土地利用变化时空动力学方法构建与应用研究

【摘要】：在土地利用时空变化模拟研究中,探索地理信息系统(GIS)与系统动力学(SD)模型、元胞自动机(CA)模型以及多智能体模型(ABM)的集成,构建复杂系统时空动力学仿真,一直以来都是本领域的研究热点和难点。本研究首先通过理论研究探究了多模型集成的可能性,以网格单元为核心,实现了各子模型之间的信息交流与传递,基于此,构建了SD-CA-ABM-GIS耦合的土地利用变化时空动力学方法(LandTSDM),并在京津冀城市群进行了相关情景模拟研究。主要研究成果包括:(1)将SD模型的宏观干扰引入到了CA转换规则中,对CA转换规则进行了扩展研究,在宏观和微观两个尺度上控制CA模拟演化。基于地理学第一定律与空间邻近度概念,对传统CA邻域规则进行了扩展改进,通过细化邻域元胞类型,构建了“方+圆”型邻域规则,弥补了传统邻域的不足。(2)通过在SD模型和CA模型之间选择合适的指标作为通信机制,以最小的元胞单元为基础,实现了SD-CA模型之间的双向实时数据通信模式。(3)在网格的单元级上对SD-CA-ABM-GIS进行一体化集成融合,构建了LandTSDM,以CA模型为突破点,实现了各子模型之间的无缝融合,通过协同各子模型之间的时间步长,实现了宏观尺度与微观尺度之间、空间维度与时间维度之间、人类活动与自然环境之间的有效互动,以NetLogo平台为基础进行了原型系统的开发,便于推动LandTSDM的广泛传播与使用。(4)利用1995-2013年京津冀地区土地利用数据,对该区域土地利用状况进行了情景模拟研究。结果发现,到2030年,随着京津冀协同发展战略的实施,以及河北雄安新区的设立,北京市建设用地的扩张面积比独立发展状况下减少了约10%,一定程度上遏制了北京市的城市扩张步伐。LandTSDM的构建有利于科学化、定量化地获取土地利用规划在未来的作用与实施效果,可为政府决策方案的编制提供方法和技术参考。