基于混合元胞CA模型的土地利用结构变化模拟与评价方法研究

Cellular Automata (CA) have been widely used for analyzing the pattern, process, and driving forces, and simulating the trends of land use change. However, the cells of traditional CA models only contain one land use type, which ignores the mixed land use pattern and changes occurred within each cell. Therefore, conventional CA models are unable to simulate the continuous change of land use in spatial and temporal terms. Simulating land use change based on mix land use cell is challenging because of the differences in cell state, neighborhoods of a cell, transition rules, space-time continuity, etc. How to establish a Mixed-cell CA model and evaluate the accuracy of the simulation results remains unsolved. Therefore, based on the characteristics of mixed cells, this study aims to develop a modeling approach for mixed land use change simulation with Mixed-cell CA model and provide an evaluation method for validating its simulation results...The main research contents are as follow: 1. The mechanism analysis method of the continuous change of multi-dimensional land use variables, and the Mixed-cell CA model by coupling the mechanism of land use competition and quantitative conversion at the sub-cell scale, 2. The evaluation method for validating the simulation accuracy and similarity of mixed land use structure, 3. An experimental proof of Mixed-cell CA model in typical regions, which can be used to verify the model’s simulation accuracy and future scenario analysis in practice. This study promotes the development of mixed land use research from static pattern to the dynamic simulation and can serve as an important supplement of the theory and application of CA.

元胞自动机（CA）是研究土地利用变化的过程和趋势的有力工具。传统的土地利用CA模型往往假设元胞是只含单一土地类型的纯质单元，难以表达元胞内混合土地利用结构在时空上的连续变化。基于混合元胞的CA模型在元胞状态、元胞邻域、转化规则等方面都与传统CA有明显差异，如何构建混合元胞CA并有效评价其模拟精度是一个有待解决的问题。因此，本项目拟开展基于混合元胞CA模型的土地利用结构变化模拟与评价研究。研究内容包括：（1）混合元胞内多维土地利用变量连续变化的机理挖掘方法，以及耦合亚元胞尺度土地竞争与定量转化机制的混合元胞CA建模方法；（2）混合元胞CA模型模拟精度与土地利用结构相似度的评价方法；（3）典型区域土地利用结构变化模拟的实验验证，评价模型实际应用的精度并进行情景模拟和分析。本项目研究将推进混合土地利用研究从“静态格局”到“动态模拟”的发展，并可作为地理元胞自动机理论、方法和应用的重要发展和补充。

研究土地利用变化的起因、过程与结果、探索土地利用变化引起的相关效应也成为了国内外广受关注的热点问题。基于元胞自动机（CA）模型的土地利用变化建模方法逐渐成为研究土地利用变化的驱动力、预测未来土地利用变化过程和趋势的有效方法。然而，已有CA模型仍然未能解决以下几个问题：（i）难以模拟没有历史城市的经济开发区地区的城市浮现；（ii）无法模拟城市开放空间的动态变化及其规划政策对其的影响；（iii）无法在模拟过程中挖掘土地利用变化的驱动机理，且模拟多类土地利用的斑块生成及相互变化；（iv）无法模拟元胞内部的混合土地利用结构及其动态变化；（v）未深入探索城市群区域内的城市扩张与驱动因素（包括城市空间相互作用）之间的关系。.为了解决以上问题，本报告开展了5个方面的研究，分别提出了5个新的土地利用变化模型：（i）耦合聚类算法的基于局部峰值的元胞自动机模型（Clustering-based Future Land Use Simulation，CFLUS）；（ii）开放空间元胞自动机（Open Space Cellular Automata，OS-CA）；（iii）斑块生成土地利用变化模拟模型（Patch-generating Land Use Simulation model，PLUS）；（iv）混合元胞CA模型（Mixed-cell Cellular Automata, MCCA）；（v）耦合综合引力场模型和随机森林元胞自动机的城市群土地利用变化模拟模型（Integrated Gravitational Field Model-based Random Forest Cellular Automata, IGFM-RF-CA）。分别解决了现有CA模型存在的几个问题。为推进地理元胞自动机理论的创新，以及模拟模型在城市规划及环境变化领域的实践和提供新的应用空间。.这一系列新的方法是地理元胞自动机应用的新的尝试和理论的重要补充，为推进更加科学的土地利用管理、城市规划、研究土地利用变化和人居环境的相互影响提供新的、有效的方法工具。