基于元胞自动机与数据同化的城市扩展分析 ——以成都市中心城区为例

论文摘要

在当前全球经济快速发展的浪潮中,城市化发展作为社会经济发展的一种必然现象应运而生,为了寻求更好的人与自然的和谐发展道路,构建合理有效的城市生存环境,研究城市扩展状况尤显重要。同时,对城市扩展的研究也成为当前我国乃至全世界城市发展规划的重大研究课题之一。当前,我国城市发展正处于快速扩张发展阶段,城市正面临着城市用地发展合理规划、生产生活供给与需求、环境保护与资源的有效利用等方面的不可调和的问题。城市扩展研究对城市合理规划以及协调人类与环境之间的关系起到了关键作用。当前的城市扩展主要是基于城市地理学,从定性角度预测城市扩展,少有以定量方式结合预测模型对城市阶段性变化进行扩展研究,本文利用遥感数据和GIS等手段研究城市阶段性发展扩张情况,并利用预测模型进行城市扩展预测研究,定量化分析城市扩展特征与驱动因素分析,达到引导城市可持续发展和合理规划城市用地的目的。本论文以我国六大中心城市之一的成都市所辖的11个中心区县为研究区,以1985年、2000年和2015年Landsat+ETM遥感数据为基础,对成都市中心城区城市用地空间分布信息进行提取。在通过遥感解译数据和已有的研究区数据的基础上,结合地理要素多层次约束性条件,利用相关逻辑参数建立元胞自动机（CA）模型转化规则,并利用地理信息空间分析技术,构建CA模型和数据同化算法（EnKF）相耦合的城市用地扩张模型。并建立模拟结果修正模型,以达到提高数据同化-CA模拟预测精度要求。然后利用Matlab软件通过CA迭代进行简单的编程代码实现模型运行得到模拟结果,并在ArcGIS软件上实现城市扩展结果。利用传统的逻辑回归元胞自动机模型和基于数据同化的集合卡尔曼滤波算法的元胞自动机模型进行模拟对比分析,选取模拟精度较好的模型对研究区2030年的城市发展变化进行预测,最后对模拟结果进行城市变化特征分析和影响因素分析。主要结论如下:（1）城市扩展预测结果显示,1985年到2000年成都市中心区域呈同心圆状向外围缓慢扩展,其中离市中心较远的个别地区出现卫星城快速发展的趋势。Logistic-CA模型预测的结果表明成都市中心城区的发展和实际城市变化的趋势具有一致性。2000到2015年的成都市城市变化程度较为明显,中心城市面积扩大了一倍多,呈放射状向四周的卫星城沿伸。而1985年到2000年的EnKF-CA模型预测来看,新增用地主要集中在已有的城市边缘地区,其中主要分布在中心城区的西侧及西南侧,而小斑块地块分布比较分散,空间分布显示不明显。2000年到2015年的城市建筑用地扩展变化较明显,变化面积相对较大,面积较大的地块主要沿城市放射状道路沿伸向边缘较远的卫星城区发展,主要集中于温江区中部、双流区中心南部以及西南部、龙泉驿区中部、新都区中部和郫都区中部地区建筑用地的变化,与实际城市发展情况具有一致性。（2）通过预测精度比较结果显示EnKF-CA模型无论是在城市中心区完整区块的预测效果合适,在距离城市中心区较远的城市边缘小城镇区的建筑用地的模拟的方差和Kappa系数均要优于Logistic-CA模型,其Kappa系数分别为0.128和0.059,其原因在于EnKF-CA模型通过多次迭代计算和模型修正,减少了误差累计,提高了模拟精度。（3）成都市中心城区用地时空变化特征:1985年到2015年研究区城市用地面积是呈上升趋势,其中2000年到2015年用地面积变化的最快,所增面积约为1985年到2000年增加面积的两倍。城市用地扩张强度30年来为0.910km2/年,表现为中速扩张的扩张趋势,扩张动态度为8.13%,为中速扩张。其中2000年到2015年的城市扩张较为明显,为快速扩张类型。从研究区土地利用类型转移变化分析得到成都市中心区域的城市建筑用地主要是由耕地类型转换而来的,耕地类型转移占总转移量的94.40%,其他类型相对较少。城市重心总体上表现为有西北向东南方向转移,转移距离较大。通过对城市用地的缓冲区分析可以看出研究区的建筑用地增加范围主要集中在距离城市中心的20-40km范围内,其他范围也有扩展,但扩展面积不大。（4）从影响城市用地变化的影响因素分析结果显示,研究区当前城市变化的主要原因是社会经济因素方面的地区经济的快速发展和户籍人口总数的增加,城市用地压力不断加大,致使城市需要不断向外扩展以解决城市问题所造成城市建筑面积的不断扩大。自然因素方面的城市道路交通和地形也对城市建立起到一定程度作用,其城市形态和向外扩展的指向性因素主要还是受到交通运输制约。尤其是2000年到2015年的城市扩张沿伸方式,说明这一时期的交通运输条件成为城市发展的主要自然因素。政府决策在一定程度上对城市规划发展也起到一定作用,城市化方面的国家政策的影响力对研究区城市的扩展表现力尤为重要,需进一步对政策因素角度对城市变化进行进一步研究。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.1.3 项目支撑

1.2 国内外研究现状综述

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.2.3 研究现状总结

1.3 研究内容、方法及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 技术路线

1.4 预期成果

第2章数据同化与元胞自动机模型原理

2.1 元胞自动机模型概述

2.1.1 CA模型介绍

2.1.2 矢量元胞自动机

2.1.3 逻辑回归CA模型

2.2 遥感数据同化

2.2.1 数据同化算法

2.2.2 集合卡尔曼滤波算法

2.3 本章小结

第3章研究区概况及数据处理

3.1 研究区概况

3.1.1 自然地理概况

3.1.2 社会经济概况

3.2 数据源

3.2.1 数据准备

3.2.2 遥感数据处理

3.2.3 遥感影像图制作

3.3 城市用地遥感信息提取

3.3.1 土地分类体系

3.3.2 遥感解译标志

3.3.3 遥感影像解译

3.3.4 城市地类信息提取

3.4 城市用地分析

3.5 本章小结

第4章元胞自动机与数据同化建模

4.1 模型设置

4.1.1 元胞自动机模型

4.1.2 数据同化与CA模型结合

4.2 城市扩展模型研究

4.2.1 逻辑回归CA模型

4.2.2 逻辑回归CA模拟结果

4.2.3 数据同化CA模型

4.2.4 精度对比与分析

4.3 模型模拟分析

4.3.1 转移矩阵分析

4.3.2 景观格局指数分析

4.4 EnKF-CA模型模拟预测

4.5 本章小结

第5章城市扩张特征与驱动力分析

5.1 城市时空特征变化分析

5.1.1 城市用地扩张时间特征分析

5.1.2 城市用地扩张空间特征分析

5.2 城市用地稳定性分析

5.2.1 分形理论

5.2.2 研究区城市用地分形研究

5.2.3 分形变化分析

5.3 城市扩张驱动力分析

5.3.1 社会经济因素

5.3.2 自然地理因素

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周景波

导师: 曾涛,欧阳渊

关键词: 城市扩展,元胞自动机,数据同化,成都市中心城区

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 成都理工大学

基金: 中国地质调查局成都市地质调查中心工作项目“成渝经济区宜宾-万州遥感地质调查(成都市地下空间地质调查)(编号 21800-DY0038)项目”,成都地质调查中心地调科研项目委托业务“成都市典型地区地下空间综合评价—成都多要素城市地质调查”(编号:DD20189210-04)

分类号: P237

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000299

总页数: 99

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