论文部分内容阅读
全球变化研究是上个世纪80年代兴起的跨学科的、综合性的、迄今规模最大的国际合作研究活动。土地利用/土地覆被变化(LUCC)之间的相互作用是一个自然科学和社会科学的交叉研究领域,其已经是全球变化研究的核心主题之一,是全球变化研究的前沿和热点。改革开放以来,我国经历了快速的城市化过程,伴随着人口的持续增长和经济的快速发展,中国的城市化过程将呈现出进一步加速的趋势,城市化总是与土地利用有着密不可分的联系,城市化过程中大规模LUCC无疑已经成为了一种典型的人地相互作用过程,其已经成为LUCC的最主要作用力机制之一。因此,开展对城市化进程中的土地利用和覆被变化的研究,建立城市化模拟模型对城市发展变化过程中的动态行为进行有效的描述、模拟和分析,认识和理解城市化过程的基本特征规律,对制订城市和区域的可持续发展战略有着积极的现实和理论意义。LUCC演化与模拟模型的发展经历了从静态到动态的过程,近年诸多研究学者已经认识到城市系统是一个动态空间复杂系统,其发展变化(城市化)受到自然、社会、经济、文化、政治和法律等多种因素的影响,因而其行为过程具有高度的复杂性。传统的方法大都采用遥感、全球定位系统、地理信息系统等空间信息技术,通过对多时相遥感图像或土地利用图进行空间叠加运算,求出各时期土地利用类型的转移矩阵,进而分析引起土地利用变化的过程。采用的模型往往将城市化进程人为简单化,不能充分反映城市化进程中各类复杂能动主体的行为。近年来随着地理计算的研究深入,研究者强调数学模型与模拟实验并重的理念,包括元胞自动机、人工神经网络、遗传算法、人工生命等相关的计算智能的理论和方法逐渐被地理研究者认识和应用,并且日益成为当代跨学科研究的热点和前沿。
本文在总结前人研究成果的基础上,以城市化进程中的LUCC动态模拟为研究对象,将复杂性科学和计算智能的理论与方法引入到LUCC研究模型中,构建基于计算智能的LUCC研究计算模型用于城市化进程中LUCC的模拟研究,并以南京市为例对该模型进行了实例研究,研究和取得的进展如下：在介绍城市化进程中的LUCC的相关研究和城市化的基本概念以及我国城市化特点的基础上,讨论我国城市化与城市化进程中LUCC的研究关系;分析总结LUCC研究和城市空间演化研究的国内外研究动态,指出当前研究的不足,进而提出了本论文的研究目标、内容和研究框架结构。由于传统的LUCC研究模型无法解释局部、微观的行为影响整体的、宏观的城市现象,本文提出了利用多智能体理论和元胞自动机模型有效的模拟和预测城市空间演化中的LUCC的研究思路。城市的演化过程也是城市中多个主体在社会经济和自然环境因素的共同作用和影响下的智能决策过程,其中有宏观因素的影响也有微观主体的作用。为此,首先对城市化进程中的区位理论、经济理论和可持续发展的基本理论进行了简单的叙述;其次对BP神经网络学习机制和分类及其应用于LUCC研究的计算智能方法和模型进行了归纳。通过对土地利用动态度、土地利用开发度和土地利用耗减度的计算以及研究区域的土地利用变化速度的研究,对基于绝对分布的马尔柯夫模型进行了改进,构建了土地利用结构转移矩阵,预测分析了土地利用动态变化及演变趋势,根据研究结果,提出了相应的城市化进程中应该注意的问题及其相应的对策。构建了基于元胞自动机模型和智能体理论的复合城市演化模型。首先探讨了城市化机制以及由此引起的城市LUCC的动力机制;利用复杂性科学研究的理论和方法揭示了城市化的动力主要是城市内的众多主体通过他们之间的非线性互动互作在时间和空间上的不断积累,在这个历程中人.社会关系是促进城市化进程中LUCC复杂性的根源。分析了CA理论应用于LUCC模拟模型的研究成果,通过分析CA模型应用的局限,提出该模型的发展趋势和改进思路;同时还分析了BP神经网络应用于LUCC模拟模型的研究成果,提出利用计算智能的方法LUCC模型的改进思路。在前文叙述的基础上,给出了基于计算智能理论和复杂性科学理论的LUCC模型体系结构图,并详细分析模型体系中各组成部分的功能以及运行机制。根据系统运行机理设计的系统基本流程,设计实现了LUCC模拟模型中各模块的实体结构以及就其他相关问题进行了描述。在对研究区数据预处理的基础上,利用模型对南京市的城市化进程中的LUCC进行模拟,并对模型参数进行调整和检验以对模型的真实性和有效性进行评价。对南京市的未来城市化进行模拟,并就模拟结果对南京市的LUCC的基本特征进行科学的定性分析。模拟实验表明,本文提出的基于计算智能理论的LUCC模型在反映研究区域空间信息的同时,也注重了微观上人的主观能动性,结合两者的优势,避免了各自的不足,使得模拟城市化过程中的LUCC更接近实际情况。然而,从客观上而言,该模型还有许多不足。但是,这种基于计算智能模型和复杂性研究理论的研究模型在LUCC研究中还是体现了很好的先进性,具有较大的发展潜力。随着我国城市化进程的进一步加大,都市将成为中国未来城市化最具活力的地区,本文提出的LUCC模型,对我国区域城市发展演变过程进行模拟研究,无疑具有重要的理论和实践意义。