一种改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法技术

本发明专利技术公开了一种改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法，首先提取区域基础数据，运用生态压力‑状态‑响应模型框架进行生态安全评价，再将每一个元胞的生态安全评价因子作为自变量，生态安全评价结果作为因变量，通过融入GWR概念的CA模型进行模拟规则的提取，最终进行其他年份城市景观生态安全的动态模拟和预测。本发明专利技术的方法将GWR概念融入到传统的元胞自动机模型中，能够反映一个变量在空间上不同位置的影响力，该方法解决了当前生态安全模拟中的研究尺度不够精细，无法精确反映内部异质性的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法
本专利技术涉及城市规划领域，尤其涉及一种改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法。
技术介绍
生态安全的模拟和预测主要为回归分析、RBF方法、模糊决策法等数学方法，且研究区域一般为行政区或大型的生态系统，很少有方法能够反映和预测行政区域内部生态安全状况的研究较少，通常的结果是一个城市或一个县只有一个生态安全值，研究尺度不够精细。CA模型概念是最先被Tobler应用到地理模型中的，是常用的模拟和预测城市增长的模型。CA模型可以同时考虑自然和社会经济等复杂的因素引起的城市动态变化，用简单的规则来模拟复杂的时空动态过程，而且容易与高分辨率影响和地理信息系统整合，在模拟城市变化过程中展现了非常大的优势。有少数研究将CA模型应用于城市生态安全变化的模拟，将每一个元胞的生态安全评价因子作为自变量，生态安全结果作为因变量，通过传统的logistics回归等方法作为转换规则的基础来进行模拟和预测，然而这样得到的参数只是变量的一个均值，无法反应空间变量影响的异质性。因此需要一种方法来解决这种不能精确反应异质性的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中无法反应空间变量影响的异质性的缺陷，提供一种改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：收集研究区域内，时间尺度为Y1和Y2两个年份的数据，构建数据集，包括：生态安全压力相关数据集，记作数据集A，其数据尺度为正方形的栅格；景观生态安全状态相关数据集，记作数据集B，其数据尺度为正方形的栅格；生态安全响应相关数据集，记作数据集C；步骤2：利用数据集A分别对Y1、Y2年份的生态安全压力值进行评价；步骤3：利用数据集B分别对Y1、Y2年份的景观生态安全状态进行评价；步骤4：将步骤2、步骤3得到的结果和栅格化后的数据集C按权重进行叠加计算，得到最终的Y1、Y2两个年份的生态安全值；步骤5：将步骤4的生态安全值按照分类标准分为5个分类，分别记作CLASS1-CLASS5，进而得到Y1、Y2两个年份的城市景观生态安全综合评价分类等级图；步骤6：对Y1年份的城市景观生态安全综合评价分类等级图中的各个分类，分别生成二值图，并进行随机采样；其方法为：对于CLASS1：图中类型为CLASS1的研究区域赋值为1，其它类型的研究区域赋值为0，进而生成二值图；使用随机点创建工具，分别在赋值为1和0的研究区域内随机采样N个点；对于CLASS2-CLASS5，分别重复以上方法；步骤7：使用GeographicallyWeightedRegression工具，以步骤6赋值的字段0或1为因变量，步骤2和步骤3中使用的评价指标作为自变量，得到Y1年份的每个变量在每个空间位置上的回归系数，从而计算每个格栅转换为指定分类的概率；步骤8：对于每个格栅，它有5个概率，分别是转向CLASS1-CLASS5的概率，在进行元胞模拟时采用赌轮盘的形式，概率越大则选中的概率越大；步骤9：通过步骤6-步骤8中Y1年份的处理过程进行Y2年份的元胞模拟，元胞模拟结果记作Y2*，将Y2*与步骤5中的Y2进行验证，用kappa系数来度量，当Kappa系数大于阈值时，则进入步骤10，若Kappa系数不满足要求，则重复步骤6-步骤8；步骤10：用步骤9中最终得到的元胞模拟规则进行对Y3年份的预测。步骤9中由Y1模拟到Y2过程中的迭代步数为N，若Y3-Y1＝2*(Y2-Y1)，则迭代步数为2N，若Y3-Y1＝3*(Y2-Y1)，则迭代步数为3N。进一步地，本专利技术的步骤1中的数据集具体为：数据集A为生态安全压力相关数据集，数据尺度为30m*30m栅格，时间尺度为Y1和Y2两个年份；包括各栅格内部的建设用地比例，人口密度，距离道路/铁路/机场最短距离、距离几何中心距离、距离商业中心距离以及5年内的建设用地增长类型；数据集B为景观生态安全状态相关数据集，数据尺度同样为30m*30m栅格，时间尺度为Y1和Y2两个年份；包括生态服务价值、香农多样性指数、面积加权斑块分维数、斑块密度和破碎度指数；数据集C为生态安全响应相关数据集，包括Y1和Y2年份区域的生态分区和环境规划，原始数据尺度为图斑。进一步地，本专利技术的步骤2的具体实现包括以下子步骤：步骤2.1：对生态安全压力评价选取三个一级指标，包括城市增长程度、城市增长能力、城市增长类型；并对上述三个一级指标设置一级指标权重WP1,WP2和WP3，且WP1+WP2+WP3＝1；步骤2.2：对步骤2.1中的一级指标城市增长程度通过计算每个元胞的建设用地比例来得到；后两个下设二级指标中，城市增长能力下设二级指标人口密度，距离交通最短距离，到几何中心距离，到商业中心距离，对应权重为WP21、WP22、WP23、WP24，且WP21+WP22+WP23+WP24＝1；城市增长类型划分为3类，其中填充式增长和边缘式增长对应权重为WP31，飞地式增长对应权重为WP32,WP31+WP32＝1；步骤2.3：对上述评价二级指标计算值数据标准化后进行加权求和，得到研究区每个下一级行政区的城市生态安全压力值。进一步地，本专利技术的步骤2.2中的建设用地比例按以下公式进行计算：其中，建设用地强度由每个栅格中的建设用地面积比例来表示，TAi为时间i时研究单元的总面积，UAi为时间i时研究单元内建成区面积。进一步地，本专利技术的步骤2.2中的人口密度、距离交通最短距离，到几何中心距离，到商业中心距离，计算公式分别如下：distran＝wroad*disroad+wrail*disrail+wairport*disairport其中：距离公路、铁路及机场的最短距离为：disroad，disrail，disairport；其对应权重分别为：wroad，wrail，wairport。进一步地，本专利技术的步骤2.2中的城市增长类型按照以下公式进行划分：其中，Ao是新增城市斑块与原有城市斑块的相交部分面，Av是新增城市斑块缓冲区与空地相交部分面积；如果UGP大于50，那么该新增斑块为填充式增长，如果UGP小于50大于0为边缘式增长，如果UGP等于0则新增斑块为飞地式增长。进一步地，本专利技术的步骤3的具体实现包括以下子步骤：步骤3.1：对景观生态安全状态评价选取三个一级指标，包括景观生态功能、景观生态结构、景观生态稳定性；并对上述三个一级指标设置一级指标权重WS1,WS2和WS3。且WS1+WS2+WS3＝1；步骤3.2：对步骤3.1中的景观生态功能用栅格的生态服务价值来衡量；景观生态稳定性用破碎度指数来衡量；对景观生态结构下分3个二级指标，分别为香农多样性指数、面积加权斑块分维数和斑块密度，权重分别为WS21、WS22、WS23,且有WS21+WS22+WS23＝1；破碎度指数、香农多样性指数、面积加权斑块分维数和斑块密度均由fragstats软件计算得到。进一步地，本专利技术的步骤5中5个等级的划分方法为：结合GIS软件中的自然分等法与实际情况进行的分级，具体分级标准为0-0.15为CLASS1，0.15-0.3为CLASS2，0.3-0.4为CLAS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：收集研究区域内，时间尺度为Y1和Y2两个年份的数据，构建数据集，包括：生态安全压力相关数据集，记作数据集A，其数据尺度为正方形的栅格；景观生态安全状态相关数据集，记作数据集B，其数据尺度为正方形的栅格；生态安全响应相关数据集，记作数据集C；步骤2：利用数据集A分别对Y1、Y2年份的生态安全压力值进行评价；步骤3：利用数据集B分别对Y1、Y2年份的景观生态安全状态进行评价；步骤4：将步骤2、步骤3得到的结果和栅格化后的数据集C按权重进行叠加计算，得到最终的Y1、Y2两个年份的生态安全值；步骤5：将步骤4的生态安全值按照分类标准分为5个分类，分别记作CLASS1‑CLASS5，进而得到Y1、Y2两个年份的城市景观生态安全综合评价分类等级图；步骤6：对Y1年份的城市景观生态安全综合评价分类等级图中的各个分类，分别生成二值图，并进行随机采样；其方法为：对于CLASS1：图中类型为CLASS1的研究区域赋值为1，其它类型的研究区域赋值为0，进而生成二值图；使用随机点创建工具，分别在赋值为1和0的研究区域内随机采样N个点；对于CLASS2‑CLASS5，分别重复以上方法；步骤7：使用Geographically Weighted Regression工具，以步骤6赋值的字段0或1为因变量，步骤2和步骤3中使用的评价指标作为自变量，得到Y1年份的每个变量在每个空间位置上的回归系数，从而计算每个格栅转换为指定分类的概率；步骤8：对于每个格栅，它有5个概率，分别是转向CLASS1‑CLASS5的概率，在进行元胞模拟时采用赌轮盘的形式，概率越大则选中的概率越大；步骤9：通过步骤6‑步骤8中Y1年份的处理过程进行Y2年份的元胞模拟，元胞模拟结果记作Y2*，将Y2*与步骤5中的Y2进行验证，用kappa系数来度量，当Kappa系数大于阈值时，则进入步骤10，若Kappa系数不满足要求，则重复步骤6‑步骤8；步骤10：用步骤9中最终得到的元胞模拟规则进行对Y3年份的预测。...

【技术特征摘要】
1.一种改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：收集研究区域内，时间尺度为Y1和Y2两个年份的数据，构建数据集，包括：生态安全压力相关数据集，记作数据集A，其数据尺度为正方形的栅格；景观生态安全状态相关数据集，记作数据集B，其数据尺度为正方形的栅格；生态安全响应相关数据集，记作数据集C；步骤2：利用数据集A分别对Y1、Y2年份的生态安全压力值进行评价；步骤3：利用数据集B分别对Y1、Y2年份的景观生态安全状态进行评价；步骤4：将步骤2、步骤3得到的结果和栅格化后的数据集C按权重进行叠加计算，得到最终的Y1、Y2两个年份的生态安全值；步骤5：将步骤4的生态安全值按照分类标准分为5个分类，分别记作CLASS1-CLASS5，进而得到Y1、Y2两个年份的城市景观生态安全综合评价分类等级图；步骤6：对Y1年份的城市景观生态安全综合评价分类等级图中的各个分类，分别生成二值图，并进行随机采样；其方法为：对于CLASS1：图中类型为CLASS1的研究区域赋值为1，其它类型的研究区域赋值为0，进而生成二值图；使用随机点创建工具，分别在赋值为1和0的研究区域内随机采样N个点；对于CLASS2-CLASS5，分别重复以上方法；步骤7：使用GeographicallyWeightedRegression工具，以步骤6赋值的字段0或1为因变量，步骤2和步骤3中使用的评价指标作为自变量，得到Y1年份的每个变量在每个空间位置上的回归系数，从而计算每个格栅转换为指定分类的概率；步骤8：对于每个格栅，它有5个概率，分别是转向CLASS1-CLASS5的概率，在进行元胞模拟时采用赌轮盘的形式，概率越大则选中的概率越大；步骤9：通过步骤6-步骤8中Y1年份的处理过程进行Y2年份的元胞模拟，元胞模拟结果记作Y2*，将Y2*与步骤5中的Y2进行验证，用kappa系数来度量，当Kappa系数大于阈值时，则进入步骤10，若Kappa系数不满足要求，则重复步骤6-步骤8；步骤10：用步骤9中最终得到的元胞模拟规则进行对Y3年份的预测。2.根据权利要求1所述的改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法，其特征在于，步骤1中的数据集具体为：数据集A为生态安全压力相关数据集，数据尺度为30m*30m栅格，时间尺度为Y1和Y2两个年份；包括各栅格内部的建设用地比例，人口密度，距离道路/铁路/机场最短距离、距离几何中心距离、距离商业中心距离以及5年内的建设用地增长类型；数据集B为景观生态安全状态相关数据集，数据尺度同样为30m*30m栅格，时间尺度为Y1和Y2两个年份；包括生态服务价值、香农多样性指数、面积加权斑块分维数、斑块密度和破碎度指数；数据集C为生态安全响应相关数据集，包括Y1和Y2年份区域的生态分区和环境规划，原始数据尺度为图斑。3.根据权利要求1所述的改进元胞自动机的城市生态安全模拟与预测的方法，其特征在于，步骤2的具体实现包括以下子步骤：步骤2.1：对生态安全压力评价选取三个一级指标，包括城市增长程度、城市增长能力、城市增长类型；并对上述三个一级指标设置一级指标权重WP1,WP2和WP3，且WP1+WP2+WP3＝1；步骤2.2：对步骤2.1中的一级指标城市增长程度通过计算每个元胞的建设用地比例来得到；后两个下设二级指标...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘耀林，高原，何青松，王好峰，刘艳芳，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42