元胞自動(dòng)機(jī)在農(nóng)村土地利用動(dòng)態(tài)模擬中的應(yīng)用研究-

1、2007年第10期福建電腦元胞自動(dòng)機(jī)在農(nóng)村土地利用動(dòng)態(tài)模擬中的應(yīng)用研究成筠1,2,陶劉強(qiáng)2,劉文寶1【摘要】:本文從元胞自動(dòng)機(jī)的原理、特征出發(fā)探討了元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata在模擬農(nóng)村土地利用演化格局應(yīng)用中的可能性,并對(duì)利用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行農(nóng)村土地動(dòng)態(tài)模擬的核心問題-轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行了初步探討?！娟P(guān)鍵字】:元胞自動(dòng)機(jī);轉(zhuǎn)換規(guī)則;農(nóng)村土地利用;動(dòng)態(tài)模擬1.引言隨著全球變化研究的深入,人們認(rèn)識(shí)到土地利用/覆蓋變化(Land Use Changes/Covers,簡(jiǎn)稱LUCC是造成全球氣候變化的重要原因。中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),對(duì)土地利用/土地覆蓋的研究已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間,但是以前的很多研

2、究多側(cè)重土地資源的調(diào)查、分區(qū)、分類、規(guī)劃等等。農(nóng)村土地動(dòng)態(tài)演化具有明顯的復(fù)雜性和非線形特征,屬于復(fù)雜巨系統(tǒng)。顯然,靠牛頓力學(xué)等確定型數(shù)理模型的"移植"來建立的地理模型難以模擬這種復(fù)雜現(xiàn)象。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)模型在地球復(fù)雜系統(tǒng)研究中應(yīng)用較為廣泛。但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)模型也有"先天不足",表現(xiàn)在缺乏對(duì)空間因素的處理,同時(shí),它是基于微分方程的,不利于GIS環(huán)境下以離散為特征的計(jì)算機(jī)建模。近年來,建立于微觀動(dòng)態(tài)模擬理論基礎(chǔ)上的一些微觀離散模擬方法如CA(Cellular Automata等被引入到GIS環(huán)境建立時(shí)空動(dòng)態(tài)模擬分析引擎。目前的CA都用在模擬城市交通流、城市擴(kuò)展和林火

3、的模擬和預(yù)測(cè)?；诖?本文從農(nóng)村土地利用/覆蓋的特點(diǎn)出發(fā),提出用CA模擬農(nóng)村土地的動(dòng)態(tài)演化機(jī)制。2.CA及其在模擬農(nóng)村土地利用變化中的可行性2.1CA及其特點(diǎn)元胞自動(dòng)機(jī)是一種具有時(shí)空計(jì)算特征的動(dòng)力學(xué)模型,或者說是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散,空間上相互作用及其時(shí)間上因果關(guān)系皆局部的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型。標(biāo)準(zhǔn)的CA系統(tǒng)是一個(gè)由元胞(Cell、狀態(tài)(States、鄰域(Neighbors、和規(guī)則(Rules構(gòu)成的四元組。所有離散的元胞構(gòu)成一個(gè)元胞空間;在某一時(shí)刻一個(gè)元胞只能取有限的離散狀態(tài)集中的一種;鄰域是元胞按照一定的形狀劃分的元胞集合,它影響該元胞下一時(shí)刻的狀態(tài);轉(zhuǎn)換規(guī)則定義了元胞類型間相互轉(zhuǎn)化的函數(shù)

4、。CA的時(shí)間也是離散時(shí)間,不具有物理意義。用集合語言將CA模型描述為:St+1=f(S t,N,式中,S為有限集合,代表元胞狀態(tài);N代表元胞鄰域;t表示時(shí)間;f為局部轉(zhuǎn)換規(guī)則。CA模型以其框架簡(jiǎn)單、開放和可以模擬十分復(fù)雜系統(tǒng)的行為而具有很強(qiáng)的生命力,從目前的研究看,它具有以下特點(diǎn):(1空間性,反映在以柵格單元空間來定義元胞自動(dòng)機(jī),因而能很好地和許多空間數(shù)據(jù)相互兼容。(2離散性,即時(shí)間、空間、狀態(tài)都是離散的。(3同步性,可以將元胞自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)變化看成是對(duì)數(shù)據(jù)或信息的計(jì)算或處理,這時(shí)的重要特征是計(jì)算并行性。(4局部性,每個(gè)元胞的狀態(tài),只對(duì)于其周圍半徑為r的鄰域內(nèi)的元胞下一時(shí)刻的狀態(tài)有影響。(5高維

5、數(shù),在動(dòng)力系統(tǒng)中一般將變量的個(gè)數(shù)稱為維數(shù),從這個(gè)角度看,元胞自動(dòng)機(jī)的維數(shù)是無窮維的。2.2CA在模擬農(nóng)村土地動(dòng)態(tài)演變中應(yīng)用的可行性本文主要從以下幾個(gè)方面闡明CA在模擬農(nóng)村土地動(dòng)態(tài)演變應(yīng)用中的可行性:(1CA采用"自下而上"的建模方式,而且沒有既定的數(shù)學(xué)方程,只是一個(gè)建模原則,因而具有很好的開放性和靈活性。符合人們認(rèn)識(shí)復(fù)雜事物的思維方式。(2CA是一個(gè)基于微觀個(gè)體相互作用的時(shí)空動(dòng)態(tài)模型,將地理實(shí)體的時(shí)空特性統(tǒng)一到模型中,通過研究對(duì)象的元胞空間劃分、初始狀態(tài)確定及轉(zhuǎn)換規(guī)則,CA就可以自行迭代模擬土地演化。(3CA將時(shí)間和空間離散化,適合于建立計(jì)算機(jī)模型和并行計(jì)算特征。(4CA具

6、有不依賴比例尺的概念,因此可以模擬局部的,區(qū)域的或大陸級(jí)的演化過程。(5CA模型中的元胞和基于柵格GIS中的柵格一樣,所以容易將二者集成。3.CA模型在農(nóng)村土地利用動(dòng)態(tài)模擬中的應(yīng)用農(nóng)村土地利用的動(dòng)態(tài)演化屬于復(fù)雜的地理現(xiàn)象,為了使CA 能夠模擬和分析農(nóng)村土地利用演化,須將標(biāo)準(zhǔn)CA的諸要素進(jìn)行"地理化"形成地理元胞自動(dòng)機(jī)(GeoCA參見圖1:圖1地理元胞自動(dòng)機(jī)模型:擴(kuò)展的元胞自動(dòng)機(jī)模型53.1農(nóng)村土地動(dòng)態(tài)演變CA模型的擴(kuò)展(1地理元胞及狀態(tài)的擴(kuò)展,標(biāo)準(zhǔn)CA中元胞和元胞的狀態(tài)是抽象概念,在本模型中必須給元胞及其狀態(tài)賦予特定的地理含義:元胞為農(nóng)村土地劃分的地塊,元胞的狀態(tài)是土地利用

7、類型,如:城鎮(zhèn)建設(shè)用地、耕地、林地。(2元胞空間的擴(kuò)展。元胞空間不再是抽象的空間,而是與笛卡兒坐標(biāo)系下的實(shí)際地理空間相對(duì)應(yīng),并抽象為二維地域,同時(shí)把元胞空間劃分為規(guī)則的矩形,考慮到元胞空間和笛卡兒坐標(biāo)系下的地理實(shí)體對(duì)應(yīng),不同的元胞大小表現(xiàn)出不同的地理宏觀規(guī)律,因此1Km×1Km大小的地理單元為元胞。(3鄰域定義。本模型中采用Moore鄰域作為元胞的鄰域,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CA中采用的鄰域定義是一樣的。其鄰域定義如下: M M oore=v i=(v ix,v iy|v ix-v ox|1,|v iy-v oy|1,(v ix,v iyZ2(4轉(zhuǎn)換規(guī)則的擴(kuò)展。轉(zhuǎn)換規(guī)則是CA模型的核心,它決定了C

8、A的動(dòng)態(tài)演化過程。(5時(shí)間概念的擴(kuò)展。CA模型中的模擬時(shí)間必須和地理實(shí)體演化中的真實(shí)時(shí)間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,否則,地理時(shí)空建模就失去價(jià)值。一般采用歷史數(shù)據(jù)和其它模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)建立而這之間的聯(lián)系。3.2農(nóng)村土地動(dòng)態(tài)演變CA模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則的確定地理元胞自動(dòng)機(jī)(GeoCA中的轉(zhuǎn)換規(guī)則是地理特征和規(guī)律在局部和微觀上的體現(xiàn)。當(dāng)然,大部分地理規(guī)律是宏觀規(guī)律,一方面很難確定其在局部和微觀上的具體形式,另一方面我們期932007年第10期福建電腦望通過局部間的相互作用而得到某種"突變"。所以,根據(jù)模型的規(guī)則不能推理到宏觀地理規(guī)律的。因此,它與宏觀的地理規(guī)律既有聯(lián)系又有區(qū)別。鑒于農(nóng)村土地動(dòng)態(tài)變化十分

9、復(fù)雜,除受局部個(gè)體間相互作用的影響,還受各種區(qū)域的和更大尺度因素的影響特點(diǎn),CA模型中狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則必須兼顧微觀、區(qū)觀和宏觀,建立綜合的多層次規(guī)劃,才能有效地模擬農(nóng)村土地動(dòng)態(tài)演化過程。而且為了更真實(shí)地模擬其變化過程,本模型采用隨機(jī)CA模型,即在元胞狀態(tài)和鄰域構(gòu)成確定的條件下,元胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)換不是確定的,而是受一定的概率控制。元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則的擴(kuò)展是GeoCA和標(biāo)準(zhǔn)CA最根本的區(qū)別。首先,從微觀層次,主要考慮鄰域函數(shù)這個(gè)指標(biāo)。鄰域函數(shù)是用于刻畫當(dāng)前元胞受周圍鄰域元胞影響程度的指標(biāo),可以用下面的公式表示(1(1;這里P(x,y 鄰域構(gòu)形內(nèi)某種土地類型元胞所占百分比,N表示鄰域構(gòu)形內(nèi)的元胞個(gè)數(shù),X(x,y表

10、示某中土地類型的元胞,表示鄰域空間。其次,從中觀層次考察耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地和其它類型的土地使用之間轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)因子。1從耕地的角度來看:從耕地減少面積統(tǒng)計(jì)分析,我國(guó)耕地面積減少的主要原因如下:(1城鎮(zhèn)建設(shè)用地。城鎮(zhèn)是帶動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要推動(dòng)力,自1992年以來,城鎮(zhèn)建設(shè)占用耕地的比例有較大幅度的上升而且在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)還有上升的勢(shì)頭。(2鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展一直是我國(guó)耕地減少的主要原因,尤其是工業(yè)型的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展。(3個(gè)人建房。在農(nóng)村地區(qū),往往對(duì)土地資源的重要性認(rèn)識(shí)不足,視土地資源為公有財(cái)產(chǎn),隨意亂占、濫用土地,加速了耕地資源的流失。(4農(nóng)村人口增加。人口密度與土地利用覆蓋變化速率呈正相關(guān)關(guān)系

11、,人口增長(zhǎng)速度越快,土地利用變化也越快。由于人口數(shù)量大增,在生產(chǎn)條件沒有大幅度提高的條件下,導(dǎo)致耕地被大量占用。(5農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部調(diào)整。農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整在我國(guó)耕地減少中占較大比例,特別,自1986年土地管理法的實(shí)施,同時(shí)隨著人們對(duì)環(huán)境意識(shí)的提高,耕地減少的現(xiàn)象開始減少。但自1992年后在失常經(jīng)濟(jì)的作用下,加之糧價(jià)低下很多優(yōu)質(zhì)糧田改為魚塘,果園以及經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),加速了耕地的流失,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。(6自然災(zāi)害。長(zhǎng)期以來,土地退化(主要包括水土流失、海水入侵、土地沙化、土壤鹽堿化、土壤污染等是我國(guó)面臨的主要問題,每年因此損失的大量耕地資源。2從城鎮(zhèn)建設(shè)用地角度看。(1人口增加。隨著城鎮(zhèn)人口的增加,城鎮(zhèn)的發(fā)

12、展將向四周擴(kuò)展,且在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)城鎮(zhèn)用地不被用做其它用途。(2經(jīng)濟(jì)繁榮。發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)是城鎮(zhèn)擴(kuò)展的必備條件,一般來說經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)其城鎮(zhèn)規(guī)模也越大。(3交通的通達(dá)性。交通也是城鎮(zhèn)外擴(kuò)的重要途徑,城鎮(zhèn)擴(kuò)展形式與交通呈正相關(guān),城鎮(zhèn)將沿著交通線發(fā)展。3從林地類型角度看,其發(fā)生和發(fā)展除受到區(qū)域自然環(huán)境的直接控制,主要包括氣候、地貌、土壤等以及原始林地覆蓋類型外,還受人類活動(dòng)的干擾,主要表現(xiàn)為人類影響的可達(dá)性與頻率及對(duì)林地的利用方式的選擇,包括人口分布,交通狀況、社會(huì)需求、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整等。綜合對(duì)中觀層次上的驅(qū)動(dòng)力因子利用專家打分法給出權(quán)值Wk,其中k代表各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子。最后利用公式(2計(jì)算土地類型的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

13、(2其中C t ij是在位置(i,j處t時(shí)刻土地類型轉(zhuǎn)換系數(shù);隨后采用下面的負(fù)冪函數(shù)將結(jié)果映射為0,1范圍內(nèi)的土地類型轉(zhuǎn)換概率P。P=aexp-?C(3其中a表示標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù),?表示一種調(diào)節(jié)系數(shù)。最后,在宏觀層次上,考慮時(shí)態(tài)尺度上的影響因子,如由土地可持續(xù)利用導(dǎo)出的土地資源代際分配,控制城市發(fā)展進(jìn)程的規(guī)劃和國(guó)家有意識(shí)地為保護(hù)耕地、林地而劃分的保護(hù)區(qū)。考慮以上因素,整個(gè)模型可以用集合的語言描述為:St+1=f (,St,(N,C,R n,R p其中為元胞空間,可以是鄰域、層次區(qū)域、和全局區(qū)域;St+1和St分別為元胞t+1和t時(shí)刻的狀態(tài);C 為轉(zhuǎn)換系數(shù);Rn,Rp為自然條件和政策規(guī)劃的約束;f為規(guī)則映射函數(shù)。本模型綜合考慮了微觀、區(qū)觀和宏觀的作用因素,建立了更加全面的轉(zhuǎn)換規(guī)則,避