[发明专利]一种基于FLUS模型和生物多样性模型的变化情景模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于FLUS模型和生物多样性模型的变化情景模拟方法，本发明集成了旧土地利用模拟模型的优势，消除了误差传递、改良了模型的内部的现实意义不明确的参数；FLUS模型中引入的神经网络算法计算各类用地的分布概率，再使用轮盘赌机制引入土地利用类型的竞争，实现了智能算法和不确定性机制的结合并同时应用于未来土地利用情景预测中；最终用更少的数据、更少的参数、更快的速度获取了精确度比旧土地利用模拟模型更高的模拟结果；生物多样性模型中的生态系统服务模型、物种分布模型和生物多样性指数模型计算各指标，能定量评估未来情景下的土地利用对生物多样性的影响；设置不同情景下的目标要求，能模拟获得符合情景目标的土地利用。

技术领域

本发明涉及地理信息科学、城市规划和生态环境技术领域，更具体地，涉及一种基于FLUS模型和生物多样性模型的变化情景模拟方法。

背景技术

人类活动和自然因素变化带驱使着土地利用的变化，对生态环境造成了巨大的影响。因此，如何评估土地利用变化对生物多样性的影响逐渐受到关注。指标评估、模型模拟和情景分析是生物多样性评估中常见的3种方法。情景分析方法用于提出问题和假设。模型模拟方法用于分析在情景分析所设定的假设条件下，生物多样性如何变化及其变化原因。指标评估方法用于表达模型的分析结果及变化趋势。近年来，基于最优化理论的空间优化模型逐渐被应用到生物多样性保护领域，并在保护区选址、生物多样性保护优先区域规划和物种生境保护等研究中表现出较强的应用潜力。

在城市土地利用变化模拟中，元胞自动机(CA)模型是土地利用变化模拟研究中的主流模型。元胞自动机是一种具有很强的空间运算能力的时空离散动力学模型，在复杂性科学中占有重要的地位。经常被运用于自组织分析过程。元胞自动机着眼于微观，自下而上，充分体现了复杂系统的个体与局部的行为会产生全局有序的模式的理念。元胞自动机能更准确、清楚、完整的模拟自然的复杂现象，模拟出复杂系统的不可预测的行为，做到方程式模型做不到的模拟效果。能用比数学方程更加容易理解的方式模拟不规则的复杂的现象，能用计算机进行精度无损的建模，可以模拟任何可能的自然系统行为且不能再简约。

地理元胞自动机的网格空间通常为正方形的二维网格，正方形网格直观简便，特别适合用计算机内存环境存储表达和编程处理。邻域是元胞自动机的动态成分，与元胞自动机的规则直接相关。在地理元胞自动机中，邻域窗口每次迭代都要扫描全图，得到每个元胞自动机的邻域信息，并根据邻域信息和转换规则刷新元胞状态。使得每次迭代都有新的地理状态输入。一个元胞下一时间段的所有可能状态与其转换规则构造了一种简单的、空间上离散的微观局部物理成分，是元胞自动机的规则，也是元胞自动机的状态转移函数。

FLUS模型是当前广泛用的一种土地利用模拟模型，由系统动力学(SD)和元胞自动机集成，已经广泛应用于城市土地利用变化模拟、城市增长开发边界划定、生态红线划定、大区域大尺度多情景下的土地利用模拟。FLUS模型包含两部分：“自上而下”的SD模型和“自下而上”的CA模型。SD模型用于在研究区预测多种社会经济和自然环境等驱动因素下的未来土地需求。CA模型分为两部分：人工神经网络耦合不同类型的驱动因子计算元宝的土地适宜性概率；FLUS模型中的自适应惯性和竞争机制解决不同土地利用类型转换时的复杂性和不确定性，其中的轮盘赌机制用于确定元胞在下一时刻是否发生用地类型的转换。

现有技术中，公开号为CN105447235A中国发明专利，于2016年3月30日公开了一种基土地未来利用情景动态模拟方法，该方法集成了元胞自动机(CA)模拟复杂系统时空演化过程的能力和CLUE-S模型模拟多类别土地利用类型竞争的优势，通过优势整合克服了传统元胞自动机或单纯CLUE-S模型的一些固有缺陷；另外采用了神经网络(ANN)算法实现了分布概率的智能计算，引入轮盘赌的竞争机制实现多种土地利用变化的同步模拟，使得新方法更适合多种类别的土地利用数据。该方案没有对细分情景进行模拟。

发明内容