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《武汉大学》 2013年
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土地利用变化并行模拟中CA模型改进

刘中秋  
【摘要】:土地利用/覆盖变化(LUCC)是自然环境与人类社会、经济发展之间相互影响作用最为直接的表现形式,已经成为当今全球化研究的趋势和热点问题。在LUCC研究的众多方法模型中,元胞自动机(CA)由于其“自下而上”的模型机制、简单的局域转换规则模拟复杂全局动态演化的能力、GIS数据融合的兼容性并且能轻松在计算机中程序实现等特征,深受广大学者们的青睐。另外,随着并行技术的发展,综合考虑土地利用问题的区域差异性以及CA模型与生俱来的并行特性,使得土地利用并行模拟成为研究和发展趋势。 CA模型经过70多年的发展,虽然在转换规则、元胞和邻域、邻域因子等三个方面都得到了不同程度的改进与完善,但是仍然还存在诸多的不足和问题亟待解决:如何依据研究区域本身的数据特征进行CA的模型构建参数确定;如何确定和融合时间尺度到转换规则;元胞邻域中缺少对用地空间分布特征的考虑;在土地利用变化特征差异较大的研究区域如何划分子区域进行异步发展模式模拟等等问题。因此,针对上面所提及的问题进行了探讨与研究,本文从CA模型邻域、模型时空尺度、转换规则、针对LUCC问题的CA模型并行化等方面对CA模型进行改进,研究了解决各问题相应的理论并提出了具体操作和方法。在此基础之上以武汉市长江以南武昌、洪山、青山和江夏等四个区为实验研究区域,按本文提出的理论和方法设计并构建适合于本区域的CA改进模型并对其进行计算机程序实现,最后从多个改进角度对模型的模拟结果精度和改进效果进行验证分析。本文主要研究内容和结论如下: 1)因地制宜式CA模型构建的理论和方法研究。针对土地利用变化的实际应用与目前地理CA模型中存在的问题,对CA模型构建与组成部分参数确定等方面改进理论与方法的研究。模型改进强调“因地制宜”的思想——从研究区域本身的数据特征出发,构建和确定最适合于本研究区域内土地利用动态模拟的CA模型及其参数。分别从CA模型邻域、模型时空尺度、转换规则等方面对地理CA模型进行改进:(1)从两个方面对元胞邻域进行研究和改进:对比分析多种邻域距离权重赋值方法,研究各方法对模拟结果可能产生的影响、计算效率、可扩展性、空间特征一致性等,并提出权重赋值方法优劣的评价指标;在元胞邻域中引入空间紧凑度因子,丰富了转换规则的驱动因子,也能更全面地反映邻域对中心元胞土地利用变化的影响机制。从发展数量和空间特征两个方面考虑邻域的交互作用,改进了传统CA邻域只单一进行数量统计的不足,使其更加适用于地理空间建模;(2)在模型时空尺度参数确定的理论和方法研究中,本文从土地利用现状数据、驱动因子着手,采用空间分析统计和景观分析等方法技术,研究在充分考虑特定研究区域情况下如何确定CA模型的空间尺度(包括元胞分辨率、邻域范围)、时间尺度(迭代次数或单次迭代所对应的真实时间);(3)研究CA转换规则制定的相关方法和模型,主要包括模型驱动因子筛选、ANN-CA模型耦合和BP神经网络中规则训练网络改进等方面内容,使模型中获取的复杂地类模拟转换规则能更真实而全面地反映区域的土地利用演变规律。 2)土地利用/覆盖变化的异步模拟与CA模型并行化方法研究。并行计算在信息数据处理危机中应运而生,是当今信息世界中解决计算性能瓶颈,实现高性能计算应用的最重要技术。土地利用变化中存在的区域差异,分区域进行异步模拟更加能体现实际的用地变化规律,再加上CA模型内在的高度并行特性,这些客观因素对CA模型在土地利用动态研究中的并行化和异步化模拟提出了迫切需求。本文主要从CA模型的并行存储访问模式和LUCC模拟问题中CA模型并行化方法两方面进行了研究。重点从数据并行和任务并行两种方面研究了模型并行实现的具体方法。数据并行方法中可以同时从粗、细粒度两个层次进行实现,并重点研究了粗粒度子区域划分的相关理论、方法和其详细操作流程。而任务并行方法中则主要介绍了细粒度层次上CA模型的实现。 3)构建适用于实例研究区域的改进CA模型,并验证本文模型改进理论和方法。基于前面对改进方法和模型的研究,以武汉市长江以南城乡结合发展四个区——武昌区、洪山区、青山区和江夏区为实例研究区域,分析其土地利用变化的影响因素,结合区域土地利用变化特征因地制宜地构建与之适应的CA模型,并对未来土地利用进行动态模拟。从邻域权重方法、空间尺度、时间尺度、并行模拟、转换规则和综合改进等六个方面设计了对比实验来检验模型的模拟精度和改进效果。各实验结果表明,本文提出的CA模型各方面的改进理论和方法具有现实可行性,从综合改进或是单一改进方面都有助于土地利用CA模拟精度的提高,能更好地保持真实土地利用的空间景观形态,邻域空间因子引入完善了区域土地利用动态演变的影响因素表达;模型并行化和异步化模拟的计算机程序实现也比较简单,在解决地理计算瓶颈提高CA模拟效率的同时,也提高了区域复杂土地利用变化的模拟效果。尤其在大区域内局部土地利用变化特征差异较大时,异步模拟的CA模型转换规则能更准确地反映各子区域的局部土地利用变化规律,CA模拟的应用范围得到了极大的扩展。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:P208

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