城市建设用地扩张研究中CA模型的应用
基于CA-Markov模型的城市扩展及预测模拟研究——以西宁市为例的开题报告
基于CA-Markov模型的城市扩展及预测模拟研究——以西宁市为例的开题报告一、研究背景和意义随着城市化进程的加速，城市规模的扩张已成为一个全球性的趋势。
因此，研究城市扩展规律及其发展趋势，对于探索城市化进程中的空间结构演变规律、提高城市规划决策的科学性、减少城市跨越式发展对环境的不良影响等方面都具有重要意义。
本文选取青藏高原地区的西宁市为例，通过构建CA-Markov模型进行城市扩展及预测模拟研究，探究城市空间结构演变规律，预测未来城市扩张趋势和合理引导城市发展，为城市规划决策提供科学依据。
二、研究内容本文拟采用CA-Markov模型进行城市扩展及预测模拟研究，具体内容包括：1.数据收集和处理。
收集城市历年来的基础数据，包括人口、土地利用、地形地貌等方面数据，用于构建模型并进行模拟研究。
2.模型构建。
运用CA模型和Markov模型相结合的方法，构建CA-Markov模型，用于模拟城市空间演变过程和预测未来城市发展趋势。
3.模型参数设置。
根据所需的研究结果和实际情况，设置城市扩张模型的相关参数，如扩张速度、扩张方向等，以及Markov模型中的转移矩阵等参数。
4.模型验证和分析。
通过对历史数据和模拟结果的比对验证模型的可靠性，分析城市空间演变的规律及未来城市扩张趋势，为城市规划决策提供参考。
三、预期目标和成果本文旨在通过构建CA-Markov模型，研究城市扩展及预测模拟，探究城市空间结构演变规律，预测未来城市扩张趋势和合理引导城市发展。
预期实现的目标有：1.建立城市扩张模型，模拟城市扩张过程，分析城市演变规律和趋势。
2.对模型进行验证分析，验证模型可靠性，为城市规划决策提供科学依据。
3.提出科学合理的城市规划方案，引导城市发展，减少城市扩张对环境的不良影响，为城市可持续发展提供参考。
四、研究方法本文主要运用CA-Markov模型，该模型基于CA模型和Markov模型的理论，是一种基于细胞自动机空间模型的城市扩张模型。
城市规划中的土地利用模型研究
城市规划中的土地利用模型研究城市规划是指通过对城市的空间布局、土地利用和城市发展进行合理调控，以实现城市的可持续发展和提高城市居民的生活质量。
土地利用模型是城市规划中的重要工具，它可以帮助规划师预测和评估土地的合理利用，优化土地资源配置，实现城市的可持续发展。
城市规划中的土地利用模型研究主要包括城市土地利用变化模型、土地需求预测模型和土地利用评价模型等。
首先，城市土地利用变化模型是研究城市土地利用变化规律的重要工具。
城市土地利用变化模型可以通过对历史土地利用数据的分析，探究城市土地利用的演化过程和影响因素。
常用的城市土地利用变化模型包括Markov链模型和CA（Cellular Automata）模型。
Markov链模型通过建立状态转移概率矩阵来模拟土地利用变化的概率，研究土地利用的动态演变。
而CA模型则基于细胞自动机理论，将城市土地划分为多个细胞单元，模拟土地利用变化的空间分布规律。
这些模型可以帮助规划师预测未来的土地利用变化趋势，为城市规划提供科学依据。
其次，土地需求预测模型是用于预测城市土地需求和优化土地配置的工具。
城市的发展需要不断增加土地供给，但土地是有限的资源，因此如何合理利用土地成为城市规划师需要解决的重要问题。
土地需求预测模型可以通过分析城市的经济发展、人口增长、产业结构等因素，预测未来的土地需求量和结构，并提出相应的土地利用策略。
常用的土地需求预测模型包括层次分析法、模糊综合评判模型和神经网络模型等。
这些模型可以帮助规划师制定合理的土地利用政策，提高土地利用效率。
最后，土地利用评价模型是用于评估城市土地利用效益和环境效应的工具。
城市规划应当注重土地的可持续利用，即在满足城市发展需求的同时，保护环境和提高居民生活质量。
土地利用评价模型可以通过构建评价指标体系，综合考虑土地利用的经济、社会和环境效益，对土地利用进行科学评估。
常用的土地利用评价模型包括环境承载力评价模型、生态效益评价模型和经济效益评价模型等。
基于扩展CA模型的武汉市城市土地集约优化配置研究
类 似城 市土地 的结构 调整 和优 化 配置提供 借鉴．
武 汉 市 地 处 我 国 中 部 （ １ 。 １ ～ １ ５０ ２ 。 １ ３ ４ １ 。 ５ Ｅ， ９
Ｇ 等） Ａ 的配置 、 于非线 性与 ＧＩ 基 Ｓ耦合 的配置 等． 由于基 于 非线 性与 ＧＩ Ｓ耦 合 的配 置模 型在 技术 实
和 ＧＩ Ｓ不 相 融 方 面 具 有 很 大 的 潜 力 ） Ｃ 成 为 当 ，Ａ 前 复 杂 性 科 学 研 究 中一 个 相 当 活 跃 的 前 沿 领 域 ， 并
逐渐 与 ＧＩ 、 代数 学模 型 等 紧 密 结合 ． Ａ 模 型 Ｓ现 Ｃ
在 城 市 土 地 利 用 动 态 模 拟 研 究 中 的 发 展 潜 力 不 容
具 有很强 的现 实 意义 ｌ ｊ 土 地 资源 的优 化 配 置既 】． 包括 数量分 配 ， 包 含 空 间布 局 ， 还 而且 后 者 更是 土 地 资源配 置 的核心 ， 数学方 法 和 Ｇ Ｓ相 结合 ， 将 Ｉ 实 现土地 资源数 量和 空间 的合理配 置 ， 为相 关人 员 成 的研究 热点 ， 推动 了土地 资源优 化配置科 学研 究 并 的发展． 内外关 于优 化配置 模型研 究主要 集 中在 国 基 于现状 和经验 的配置 （ 主要 在城市 规划等 政府部 门） 基于关 系数 据分析 的配置 、 于运 筹学 原理 的 、 基
线性 规划模 型配 置 、 于 非线 性 模 型 （ Ｓ Ｃ 基 如 Ｄ、 Ａ、
探讨 Ｃ Ａ参 数 的修正 方法 ， 出基 于非线 性 Ｃ 模 提 Ａ 型和 Ｇ Ｓ的城 市 土地 集 约 优 化 配置 思 路 ， 现 城 Ｉ 实 市土地 集约利 用 的空间局 部调整 ， 促进 城市土地 潜
基于CA-MARKOV的城市建设用地扩展模拟
年的概率转移矩阵，由此确定研究区域土地利用变化
的 CA-MARKOV 模型，并由此预测 2015 年武汉市的
城市建设用地，
得出以下结论：
（1）土地利用的变化具有某种线性相关性，因此
可以利用相关的模型进行模拟预测，例如本研究的
CA-MARKOV 模型。
自然资源各项调查监测及评价、城市规划、制图、军事
等众多领域。
TM 影像主要特点为具较高空间分辨率、波谱分
辨率、极为丰富的信息量和较高定位精度，能满足有
山水林田湖等自然资源以及相关的规划、环境等领域
的监测以及相关的分析等的基本要求。
本研究的数据为多时相遥感数据，为了增加准确
性，尽可能选取每年同一时间段的遥感数据，以减少
时间原因造成的太阳高度角等的影响，大都在 6—9
月。本次实验所用的数据为 Landsat 卫星 2000、2005、
2010 年的 TM 影像数据。
2 动态模拟关键技术 CA-MARKOV 模型
本研究建模的主体算法是马尔科夫链分析算法
以及元胞自动机分析算法。马尔科夫链分析法是应
用于土地利用变化的传统建模方法，基于马尔科夫过
但是该模型也存在很多的不足之处，如土地的利用类
型需要保持不变，模型的适用范围不能太大，一次参
数的设置只适用于同等自然条件的区域等。因此该
模型还需要进一步改进，增加模型的适用性跟因地制
宜性，该模型也为自然资源规划以及城市建设利用提
供了一种可行性的建设方案及方法。
参考文献
［1］田光进，纪远，大方，等.基于遥感与 GIS 的 20 世纪
果进行聚类矢量化处理，城市圈用地范围结果如下：
福州城市用地变化的CA模型动态模拟研究
作者简介 ： 陈志强（ １ ９ ７ ８ 一） ， 男， 福建莆田人 ， 在职博士生。主要从事资源环境 、 地理信息系统应用研究。
收稿 日期 ： ２ ０ ０ ５ — ０ ４ — １ ８ ： 修 回 日期 ： ２ ０ ０ ６ — ０ ２ — １ ４ ．
资助 项 目 ： 国家 自然科 学 基 金项 目（ ４ ０ ３ ７ １ ０ ５ ４ ） ； 福建 省 科 技 厅重 大攻 关 项 目（ ２ ０ ０ ３ １ ０ ０ ２ ） 。
陈志强 ，陈 健飞
（ １ 福 建 师范 大 学 地理 科 学 学 院 ， 福州 ３ ５ ０ ０ ０ ７ ； ２广 州 大 学地 理 科 学 学 院 ， 广州 ５ １ ０ ４ ０ ５ ）
摘要 ： 城 市 用地 变 化 是 一 种 时 空 动 态变 化 的 复 杂 地 理 过 程 ． 如 何 有 效 地 模 拟 这 一 过 程 是 该 研 究 领 域 的 一 个 重 要 问
要走 建立 微分方 程再 离散求 解 的弯路 ． 特别适 合 于
内城 市密 度 的计算 公式 为 ： 邻域 内城 市 密度 ＝ ｆ 城 市 细胞个 数／ ９ ） × １ ０ ０ 程序 循环 条件 的设 定有 两个 ． 一
个是根 据像 元 的增 加数 来判 定是 否终 止循 环 ． 一个
借 助计算机 工具来模 拟复 杂的社会 经济现 象
发展方 向 ． 而 日益受 到地理学 家 的关 注＿ Ｉ 元胞 自动 】 机 模 型ｆ Ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ａ ｒ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍｆ ｌ ｔ ａ Ｍｏ ｄ ｅ １ ． 简称 Ｃ Ａ模 型１ 作
为 一种全 离散 的局部 动力学 模 型 ． 很 容 易描 写单 元
之 间 的相 互作 用 ． 可 以直 接建 立 演 化规 则 ． 而 不需
基于CA模型的佛山市建设用地动态变化研究
庆 人 ，地 图制 图学 与地理 信 息 工 程 专 业 硕 士 研 究 生，主 要研 究方 向为遥感
及 其地 质 应 用 。
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｏ ｎ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃＣｈ ａ ｎ ｇ ｓｏ ｅ ｆ ｔ ｈ ｅＣｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｌａ ｎ ｄＢａ ｓ ｅ ｄｏ ｎＣＡ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎＦｏ ｓ ｈ ａ ｎ ＭＡＯ Ｈ ｕ ａ ｒ ｕ ｉ ， ＹＡ ＮＧ Ｗｕ ｎ ｉ ａ ｎ ， Ｓ Ａ ＮＧ Ｘ ｕ ｅ ｊ ｉ ａ
理论研究 ＼
文章编号：１ ６ ７ ２ — １ ５ ８ ６ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ５ － ０ ０ １ ９ — ０ ５
中图分类号：Ｐ ２ ８ ５ ； ２ ３
文献标识码 ： Ａ
基于Ｃ Ａ模型的佛山市建设用地动态变化研究
毛华锐 ， 杨武年 ， 桑学佳
（ 成都理工大学 地学空 间信息技术 国土资源部重点实验 室 ，四川 成都 ６ １ ０ ０ ５ ９ ）
基 金 项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 项 目
（ ４ １ ０ ７ １ ２ ６ ５ ，４ １ ３ ７ ２ ３ ４ ０ ）
【 摘要 】元 胞 自动机 具有 能模 拟复 杂 动态 系 统 的强 大 能力 ，本文 采 用 了多 约束 条件 的元胞 自动机 模 型 ， 以
广 东佛 山市 ２ ０ ０ ０ 年 、２ ０ ０ ６ 年￥ ￣ ２ ０ １ ２ 年建 设用 地 的变化 为例 ，从 自然 、社 会经 济 发展等 方面 综合考 虑选 取 了高
ｔ ｈ ｅ ｕ ｒ ｂａ ｎ ｃ ｅ ｌ ｌ ｕ ｌ ｒ ａ ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ａ ｍｏ ｄｅ ｌ ｗｉ ｔ ｈ ｍａ ｎ ｙ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ．Ｃｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｉｎｇ ｒ ｔ ｈｅ ｎａ ｔ ｕ ｒ ｅ ，ｓ ｏｃ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｄ
城市规划CA模型及其应用
A Applied Research of Urban Morphology Evolution
Based on Urban Planning CA Model 作者： 尹长林[1,2] 张鸿辉[1,2] 刘勤志[3]
作者机构： [1]中南大学信息物理工程学院,湖南长沙410083 [2]长沙市规划信息服务中心,
湖南长沙410013 [3]贵州大学继续教育学院,贵州贵阳550001
出版物刊名： 地理与地理信息科学
页码： 71-74页
主题词： CA模型 城市空间形态 动态模拟 长沙
摘要：基于CA模型，从城市规划角度，通过引入控制性详细规划层，将整个城市空间划分
为不同组团片区，构建了自下而上和自上而下相结合的城市规划CA模型（UPCA），并以长沙
市为例进行实证研究。
结果表明：该模型简化了传统CA城市模拟模型的数据量，提高了模型的模拟精度，并增强了模型的规划决策功能，使模型具备一定的社会经济分析能力。
《城市规划CA》课件
PART FIVE
教学工具：CA课件作为 城市规划教育的重要工 具，可以帮助学生更好 地理解和掌握城市规划 知识。
案例分析：CA课件可 以提供丰富的城市规划 案例，帮助学生了解城 市规划的实际应用。
互动教学：CA课件可 以实现师生之间的互 动教学，提高学生的 学习兴趣和参与度。
模拟实践：CA课件可以 模拟城市规划的实际操 作，帮助学生提高实践 能力和解决问题的能力。
案例来源广泛：国 内外城市规划案例
案例类型多样：城 市规划、建筑设计、 交通规划等
案例分析深入：从 理论到实践，深入 浅出
实用性强：结合实 际案例，提高学习 效果
课件内容以图文结 合的形式呈现，便 于学生理解
课件中包含丰富的 图片、图表和动画， 增加学习的趣味性
课件内容简洁明了 ，易于学生理解和 记忆
城市规划的原则：以人为本，可持 续发展，生态优先，保护历史文化 遗产，促进社会公平正义。
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
城市规划的目标：实现城市可持续 发展，提高城市生活质量，保护历 史文化遗产，促进社会公平正义。
城市规划的内容：包括城市总体规 划、分区规划、详细规划、专项规 划等。
城市规划的定义 和目的
宣传城市规划理念： 通过CA课件宣传城市 规划的理念，让公众 了解城市规划的重要 性和意义。
推广城市规划方案： 通过CA课件推广城市 规划方案，让公众了 解城市规划的具体内 容和实施步骤。
提高公众参与度：通 过CA课件提高公众参 与城市规划的积极性 和主动性，让公众参 与到城市规划中来。
PART SIX
城市规划理论：介绍城市规 划的理论基础和主要流派
城市规划概述：介绍城市规 划的定义、目的和意义
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城市建设用地扩张研究中CA模型的应用
摘要：本文首先介绍了元胞自动机基本理论及其应用于城市建设用地扩张研究中表现的特性。
其次，就城市建设用地扩张的特点，阐述了研究中如何定义元胞自动机。
然后以Idrisi Andes软件中集成的Markov模型和CA模型为研究工具，重点提出了研究方法及思路。
最后总结分析了利用成熟CA模块研究城市建设用地扩张的利弊。
关键词：建设用地；扩张；CA
随着人类生存需求和经济活动的日趋加剧，特别是近年城市化水平的不断提高，给耕地保护和经济发展带来了巨大压力。
为了合理有序的推进城市化建设，必须加强城市用地扩张的管理，提高城市用地规划的水平。
城市用地是城市复杂巨系统的一部分，其扩张的演变过程遵循一定规律，受到地理条件、基础设施、社会经济、政治、人口、国家政策法规和人类活动等因素的影响。
目前，元胞自动机（CA）模型与GIS技术相结合，进行城市用地扩张的动态模拟日益成为研究热点，作为时空演化分析和模拟的工具，将元胞自动机模型和GIS技术引入城市建设用地扩张的研究中，能够弥补统计分析模型的不足，提供具有时空特性的分析结果。
一、基本概念
元胞自动机（CA）由V on Neumann在20世纪40年代提出，用于研究自复制系统的逻辑特性。
元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散，空间相互作用及时间因果关系皆局部的网格动力学模型（周成虎等，1999）。
分布在规则格网中的每一个元胞拥有有限的离散状态，按照一致的作用规则，根据确定的局部规则同时同步更新元胞状态，完成整个元胞空间的变化。
大量元胞通过简单的相互作用完成系统的动态演化。
与传统的动力学模型不同，元胞自动机不是由明确的函数或模型确定，而是一系列模型在确定的构造规则条件下的有机组合。
遵守这些既定构造规则的模型都可以称作元胞自动机模型。
所以元胞自动机是一种解决问题思想，或者说是一个方法框架。
元胞自动机由元胞、元胞空间、元胞状态、邻域、转换规则和离散时间构成。
在元胞自动机系统中，各个元胞之间是相互离散的，它们共同构成一个离散的元胞空间；在系统任一个时间点t，每一个元胞只能取离散有限状态集合中的一种状态；邻域由分布在中心元胞周围的元胞集合构成，这些元胞按照一定的布局规则，在中心元胞周围一定范围内，以一定形状存在，邻域对中心元胞下一时刻的状态有很大决定作用；转换规则是元胞状态转换应遵循的规则，确定元胞t到t+1时刻状态是否发生转换和如何转换；元胞自动机中的时间没有具体的意义，是离散的，可以简单的理解为元胞空间的一次迭代变化。
二、建设用地扩张中元胞自动机的构成
（一）元胞及元胞空间
GIS栅格图像的栅格结构包含大量信息，为GIS分析和元胞自动机提供丰富的数据来源。
遥感影像的栅格结构与元胞的结构相似。
因此，可以将城市用地现状栅格图像的栅格作为模型中的元胞。
元胞空间理论上是一个无限延伸的抽象空间，地理空间变化研究中通常将其定义为与笛卡尔坐标系相对应的有限二维空间。
所以在城市建设用地扩张研究中，可将二维元胞空间与研究区地理空间范围对应。
（二）元胞状态
元胞状态理论上是一个有限的离散集合。
在描述具体地理空间变化过程中，需要赋予元胞状态明确的含义。
元胞状态可定义为各种城市用地类型，如可定义为状态集合{建设用地、农用地、水域、其他土地}。
（三）邻域空间
元胞转换过程不仅取决于元胞转换规则，还决定于元胞及其邻居的状态。
因此，邻域空间的定义对元胞自动机模拟过程很重要。
研究中可采用美国克拉克实验室开发的IDRISI Andes软件进行城市用地扩张模拟。
该软件集成的元胞自动机模块采用滤波器定义元胞空间，研究中一般采用扩展的摩尔型邻域空间。
邻域空间是一个5×5的滤波器，也就是认为5×5个元胞组成的矩形空间，在元胞转换过程中，对中心元胞状态转换有显著影响。
（四）转换规则
元胞转换规则是元胞自动机模型的核心，设计良好的转换规则应该兼顾各种因素的影响。
Markov模型可以通过土地利用适宜性图像描述转换规则。
土地利用适宜性图像是一种条件概率图像，表示用地在研究区分布的概率。
图像的每个栅格都被赋予一定的概率，代表此栅格在下一时期转换为某种用地类型的概率。
从影响城市用地扩张的地形和交通因素入手，分析城市用地扩张的规律，同时考虑一些其他约束条件，对Markov模型生成的转换规则进行修正，获得更完善的元胞自动机模型转换规则。
（五）时间参数
标准元胞自动机模型中的时间概念是一个抽象的时间概念（张学儒，2008），在地理空间变化模拟过程中，元胞自动机模型的时间概念必须与地理变化过程的时间相对应。
在元胞自动机模型中时间概念用元胞自动机迭代次数来描述，一般以年为计数。
三、研究思路
运用CA模型进行研究，可以独立开发，但难度较大，也可使用成熟的软件，如使用Idrisi Andes软件中集成的CA-Markov模块进行城市建设用地扩张研究。
具体研究思路如下：
（1）运用Idrisi Andes软件中的Markov模型生成未来研究期的城市用地状态转移概率，作为元胞自动机的初始转换规则，该状态转移概率使用条件概率图像表示，各条件概率图像共同组成了城市用地适宜性图像集；
（2）根据地形和交通等约束条件对城市建设用地扩张的影响分析，分别生成约束各类用地转换的概率图像，与初始条件概率图像进行叠加运算，得到修正后的条件概率图像，作为最终的元胞转换规则。
（3）Idrisi Andes的CA-Markov模块实现了集成Markov模型的元胞自动机，可以用于城市建设用地扩张模拟。
将城市用地适宜性图像集、城市用地转换面积矩阵和研究期初城市用地现状图作为参数输入，并选择适当的滤波器定义元胞邻域；
（4）设置CA模拟周期后运行模型，经过多轮模拟检验后，确定模型的时间参数，对未来预测年份城市建设用地扩张情况进行研究。
四、总结
元胞自动机由于其开放的模型框架和空间动态演化能力，应用于城市建设用地变化预测，为研究城市建设用地变化问题提供了新的有效的解决方案。
元胞自动机与其他传统模型结合，强化了其自身的预测能力。
尤其与GIS进行集成，GIS强大的空间分析能力丰富了元胞自动机的数据源。
GIS的图形化描述，可以更好的理解元胞自动机的预测结果。
同时，采用Markov模型与元胞自动机结合，仅考虑地形和交通两个约束条件，模型比较简单，难以充分描述客观地理过程的复杂性。
转换规则由一系列条件概率图像构成，规则不能随着城市用地变化而动态调整，模拟过程基于城市建设用地变化处于平稳状态，不太符合现实变化情况。
因此，应进一步研究城市建设用地变化的驱动力，建立更为科学合理的模型。
参考文献：
[1]周成虎，孙战利，谢一春．地理元胞自动机研究[M]．北京：科学出版社，1999，1-163.
[2]张学儒．基于CLUE-S模型的唐山海岸带土地利用变化情景模拟[D]．河北师范大学，2008.
[3]张显峰，崔伟宏．基于GIS和CA模型的时空建模方法研究[J]．中国图象图形学报，2000b，5（A）(12)：1012-1018.
[4]张显峰．基于CA的城市扩展动态模拟与预测[J]．中国科学院研究生院学报，2000a，17(1).
[5]肖翔，濮励杰等．基于马尔可夫模型的苏州市区土地利用变化预测[J]．江西农业学报，2008，11(6)：175-180.。