土地利用变化时空动力学方法构建与应用研究

论文摘要

在土地利用时空变化模拟研究中,探索地理信息系统（GIS）与系统动力学（SD）模型、元胞自动机（CA）模型以及多智能体模型（ABM）的集成,构建复杂系统时空动力学仿真,一直以来都是本领域的研究热点和难点。本研究首先通过理论研究探究了多模型集成的可能性,以网格单元为核心,实现了各子模型之间的信息交流与传递,基于此,构建了SD-CA-ABM-GIS耦合的土地利用变化时空动力学方法（LandTSDM）,并在京津冀城市群进行了相关情景模拟研究。主要研究成果包括:（1）将SD模型的宏观干扰引入到了CA转换规则中,对CA转换规则进行了扩展研究,在宏观和微观两个尺度上控制CA模拟演化。基于地理学第一定律与空间邻近度概念,对传统CA邻域规则进行了扩展改进,通过细化邻域元胞类型,构建了“方+圆”型邻域规则,弥补了传统邻域的不足。（2）通过在SD模型和CA模型之间选择合适的指标作为通信机制,以最小的元胞单元为基础,实现了SD-CA模型之间的双向实时数据通信模式。（3）在网格的单元级上对SD-CA-ABM-GIS进行一体化集成融合,构建了LandTSDM,以CA模型为突破点,实现了各子模型之间的无缝融合,通过协同各子模型之间的时间步长,实现了宏观尺度与微观尺度之间、空间维度与时间维度之间、人类活动与自然环境之间的有效互动,以NetLogo平台为基础进行了原型系统的开发,便于推动LandTSDM的广泛传播与使用。（4）利用1995-2013年京津冀地区土地利用数据,对该区域土地利用状况进行了情景模拟研究。结果发现,到2030年,随着京津冀协同发展战略的实施,以及河北雄安新区的设立,北京市建设用地的扩张面积比独立发展状况下减少了约10%,一定程度上遏制了北京市的城市扩张步伐。LandTSDM的构建有利于科学化、定量化地获取土地利用规划在未来的作用与实施效果,可为政府决策方案的编制提供方法和技术参考。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 LUCC模型回顾
•     1.2.2 SD模型研究进展
•     1.2.3 CA模型研究进展
•     1.2.4 ABM研究
•     1.2.5 多模型集成研究
•     1.2.6 存在的问题
•   1.3 研究目的与研究内容
•     1.3.1 研究目的
•     1.3.2 研究内容
•   1.4 技术路线
•   1.5 本章小结
• 2 CA模型规则扩展
•   2.1 CA基本构成要素
•     2.1.1 元胞
•     2.1.2 元胞状态
•     2.1.3 元胞空间
•     2.1.4 元胞邻域
•     2.1.5 转换规则
•   2.2 CA转换规则扩展
•   2.3 CA邻域规则扩展
•   2.4 本章小结
• 3 SD-CA双向交互机制构建
•   3.1 SD-CA交互集成构建
•     3.1.1 SD-CA双向交互原理
•     3.1.2 SD-CA集成过程
•     3.1.3 SD-CA交互机制实现步骤
•   3.2 研究区及数据预处理
•     3.2.1 研究区概况
•     3.2.2 数据及其预处理
•   3.3 SD-CA耦合模型应用
•     3.3.1 CA子模型构建
•     3.3.2 SD子模型构建
•     3.3.3 精度验证
•     3.3.4 情景模拟研究
•   3.4 SD-CA双向数据通信分析
•     3.4.1 与传统SD-CA集成模型对比
•     3.4.2 通信数据实时监测
•     3.4.3 宏观参数对微观单元分配影响
•   3.5 本章小结
• 4 土地利用变化时空动力学方法构建
•   4.1 基本原理
•   4.2 系统子模型之间耦合
•     4.2.1 CA-GIS时空互操作
•     4.2.2 CA-ABM耦合集成
•     4.2.3 ABM规则构建
•   4.3 原型系统设计与实现
•     4.3.1 NetLogo平台简介
•     4.3.2 系统界面设计
•   4.4 本章小结
• 5 京津冀土地利用情景模拟预测
•   5.1 研究区概况
•     5.1.1 地理位置
•     5.1.2 社会经济条件
•   5.2 数据来源及预处理
•     5.2.1 数据来源
•     5.2.2 数据预处理
•     5.2.3 精度验证
•   5.3 土地利用政策情景
•     5.3.1 情景1:京津冀三地独立发展
•     5.3.2 情景2:京津冀区域整体协同发展
•     5.3.3 情景3:雄安新区对京津冀地区发展的影响
•     5.3.4 多种发展情景下对北京市影响
•   5.4 不同邻域规则模拟对比
•   5.5 京津冀可持续发展政策建议
•   5.6 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 主要研究成果
•   6.2 主要创新点
•   6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘东亚

导师: 郑新奇

关键词: 系统动力学模型,元胞自动机模型,多智能体模型,京津冀城市群

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技,经济与管理科学

专业: 自然地理学和测绘学,计算机软件及计算机应用,农业经济

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P208;F301.24

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000075

总页数: 131

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