[发明专利]顾及空间异质性的邻域效应模式构建与CA模拟方法及系统

说明书

本发明公开了一种顾及空间异质性的邻域效应模式构建与CA模拟方法及系统，通过引入多约束下的Delaunay三角网聚类方法得到中心元胞的邻域范围，结合三角网识别出的空间邻近关系和邻域范围构建最终的约束型元胞多阶不规则邻域；并通过对历史数据进行空间度量因子距离衰减序列聚类并建立邻域效应模式库的方式，以挖掘不同邻域内元胞转换规则的相似性和差异性的方法。本发明采用非均质的规则来定义元胞的邻近关系，考虑空间分布复杂性特征，体现了地块相互作用范围的差异性，可以真实地反映土地利用变化规律。从历史数据中挖掘矢量空间中隐含的土地利用交互分异规律，避免了工作量巨大的数值校准，也不容易存在主观、片面的问题。

技术领域

本发明涉及到元胞自动机和土地利用研究领域，具体涉及一种顾及空间异质性的邻域效应模式构建与CA模拟方法及系统。

背景技术

元胞自动机(CA)模型是一种常见的土地利用变化模拟模型，能够基于微观简单的元胞相互作用模拟出宏观复杂的动态格局，因而在土地利用变化或城市增长领域具有重要作用。在元胞自动机模型当中，邻域指的是能够对中心元胞产生影响的范围，其研究内容包括邻域定义和邻域效应建模。不同于栅格元胞自动机的均质邻域，矢量元胞自动机由于元胞单元大小、形状不一，元胞的邻域数量和邻域范围都有可能不一样，形状也不再对称，邻域的定义变得复杂多样，因此合理划分矢量元胞自动机的元胞不规则邻域有利于更科学地进行城市土地利用变化模拟。

邻域定义包含了邻近关系识别和范围划分两个内容。目前的矢量元胞自动机邻近关系定义方式主要有：(1)基于空间邻接关系的定义方法。(2)基于空间距离的定义方法。(3)基于元胞空间聚类的定义方法。根据元胞邻近关系，通过空间或非空间扩展两种方式构建各式各样的邻域：(1)空间扩展可形成邻接邻域、受限拓扑邻接邻域、缓冲区邻域(质心缓冲区、边界缓冲区)、截断缓冲区邻域(质心截断缓冲区、边界截断缓冲区)、多阶邻域、广域邻域等多种邻域。(2)非空间扩展代表则是由Moreno提出的基于促进关系定义的邻域。研究表明，根据不同邻接关系类型和不同空间距离度量方式的邻域敏感性分析，质心截取缓冲区的邻域定义方法在城市扩张模拟中的表现优于其他方法。

邻域效应是建立复杂系统元胞自动机模型需要考虑的关键问题之一，指局部土地利用交互的吸引与排斥作用，是对局部影响力的表达。由于现有矢量元胞自动机模型基于空间同质性假设建模，普遍采用一致的规则定义元胞的邻近关系，没有考虑到地理实体密度分布不均、形态各异等空间分布复杂性特征，也没有体现出地块相互作用范围的差异性，同时对多地类综合影响的元胞转换概率和复杂的土地利用相互作用关注不够，导致无法真实地反映土地利用变化规律，尚存诸多亟待深入研究的问题，比如：(1)矢量元胞邻近关系识别规则未考虑土地利用空间分布的复杂性。(2)矢量元胞邻域范围未考虑局部相互作用范围的差异性。(3)矢量元胞邻域效应影响力计算未考虑土地利用空间相互作用模式的多样性。

发明内容

发明目的：针对以上的问题，本发明目的在于提供一种顾及空间异质性的邻域效应模式构建与CA模拟方法及系统，通过引入多约束下的Delaunay三角网聚类方法，进行矢量元胞自动机的元胞不规则邻域的划分；并通过对历史数据进行空间度量因子距离衰减序列聚类并建立邻域效应模式库的方式，以挖掘不同邻域内元胞转换规则的相似性和差异性的方法。能够考虑到地理实体密度分布不均、形态各异等空间分布复杂性特征，体现地块相互作用范围的差异性，并真实地反映土地利用变化规律。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种顾及空间异质性的邻域效应模式构建方法，包括如下步骤：

(1)获取基础地理信息数据和土地利用数据，根据设置的阈值对非建设用地进行大地块分割和小地块消除；

(2)提取用地单元质心构建Delaunay三角网，并利用边长约束对三角网进行删边简化，以简化后的三角网的边识别元胞自动机模型的元胞的空间邻近关系；其中每个用地单元对应元胞自动机模型中的一个元胞；