,为(0,1)范围内的随机数;Ot为控制随
机变量影响大小的参数,取值范围是1,10之间的
整数.O/的值越大,模型中随机因素的影响越大;
反之越小.
1.5综合的元胞状态转换规则
模型的转换规则是上述4个部分的综合,即
P=plpnPns【’P.|【ITT】(6)
式中,P表示t时刻非城市元胞c(i,)在该转
换规则的影响下由非城市元胞向城市元胞转换的概
率,它的值等于式(6)等号右边4个部分的计算结
果之积.设定转换概率阈值比较P与
r,p的大小,若P?Tprnb则判定元胞c(i,)
在t+1时刻发生城市化;反之,若P<TpIli则
判定元胞c(i,)在t+1时刻维持原状.
2实验及结果
2.1实验区简介
长沙市是中国中部的重要城市之一,是湖南省
的政治,经济,文化中心.改革开放特别是2O世纪
90年代以来,长沙市的城市建设得到了极快的发
展,城市扩张的趋势也十分明显.受到TM影像数
据来源的影响,本次实验以长沙市区为中心的矩形
区域为研究区域.该区域东至京珠高速以东8km,
北面越过银盆岭大桥及捞刀河,西面跨过二环线直
至绕城高速,南面包含了绕城高速以南的大部分区
域,总面积约720多km.
?
1l2?国土资源遥感
2.2实验数据及其处理
2.2.1实验数据
(1)1993年(TM),1998年(ETM),2006年
(SPOT5)3期遥感影像数据,用来获取3个时间点
的土地利用情况;
(2)长沙市1:5万DLG(DistalLineGraphic)
数据,用来获取道路,发展中心及主要水系分布等信
息;
(3)90in分辨率的SRTM影像数据,用来提取
地形坡度信息.
2.2.2数据处理
遥感影像经过几何纠正,辐射校正及增强处理,
统一成30IT1分辨率,并按照研究区域范围进行剪
裁.在Erdas软件平台中对影像进行分类处理,城
市用地编码为1,非城市用地编码为0.先在ArcGIS
中对分类后的1993年及1998年的栅格进行叠加分
析,然后分别将这个时间段内发生城市化和未发生
城市化的栅格编码为l与0,即得到1993,1998年
土地利用变化栅格.
从研究区域内的DLG数据中提取出模型所需
的发展中心,主要公路,铁路及主要水系,用ArcGIS
中的EuclideanDistance工具求取4个位置特征变
量,栅格大小统一为30In,投影系统及区域范围与
遥感影像一致.
将90m分辨率的SRTM影像按研究区域剪裁
后用双线性插值方法插值到30Il1分辨率,在Arc.
GIS中用Slope工具求得坡度栅格后,再以25%为界
进行重分类来得到坡度限制区.从DLG数据中提
取出主要水系分布图,通过将其以30nl栅格大小进
行栅格化来得到水系约束区域.在ArcGIS中通过
对两个约束区域进行叠加分析来得到综合的约束
区域.
2.3实验过程
实验是在ArcGISGeoProcessing空间处理框架
的支持下,用ArcGISModelBuilder来实现模型.
首先从1993—1998年土地利用变化栅格以及
各位置特征变量栅格中按20%比例进行随机抽样,
并使0和l的比例大致相当,然后将抽样后的数据
在SPSS(StatisticalProductandServiceSolutions)中
进行二分~gistic回归分析,回归结果见表2.
表2回归系数及其检验
Tab.2Regressioncoefficationsandtest
各系数在0.05的显着性水平上具有统计学意
义.这说明4个空间变量确实对土地城市化进程产
生影响.其中,空间变量dw的系数为正值,说明
该变量越大,越有利于城市化(统计意义上的影
响);其余3个空间变量的系数均为负值,说明它们
的值越小,元胞城市化的可能性越大.
由式(1)可知,在4个空间变量的影响下,非城
市栅格(元胞)向城市栅格(元胞)转换的概率为
p———————.————————————————————————————————————.————————————.——————:——————————————————————————————————————————————————————————一,7,
gi一1+exp[一(2.042—0.295dc一0.317dRoad-0.108dRail+O.011dw]’
得到回归方程后,即可用CA模型对研究区域
内城市化的进程进行模拟.模拟时,首先对研究区
域内1993,1998年,1998,2006年两个时期的城
市化过程进行验证性模拟,然后通过控制邻域因子
模拟来对研究区域2006年以后的城市化进程进行
不同空间形态特征的预测性模拟.
2.4实验结果
在cA模拟中,阈值z-Dm删的选取以及每次模
拟迭代的步长,都需要在模型中反复校正.同时,在
模拟中,m的选取与迭代的步长密切相关.考
虑到本次实验数据的实际情况,模拟中设定迭代步
长为1a.为了校正模型,将阈值m的选择区
间设为0.4,0.9,从下限开始测试,每次测试完成
后,将阈值i提高0.01进入下一次测试.在
测试中,以1993年为起始数据,同样要找到与某一
特定阈值m相适应的最佳迭代次数组合.利
用长沙市历史影响数据对模型进行校正,得到的最
佳模拟效果组合,可以把模拟数据分为1993,1998
年和1998,2006年两个时间段,以获得最佳精度.
邻域因子人的取值反映了元胞被开发的可能性.
本次实验考察的是城市化拓展过程,即非城市用地
被开发的过程,经测试,比较合适的邻域因子A取
第2期刘兴权,等:基于可控邻域作用CA的城市扩张研究?ll3?
值为0.6.
1993,1998年阶段模拟取转换阈值Tpr0bbm=
0.75,邻域因子A=0.6,随机作用参数ot:1,迭代
步长1a,起始数据为1993年土地利用栅格,迭代5
次后,得到1998年模拟的城市化情况.按混淆矩阵
评定法,模型总体模拟精度为87.92%,Kappa=
0.669.
1998,2006年阶段模拟取r0h=0.75,邻
域因子A:0.6,随机作用参数ot=1,迭代步长1a,
起始数据为1998年(实际)的土地利用栅格,迭代8
次后,得到模拟的2006年城市化情况.按混淆矩阵
评定法,模型总体模拟精度为76.51%,Kappa=
0.500.与1993,1998年的模拟相比,精度有所下
降.分析其原因,主要是由发展中心数据中缺少该
阶段部分相应的发展中心所引起.
2006年后的模拟属于预测性的模拟.为了检
验邻域因子A在控制空间形态形成中的作用,分别
采用5组参数进行模拟.继承上一时间段的转换阈
值Tp=0.70,随机因子控制在1,邻域因子A
分别取0.25,0.4,0.55,0.7及0.85,模拟迭代终点
为2022年,共迭代16次.对比模拟结果可以发现,
空间形态有显着差异.直观上看,这5组参数的模
拟结果都可以反映出研究区域内的城市扩张过程主
要以蔓延模式和沿道路发展模式为主.
为了定量地比较5组参数所形成的城市空间形
态之间的差异,用Fragstat3.3软件分别计算5种与
模拟城市空间形态对应的周长一面积分形维数D.
周长一面积分形维数D是一个用来描述空间形态
复杂性的指标,其取值范围是1?D?2.当D值趋
近于1时,说明空间形态越简单,破碎程度越低;当
D值趋近于2时,说明空间形态越复杂,破碎程度
越高.
5组参数得到的D值分别为1.5162,1.4574,
1.3952,1.3853,1.3012,D值随A的变化如图1
所示
匿
图1周长一面积分形维数D值随邻域因子A的变化趋势
Fig.1PAFRAC’svacationtrendwim
neighborhoodfactorA
从图1可以看出,随着邻域因子A的增大,周
长一面积分形维数D值不断下降,也就是说,A的增
大会导致模拟的城市空间形态趋于破碎和零散,紧
凑程度减小.因此可以利用这个特性来模拟不同规
划条件及目的下的城市空间形态.
3结论
本文利用元胞自动机的建模思想,在标准CA
模型的基础上,首先建立了一种约束Logistic—CA
模型,然后通过回归方法从历史数据中挖掘出建模
需要的位置特征变量,并用该模型对长沙市城市化
过程中的空间形态演变进行了模拟和预测.经过多
次测试和评价模拟精度,确定了适合该地区数据分
布特点的参数组合.模拟结果表明,采用元胞自动
机进行土地利用变化预测模拟,对于研究城市化过
程中的空间形态变化有着重要意义.
本模型仅仅考虑了非城市元胞向城市元胞的转
换,但是实际的城市发展必定会存在城市用地向非
城市用地退化的现象,这在进一步的工作中需要加
以完善.多分Logistic回归方法可能是一个解决的
办法.另外,邻域作用曲线也可以考虑由抛物线改
为其他更为合理的函数曲线.
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?
114?国土资源遥感2011钜
AnUrbanGrowthStudyBasedonControllableNeighbor——effectCA
LIUXing—quan,WUTao,GANXi—qing
(GISResearchCenterofCSU,Changsha410083,China)
Abstract:CelluarAutomata(CA)featuredbyself—organizingevolvementi
susedtoestablishtheurbanexpansion
mode1.ThispaperintroducesaCAmodelandadoptsaneighborfactortoimplementcontrollableneighbor—effect
onthebasisofexploringtheinfluenceofseverallocationfeaturevariablesoncellstatusconversioninhistorical
data.Obtainingsimulatedresultswithdifferentspatialpatternsispossiblethroughchangingthevalueofthe
neighborfactor.TakingtheurbandistrictofChangshaanditvicinitiesasthestudyarea,theauthorsconductedan
experimenttosimulateandpredicttheprocessofurbanization,andthenevaluatedandanalyzedtheresults.
Keywords:CellularAutomata(CA);Controllableneighbor—effect;Urban
growth
第一作者简介:刘兴权(1962一),男,中南大学地学院副院长,教授,主
要从事城市GIS,矿山GIS方面的教学与研究工作.
(责任编辑:丁群)
“遥感地质找矿——问题与对策”战略研讨会在成都召开
为落实找矿新机制,深入开展找矿突破战略行动,2011年3月27—28
日,中国地质调查局主办的遥感地质找矿——问题
与对策战略研讨会在成都召开.中国地质调查局党组成员,副局长李金发,中国科学院院士童庆禧,以及来自中国地质调查
局,航遥中心,中科院遥感所,石油勘探开发研究院,有色遥感中心,中国地质大学(北京),成都理工大学,吉林大学,北京大
学,武汉大学,苏州大学等单位的7O多位专家参加了本次研讨会.
李金发副局长提出,1998年国土资源部成立以后,特别是1999年国土资源大调查开展以来,中国地质调查局将遥感技术
作为地质调查和矿产资源评价的重要支撑技术给予重点支持,共设置6O多个工作项目,累计投入经费数亿元.经过多年技术
攻关,我国立体勘查技术体系逐步建立,在遥感技术方法和仪器研发及应用方面取得显着进步,突破了多项遥感地质调查关
键技术,在成像(高)光谱,干涉雷达和高精度航空定向定位等技术等领域达到世界先进水平,初步形成了一些专业技术标准,
研发了多台/套地面光谱仪,开发了具有全部自主知识产权的便携式近红外光谱(矿物)分析仪等遥感应用系统,在基础地质,
矿产勘查,地质调查,地灾应急与环境监测中发挥了重大作用.
李金发副局长表示,与发达国家相比,我国遥感地质勘查技术仍存在明显不足.目前,重引进,轻消化,吸收和自主开发
的情况比较普遍;仪器开发的集成度还不够高,智能化,系列化不够强;软件和硬件开发还缺少人性化设计.对此,我们应全
力攻关,争取在较短的时间内解决这些问题.今年是国家”十二五”规
划的开局之年,遥感技术应进一步瞄准国际前缘,从满
足国家矿产资源和能源探测,地质环境灾害监测等需要出发,进行遥感新技术的研发和攻关.目前,地调局正酝酿启动三维
地质填图,这项工作是地质工作从传统走向现代的重要实践,也是适应我国当今地质工作需求和未来发展趋势,遥感对地观
测技术要为该项工作的开展提供科技支撑.
与会专家提出,”十二五”期间,应进一步瞄准遥感技术国际前缘,从满足国家矿产资源和能源探测,地质环境灾害监测等
需要出发,重点研发和攻关适于地质填图,发展能够进行深部找矿的遥感技术,推进地质找矿突破.
与会专家表示,要充分发挥遥感高科技对地质找矿的引领和支撑作用,实现遥感与传统地学信息和现代信息技术的结
合,在遥感常用方法上下功夫,包括进一步加强基础遥感理论,高光谱遥感卫星应用,干涉雷达,航空遥感系统,遥感矿化信息
定量化提取,国产卫星系统建设等方面的方法试验和应用研究,初步形成全波段,多类型遥感数据获取能力;开展02c星和高
光谱卫星等国产卫星数据的应用技术研发与推广应用;推进遥感地质勘查技术的进步,研制航磁三轴梯度,矢量测量方法,高
精度航空重力测量,航空放射性测量技术及航空电磁测量方法技术研究,研发航空伽玛能谱测量收录系统与软件,高能量分
辨新型航空阵列伽玛能谱测量系统及低空无人机载荷技术和数据传输技术;研制适于地质找矿和地质填图的机载高光谱传
感器,开发航空热红外测量系统;发展能够进行深部找矿的遥感技术,如雷达技术,x光技术和伽玛射线探测技术等;拓宽遥感
应用领域,在基础地质,土地调查,环境灾害和矿产调查等方面明确主要任务和主攻方向.
本次研讨会由中国遥感应用协会专家委员会,中国地质学会遥感地质专业委员会,核工业北京地质研究院遥感信息与图
像分析技术国家重点实验室承办,由成都理工大学数学地质四川省重点实验室,中国科学院遥感应用研究所协办.
【2011—03—30来源:地调局科外部】