面向城市土地利用分形模拟的空间尺度效应与转换机理研究

本项目针对城市土地利用分形模拟过程中存在的空间尺度效应问题，通过探索尺度选择方法和尺度转换机理，提高遥感目标提取精度，实现多尺度城市土地利用信息综合应用目的。重点开展以下研究：（1）从典型城市土地利用图斑的几何结构与光谱特征出发，研究分形维特征在遥感成像过程中的传递机制，通过设计全向搜索算法优化基于变异函数的遥感影像测量尺度效应模型，确保分形模拟之前选择最优观测尺度的遥感数据源；（2）深入剖析分形维数计算方法与收敛过程对空间尺度域的依赖性，研究基于粒子群优化方法的分维数作用尺度效应识别算法，确保分形模拟结果有效性；（3）探讨分形维数的尺度转换机制，建立以分形维数为"桥梁"的线状/面状特征尺度转换模型，实现对城市土地利用空间格局的跨尺度模拟。本研究成果有助于优化多源遥感数据在城市土地利用研究中的合理应用，对完善城市土地利用分形理论具有重要科学意义和应用价值。

本项目从城市土地利用格局的非线性和尺度依赖性两个角度出发，对城市土地利用格局分形模拟过程的空间尺度效应与转换机理展开研究：（1）在土地利用分形模拟的现有边界维数、半径维数和信息维数基础上，将间隙度指数拓展为间隙度维数，用于描述城市土地分布的聚簇性（多中心），构建了由四种指标构建的城市土地利用空间格局的多维度分形模型，从复杂性、向心性、均衡性和聚簇性四个角度全面客观地描述土地利用空间格局；（2）针对高空间分辨率遥感影像过于表达细节而无法反映大尺度抽象地表特征，而较低空间分辨率影像难以客观表达小尺度地理格局及现象的难题，综合考虑城市土地利用图斑的几何结构与光谱特征的特点，开展定量遥感影像观测尺度效应研究，设计出基于全向搜索机制选择最优观测尺度的变异函数算法，用于选择合适空间分辨率遥感影像，不仅克服了平均局部方差受边界效应影响和需有一定数量计算样本的限制，而且避免出现普通变异函数中由于方向过少易产生的局部最优尺度假象；（3）深入剖析分形维数计算方法与收敛过程对空间尺度域的依赖性，开展量化界定土地利用分形模拟结果的作用尺度效应研究，引入遗传算法的轮盘赌选择算子来优化分形维数无标度区间的求解，设计了识别分形维数作用尺度的粒子群优化的遗传算法模型。根据无标度区间的识别判断标准，结合遗传算法和粒子群优化的特点，对求解无标度区间的编码机制、初始群体的设计、适应度函数、选择、交叉和变异函数以及限制条件进行了系统设计；（4）针对普通统计量不能实现跨尺度描述土地利用空间特征的问题，从同一地物要素在无标度区间内不同分辨率下所具有的自相似特征和无标度性出发，以分形维数为“桥梁”来建立地物目标空间特征参数的尺度转换模型，给出了一种信息传递的非线性和非均匀性这个尺度转换难题的解决方案，突破了传统方法缺乏跨尺度不变量的限制，为实现不同分辨率的土地利用信息之间的对比分析提供了一条有效的途径。本项目研究成果获得湖北省自然科学优秀学术论文奖1项，公开发表论文21篇，其中SCI 收录2 篇，EI 收录13 篇；申请国家发明专利3项；开展国内外学术交流12次；研究成果支持项目组成员新批国家自然科学青年基金1项，“香江学者”1人，博士后进站工作2人，培养硕士研究生6人。项目的完成极大地促进了多尺度遥感数据在城市土地利用空间格局研究中的准确应用，对完善城市土地利用分形理论具有重要科学意义和应用价值。