成杰峰,王秀珍,黃敬峰
(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2. 杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院,浙江 杭州 311121;3. 浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)應(yīng)用研究所,浙江 杭州 310058)
基于案例推理元胞自動機的土地利用變化模擬
——以浙江省仙居縣為例
成杰峰1,王秀珍2,黃敬峰3
(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2. 杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院,浙江 杭州 311121;3. 浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)應(yīng)用研究所,浙江 杭州 310058)
目前,元胞自動機被較多地運用于土地利用/土地覆蓋變化的模擬中.由于土地利用/土地覆蓋變化受多種因素共同作用,復(fù)雜多樣,使得元胞自動機在模擬過程中確定轉(zhuǎn)換規(guī)則存在困難.為表達隱含在引起土地利用變化的多種因素之間的知識和規(guī)律,采用案例推理代替元胞自動機中傳統(tǒng)的規(guī)則獲取方法,對浙江省仙居縣1995—2005年間土地利用變化情況進行了模擬,模擬精度達到87%.并對仙居縣2015年土地利用變化情況進行了預(yù)測,發(fā)現(xiàn)該縣2015年的建設(shè)用地和耕地面積將有所增加.
土地利用變化;元胞自動機;案例推理
目前,土地利用/土地覆蓋變化(Land Use/Cover Change,LUCC)是國際土地科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一.土地利用變化反映了人類對土地的需求變化,是人文、社會、經(jīng)濟與自然環(huán)境相互作用的綜合結(jié)果.對于土地利用變化模型的研究,是深入了解土地利用變化成因和過程、理解土地利用變化與社會經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境之間相互關(guān)系、預(yù)測未來土地利用變化格局的重要途徑.
20世紀(jì)40年代, S. Ulan和J. V. Neumann提出元胞自動機(Cellular Automata, CA)的概念,但受當(dāng)時計算機技術(shù)的限制,CA并沒有得到很好的應(yīng)用.CA在地理學(xué)中首次正式應(yīng)用是在20世紀(jì)70年代,Tobler[1]采用CA的概念對美國五大湖區(qū)底特律城市的迅速擴展進行了模擬.H. Couclelis[2-4]奠定了CA在地理學(xué)應(yīng)用中的理論基礎(chǔ).20世紀(jì)90年代后,Batty等[5]利用CA模型模擬了布法羅市阿姆斯特朗鎮(zhèn)的城市擴張.Clarke等[6]運用CA模擬和預(yù)測了美國舊金山海灣地區(qū)和華盛頓—巴爾的摩地區(qū)的城市擴張.
我國CA的應(yīng)用研究起步較晚.20世紀(jì)90年代末國內(nèi)有學(xué)者對CA展開了研究,取得了一定的成果.如周成虎等[7]在《地理元胞自動機》一書中提出了地理CA模型框架.目前,國內(nèi)學(xué)者對于CA的研究,主要集中于:1)通過不同的方法手段獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則.黎夏等[8-12]嘗試將主成分分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、粗集理論、案例推理等與CA模型結(jié)合,通過不同的手段獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則,在珠江三角洲地區(qū)進行了一系列的模擬和預(yù)測,取得了不錯的成果.張鴻輝等[13]利用多智能體結(jié)合CA對長沙市城市土地擴張進行了研究.童小華等[14]利用一種基于核主成分分析的方法構(gòu)建了城市演化模擬元胞模型,以較少的計算代價得到了較為合理的轉(zhuǎn)換規(guī)則和模擬結(jié)果.2)引入社會經(jīng)濟等因素,完善影響土地利用變化的要素.何春陽等[15]結(jié)合了經(jīng)濟學(xué)模型和CA模型,對北京地區(qū)城市發(fā)展變化進行了模擬和預(yù)測.張顯峰等[16]將標(biāo)準(zhǔn)CA的四元組進行擴展以滿足GIS環(huán)境下的時空動態(tài)模擬要求,然后建立城市土地利用演化動態(tài)模型對包頭市的城市擴展進行了模擬和預(yù)測.羅平等[17-18]嘗試將人口密度模型、城市生命機制概念融入到CA模型中,構(gòu)建更為合理的模型來對土地利用變化進行模擬和預(yù)測.
黎夏等[19]首次將案例推理(Case-based Reasoning, CBR)引入CA中,對珠江三角洲城市演變進行了模擬.研究發(fā)現(xiàn)在模擬較為復(fù)雜的區(qū)域時,與常規(guī)的基于Logistic的CA相比,獲得的模擬結(jié)果具有更高的精度和更接近實際的空間格局.杜云艷等[20]利用CBR對珠江地區(qū)進行了研究,通過與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法的對比,發(fā)現(xiàn)CBR是從復(fù)雜到簡單進行地學(xué)問題求解的一種有效方法.
傳統(tǒng)的CA模型是一種簡單、易于實現(xiàn)的多準(zhǔn)則判斷模型,模型中一個元胞j在t+1時刻的狀態(tài)由其元胞i及其鄰域在t時刻的狀態(tài)所決定.如何發(fā)生這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,則需要靠轉(zhuǎn)換規(guī)則來確定.土地利用變化是多種因素相互作用的復(fù)雜過程,在傳統(tǒng)的CA模型中轉(zhuǎn)換規(guī)則的確定成為了研究難點,諸如地理特征表達不夠、轉(zhuǎn)換規(guī)則不完備等成為限制模型有效使用的主要因素.為了更真實有效地模擬土地利用變化過程,本文試圖采用CBR的CA模型,利用已知地理案例表達土地利用變化中的隱含知識,以期有效解決傳統(tǒng)CA對土地利用變化模擬過程中轉(zhuǎn)換規(guī)則的獲取困難.
1.1 地理元胞自動機的一般規(guī)則
傳統(tǒng)基于規(guī)則的CA模型,是通過轉(zhuǎn)換規(guī)則來確定元胞下一時刻狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,并由此來模擬復(fù)雜地理現(xiàn)象的演變過程.具體公式[21]如下:
(1)
其中P(i)為在元胞i轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)年地類的概率,al(i)為元胞i第l個屬性(變量),wl為該屬性的權(quán)重.
1.2 基于案例推理的元胞自動機
CBR由Roger Schank在1983年提出,它是一種類比推理方法,克服了基于規(guī)則推理模型的知識難于獲取和推理的脆弱性.本文嘗試把CBR引進CA中,自動從案例庫中獲取知識來反映CA的動態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則.該模型與基于規(guī)則的CA模型的不同點在于由案例來決定元胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)變,包括建立案例庫、檢索相似案例、修復(fù)案例、獲取問題的解決方案4個主要部分.
1.2.1 案例庫建立
與普通的CBR模型一樣,在基于CBR的CA模型中,首先要建立案例庫.這些案例可以反映土地元胞利用變化與自身的特征屬性、鄰近元胞屬性以及其它空間距離變量等因素間的復(fù)雜關(guān)系.每個案例由兩部分組成:問題的描述和結(jié)果.問題的描述為土地元胞的案例屬性,主要包括元胞的特征屬性和空間距離變量;結(jié)果是指該元胞在目標(biāo)年的土地利用類型.土地利用變化案例表達式為Casei={ID,a1(i),a2(i),a3(i),…,ap(i),s},i=1,2,…,j.式中a1(i),a2(i),a3(i),…,ap(i)是案例i的屬性,s為目標(biāo)年的土地利用類型.
1.2.2 轉(zhuǎn)換規(guī)則獲取
基于CBR的CA的特點是用案例來隱含表達CA模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則,即在案例庫中搜索最接近的案例來決定元胞的狀態(tài)轉(zhuǎn)變.因此,CBR的相似性計算擴充公式為Sm=w1×Scase(m,i)+w2×Dcase(m,i).式中Sm為元胞m與案例j的相似性系數(shù);w1和w2分別為元胞特征屬性和空間距離變量的權(quán)重系數(shù),兩者之和為1;Scase(m,i)為元胞m與案例i的特征屬性相關(guān)系數(shù);Dcase(m,i)為元胞m與案例i的空間距離相關(guān)性系數(shù).
元胞的特征屬性Scase(m,i)為元胞的土地利用類型、基期年元胞鄰域主要地類類型.這些特征屬性在研究過程中相互獨立,之間無空間拓撲關(guān)系,在元胞與案例的比較中相關(guān)性系數(shù)取決于特征屬性是否相同:相同為1,不同為0.
上文提到w1和w2分別為元胞特征屬性和空間距離變量的權(quán)重系數(shù),有許多方法來確定這些權(quán)重.本文采用層次分析法確定各個關(guān)系間權(quán)重.
參照式(1)可以更直觀地將基于CBR的CA模型表達為:
(2)
其中Sm仍為元胞m與案例i的相似性系數(shù),wp為元胞m的第p個屬性的權(quán)重,SP(m,i)為元胞m與案例i的p屬性的相似性系數(shù).
1.2.3 案例的檢索、修復(fù)、結(jié)果獲取方案
采用上述算法求得案例的相似性系數(shù)后,即可推理求解,具體為:1)根據(jù)模型的運行效率給定相似性閾值,選取相似性系數(shù)大于閾值的所有案例.本文閾值定為0.95.2)對選取的歷史案例“結(jié)果”進行分析,找出相似性系數(shù)為1的歷史案例所對應(yīng)的土地利用類型;篩選其它相似性系數(shù)不為1的案例,找出案例相似性系數(shù)較高、概率最大的案例所對應(yīng)的土地利用類型.3)把案例推理的最終結(jié)果賦給當(dāng)前案例,作為其結(jié)果,生成對應(yīng)的模擬結(jié)果圖.同時從相似性系數(shù)不為1的案例中,選取部分用于更新案例庫.
2.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)
2.1.1 研究區(qū)概況
選擇浙江省仙居縣作為試驗區(qū),模擬其1995—2005年的土地利用變化情況.仙居縣(120°17’6” ~120°55’51”E,28°28’14” ~28°59’48”N)地處長江三角洲南翼,浙江省臺州市的西部,全縣總面積2 000 km2,總?cè)丝?9.53萬,轄20個鄉(xiāng)鎮(zhèn).區(qū)域內(nèi)主城區(qū)建設(shè)用地相對集中,縣域內(nèi)城鎮(zhèn)用地與農(nóng)村用地交錯分布,城鄉(xiāng)混合發(fā)展,土地利用類型豐富.
2.1.2 遙感影像的選擇和處理
本文嘗試?yán)眠b感數(shù)據(jù)模擬仙居縣1995—2005年土地利用變化情況.1995年遙感影像采用馬里蘭大學(xué)全球觀測實驗室及地理科學(xué)與資源研究所聯(lián)合實驗室提供的LANDSAT TM數(shù)據(jù).TM數(shù)據(jù)軌道號為118/40,時相為1995年9月13日,空間分辨率為30 m.2005年由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供CEBRS-02B星CCD數(shù)據(jù).CCD數(shù)據(jù)軌道號為366/68,時相為2005年12月18日,數(shù)據(jù)級別為Ⅱ級,空間分辨率為19.5 m.兩期影像質(zhì)量良好,滿足研究要求.
利用目前遙感解譯中較為常用的最大似然法對影像進行監(jiān)督分類,獲取土地利用變化數(shù)據(jù).將土地利用類型分為5類:耕地、建設(shè)用地、林地、園地和水面.結(jié)合仙居縣土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)和其它歷史資料,采用混淆矩陣的方法對兩期遙感影像分類結(jié)果進行精度檢驗:1995年和2005年的分類總體精度分別為86.43%和84.28%,Kappa系數(shù)分別為0.81和0.79.依據(jù)兩項精度評價指標(biāo),此次遙感分類符合分類的精度要求.1995和2005年土地利用類型面積變化見表1.
2.2 CBR-CA模型的構(gòu)建
2.2.1 空間關(guān)系的建立
利用GIS手段獲取影響土地利用變化的地理特征屬性和一些空間變量.結(jié)合研究區(qū)的實際情況,本文選取了表2所示各空間變量.
表1 1995—2005 年仙居縣土地利用類型面積變化
表2 CBR-CA采用屬性變量
依據(jù)CA的概念,元胞的狀態(tài)由其自身和鄰域的狀態(tài)決定,所以本文通過遙感解譯和一些GIS手段獲取了元胞的土地利用類型、1995年5×5鄰域的主要地類類型;此外,土地利用變化往往也受到一些距離變量的影響,例如距離城鎮(zhèn)或者高速越近,元胞越容易轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地;鑒于仙居縣屬于丘陵地區(qū),本文同時引進了DEM數(shù)據(jù),作為引起元胞狀態(tài)變化的一個變量.
2.2.2 案例庫的建立
案例主要分為問題的描述和結(jié)果,結(jié)合上文提到的空間關(guān)系的建立以及2005年的土地利用類型,給出案例庫的表達式:Casei={ID,N1,S1,DEM,D1,D2,N2},i=1,2,…,j.其中N2為2005年土地利用實際類型.通過反復(fù)運算比較,當(dāng)設(shè)置元胞大小為150 m×150 m時,既能保證運算速度,也能保證運算精度.整個仙居縣共有88 936個元胞,利用隨機采樣獲取模型所需要的案例庫,選擇10%的樣點形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,其余作為測試元胞.
表3 各屬性權(quán)重分配表
2.3 模擬結(jié)果與分析
采用Edinburgh 大學(xué)研發(fā)的AIAI Case-Based Reasoning Shell v2.45軟件進行.各個屬性的權(quán)重(表3)通過層次分析法獲取,在此不再贅述.相似性閾值選為95%.
第一輪運行篩選相似性閾值完全相同的案例結(jié)果作為測試元胞的結(jié)果;其它的測試元胞進行第二輪選擇,篩選相似性閾值較高的案例結(jié)果作為測試結(jié)果.通過以上步驟,實驗?zāi)M結(jié)果如圖1.
圖1 仙居縣土地利用變化解譯結(jié)果與模擬情況的對比Fig. 1 The observed and simulated patterns of land use change in Xianju
表4 2005年土地利用變化模擬精度評價混淆矩陣
Tab. 4Theconfusionmatrixofsimulatinglandusechangeandaccuracyassessmentin2005
園地林地建設(shè)用地耕地水面園地106723202178534 0林地24905407317812450建設(shè)用地017819573550耕地1245124553388940水面0178001779
研究發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實際形態(tài)、結(jié)構(gòu)較為吻合.從空間上來說,建設(shè)用地的擴張相對集中,主要分布在仙居縣主城區(qū)和公路沿線;主城區(qū)區(qū)域建設(shè)用地由東向西擴張非常明顯;耕地處于地勢平緩地帶和公路沿線,有序向外擴張;林地、園地仍在地勢相對較高的丘陵地帶,處于整個研究區(qū)的外沿.
為了進一步檢驗?zāi)M結(jié)果與實際情況的吻合程度,本文利用2005年遙感影像分類結(jié)果,采用逐點對比、混淆矩陣的方法對模擬結(jié)果進行精度檢驗.表4結(jié)果顯示總體分類精度達到87.50%,kappa系數(shù)為75.18%.可見CBR-CA能夠有效地反映轉(zhuǎn)換規(guī)則與土地利用變化之間的關(guān)系.
圖2 2015年仙居縣土地利用變化預(yù)測情況Fig. 2 The prediction of land use change in Xianju
利用CBR-CA模型,將遙感解譯的2005年作為基期數(shù)據(jù),對仙居縣2015年土地利用變化進行預(yù)測,結(jié)果見圖2.
通過預(yù)測分析發(fā)現(xiàn),相比于基期2005年,耕地面積增加3 895.89 hm2,增幅達16.76%.建設(shè)用地面積增加420.48 hm2,增幅達8.18%.林地面積增加5 019.31 hm2,增幅達3.51%.園地面積減少9 288.96 hm2,減幅達41.21%.水面面積減少44.42 hm2,減幅達到0.74%.這表明隨著仙居社會經(jīng)濟發(fā)展、人口增加、城市化進程加快以及土地開發(fā)、整理、復(fù)墾的有序進行,仙居縣的建設(shè)用地面積將持續(xù)、合理增加,耕地面積將繼續(xù)穩(wěn)步增加,具體變化情況見表5.
表5 2005—2015 年仙居縣土地利用類型面積變化預(yù)測
CBR-CA只通過案例來表達隱含在土地利用變化中的信息,無需定義復(fù)雜的轉(zhuǎn)化規(guī)則.研究表明將CBR與CA模型結(jié)合模擬土地利用變化具有較高的準(zhǔn)確度,能夠解決CA轉(zhuǎn)換規(guī)則獲取困難的問題,有效表達CA模型中各要素之間及其與土地利用變化的關(guān)系.因此CBR-CA在研究類似土地利用變化復(fù)雜地理現(xiàn)象時具有明顯優(yōu)勢,有一定的應(yīng)用前景.本文對浙江省仙居縣1995—2005年土地利用變化進行了有效模擬,在基于前期案例庫的基礎(chǔ)上預(yù)測了該縣2015年的變化趨勢,這對于深入了解該縣土地利用變化、確定土地利用戰(zhàn)略、協(xié)調(diào)人地關(guān)系、引導(dǎo)土地可持續(xù)利用、推動地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展具有指導(dǎo)和借鑒意義.
本研究也存在以下不足:1)遙感影像的分辨率不夠高.目前用于土地利用動態(tài)監(jiān)測、模擬和預(yù)測研究的數(shù)據(jù)主要來源于航片、衛(wèi)片和土地利用現(xiàn)狀圖.本文采用了多傳感器中分辨率影像數(shù)據(jù),缺少高分辨率遙感影像,特別是林地和園地光譜較為相似,這對土地利用變化信息提取的精度有一定影響,從而影響土地利用模擬及預(yù)測結(jié)果.2)案例庫相對簡單.CBR-CA的關(guān)鍵是案例庫的建立.本文選擇的數(shù)據(jù)相對較少,在今后的研究中,可以采用長時間序列遙感影像進行檢測,建立豐富、典型的土地變化案例,以使土地利用變化模擬和預(yù)測結(jié)果更加合理,進一步增強模型的科學(xué)性和實用性.3)案例推理運行時間相對較長.本文借助第三方軟件來運行CBR-CA,但推理過程中元胞無法并行運算,導(dǎo)致運行耗時較長.在今后的工作與業(yè)務(wù)運用中,可綜合考慮影響土地利用變化的各種因素,開發(fā)集成CBR的GIS模型,更好地提高模擬的效率.
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LandUseChangeSimulationBasedonCase-basedReasoningCellularAutomata:ACaseStudyofXianjuCountyinZhejiangProvince
CHENG Jiefeng1, WANG Xiuzhen2, HUANG Jingfeng3
(1. College of Grassland and Environment Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China;2. Institute of Remote Sensing and Earth Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 311121, China;3. Institute of Remote Sensing amp; Information System Application, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)
At present, CA is used regularly in simulating land use/cover change. Land use/cover change is a complex phenomenon influenced by many factors, so that CA is difficult to determine the transition rules in the simulation. Instead of the traditional methods in CA, the paper used Case-based Reasoning (CBR) to explain the knowledge and rules among the multi-factors driving the land use change. The land use changes of Xianju County from 1995 to 2005 were simulated, and the simulation accuracy reach to 87%.By predicting the land use changes of Xianju,it is found that the areas of construction land and farmland will increase in 2015.
land use change; Cellular Automata; Case-based Reasoning
2012-04-03
國家自然科學(xué)基金項目(40875070);杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院開放基金項目(PDKF2012YG-02).
王秀珍(1961—),女,研究員,主要從事遙感和信息技術(shù)應(yīng)用研究.E-mail:wxz05160516@126.com
10.3969/j.issn.1674-232X.2013.03.014
TP79; X87
A
1674-232X(2013)03-0264-06