大庆市城市扩展模拟研究

论文摘要

城市是最具影响力的时空复合系统,它具有开放性、动态性、自组织性等耗散结构特点,其行为有着高度的复杂性。而城市扩展是一个复杂的时空转换过程,它使不同的土地利用类型转化为城市用地,其结果同时也表现为城市规模的日益扩大。城市扩展的结果表现为城市用地面积的增长和城市空间规模的扩张,如何建立城市模型来描述城市扩展的量与形,模拟和分析城市在扩展变化中表现的复杂动态行为,具有重大的理论和实际意义。CA（元胞自动机）模型和CLUE-S （土地利用变化及其效应）模型是目前应用较为广泛的土地利用模拟模型。CA模型是一种“自下而上”的动态模拟建模框架,主要用于模拟城市扩展,在模拟复杂空间系统时具有一定优势,主要集中在基于城市增长的模式模拟。CLUE-S模型适应于中小尺度规模地区土地利用变化空间模拟,多用于多种土地利用类型的预测模拟中,用于城市扩展方面的研究比较少。大庆市是典型的资源型城市,近年来发展迅速,又正处于资源型城市转型的重要时期,城市扩展对土地的需求逐步加大,如何合理的利用有限的土地进行规划,对大庆市的发展具有重大意义。本研究以大庆市为研究对象,以大庆市1990年和2000年TM遥感影像数据为基础数据,应用基于Logistic回归的CA模型和基于神经网络的CA模型,对大庆市的城市建设用地未来发展进行了模拟；同时用CLUE-S模型对大庆市2015年和2020年进行城市扩展模拟预测,并与CA模型的模拟结果进行了对比分析,以期为城市扩展规划,以及城市扩展模拟研究方法提供参考依据。本研究得出的主要结论如下：（1）基于Logistic回归的CA模型的大庆市城市扩展模拟结果边缘较圆润,主要在原有城市用地周围蔓延增大,向周围增长的速度比较均匀。2015年和2020年的大庆市城市用地情况较2000年城市用地现状分别扩展了38.57%和44.77%。从城市重心转移角度分析,2000年到2015年的扩展速度与2015年到2020年的扩展速度相仿,北向且东向扩展,扩展趋势范围主要集中在红岗区和让胡路区。（2）基于神经网络的CA模型的大庆市城市扩展模拟结果表现在原有较大城市用地面积的地区扩展速率较大,在北部方向有零星城市用地板块产生。2015年和2020年的大庆市城市用地情况与2000年的城市建设用地比较扩展量分别为24.3%和31.5%。由城市重心转移角度分析,2000年到2020年的扩展趋势以北向为主以东向为辅,以萨尔图区和龙凤区最为明显。（3）基于CLUE-S模型的大庆市城市扩展模拟结果边缘破碎,原有较大城市用地面积的地区扩展速率较大,并向四周蔓延扩展。2015年和2020年的大庆市城市用地情况较2000年城市扩展了40.19%和47.25%。从城市重心转移角度分析,2000年到2020年的扩展趋势以东向为主以北向为辅,扩展范围主要集中在龙凤区和萨尔图区。（4）综上基于CA模型和基于CLUE-S模型的大庆市城市扩展模拟研究中,可得到结果,大庆市2015年、2020年城市面积将继续扩展,城市重心将明显向北移动,并具有向东移动的趋势。（5） CLUE-S模型和CA模型在空间栅格土地利用转化概率方面所考虑的因素不同,是两模型模拟结果不同的主要原因。CLUE-S模型主要考虑栅格土地利用转化受自然、社会因素的影响及栅格内土地类型稳定性的影响；CA模型除考虑这些因素外,还考虑邻域栅格的影响,体现了元胞在其变化繁衍过程中,自身和周围元胞的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.1.1 城市扩展模拟研究现状
• 1.1.2 基于CA的城市模型的研究现状
• 1.1.3 CLUE-S模型的研究现状
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 研究方法和研究内容
• 1.3.1 研究方法和研究路线
• 1.3.2 研究内容和组织结构
• 1.3.3 研究特色及创新之处
• 1.4 本章小结
• 第2章 研究区概况与数据处理
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 自然概况
• 2.1.2 社会经济概况
• 2.2 数据来源及处理
• 2.2.1 数据来源
• 2.2.2 数据预处理
• 2.2.3 遥感影像解译
• 2.3 本章小结
• 第3章 城市扩展模拟研究的理论基础
• 3.1 城市CA模型的原理和方法
• 3.1.1 CA模型的原理和构成
• 3.1.2 基于Logistic回归模型的CA模型
• 3.1.3 基于神经网络模型的CA模型
• 3.2 CLUE-S模型的原理与实现
• 3.2.1 模型的支撑条件
• 3.2.2 模型的动态模拟
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于CA模型的大庆市城市扩展模拟研究
• 4.1 基于Logistic的CA模型的城市扩展模拟
• 4.1.1 模型的构建
• 4.1.2 模型的检验
• 4.1.3 模型的模拟预测
• 4.2 基于神经网络的CA模型的城市扩展模拟
• 4.2.1 模型的构建
• 4.2.2 模型的模拟预测
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于CLUE-S模型的大庆市城市扩展模拟研究
• 5.1 CLUE-S模型构建与检验
• 5.1.1 模型的非空间模块构建
• 5.1.2 模型的空间模块构建
• 5.1.3 模型的参数文件
• 5.1.4 模型的检验
• 5.2 基于CLUE-S模型的大庆市城市扩展模拟
• 5.3 本章小结
• 结论与讨论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢