土地利用变化元胞自动机模拟过程的尺度不确定性与传播机理研究

The simulation accuracy of Cellular Automata is seriously affected by scale effect. It is very important to analyze the scale uncertainty so as to improve the reliability of simulation results when we use Cellular Automata to simulate the land use and cover change. Reviewing the application of multi-scale and multi-temporal remote sensing imagery, this project systematically analyzes the inherent causes, deduction and propagation of uncertainty during the simulation process from three aspects in order to meet the uncertainty control, which includes the error of data source, the scale sensitivity of model as well as the process of uncertainty propagation. The project will firstly analyze the uncertainty of remote sensing classification and establish the evaluation system based on multidimensional hybrid entropy. Aiming at the scale combination optimization of cell, neighborhood and simulation time, the response surface method will be proposed to analyze the sensitivity and interaction of Cellular Automata model. Finally, the nonrandom perturbation from the real error will be used to establish the uncertainty propagation system during the simulation process of Cellular Automata. It can be concluded that the project strives to perceive the generation reason of uncertainty in the Cellular Automata simulation, deeply understand the interaction of the scale uncertainty involved the model, and reveal the propagation mechanism of scale uncertainty. Thus, it can provide some new ideas to control the uncertainty.

尺度效应是影响元胞自动机模拟准确性重要原因，开展土地利用变化元胞自动机模拟过程的尺度不确定性研究，对提高其模拟可靠性至关重要。针对土地利用变化元胞自动机模拟过程的不确定性产生和传播问题，结合多尺度多时相遥感影像的应用背景，充分考虑外部遥感数据源尺度效应和模型内部尺度敏感性的双重影响，系统地研究模拟过程中尺度不确定性的形成原因、演绎过程和传播机理。通过分析遥感影像分类结果不确定性的特征，构建基于多维混合熵的分类不确定性评价指标；以优化元胞单元、作用邻域和模拟时间的尺度组合为推理原则，研究基于响应面方法的元胞自动机模型敏感性的多尺度交互作用方式；采用基于真实误差的非随机干扰，建立多层次元胞自动机模拟过程尺度不确定性的传播评价体系。通过上述研究，深入探索模拟过程中尺度不确定性产生的外部原因和内部因素，理解模型内部尺度敏感性的交互作用方式，揭示尺度不确定性的传播机理，为控制不确定性提供理论依据。

尺度效应是地学模型不可回避的问题。本项目针对土地利用变化元胞自动机模拟过程中的尺度不确定性问题，结合外部遥感数据源尺度效应和模型内部尺度敏感性的双重影响，从外部数据源、模型内部和传播方式三个角度来研究模拟过程的尺度不确定性形成原因、演绎过程和传播机理，具体如下：（1）探索了遥感影像分类结果的不确定性特征及其多尺度定量表达体系：通过研究遥感数据解译分类过程中随机特征和模糊特征的不确定性量化形式，构建出基于多维混合熵的遥感影像分类不确定性评价指标；（2）提出了基于响应面方法的元胞自动机模型敏感性的多尺度交互作用研究方法：以优化元胞单元、作用邻域和模拟时间的时空尺度组合达到降低元胞自动机模型内部的尺度敏感性为出发点，设计基于响应面的元胞自动机尺度敏感性的识别方法；（3）建立了土地利用变化元胞自动机模拟过程的尺度不确定性传播量化评价体系：从像元尺度和类别尺度上分析模拟过程中误差大小的传播程度、误差空间特征的传播形式、以及影响误差传播的关联特征，建立元胞自动机模拟过程尺度不确定性传播的评价体系。最后通过典型实例研究，验证尺度不确定性分析与传播评价方法，并开展实验区应用分析。通过本项目的研究，深度认知了土地利用变化元胞自动机模拟过程中尺度不确定性产生的外部原因和内部因素，揭示了元胞自动机模型自身因素间的尺度交互作用过程，阐明了元胞自动机模拟过程中尺度不确定性的传播机理，初步形成土地利用变化的元胞自动机模拟过程的尺度不确定性研究的理论体系，为最终有效控制不确定性产生和传播提供解决方案。本项目公开发表论文15篇，其中SCI 收录11篇，入选ESI高被引论文1篇；申请和授权国家发明专利各1项；开展国内外学术交流15次，在国内外学术会议上报告3次；培养博士研究生2人和硕士研究生5人。通过四年的研究，项目组在土地利用元胞自动模拟的尺度效应的产生原因、量化指标和传播过程等方面取得了一定成果，达到了预期研究目标。