基于元胞自动机的绿洲动态系统研究

元胞自动机模型模拟任何系统时，模型的结构和转换规则参数的确定是该元胞自动机模型的核心。绿洲发展在时间和空间上具有差异性，传统的元胞自动机模型用统一的静态模型模拟时空动态变化的绿洲系统时一定会有局限性，这便降低了模拟结果的精度。为获得复杂绿洲系统更理想的模拟效果，提出时空动态约束的绿洲元胞自动机模型。用不同区域、不同时间新增加的且末绿洲用地总量作为元胞自动机模型的约束条件，形成时空动态约束的元胞自动机模型，并利用该模型模拟1990-2020年且末绿洲扩张/萎缩过程。模型中的动态约束条件可以反映绿洲发展的时空差异性。本项目的学术价值和意义旨在研究干旱区人类活动引起绿洲演变和绿洲适宜规模并模拟绿洲空间布局与绿洲系统的环境响应。该项研究具有跨学科交叉性质，涉及到地理学、数学、物理学、计算机科学、生态学等学科知识，在干旱区绿洲研究中具有重要理论和实践价值。

本研究以新疆塔里木盆地南缘典型绿洲—且末绿洲为例，以研究区1990年，2001年和2013年的遥感解译结果作为基础数据，首先对且末绿洲1990-2013年各土地利用类型的变化幅度和土地利用动态度进行分析，在此基础上，选取影响且末绿洲土地利用变化的自然和人文空间驱动因子，利用Auto-logistic回归模型代替传统Logistic回归模型，对CLUE-S模型进行改进，将系统动力学模型对土地需求量的仿真和预测结果作为数量约束，引入CLUE-S模型中，对且末绿洲1990-2013年和2013-2025年土地利用时空变化过程进行模拟和预测。具体运用基于SD和CLUE-S的土地利用变化模拟模型，对1990-2013年且末绿洲土地利用时空变化过程进行了模拟，并采用Kappa指数对2001年和2013年模拟结果的精度进行了验证。2001年模拟结果的Kappa指数为0.7162，一致性等级为高度的一致性；2013模拟结果的Kappa指数为0.8754，一致性等级为几乎完全一致。运用模型预测2025年且末绿洲土地利用状况。结果表明，耕地面积的增加主要依靠对未利用地，草地和林地的开发，未利用地转为其他土地利用类型是总趋势。从空间格局来看，耕地和建设用地的扩张很明显，未利用地不断受到"挤压”，其主要流向为未利用地转为草地或林地，草地或林地再转为耕地；未利用地直接转为耕地；未利用地转为建设用地等。总体而言，由系统动力学模型和CLUE-S模型预测的2013-2025年且末绿洲土地利用类型的规模，空间格局及土地利用类型之间竞争关系符合荒漠化基质的典型农业绿洲扩张的特点。