基于約束條件的元胞自動機土地利用規(guī)劃布局模型_圖文

1、第32卷第12期項目來源:國家自然科學基金資助項目(40271088;廣西應用基礎研究專項基金資助項目(0731022;廣西高校人才小高地資源與環(huán)境科學科研創(chuàng)新團隊建設經費資助項目。文章編號:1671 8860(200712 1164 04文獻標志碼:A基于約束條件的元胞自動機土地利用規(guī)劃布局模型楊小雄1,2 劉耀林1 王曉紅1,3 段 滔1(1 武漢大學資源與環(huán)境科學學院,武漢市珞喻路129號,430079(2 廣西師范學院資源與環(huán)境科學學院,南寧市明秀東路175號,530001(3 貴州大學林學院,貴陽市花溪區(qū),550025摘 要:分析了我國當前土地利用規(guī)劃布局的不足,對標準的元胞自動機模

2、型的元胞涵義、規(guī)則定義等進行了擴展,探討了元胞自動機模型在政策及相關規(guī)劃約束、鄰域耦合、適宜性約束、繼承性約束及土地利用規(guī)劃指標約束下的土地利用規(guī)劃布局的元胞自動機模型。以廣西東興市為例進行了模型的仿真運行和結果分析。關鍵詞:土地利用規(guī)劃布局;元胞自動機;約束條件中圖法分類號:P273;P208常見的土地利用規(guī)劃布局有土地利用分區(qū)模式和土地利用類型模式1。傳統(tǒng)的布局方法受人為因素影響較大,不能動態(tài)地反映土地利用規(guī)劃布局的全過程,難以適應土地規(guī)劃智能化信息處理的需求。元胞自動機(cellular auto mata,CA作為一種通用的時空動態(tài)模型,已成為城市增長、擴散和土地利用演化、土地利用情景

3、模擬等方面的研究熱點2 4。元胞自動機在土地利用規(guī)劃布局方面的研究正處于探討階段,并在基本農田保護區(qū)的自動生成方面已取得一些成果5,但對如何利用元胞自動機進行區(qū)域土地利用規(guī)劃布局尚未系統(tǒng)地研究。本文通過基于約束條件的元胞自動機與GIS 相結合來進行土地利用規(guī)劃布局研究,對于消除常規(guī)模擬方法所帶來的弊端,提高土地利用總體規(guī)劃的科學性、合理性具有重要的理論和現(xiàn)實意義。1 模型構建1.1 基本流程利用元胞自動機進行區(qū)域土地利用規(guī)劃布局,是從土地利用現(xiàn)狀出發(fā),通過土地利用方式的迭代來實現(xiàn)土地利用的規(guī)劃目標。對于N 種土地利用類型,每個元胞可以有N N 種可能的變化,但在規(guī)劃期內,土地利用之間的轉換受到

4、人為的控制,建立約束性的元胞自動機規(guī)劃布局模型,其實質就是通過在CA 模型中加入一些約束性條件來控制模擬過程,使元胞的轉換按預定的方向發(fā)展,從而實現(xiàn)土地利用規(guī)劃布局。在元胞的轉換中,往往受到各種力量的制約:!元胞的轉換與周圍元胞有關,即鄰居元胞與中心元胞具有耦合作用;元胞的轉換受原土地利用的影響,即土地利用具有繼承性(慣性;#土地利用應與土地適宜性基本一致,即元胞的轉換受到土地利用適宜性影響;土地利用布局受政策性及相關規(guī)劃制約;%根據(jù)一定規(guī)則轉化的元胞面積應與土地利用總體規(guī)劃控制指標一致,包括與土地利用總體規(guī)劃控制的各區(qū)域指標一致。為了建模和計算的方便,上述約束條件本文分別稱之為鄰域耦合作用、

5、繼承性約束、適宜性約束、政策及相關規(guī)劃約束、指標性約束。在規(guī)劃布局中,為了使各類用地布局相對集中,當一個元胞或元胞的組合轉化為某類用地時,其周圍的元胞也第32卷第12期楊小雄等:基于約束條件的元胞自動機土地利用規(guī)劃布局模型可能轉化為相應的地類,則該元胞或元胞組合稱為種子。其模型流程如圖1 。圖1 土地利用規(guī)劃布局流程圖地、城鎮(zhèn)用地、獨立工礦用地、農村居民點、水產養(yǎng)殖用地、未利用土地等10種地類組成元胞的初始狀態(tài)。鑒于土地利用的復雜性,在土地利用布局中,鄰居的定義可更加靈活,鄰居的構形可以是非平衡、非對稱的多種形式,鄰居半徑可能不同。對于城鎮(zhèn)用地、獨立工礦用地、特殊用地、農村居民點用地,其鄰域可

6、定義為:在按摩爾型確定基本鄰居的基礎上,檢索確定空間內所有鄰居的交通屬性。在元胞實體屬性表中,交通屬性取值定義為:0表示鄰居空間內無交通線通過,1表示中心元胞無交通線通過,2表示中心元胞有交通線通過。選擇基本鄰居空間內的交通屬性值大于等于1的元胞為真實鄰居6,對于其他用地類型,則按摩爾型確定鄰居。在元胞狀態(tài)和鄰居構形及約束確定的條件下,元胞的狀態(tài)變化可表示為:S t+1i =f (S t i ,B t i ,C t i ,I t i ,N t i,j (1式中,S t +1i是元胞i 在t +1時刻的狀態(tài)組合;S t i 是元胞i 在t 時刻的狀態(tài)組合;B t i 是元胞i 在t 時刻的政策與

7、相關規(guī)劃約束;C t i 是元胞i 在t 時刻的土地利用適宜性約束;I ti 是元胞i 在t 時刻的土地利用的繼承性約束;N t i,j 是以元胞i 為中心元胞,在t 時刻與鄰域元胞j 的耦合;f 是轉換函數(shù);t 是時間。從式(1可以看出,元胞的狀態(tài)轉換并不是確定的,它受轉換函數(shù)的制約,其轉換函數(shù)為:P t+1(sk,i=f (B t+1(sk,i,C t+1(sk,i,I t+1(sk,i,N t+1(sk,ij(2式中,P t +1(sk,i是元胞i 在t 至t +1時段內由土地類型s 轉換為k 的轉換指數(shù);B t +1(sk,i是元胞i 在t 至t+1時段內由s 轉換為k 的政策與相關規(guī)

8、劃性約束;C t +1(sk,i是元胞i 在t 至t +1時段內由s 轉換為k 的適宜性約束;I t +1(s k,i是元胞i 在t 至t +1時段內由s 轉換為k 的繼承性(慣性約束;N t +1(sk,ij是元胞i 在t 至t +1時段內由s 轉換為k 的與鄰域元胞j 的耦合。在影響土地利用規(guī)劃布局的諸因素中,各因素的作用性質并不相同,有的約束程度與因素指標的高低有關,可稱之為一般性約束,其取值可根據(jù)其模糊隸屬關系取01之間;有的在規(guī)劃期內難以改變或不能改變,包括政策與相關規(guī)劃因素、繼承性因素,這些可稱之為強制性因素,其取值為0或1。式(2可表示為:類型的布局。規(guī)則2:種子是指各規(guī)劃用地最

9、具轉換潛力的初始元胞或元胞組合。在進行種子的選擇前,1165武漢大學學報 信息科學版2007年12月應設定各規(guī)劃用地轉換指數(shù)的閾值(以下稱種子確定的閾值,以元胞i從規(guī)劃基期年到規(guī)劃目標年(即從t到t+1時段內轉換的指數(shù)P t+1(s k,i高低作為元胞轉換的基礎。當轉換指數(shù)大于種子確定的閾值時,則確定為種子;反之,則不作為種子。同時,種子選擇應在各下級行政區(qū)域之間基本平衡。規(guī)則3:在進行種子的擴張前,同樣應設定各規(guī)劃用地轉換指數(shù)的閾值(以下稱種子擴張的閾值,方法同規(guī)則2。當轉換指數(shù)大于種子擴張的閾值時,則擴張;反之,則不擴張。規(guī)則4:在進行種子的擴張時,擴張元胞應同時滿足以下3個條件:!擴張元

10、胞與種子元胞在空間上是拓撲鄰接的;擴張元胞與種子元胞在屬性上表現(xiàn)為用地類型相同;#擴張元胞的轉換指數(shù)要大于種子擴張的閾值。規(guī)則5:當元胞由一種土地類型轉換為另一種土地利用類型后,它與鄰域元胞之間的耦合作用將改變,鄰域元胞的轉換指數(shù)應重新計算。規(guī)則6:假定一種土地利用類型發(fā)生轉化后,則在模擬周期內假定它不能再轉化為其他類型。規(guī)則7:各土地利用類型的元胞轉換數(shù)量按以下公式控制:Q q=M/A(5式中,Q q為q類土地的元胞數(shù)量;M為q類土地的規(guī)劃控制面積;A為元胞面積。2 實例研究為了檢驗基于約束條件下土地利用規(guī)劃布局模型的效果,本文以廣西東興市為例進行了土地利用總體規(guī)劃布局研究。東興市土地總面積

11、為548.65km2,2004年農用地面積為374.36km2,占68.19%;建設用地面積為28.81km2,占5.25%;未利用地面積為145.48km2,占26.51%,總人口為10.7萬人7。2.1 數(shù)據(jù)準備本實驗進行了19972004年和20052010年兩個時間段的模擬。基礎數(shù)據(jù)是東興市1997和2004年的土地利用現(xiàn)狀矢量圖、地形圖、土壤類型圖等,所有地圖經過矢量化、統(tǒng)一配準和矢量轉柵格后,建立元胞實體數(shù)據(jù)庫。將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉化為120m120m柵格數(shù)據(jù),共38733個元胞,覆蓋了整個東興市。1政策與相關規(guī)劃約束。主要受經濟發(fā)展規(guī)劃、城市規(guī)劃、產業(yè)規(guī)劃及各部門規(guī)劃的約束。有以

12、下兩種處理方式:對于強制性約束的政策或規(guī)劃,按二值函數(shù)處理,取值為0或1;對于非強制性政策或規(guī)劃,根據(jù)其約束程度按模糊關系處理,其值由系統(tǒng)參數(shù)庫給定,并可根據(jù)情況進行調整。2鄰域耦合作用。鄰域耦合是鄰居元胞與中心元胞的相互作用,表現(xiàn)鄰居元胞與中心元胞的一種吸引或排斥,可稱之為鄰域耦合作用。所有鄰居對中心元胞的耦合作用稱之為鄰域耦合力。有如下關系:N t+1sk,i=&m p c n k/m(6式中,N t+1s k,i是鄰居元胞在t至t+1時段內對元胞i的鄰域耦合作用;m為鄰居個數(shù);p c為元胞耦合力;n k為k類元胞的數(shù)量。p c為二值函數(shù),當s= k時,p c為0;當sk時,p c

13、為1。3土地繼承性(慣性約束。土地繼承性與土地利用的特性密切相關,其大小可用模糊關系表示。由系統(tǒng)參數(shù)庫給定,并可根據(jù)布局情況進行調整。4土地適宜性約束。在規(guī)劃期內,元胞轉換存在多種可能,每個元胞有N N種轉換的可能,不同的轉換評價的因素不一致,需建立動態(tài)的評價指標體系,并采用多因素加權和的方式測算各元胞的適宜性值。公式如下:C t+1(s k,i=&m X m W m(7式中,X m是土地利用類型s向k轉換的評價因素;m是影響因素的個數(shù);W m是因素m的權重。土地適宜性值測算出來后再進行標準化處理。5土地利用規(guī)劃目標與結構優(yōu)化控制指標。從東興市土地資源特點和社會經濟發(fā)展要求出發(fā),建立規(guī)

14、劃目標函數(shù)8,采用多種優(yōu)化模型,優(yōu)化各類用地結構。2.2 系統(tǒng)運行與結果分析1模型的歷史檢驗。根據(jù)有關數(shù)據(jù),模擬了1997年2004年東興市土地利用規(guī)劃布局圖,并與2004年現(xiàn)狀圖進行比較。經過調查,1997 2004年東興市土地利用基本按規(guī)劃進行,雖有幾宗用地進行了規(guī)劃布局調整,但面積較小,對整體布局影響不大。采用Kappa系數(shù)9測算,相關度系數(shù)F達到了0.8556,比較結果見封3插圖1,說明該模型模擬的結果是可接受的。2結果分析。經系統(tǒng)運行,可提取任一用地的規(guī)劃布局及總體布局情況。封3插圖2反映了東興市城鎮(zhèn)用地現(xiàn)狀及近期(2010年規(guī)劃布局情況,封3插圖3反映了東興市園地現(xiàn)狀及近期1166

15、第32卷第12期楊小雄等:基于約束條件的元胞自動機土地利用規(guī)劃布局模型(2010年規(guī)劃布局情況,封3插圖4反映了東興市用地現(xiàn)狀及近期(2010年規(guī)劃布局總體情況。為了檢驗模型的效果,采用像元矩陣比較法10進行檢驗,即以傳統(tǒng)方法編制的(1997 2010年土地利用規(guī)劃圖與基于約束條件的CA 模擬土地利用規(guī)劃布局圖進行比較,其差異度均在(5%以內,說明該模型是可行的。3 結 語1本文提出的基于約束條件的元胞自動機土地利用規(guī)劃布局方法,基本符合土地利用規(guī)劃布局的要求;采用模糊關系來反映各因素的約束機制,是土地利用規(guī)劃布局智能化處理的關鍵環(huán)節(jié);同時,通過參數(shù)調整可得到不同的規(guī)劃布局方案,為方案的優(yōu)選提

16、供了可能。2轉換規(guī)則的定義很大程度上依賴于主觀直覺與經驗,不可避免地帶有一定的人為性,如何更加全面、合理地定義轉換規(guī)則尚待進一步探索。參 考 文 獻1 王萬茂.土地利用規(guī)劃學M.北京:中國農業(yè)出版社,20022 劉耀林,劉艷芳,明冬萍.基于灰色局勢決策規(guī)則的元胞自動機城市擴展模型J.武漢大學學報信息科學版,2004,29(1:7 133 何春陽,史培軍,陳晉,等.基于系統(tǒng)動力學模型和元胞自動機模型的土地利用情景模型研究J.中國科學(D輯,2005,35(5:464 4734 黎夏,葉嘉安.約束性單元自動演化CA模型及可持續(xù)城市發(fā)展形態(tài)的模擬J.地理學報,1999,54(4:289 2985 黎

17、夏,葉嘉安.單元自動演化模型自動生成農田保護區(qū)的研究J.中國環(huán)境科學,2000,20(4:3183226 羅平,杜清運,雷元新,等.城市土地利用演化CA模型的擴展研究J.地理與地理信息科學,2004,20(4:48 517 廣西統(tǒng)計年鑒編輯委員會.廣西統(tǒng)計年鑒2005年M.北京:中國統(tǒng)計出版社,20058 龔健,劉耀林.基于SD M OP整合模型的土地利用總體規(guī)劃研究J.武漢大學學報 信息科學版,2005,30(4:322 3259 何春陽,陳晉,史培軍,等.大都市區(qū)城市擴展模型+以北京城市擴展模擬為例J.地理學報,2005,58(2:294 30410張啟春.城市模型建模原則與模擬結果檢驗方

18、法研究J.西華師范大學學報(自然科學版,2005,26(3:262 266第一作者簡介:楊小雄,副研究員,博士生,主要從事土地評估與規(guī)劃、智能化土地信息處理等教學與科研工作。Land Utility Planning Layout Model Based on ConstrainedC onditions Cellular AutomataYA N G X iaox iong1,2 L I U Yaolin1 W AN G X iaohong1,3 D UA N Tao1(1 S chool of Resour ce an d En viron men t Science,Wuh an Uni

19、versity,129Lu oyu Road,Wuh an430079,C hina(2 Faculty of Resource and Environm ent Science,Gu angx i T each ers Education University,175East M ingxiu Road,Nannin g530001,Chin a(3 Forestry College of Guizhou University,Huaxi County,Guiyang550025,Ch inaAbstract:T he deficiency of the current technique of general land use planning layout in our countr y