（地图学与地理信息系统专业论文）土地利用动态模拟系统集成与实现.pdf

摘要 土地是人类赖以生存的命脉，土地利用土地覆被变化( l u c c ) 是 研究当前全球环境变化与可持续发展的重要内容。l u c c 研究包括现 状、驱动机制、效应、模型模拟与土地可持续利用研究。l u c c 模型 模拟在定量分析的基础上通过对土地利用变化与各种社会、经济、技 术及自然环境等影响因子之间相互作用的分析，探索土地利用时空演 变的机制，并对未来土地利用变化进行预测是l u c c 研究的核心内 容之一。 目前，用于l u c c 模拟研究的模型主要有系统动力学模型、元胞 自动机模型、多智能体模型以及c l u e s 模型。其中，c l u e s 模型是 一种动态的土地利用时空变化模拟模型，它具有很强的动态时空变化 模拟能力，可以有效探索未来不同尺度下土地利用时空演变规律。 目前，针对c l u e s 模型开展的研究主要有两类，一类是直接使 用该模型对具体区域进行空间变化模拟，另一类则是在分析具体区域 特点的情况下，对模型进行相应的改进。已有的这些研究中，尽管对 c l u e s 模型进行了一定的改进，但模型构成及其应用方式仍然相同， 即c l u e s 模型及其改进模型都由相互独立松散的模块构成，这种独 立松散的模块构建方式导致模型模拟效率低下，步骤繁琐，出错几率 高。为了解决模型结构松散所带来的问题，本文提出将模型的非空间 模块、空间模块、地图管理模块实现无缝集成，构建一个高效、操作 简便实用的集成系统。系统采用部分模块底层开发与g i s 二次开发结 合方式，运用灰色马尔科夫链预测模型、多元线性回归模型、趋势线 分析等算法实现非空间模块的构建；运用n e w t o n r a p h a s o n 迭代算法 以及非参数法分析分别实现 l o g i s t i c 回归分析以及r o c 曲线精度检 验；运用a r c e n g i n e 组件库相关接口实现模拟结果图显示以及驱动因 子生成。最后，以张家界市永定区作为实验区，将回归系数以及曲线 检验结果与s p s s l o g i s t i c l 亘l 归分析以及r o c 曲线检验对比，回归系 数、曲线分布形状以及面积完全一致；最终模拟结果与a r c 西s 中显示 模拟图完全一致。 研究结果表明，该集成系统模拟效率更高，操作更加简单方便， 可以有效对未来土地利用变化进行模拟，大大丰富了c l u e s 模型的 研究内容，为构建符合中国区域特点的土地利用变化模拟模型提供了 有益的借鉴思路。 关键词：土地利用变化，模拟，c l u e s 模型，模型集成 n a bs t r a c t l a n dr e s o u r c e sa r ei m p o r t a n tb a s e sf o rh u m a ne x i s t e n c e l a n du s e l a n dc o v e rc h a n g e ( l u c c ) i sa ni m p o r t a n tc o n t e n tt oo n eo ft h e r e s e a r c h e si ng l o b a lc h a n g e sa n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h el u c c r e s e a r c hi n c l u d e sm a i n l yl u c cs i t u a t i o n ，d r i v i n gm e c h a n i s m ，e f f e c t s ， s i m u l a t i o no fm o d e la n ds u s t a i n a b i l i t y l u c cm o d e l i n gi so n eo ft h ec o r e c o n t e n to ft h el u c cs t u d ya n du s e di na n a l y z i n gt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n l a n d u s ec h a n g ea n di m p a c tf a c t o r ，s u c ha ss o c i a l ，e c o n o m i c ，t e c h n i c a l a n dn a t u r a le n v i r o n m e n t ，a n de x p l o r i n gs p a t i a la n dt e m p o r a le v o l u t i o n m e c h a n i s mo fl a n d u s ea n dp r e d i c tf u t u r ec h a n g e s a t p r e s e n t ，l u c c s i m u l a t i o nm o d e l si n c l u d em a i n l ys y s t e m d y n a m i c sm o d e l ，c e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e l ，m u l t i a g e n tm o d e l a n d c l u e sm o d e l c l u e sm o d e li sad y n a m i cs p a t i a la n dt e m p o r a l c h a n g e ss i m u l a t i o nm o d e li nl a n du s e i th a sas t r o n gd y n a m i cs i m u l a t i o n c a p a b i l i t yf o rt e m p o r a l a n ds p a t i a lc h a n g e s ，c a ne f f e c t i v e l y e x p l o r e t e m p o r a la n ds p a t i a le v o l u t i o nl a w so ft h ef u t u r em u l t i s c a l el a n d u s e c u r r e n t l y ，t h er e s e a r c hf o rc l u e sm o d e la r ei nt w ow a y s ，o n ei sa d i r e c tr e f e r e n c et os i m u l a t et h er e g i o n a ll a n d u s ea n ds p a c ec h a n g e ，a n d t h eo t h e ri si m p r o v i n gr e l a t i v ef u n c t i o nf o rt h em o d e li nt h ec a s eo f a n a l y z i n gs p e c i f i cr e g i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s i ns p i t eo f t h ec l u e - sm o d e l h a sac e r t a i na m o u n to fi m p r o v e m e n ti np r e v i o uss t u d i e s c l u e sm o d e l a n dt h ei m p r o v e dm o d e la r ec o m p o s e do fo t h e ri n d e p e n d e n tl o o s e m o d u l e s s u c hi n d e p e n d e n tl o o s ec o n s t r u c t i o no ft h em o d u l eh a sl e dt o i n e f f i c i e n c y ，r e ds t e p sa n dah i g he r r o rp r o b a b i l i t y i no r d e rt os o l v i n gt h e m o d e ls t r u c t u r ep r o b l e m sb r o u g h ta b o u tb yt h el o o s e ，t h i sp a p e rp r e s e n t s t h em o d e lo fn o n s p a c em o d u l e s ，s p a c em o d u l e s ，t h em a pm a n a g e m e n t m o d u l et oa c h i e v es e a m l e s si n t e g r a t i o na n dt h e nb u i l da ne m c i e n t s i m p l e a n dp r a c t i c a li n t e g r a t e ds y s t e m t h ei n t e g r a t e d s y s t e m u s e sb o t t o m d e v e l o p m e n tf o rp a r to fm o d u l ec o m b i n ew i t hs e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f g i s ，u s e s g r a ym a r k o vc h a i nm o d e l ，m u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l ， t r e n dl i n ea n a l y s i st oc o n s t r u c tn o n s p a t i a lm o d u l e ；u s e sn e w t o n r a p h a s o n i t e r a t i v e a l g o r i t h ma n dn o n p a r a m e t r i ca n a l y s i st o a c h i e v el o g i s t i c r e g r e s s i o na n a l y s i s ，r e s p e c t i v e l y ，a s w e l la st h er o cc u r v eo ft h e a c c u r a c yo ft e s t i n g ；u s e r e l a t i v ei n t e r f a c eo fa r c e n g i n ec o m p o n e n t l i b r a r ys h o w ss i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dg e n e r a t e sd r i v i n gf o r c e s f i n a l l y ， t a k i n gy o n g d i n gc o u n t yo fz h a n g ji a ji ec i t ya sac a s es t u d ya r e a ，t h e r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t sa n dc u r v ew i t hl o g i s t i cr e g r e s s i o na n a l y s i sa sw e l l a sr o cc u r v ec o m p a r i s o nt e s ti n s p s s ，r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t ，t h e d i s t r i b u t i o nc u r v ea n ds i z ee x a c t l ys a m e ，a n dt h ef i n a ls i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w ns a m es i m u l a t e dm a pw i t ha r c g i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e g r a t e ds i m u l a t i o ns y s t e mi sm o r ee f f i c i e n t ， s i m p l ea n dc o n v e n i e n t ，a n dc a nb ee f f e c t i v es i m u l a t i o nf u t u r el a n d - u s e c h a n g e o u rs t u d y w i l lg r e a t l ye n r i c ht h ec l u e - sm o d e la n di t sa p p l i c a t i o n ， i su s e f u lf o rb u i l d i n gal a n d u s ec h a n g es i m u l a t i o nm o d e lw i t hr e g i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：l a n du s ec h a n g e ，s i m u l a t i o n ，c l u e sm o d e l ，m o d e l i n t e g r a t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：互l l 日期：! 早一年月丑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：i 至盔挫导师签名 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 土地是人类赖以生存的命脉。土地利用反映了人类与自然界相互影响与交互 作用最直接和最密切的关系。1 9 9 5 年，国际科学联盟组织的“国际地圈与生物 圈计划”( i g b p ) 和国际社会科学联盟组织的“全球环境变化人文计划”( i h d p ) 联合j 下式提出“针对人类活动和全球变化的人与生物驱动影响土地利用与土地覆 被及其对环境和社会的影响”的“土地利用土地覆被变化( l a n du s ea n dl a n d c o v e rc h a n g e ，l u c c ) 研究计划【2 】，2 0 0 0 年，l u c c 研究进入l a n dp r o j e c t 阶段， 2 0 0 3 年，i g b p 为l a n dp r o j e c t s l 定了研究重点并提出了相关的科学问题【3 j 。经 近2 0 年的发展，l u c c 研究计划逐渐在世界各国得到了广泛的开展与实施，其研 究内容也从全球气候变化效应研究扩展到不同空间尺度的土地利用和土地覆被 变化过程、驱动机制以及资源、生态和环境效应影响的研究等诸多方面【4 j 。 土地利用土地覆被变化( l u c c ) 是研究当前全球环境变化与可持续发展的 重要内容，作为i g b p 和i h d p 联合拟定的研究项目，土地利用覆被变化( l u c c ) 旨在揭示土地利用变化的状况、原因、效应等科学问题【4 】。l u c c 研究内容主要 体现在四个方面【5 】，即：( 1 ) l u c c 的状况研究；( 2 ) l u c c 的驱动力与驱动机 制研究；( 3 ) l u c c 的效应与作用机制研究；( 4 ) l u c c 的模型模拟与土地可持 续利用研究。其中，探讨l u c c 驱动机制并进行模拟预测是l u c c 研究的核心 内容之一【5 】，通过揭示土地利用覆被变化的原因、规律以及基本过程，预测未来 发展的趋势和状念，以便做出科学合理的决策。 目前，对l u c c 的驱动机制研究的主要途径是通过建立l u c c 模拟模型，在 定量分析的基础上，通过对土地利用变化与各种社会、经济、技术及自然环境等 影响因子之间相互作用的分析，探索土地利用时空演变的机制，并对未来土地利 用变化进行预测。土地利用变化模型，特别是建立在明确空间定位基础上的、综 合集成的多尺度动念模型，是理解和认识区域土地利用覆盖变化的某些关键过 程，并进行定量描述，从而对未来的土地利用变化格局和影响进行评价的重要工 具【6 7 】。选择典型地区，发展土地利用情景模型，预测未来不同情景下的土地利用 时空变化格局，考察和评估土地系统变化的现实和潜在生态环境影响和反馈过 程，已经被众多的研究者认为是揭示土地利用系统与陆地生态系统之间相互作 用机制的有效途径之一【8 ，9 1 。土地利用变化模型的研究能增进土地利用变化机制 和原因的理解，预测未来土地利用变化的速率，并支持政府制定相关政策。 一直以来，许多学者致力于土地利用变化模型的研究，构建了诸多l u c c 模 硕七学位论文 第一章绪论 拟模型，着力于通过建立模型来探讨土地利用的变化。但真正将土地利用变化与 其空间分布相结合，探讨不同尺度上土地利用时空演变规律的动态模型并不多 见【i o l 。荷兰瓦赫宁根农业大学研制的土地利用变化及其影响模型( c l u e s ：t h e c o n v e r s i o no fl a n du s ea n di t se f f e c t sa ts m a l lr e g i o ne x t e n t ) ，是一种动态的土地 利用时空变化模拟模型，该模型在不同区域己得到较为广泛的应用。目前在中国 利用c l u e s 模型的应用研究主要在总结国外经验的基础上。针对c l u e s 模型开 展的研究主要两类，一类是使用该模型对具体区域进行空间变化模拟，另一类则 是在分析具体区域特点的情况下，采取科研合作的方式，对模型源代码进行改进 以构建特定的模型，更体现因地制宜的特点。段增强等( 2 0 0 4 ) 对c l u e s 模型进 行改进，提出了c l u e s i i 模型，引入了动态计算的邻域分析因子，可以对土地 利用变化中的自发过程、自组织过程和土地利用类型间的竞争进行模拟 i0 1 。中 国农业科学院资源区划所与荷兰瓦赫宁根农业大学合作，建立中国土地利用变化 及其影响模型( c l u e c h ) ，属于一种动态的土地利用时空变化模拟模型，在 l u c c 模型应用方面作了有益的探索【1 1 1 ( 陈佑启，2 0 0 0 ) 。已有的这些研究中，尽 管对c l u e s 模型进行了一定的改进，但模型构成及其应用方式都相同，即 c l u e 。s 模型及其改进模型都由相互独立松散的模块构成，不同模块在不同软件 平台开发，缺乏从一个系统的思路来真f 考虑模型的集成。 本文从模型的应用原理、特点出发，将模型的非空间模块、空间模块、地图 管理模块实现无缝集成，构建一个高效、操作简便实用的集成系统。集成c l u e s 模型可以有效解决该模型结构单一，操作复杂繁琐所带来的缺点，大大丰富了该 模型的研究内容，为构建符合中国区域特点的土地利用变化模拟模型提供了有益 的借鉴思路。基于土地利用动态模拟集成系统，可有效分析不同尺度土地利用覆 被变化驱动机制，揭示影响土地利用覆被变化格局与过程的自然、经济、技术、 环境等驱动因子之间的相互关系，加深对土地资源管理调控以及城乡土地利用转 换规律的科学认识，为国家社会经济可持续发展提供科学决策参考。 1 2l u c c 模型预测应用研究综述 1 2 1 国内外l u c c 模型应用研究进展 土地利用变化是全球环境变化与可持续发展的重要研究内容13 1 ，受自然、 人文因素在不同时间、空间尺度上的相互作用【1 1 ，而综合研究模型是深入了解土 地利用变化过程、机理和环境影响的重要手段【7 1 。l u c c 模型在l u c c 研究中地 位非常重要，为此相关学者构建许多模型并应用于土地利用覆被变化的预测研 究。 2 硕十学位论文 第一章绪论 系统动力学( s d ：s y s t e md y n a m i c s ) 模型是1 9 5 6 年，由美国麻省理工学院 j a y w f o r r e s t e r 教授创立的，它是一种以反馈控制理论为基础、数字计算仿真 技术为手段，研究复杂社会、经济、生态系统的方法。它把系统论、控制论、信 息论、决策理论和计算机仿真技术熔为一体，通过分析系统的结构，建立一种结 构一功能模型并在计算机上进行模拟，以此来定量地研究复杂系统的行为发展过 程，展示各种决策的实施后果，寻求改善系统行为方式的途径【1 6 , 1 7 】。随着系统动 力学理论与方法体系的逐渐完善和计算机技术的飞速发展，系统动力学已被广 泛运用于城市经济发展、社会发展总体规划、城市生态系统研究以及土地资源配 置等许多领域的研究。当前，国内外众多研究者的工作已经表明，系统动力学模 型能够从宏观上反映土地系统的复杂行为，是进行土地系统情景模拟的良好工 具【1 8 , 1 9 】。胡孟春等( 1 9 9 1 ) 利用系统动力学方法对奈曼旗不同土地利用结构下地 沙漠化发展趋势进行了模拟；摆万奇等( 2 0 0 0 ) $ t j 用系统动力学模型模拟了深圳市 1 9 5 0 2 0 5 0 年的土地利用变化过程及城镇用地呈“s ”型增长趋势；何春阳等 ( 2 0 0 4 ) 不i j 用系统动力学原理与方法，发展了区域土地利用情境变化s d 模型，并模 拟了中国北方1 3 省未来5 0 年不同社会经济情境下的区域土地利用结构变化；张爱 胜等( 2 0 0 5 ) 利用系统动力学的原理，构建了科尔沁沙地区土地沙漠化综合管理的 s d 模型；何春阳等( 2 0 0 5 ) n 用系统动力学模型和元胞自动机模型进行中国北方1 3 省未来2 0 年土地利用变化的情景模拟；黄庆旭等( 2 0 0 6 ) 矛1 用s d 原理与方法，构建 中国北方未来干旱化过程影响下的土地利用变化系统动力学模型，模拟了北方1 3 省未来3 0 年不同干旱化过程和社会经济情景共同影响下的区域土地利用结构变 化过程；李月臣等( 2 0 0 8 ) n 用s d 模型、人工神经网络和c a 模型建立了不同情景 下l u c c 变化时空演变规律的动态模拟模型，对北方1 3 省多种土地利用覆盖类型 变化的时空特征进行了模拟；r i e b s a m e 构建了综合土地利用s d 模型，利用该模 型对美国平原地区农业发展过程进行了模拟【2 6 】：l e e s l 用s d 模型模拟了亚马逊流 域土地利用类型对生态系统影响作用【2 7 1 。“等运用s d 模型，对北美草原水域洪 灾形成方式进行模拟，取得了较好的结果。 总的看来，系统动力学模型能充分考虑社会经济因素对土地利用变化的影 响，但缺乏对土地利用空间格局特征的模拟。因此，将系统动力学模型与反映空 问格局模型的集成研究，成为一个研究热点。 元胞自动机模型( c a ，c e l l u l a ra u t o m a t a ) 是在4 0 年代由u l a m 首先提出，后 被v o nn e u m a n n 用来研究自组织系统的演变过程【2 8 】。元胞自动机模型在城市土地 利用演变模拟方面研究很广泛，同时也是当前c a 应用的热点 2 9 】。t o b l e r 在2 0 世纪 7 0 年代首次采用c a 的原理与方法来模拟当时美国5 大湖区底特律城市的扩张过 程【z 9 】：c l a r k 等采用城市发展的历史数据对美国西海岸的s a nf r a n c i s c o 和东部的 硕士学位论文 第一章绪论 w a s h i n g t o b a l t i m o r e 城市发展进行了模拟与预测【3 0 , 3 1 】；w h i t e 等应用c a 模型对美 国辛辛那提城市扩张、全球气候变化对c a r i b b e a n 岛的土地利用类型变化影响进 行了模拟与研究【3 2 - 3 4 ：d o u g l a sp w a r d 等集成空间优化与c a 模型对城市土地利 用变化进行了评估；d e a d m a n 等利用c a 来模拟加拿大o n t a r i o 地区的农村居民点的 扩张过型3 5 】；周成虎等于1 9 9 9 年出版了“地理元胞自动机”一书，提出了地理 元胞自动机( g e o c a ) ，并介绍了c a 在地理学方面的应用：黎夏等( 1 9 9 9 ) 在c a 原 理上建立了适于模拟复杂、具自组织结构系统的约束性单元自动演化c a 模型并 对可持续城市发展形态进行了模拟；史培军等( 2 0 0 0 ) 将c a 模型和经验模型结合模 拟深圳市2 0 0 0 、2 0 0 5 、2 0 1 0 年的土地利用变化取得了较好的成果【37 】；张显峰等 ( 2 0 0 1 ) 提出集成g i s 和c a 模型进行地理时空过程模拟与预测的方法，建立了土地 利用演化动态模拟与预测模型( l e s p ) ，对包头市城市扩展和土地可持续利用演化 进行了成功的模拟与预测；刘继生等( 2 0 0 2 ) 以g i s 技术为支持，建立了以c a 为核 心的综合集成模型，对人地关系复杂性进行了研究，具有重要的理论意义；何春 阳等( 2 0 0 3 ) 发展了基于c a 和经济学t i e t e n b e r g 模型的大都市区城市扩展动态模型 ( c e m ) ，并对北京2 0 0 5 2 0 1 5 年的城市发展格局进行了预测；黎夏等( 2 0 0 6 ) 结合面 向对象原理与g i s 基础上，提出面向对象的地理元胞自动机，并设计了g e o c a 模 拟系统，东莞市的土地利用变化趋势做出了较好的预测；张萍等( 2 0 0 7 ) 集成c a 土地丌发模型、人口预测矩阵模型和c a 传染病模型，对英国南安普顿市城市化 过程对转染病传播的影响进行了动态模拟，取得了较好的模拟结果：杨国清等 ( 2 0 0 7 ) 币u 用马尔科夫模型和c a 模型对广 ) 1 2 0 1 0 年土地利用空问格局进行了预测； 邱炳文等( 2 0 0 8 ) 集成灰色预测模型、多目标决策模型、c a 模型与g i s 技术，建立 了g c m g 土地利用变化预测模型，对龙海市2 0 0 0 2 0 1 0 年土地利用变化进行了情 景，为理解土地利用多尺度复杂系统提供了一定的帮助。 元胞自动机模型是一种时空离散的动力学模型，其优点在于具有强大的空间 复杂系统运算能力，能对复杂的土地利用系统进行有效动态模拟。但是该模型无 法有效对人类决策进行模拟，难以反映制约土地利用变化的社会、经济、技术及 自然环境等影响因素。 多智能体系统( m a s ) 逐渐应用在城市土地扩张研究领域，如l i g t e n b e r g 等利 用多智能体系统与c a 模型，建立了基于多智能体空间决策的土地利用情景模拟 模型【4 5 , 糸i 1 ，取得了较好的模拟效果；m o n t i c i n o 利用多智能体系统方法研究了人类 与自然环境之间的相互关系，构建了人类与自然环境之间交互作用的多智能体模 型4 7 1 。b e n e n s o n 应用多智能体模型对城市住宅动态变化进行了仿真模拟，通过 模拟说明了经济、社会差异会导致居住空间分异现象的产生【4 8 j ；o t t e r 等利用多 智能体区位模型模拟了城市中居民区和商业用地的空间分布状况m 9 1 。在国内， 4 硕十学位论文第一章绪论 虽然基于多智能体模型的研究较晚，但是发展迅速，许多学者将其广泛应用在土 地利用覆盖变化动态模拟、城市动态模拟、生态过程模拟等领域。如，张金牡 等( 2 0 0 4 ) 提出外部模型与内部模型相结合的智能体模型，从人类问相互关系来探 索城市扩展的机理，对北京市土地利用变化动态进行模拟研究；刘小平等( 2 0 0 6 ) 利用多智能体和元胞自动机对城市土地资源的可持续利用进行了规划。根据环境 经济学资源分配原理和可持续发展理论，提出结合多智能体及元胞自动机的微观 规划模型，并模拟了广州市海珠区1 9 9 5 2 0 1 0 年的城市扩展动态变化；陶海燕等 ( 2 0 0 7 ) 采用多智能体系统研究地理空间现象的分异过程，采用j a v a s w a r m 仿真技 术，模拟了城市系统有序化的过程；陈海等( 2 0 0 7 ) 对多智能体模型在土地利用 覆盖变化中的研究进展作了详细的论述；杨青生等( 2 0 0 7 ) 运用多智能体和元胞自 动机结合来模拟城市用地扩张的方法，将影响和决定用地类型转变的主体作为 a g e n t 弓l 进元胞自动机模型，结合对广州城郊1 9 8 8 1 9 9 3 年城市用地扩张进行了模 拟研究；张鸿辉，曾永年等( 2 0 0 8 ) 通过分析传统城市土地扩张模型与c a 模型在模 拟城市扩展上的缺陷，提出以多智能体( m d t i a g e n ts y s t e m ) 理论为基础，建立城 市土地资源时空配置规则，构建了动态城市土地扩张模型，并对长沙市区进行城 市土地扩张实证分析，取得了较高的模拟精度。 多智能体模型能有效表达影响土地利用变化的各种人类决策行为，以及社 会、经济与自然环境等影响因子的作用机制，但它主要是一种建模思想，不具备 独立的空间数据处理能力与分析功能，需要与元胞自动机或g i s 空间分析模型结 合才请皂应用于l u c c 研究。 2 0 0 2 年p h v e r b u r g 等学者发表( m o d e l i n gt h es p a t i a ld y n a m i e so fr e 垂o n a l l a n du s e ：t h ec l u e sm o d e l 一文奠定了c l u e s 模型的理论框架，对c l u e s 模型在土地利用土地覆盖变化模拟方面的应用和研究具有深远的影唰5 6 】。此后， 大量学者使用c l u e s 模型进行土地利用覆被变化预测，探索未来土地利用时空 演变规律。如，v e r b u r g ，p h 运用c l u e s 模型对欧洲未来3 0 年间土地利用格局 变化进行了模拟【5 7 5 9 】；w y t s ee n g e l s m a n 运用c l u e s 模型，通过选取15 个驱动 因子，分别对马来西亚半岛中部的s e l a n g o r 河谷盆地1 9 9 9 2 0 1 4 年的土地利用变 化进行了三种不同情景的模拟唧】；k o e np o v e r m a r s 以菲律宾吕宋岛东北部的卡 格扬河流域作为研究区域，运用c l u e s 模型模拟该区域的土地利用格局【6 i 叫； v i n c e n to r e k a n 针对西非地区土地生态环境遭受严重破坏情况，以贝宁湾地区为 研究区域，运用c 叫e s 模型成功模拟了该区域土地利用格局变化1 6 副；c a s t d l 冬 j c 将智能体模型与c l u e s 模型相结合，成功模拟了越南山区的土地利用格局 变化【6 4 ，6 5 1 。 国内c l u e s 模型的应用案例有：陈佑启等( 2 0 0 0 ) 建立了中国土地利用变化 5 硕士学位论文 第一章绪论 及其影响模型( c l u e c h ) ，通过模型分析了我国土地利用变化与其影响因子问的 相互作用，对耕地的变化及其空间分布进行了模拟：张永民等( 2 0 0 3 ) 利用c l u e s 模型，采用1 9 8 5 年的空间数据，对奈曼旗2 0 0 0 年的土地利用变化格局进行模拟， 取得了很高的模拟正确率；段增强等( 2 0 0 4 ) 基于c l u e s 模型原理，对其进行改 进，将改进后的模型c l u e s i i 引入动态计算的邻域分析因子，应用该模型成功 对北京市海淀区1 9 9 1 2 0 0 1 年土地利用变化进行了多方案模拟；邓祥征等( 2 0 0 4 ) 以c l u e s 模型为框架，构建了太仆寺旗土地利用变化时空格局模拟模型，通过 集成s d 模型，动态模拟了太仆寺旗土地利用变化的时空特征；蔡玉梅等( 2 0 0 4 ) 采用c l u e s 模型对邯郸地区进行了土地利用变化空间模拟；摆万奇等( 2 0 0 5 ) 币1 j 用c l u e s 模型对2 0 1 0 年大渡河上游地区土地利用变化进行了动态模拟分析。 吴桂平，曾永年等( 2 0 0 8 ) 通过在传统的l o g i s t i c 回归模型中引入描述空间自相关 变量，对c l u e s 模型的空间分析模块进行了改进，构建了基于a u t o l o g i s t i c 方 法的c l u e s 模型，并对张家界市永定区土地利用格局进行了模拟和分析，结果 表明该模型具有更高的模拟准确率【7 2 , 7 3 】。 土地利用变化模型，特别是建立在明确空阳j 定位基础上的、综合集成的多 尺度动态模型，是理解和认识区域土地利用覆盖变化的某些关键过程，并进行 定量描述，从而对未来的土地利用变化格局和影响进行评价的重要工具【6 , 7 1 。土 地利用变化模型已经越来越多的在农业、环境和生念领域得到应用【7 8 】。 1 2 2l u c c 模拟模型评述 l u c c 模型在土地利用变化预测方面有很重要的作用，但是这些模型也存 在一定得局限性。如，系统动力学模型虽可以预测出未来土地利用覆被在数量 上的变化，但是空间表达性差，无法回答未来土地利用变化“w h e r e 和“h o w 的问题，作为一种自上而下的宏观数量模型，系统动力学模型在反映土地利用空 间格局特征方面还存在明显不足【7 9 】；元胞自动机模型具有强大的空间运算能力， 可以有效地模拟复杂的动态系统【2 9 】，但是该模型主要着眼于单元的局部相互作 用，单元状态变化主要取决于自身和邻居单元的状态组合。尽管它可以在一定程 度上反映土地利用系统的复杂行为，但是无法有效对人类决策进行模拟，对影响 土地利用变化的社会、经济等宏观因素往往难以有效反映。a g e n t - b a s e d 模型可 从微观水平上解释土地利用变化情况，模拟土地利用的决策行为，及社会群体与 自然环境之间的相互作用，是l u c c 人为驱动力研究的一个重要方向。但是它缺 乏对空间因素的处理能力，限制了它在具有空间概念上土地利用系统中的运用 f 8 0 1 o 综合以上这些模型，都没有考虑土地利用变化模拟的尺度效应或尺度敏感 6 硕十学位论文第一章绪论 性，因此亟需一种有效表达多尺度时空演变规律的动态模拟模型。在这方面，近 年来c l u e s 模型引起了学者的广泛关注，它具有预测土地利用土地覆被数量 和空间位置变化的能力【56 | ，优势在于能够模拟多种同时发生的土地利用方式变 化。国内外很多学者都引入这种模型进行土地利用覆被变化预测，探索未来土地 利用时空演变规律。通过大量的案例与实践证明，c l u e s 模型能够有效地模拟 土地覆盖变化的时空动态格局，在土地生产潜力评估和土地利用规划方面具有良 好的应用前景，也是当前最有推广价值的模型。 1 3 研究内容与方法 1 3 1 研究内容 本文主要针对c l u e s 模型存在的局限性，提出了利用g i s 平台进行模型 集成的设计思路。根据模型模拟的原理进行结构设计，将总体集成系统分为三大 模块即：非空间模块、空间模块、地图管理模块。采用部分模型底层开发与g i s 二次丌发的方式分别构建各个模块，同时以张家界市永定区作为实验区，对集成 系统的稳定性与实用性进行了验证研究。 具体研究内容包括： ( 1 ) 非空间模块构建。非空问模块在聚集水平上，主要是对土地利用需求总 量进行预测。对于土地利用需求模块的参数确定，从简单的趋势探索到复杂的经 济模型，可以选择不同的模型方法计算土地需求。需求模块的结果需要确定不同 土地利用类型每年的面积，在空间分配模块中，这些需求被转化成不同位置的土 地利用变化。针对土地利用数据分布特点，本文采用了三种土地利用需求预测的 方法，灰色马尔科夫链预测模型、多元线性回归模型以及趋势线分析。针对这三 种预测方法，在非空间模块中分别从三个子模块一一实现。 ( 2 ) 空间模块构建。该模块的主要包括l o g i s t i c 回归分析、r o c 曲线分析、 驱动因子生成以及模型集成。利用n e w t o n r a p h a s o n 迭代算法可以实现l o g i s t i c 回 归分析，对各个概率值进行分类统计，可以求出r o c 曲线面积，从而验证回归 分析的精度。驱动因子生成需要将原始矢量数据转换成栅格数据，然后经过一系 列的地图代数运算，生成新的栅格图层数据，即驱动因子。最后需要编辑所有模 型运行参数，利用o l e 方法进行模型集成。 ( 3 ) 地图管理模块构建。在利用c l u e s 模型进行模拟后，会生成a s c i i 栅格二进制文件，显示a s c i i 文件需要借助g i s 平台。该模块负责进行数据格 式转换显示以及模拟尺度选择，将a s c i i 文件转换为栅格数据，同时实现模拟 图保存，供以后使用。 7 硕十学位论文第一章绪论 ( 4 ) 土地利用动态模拟系统集成实现。将以上三个模块集成到一个总的集成 系统框架中，实现图形处理、数据转换、数据预测计算、回归分析、参数编辑等 功能为一体的模拟系统，使系统能很好的解决c l u e s 效率低下、操作繁琐易出 错等缺陷，体现很强的实用性和可操作性。 1 3 2 研究方法 本文主要的研究方法如下几种： ( 1 ) 采用灰色马尔科夫链预测数学模型、多元线性回归分析以及趋势线分析 进行土地利用需求量预测。采用底层丌发的方式分别进行状态划分、已有年份预 测对比、未来年份预测以及结果精度评价模块实现。灰色马尔科夫链预测模型的 实现需要在灰色g m ( 1 ，1 ) 模型基础上进行划分状态，对划分状态进行平均取值并 与g m ( i ，1 ) 模型求和，从而得到准确的预测结果。多元线性回归分析需要通过最 d , - 乘法求解回归系数建立回归模型，最后进行相关系数检验，可以求得预测对 象的预测值。趋势线预测模型常数也需要通过最d , - 乘法求解，分别从以往数据 分布规律来构建三种趋势线方程，直线型、指数曲线以及二次抛物线。利用模型 系数进行求解。 ( 2 ) l o g i s t i c 回归分析n e w t o n r a p h a s o n 迭代算法求解偏回归系数。利用 n e w t o n r a p h a s o n 迭代算法求解回归系数，需要先确定回归系数初值0 ) ，初值 对与达到指定精度所需要的迭代次数有较大的影响，因此一般利用修f 的经验 l o g i s t i c 变化确定0 ) 。使用初值进行一次迭代得到一次回归系数，然后在将 一次回归系数进行二次迭代，重复迭代，直到误差达到给定阈值为止，最后算出 最终的回归系数。 ( 3 ) r o c 曲线精度检验。在通过迭代算法求出回归系数后，需要计算出y = o 与y = i 时的概率值，研究概率值分布规律，分别考虑最大值归类为阳性与最小 值归类为阳性两种情况。对概率值进行排序，分别求均值，利用非参数法分析可 以求出r o c 曲线坐标以及曲线面积。 ( 4 ) a r c e n g i n e 组件二次开发实现地图操作，以及驱动因子生成。在进行回 归分析之前，需要对数据进行转换，主要是对原始矢量数据进行栅格转换，分别 使用a r c e n g i n e 组件库中的i c o n v e r s i o n o p 接口的t o r a s t e r d a t a s e t 方法进行数据 转换。在新生成的栅格数据图层上进行一系列的地图代数计算，根据需要可以分 别得到距主要城市距离、距主要道路距离、距主要水系距离、高程、坡度以及坡 向等驱动因子。使用c l u e s 模型进行模拟分析生成a s c i i 格式模拟图，使用 a r c e n g i n e 组件库中i r a s t e r l m p o r t o p 2 接口的i m p o r t f r o m a s c i i 方法进行数据转 换，然后使用分级渲染的方法进行图层显示，最后使用i a c t i v e v i e w 接口的o u t p u t 8 硕十学位论文 第一章绪论 方法进行地图输出。 ( 5 ) c l u e s 模型集成调用。在集成系统框架下，分别实现m a i n 1 、a l l o w t x t 等参数文件的编辑，采用调用e x e 文件方式进行模型集成，分别集成f i l e c o n v e r t 模块与c l u e s 模块进行模拟分析。 1 3 3 技术路线 本文研究的主要技术路线见图1 1 ，。7 l o g i s t i c 网归：a l l o c l r e g ，m a i n 1 一 分析 = = = = 三等 jc l u e s 模型 。? = 一一= 参数编辑 r