元胞自動機在農(nóng)村土地利用動態(tài)模擬中的應(yīng)用研究-

1、2007年第10期福建電腦元胞自動機在農(nóng)村土地利用動態(tài)模擬中的應(yīng)用研究成筠1,2,陶劉強2,劉文寶1【摘要】:本文從元胞自動機的原理、特征出發(fā)探討了元胞自動機(Cellular Automata在模擬農(nóng)村土地利用演化格局應(yīng)用中的可能性,并對利用元胞自動機進行農(nóng)村土地動態(tài)模擬的核心問題-轉(zhuǎn)換規(guī)則進行了初步探討?！娟P(guān)鍵字】:元胞自動機;轉(zhuǎn)換規(guī)則;農(nóng)村土地利用;動態(tài)模擬1.引言隨著全球變化研究的深入,人們認識到土地利用/覆蓋變化(Land Use Changes/Covers,簡稱LUCC是造成全球氣候變化的重要原因。中國作為一個農(nóng)業(yè)大國,對土地利用/土地覆蓋的研究已經(jīng)有很長的時間,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)村土地動態(tài)演化具有明顯的復雜性和非線形特征,屬于復雜巨系統(tǒng)。顯然,靠牛頓力學等確定型數(shù)理模型的"移植"來建立的地理模型難以模擬這種復雜現(xiàn)象。系統(tǒng)動態(tài)學模型在地球復雜系統(tǒng)研究中應(yīng)用較為廣泛。但系統(tǒng)動態(tài)學模型也有"先天不足",表現(xiàn)在缺乏對空間因素的處理,同時,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算機建模。近年來,建立于微觀動態(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)境建立時空動態(tài)模擬分析引擎。目前的CA都用在模擬城市交通流、城市擴展和林火

3、的模擬和預測。基于此,本文從農(nóng)村土地利用/覆蓋的特點出發(fā),提出用CA模擬農(nóng)村土地的動態(tài)演化機制。2.CA及其在模擬農(nóng)村土地利用變化中的可行性2.1CA及其特點元胞自動機是一種具有時空計算特征的動力學模型,或者說是一種時間、空間、狀態(tài)都離散,空間上相互作用及其時間上因果關(guān)系皆局部的網(wǎng)絡(luò)動力學模型。標準的CA系統(tǒng)是一個由元胞(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)成一個元胞空間;在某一時刻一個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的時間也是離散時間,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表示時間;f為局部轉(zhuǎn)換規(guī)則。CA模型以其框架簡單、開放和可以模擬十分復雜系統(tǒng)的行為而具有很強的生命力,從目前的研究看,它具有以下特點:(1空間性,反映在以柵格單元空間來定義元胞自動機,因而能很好地和許多空間數(shù)據(jù)相互兼容。(2離散性,即時間、空間、狀態(tài)都是離散的。(3同步性,可以將元胞自動機的狀態(tài)變化看成是對數(shù)據(jù)或信息的計算或處理,這時的重要特征是計算并行性。(4局部性,每個元胞的狀態(tài),只對于其周圍半徑為r的鄰域內(nèi)的元胞下一時刻的狀態(tài)有影響。(5高維

5、數(shù),在動力系統(tǒng)中一般將變量的個數(shù)稱為維數(shù),從這個角度看,元胞自動機的維數(shù)是無窮維的。2.2CA在模擬農(nóng)村土地動態(tài)演變中應(yīng)用的可行性本文主要從以下幾個方面闡明CA在模擬農(nóng)村土地動態(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)學方程,只是一個建模原則,因而具有很好的開放性和靈活性。符合人們認識復雜事物的思維方式。(2CA是一個基于微觀個體相互作用的時空動態(tài)模型,將地理實體的時空特性統(tǒng)一到模型中,通過研究對象的元胞空間劃分、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將時間和空間離散化,適合于建立計算機模型和并行計算特征。(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)村土地利用動態(tài)模擬中的應(yīng)用農(nóng)村土地利用的動態(tài)演化屬于復雜的地理現(xiàn)象,為了使CA 能夠模擬和分析農(nóng)村土地利用演化,須將標準CA的諸要素進行"地理化"形成地理元胞自動機(GeoCA參見圖1:圖1地理元胞自動機模型:擴展的元胞自動機模型53.1農(nóng)村土地動態(tài)演變CA模型的擴展(1地理元胞及狀態(tài)的擴展,標準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元胞空間的擴展。元胞空間不再是抽象的空間,而是與笛卡兒坐標系下的實際地理空間相對應(yīng),并抽象為二維地域,同時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系下的地理實體對應(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,這個標準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)則的擴展。轉(zhuǎn)換規(guī)則是CA模型的核心,它決定了C

8、A的動態(tài)演化過程。(5時間概念的擴展。CA模型中的模擬時間必須和地理實體演化中的真實時間建立對應(yīng)關(guān)系,否則,地理時空建模就失去價值。一般采用歷史數(shù)據(jù)和其它模型預測數(shù)據(jù)建立而這之間的聯(lián)系。3.2農(nóng)村土地動態(tài)演變CA模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則的確定地理元胞自動機(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)村土地動態(tài)變化十分

9、復雜,除受局部個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,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)村土地動態(tài)演化過程。而且為了更真實地模擬其變化過程,本模型采用隨機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)則的擴展是GeoCA和標準CA最根本的區(qū)別。首先,從微觀層次,主要考慮鄰域函數(shù)這個指標。鄰域函數(shù)是用于刻畫當前元胞受周圍鄰域元胞影響程度的指標,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)動因子。1從耕地的角度來看:從耕地減少面積統(tǒng)計分析,我國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)是帶動農(nóng)村經(jīng)濟的重要推動力,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時期內(nèi)還有上升的勢頭。(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個人建房。在農(nóng)村地區(qū),往往對土地資源的重要性認識不足,視土地資源為公有財產(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)整在我國耕地減少中占較大比例,特別,自1986年土地管理法的實施,同時隨著人們對環(huán)境意識的提高,耕地減少的現(xiàn)象開始減少。但自1992年后在失常經(jīng)濟的作用下,加之糧價低下很多優(yōu)質(zhì)糧田改為魚塘,果園以及經(jīng)濟開發(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、展將向四周擴展,且在相當長的時間內(nèi)城鎮(zhèn)用地不被用做其它用途。(2經(jīng)濟繁榮。發(fā)達的經(jīng)濟是城鎮(zhèn)擴展的必備條件,一般來說經(jīng)濟越發(fā)達其城鎮(zhèn)規(guī)模也越大。(3交通的通達性。交通也是城鎮(zhèn)外擴的重要途徑,城鎮(zhèn)擴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,還受人類活動的干擾,主要表現(xiàn)為人類影響的可達性與頻率及對林地的利用方式的選擇,包括人口分布,交通狀況、社會需求、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整等。綜合對中觀層次上的驅(qū)動力因子利用專家打分法給出權(quán)值Wk,其中k代表各個驅(qū)動因子。最后利用公式(2計算土地類型的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

13、(2其中C t ij是在位置(i,j處t時刻土地類型轉(zhuǎn)換系數(shù);隨后采用下面的負冪函數(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表示標準化常數(shù),?表示一種調(diào)節(jié)系數(shù)。最后,在宏觀層次上,考慮時態(tài)尺度上的影響因子,如由土地可持續(xù)利用導出的土地資源代際分配,控制城市發(fā)展進程的規(guī)劃和國家有意識地為保護耕地、林地而劃分的保護區(qū)?？紤]以上因素,整個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