基于矢量元胞自动机和多主体的区域LUCC建模与模拟

土地利用变化模型不仅能模拟不同时期土地覆被在数量上的变化，还能反映出这种变化在空间上的分布情况。初步研究显示，元胞自动机和多主体建模已经成为模拟土地利用变化的重要方法。本课题针对栅格元胞自动机的形状规则一致以及与多主体的数据匹配问题，以景观生态学、地统计学、复杂性科学的原理为理论基础，结合人工神经网络、遗传算法、蚁群算法等群智能优化方法，采用微观与宏观分析相结合、定性与定量分析相结合、模型与原型分析相结合的手段，以自下而上的建模思想，研究矢量元胞自动机和多主体建模原理与方法，解决VCA-Agent行为规则智能挖掘、面向GIS空间分析的VCA-Agent行为过程模型构建等关键技术问题，构建基于矢量元胞自动机和多主体的区域土地利用变化模型。课题拟取位于长江口北岸的启东市为研究案例地区，实现基于矢量元胞自动机和多主体的土地利用变化建模与模拟，丰富土地利用科学的理论与方法。

元胞自动机和多主体建模已经成为模拟土地利用动态变化的重要方法。本课题针对栅格元胞自动机的形状规则一致以及多主体的数据匹配问题，结合蜂群智能优化方法，采用微观与宏观分析相结合、定性与定量分析相结合、模型与原型分析相结合的手段，以自下而上的建模思想，研究矢量元胞自动机建模原理与方法，研究基于矢量元胞自动机和多主体的土地利用变化建模，丰富土地利用科学的理论与方法。本课题主要结论如下：.（1）在分析标准元胞自动机的元胞、元胞空间、转换规则、邻居关系的四个组成部分的基础上，对比分析栅格-矢量元胞自动机在数据结构、元胞定义、邻居划分和转换规则四个方面的差异性。研究认为：两者最根本的差异是由于各自所用数据的数据结构不同而产生的。.（2）使用Model Builder构建一种矢量元胞自动机模型，并用来模拟启东市2002-2007年土地利用演化过程，所构建的矢量元胞模型能较好地模拟土地利用演化过程，模拟结果精度较高。研究认为：Model Builder是构建矢量元胞自动机模型的方法之一。.（3）采用基于拓扑的邻居元胞划分方式，应用蜂群智能算法智能挖掘矢量CA的转换规则，构建基于蜂群算法的矢量元胞自动机模型（ABC-VCA），并以启东城区2002-2007年城市用地扩展过程模拟为研究案例，实现ABC-VCA模型的原型系统，并进行模型精度验证分析。研究认为：人工蜂群算法可以有效地智能挖掘矢量元胞自动机的转换规则，ABC-VCA模型的模拟精度较高。.（4）采用基于促进关系的拓展型邻居元胞划分，构建了VecCA矢量元胞自动机模型。并以启东市城区为研究区域，实现模型的原型系统，实现启东城区2002-2007年城市用地扩展过程模拟，并进行模型精度验证分析。研究认为：基于促进关系的拓展型邻居元胞划分方式，提高了矢量元胞邻居划分的效率和合理性，VecCA模型可以改变矢量元胞的几何形状，具有较高的模拟精度。.（5）采用Agent-based model建模方法，使用ArcGIS的扩展模块Agent Analyst工具，分析Agent类型、状态和行为过程，实现启东市城区2002-2007年城市扩展变化模拟。研究认为：Agent Analyst既发挥了Agent 模型优势模拟地理系统中大量微观主体的局部相互作用来表现宏观空间结构的自组织过程，也充分发挥了GIS的空间表现和空间分析能力。