基于CA模型的城市用地扩张模拟研究

论文摘要

我国正处于城市化高速发展阶段,社会经济发展导致城市用地急剧扩张,从而激化人地矛盾。作为人均土地资源稀缺的国家,必须科学合理配置城市土地,控制城市规模,实现城市的可持续发展。城市用地扩张具有开放性、非线性、不确定性和动态性等特征,传统方法难以真实准确的描述城市用地数量和空间上的变化。元胞自动机由于其“自下而上”的动态演化能力,逐渐成为城市用地扩张研究的热点。元胞自动机与GIS等技术方法相结合,可以有效的模拟城市用地的时空变化过程,弥补传统方法的不足,为城市规划工作提供参考依据。本文首先阐述元胞自动机和马尔科夫模型基本理论及其在城市用地扩张研究中的扩展。然后使用土地利用动态度、地形分布优势指数和土地利用状态转移矩阵分析城市用地扩张的特征,分析地形因素和交通因素对城市用地布局的影响。在上述分析结论的基础上,通过若干约束条件对Markov模型生成的元胞转换规则进行修正,提高元胞自动机模拟精度。以武汉市中心城区为研究区域,综合运用Erdas、Arcgis和Idrisi Andes处理数据和分析评价各种因素影响,得到城市用地扩张特征,以此特征为主要依据,对元胞转换规则进行修正。通过真实现状数据检验元胞自动机模型合理性,并校正模型时间参数。使用Markov模型预测城市用地数量变化,同时用元胞自动机模型对未来城市用地扩张进行空间布局模拟。研究结果表明,转换规则进行修正后,元胞自动机模型可以较准确的预测城市用地扩张的数量变化和空间布局变化,对城市规划工作具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景和研究意义
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 国内相关研究进展
• 1.2.2 国外相关研究进展
• 1.2.3 国内外研究总结
• 1.3 研究内容与目的
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 研究方法与技术路线
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 技术路线
• 1.5 可能的创新点
• 2 相关研究理论基础
• 2.1 元胞自动机的概念
• 2.2 元胞自动机的构成
• 2.2.1 元胞及元胞空间
• 2.2.2 元胞状态
• 2.2.3 邻域
• 2.2.4 转换规则
• 2.2.5 时间
• 2.3 元胞自动机的特征
• 2.3.1 元胞自动机的一般特征
• 2.3.2 元胞自动机的本质特征
• 2.4 元胞自动机应用中需解决的难题
• 2.5 元胞自动机在城市用地扩张研究中的可行性及合理性
• 2.6 马尔可夫模型概述
• 3 城市用地扩张分析与模拟
• 3.1 城市用地扩张研究概述
• 3.1.1 城市用地扩张概念
• 3.1.2 城市用地扩张研究方法
• 3.1.3 城市用地扩张影响因素分析
• 3.2 城市用地扩张分析
• 3.2.1 城市用地扩张统计分析
• 3.2.2 城市用地扩张数量预测
• 3.2.3 城市用地扩张的地形因素分析
• 3.2.4 城市用地扩张的交通因素分析
• 3.3 元胞自动机模型的扩展
• 3.3.1 元胞及元胞空间的定义
• 3.3.2 元胞状态集的选取
• 3.3.3 元胞转换规则的扩展
• 3.3.4 模型时间参数校正
• 3.4 元胞自动机模型与GIS集成
• 3.5 城市用地扩张模拟研究
• 3.5.1 地形和交通因素作用标准化
• 3.5.2 其他修正转换规则的约束条件
• 3.5.3 城市用地扩张模拟
• 4 基于CA模型的城市用地扩张实证研究
• 4.1 武汉市概况
• 4.1.1 研究区自然条件
• 4.1.2 研究区社会经济条件
• 4.2 数据来源与数据处理
• 4.2.1 数据来源
• 4.2.2 数据处理
• 4.3 研究区城市用地扩张分析
• 4.3.1 研究区城市用地扩张数量分析
• 4.3.2 研究区城市用地扩张转换分析
• 4.3.3 研究区城市用地扩张的地形因素作用分析
• 4.3.4 研究区城市用地扩张的交通因素作用分析
• 4.4 研究区城市用地模拟
• 4.4.1 元胞及元胞空间
• 4.4.2 元胞状态
• 4.4.3 邻域空间
• 4.4.4 转换规则
• 4.4.5 时间参数
• 4.4.6 基于CA的城市用地扩张模拟
• 4.5 模拟结果分析
• 5 研究总结及讨论
• 5.1 研究总结
• 5.2 讨论
• 5.2.1 研究中存在的不足
• 5.2.2 后续研究展望
• 参考文献
• 研究生期间发表的论文
• 致谢