基于细胞自动机的城市土地利用变化研究

论文摘要

我国城市化的进程加快,使得城市用地需求增加,城市土地利用中的矛盾日趋紧张。因此,必须有合理的城市土地利用方案来对城市规划进行引导。针对城市土地利用具有控制因素复杂、关键特征值提取困难等特点,本文提出了一种基于细胞自动机和GIS系统相结合的新型复合预测方法,对城市土地利用进行了仿真和预测,主要工作如下:第一,在对经典细胞自动机理论进行分析的基础上,针对城市系统的特点进行了扩展与改进,使之与GIS系统有机融合,利用ArcGIS软件中功能对所需数据进行编程处理,并结合BP神经网络对城市土地利用规律进行提取,然后将所得规律作为细胞自动机的转换规则进行仿真预测,所得结果再通过GIS进行可视化输出,从而构建了城市细胞自动机来研究城市土地利用变化。第二,建立了无锡细胞自动机,利用无锡1991、1998、2001、2008、2010年的遥感地图及其他社会经济数据,以1991年各数据为输入,2010年数据为导师训练得出无锡城市土地利用变化规律,运行无锡细胞自动机模拟得出了1998、2001、2008和2010年的土地利用状况图,结果表明该仿真方法的Lee-Sallee形状指数分别为0.683,0.604,0.595和0.586,达到了较好的模拟效果,并在此基础上预测了2012年无锡的城市土地利用变化状态。第三,对得出的无锡城市土地利用变化仿真图进行了评价,根据大量数据从自然、经济、政策、交通等方面分析无锡城市土地利用状态的变化,最后根据2012年无锡土地利用变化状态预测结果,提出了对无锡市城市土地利用变化的建议。最后通过仿真证明,运用细胞自动机与GIS系统相结合的方法构建的城市细胞自动机,在无突发政策及其他干扰的情况下,可以在一定程度上模拟预测出城市土地利用变化,给出未来可能的城市土地利用变化状况,对规划城市土地利用具有相当意义的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景、意义和目的
• 1.2 国内外模拟城市用地扩展模型的相关研究
• 1.3 论文研究方法与技术路线
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 理论基础与方法讨论
• 2.1 细胞自动机（CA）的理论基础
• 2.1.1 细胞自动机的背景
• 2.1.2 细胞自动机的组成
• 2.1.3 细胞自动机的特点
• 2.1.4 细胞自动机的应用
• 2.1.5 细胞自动机的举例——生命游戏
• 2.2 细胞自动机的转换规则
• 2.2.1 BP 神经网络的概念及其结构
• 2.2.2 BP 神经网络的算法
• 2.2.3 BP 神经网络与细胞自动机系统的结合
• 2.3 利用细胞自动机系统研究城市土地利用的可行性和合理性
• 2.4 利用细胞自动机系统研究城市土地利用的不足和局限性
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于细胞自动机的城市土地利用系统
• 3.1 城市土地利用的控制因素
• 3.2 细胞自动机在城市土地利用变化研究中的扩展
• 3.2.1 城市细胞及其状态
• 3.2.2 城市细胞空间
• 3.2.3 城市细胞邻居
• 3.2.4 城市细胞状态转化规则
• 3.3 城市细胞自动机的构建方法
• 3.4 城市细胞自动机系统的实现步骤
• 3.4.1 城市细胞自动机数据来源
• 3.4.2 城市细胞自动机数据的处理
• 3.4.3 城市细胞自动机数据库的建立
• 3.4.4 城市细胞自动机模块的建立
• 3.4.5 细胞转换规则——BP 神经网络的建立
• 3.4.6 城市细胞自动机模型的校验与评价
• 3.4.7 城市细胞自动机模型的应用举例——无锡新安和雪浪镇
• 3.5 本章小结
• 第四章 无锡市的城市土地利用变化模拟与仿真
• 4.1 无锡的地理位置及其社会经济状况
• 4.1.1 无锡的地理位置
• 4.1.2 无锡的自然地理概况
• 4.1.3 无锡的社会经济概况
• 4.2 无锡城市细胞自动机系统的构建
• 4.2.1 无锡城市细胞自动机模型的数据
• 4.2.2 无锡城市细胞自动机模型的数据的获取
• 4.2.3 无锡城市细胞自动机模型的数据库的建立
• 4.2.4 无锡城市细胞自动机模型神经网络的训练
• 4.3 无锡市的城市细胞自动机模型的模拟和仿真
• 4.3.1 无锡城市细胞自动机模型动态模拟方法框架
• 4.3.2 无锡城市细胞自动机模型具体仿真
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 政策对无锡市发展的影响
• 4.4.2 自然条件和交通对无锡市发展的影响
• 4.4.3 社会经济条件对无锡市发展的影响
• 4.4.4 仿真结果对无锡市城市扩展的指导
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 神经网络模块部分源程序
• 附录B 作者在攻读硕士学位期间发表的论文