城市用地的擴(kuò)張模擬是土地利用/土地覆蓋變化（LUCC）研究的核心問題之一.文章耦合了最大熵模型（Maxent）與元胞自動(dòng)機(jī)（CA）,并提出一種新的城市擴(kuò)張模型（Maxent-CA）,模型簡單并可以從單期遙感影像中獲取轉(zhuǎn)換規(guī)則.以2000年中國地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),結(jié)合人口密度、到城市的距離等空間變量,構(gòu)建了Maxent-CA模型并分析其訓(xùn)練樣本、鄰域空間結(jié)構(gòu)和空間尺度等,實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的參數(shù)校正與驗(yàn)證.研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)訓(xùn)練樣本的采樣比例與城市用地的轉(zhuǎn)變量在全區(qū)的占比相匹配而且采用馮諾依曼鄰域結(jié)構(gòu)時(shí),模型將得出更好的模擬結(jié)果.隨著空間分辨率的降低模擬結(jié)果的空間結(jié)構(gòu)變得簡單,但是模擬精度也會(huì)受到明顯影響.與傳統(tǒng)邏輯回歸CA模型對(duì)比, Maxent-CA能夠很好地避免產(chǎn)生城市中心團(tuán)簇的現(xiàn)象,將有助于得出更接近于真實(shí)情況的模擬結(jié)果,也能很好地滿足大區(qū)域的城市擴(kuò)張模擬的需求. 

【文章來源】：中國科學(xué):地球科學(xué). 2020,50(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

基于Maxent的CA模型

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不論是采用摩爾鄰域還是馮諾依曼鄰域,模擬精度幾乎均隨著鄰域范圍的增加而降低(表1)這表明離中心元胞越近的鄰域?qū)ζ溆绊懺酱?這與地理學(xué)第一定律是相符合的.在相同條件下,馮諾依曼鄰域的模擬結(jié)果略好,在3×3、5×5、7×7、9×9、11×11和13×13鄰域中,采用馮諾依曼鄰域的模擬精度比采用摩爾鄰域的模擬精度分別高0.08%、2.63%、2.34%、1.9%、1.37%和1.71%.為了探究微觀尺度上鄰域元胞對(duì)中心元胞的影響情況,統(tǒng)計(jì)了新增城市用地5×5摩爾鄰域?qū)χ行脑呢暙I(xiàn)(圖4).從3×3鄰域的范圍看,中心元胞的上(4.30%)、下(4.31%)、左(4.39%)和右(4.31%)四種元胞的貢獻(xiàn)均高于4.3%,形成了第一層內(nèi)圈,也是貢獻(xiàn)最大的圈層.這四種元胞的貢獻(xiàn)也是高于左上(4.27%)、左下(4.28%)、右上(4.25%)和右下(4.11%)的貢獻(xiàn).再從5×5鄰域范圍看,依然可以看出第二個(gè)圈層內(nèi)的貢獻(xiàn)是比圈層外的貢獻(xiàn)大.從本實(shí)驗(yàn)中可知隨著鄰域的增加,外圍的元胞對(duì)中心元胞的影響越來越弱.3.3 空間尺度分析

地理元胞自動(dòng)機(jī)的空間尺度選擇在模型應(yīng)用中至關(guān)重要,它會(huì)直接影響到元胞自動(dòng)機(jī)模型的運(yùn)行效果(李丹等,2012).先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,得到空間分辨率(元胞大小)分別為1km×1km、2km×2km、3km×3km、5km×5km、8km×8km、10km×10km的數(shù)據(jù).在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用Maxent-CA模型分別在6個(gè)不同的尺度上對(duì)研究區(qū)進(jìn)行城市擴(kuò)張模擬,模擬結(jié)果如圖5所示.由圖可知,隨著空間分辨率的降低,模擬結(jié)果中城市用地的團(tuán)簇現(xiàn)象越明顯,這與實(shí)際有一定的偏差可以從模擬精度(表2)這一指標(biāo)上看出,模擬精度是先下降后上升.其中,當(dāng)空間尺度從1km增加到3km時(shí),其模擬精度變化較大,分別從92.04%降至86.21%,再下降到83.85%.但是當(dāng)空間尺度從5km增加到10km時(shí),模擬精度有所提高,相比起3km的模擬精度,分別提高了0.27%、0.92%和2.65%.為了更好地描述模擬結(jié)果的空間形態(tài)特征和評(píng)價(jià)該地區(qū)的景觀現(xiàn)狀和城市用地利用格局,計(jì)算了斑塊數(shù)、斑塊密度和分形維度(表2).從表中可知,隨著空間分辨率的降低,斑塊數(shù)和斑塊密度均逐漸下降.其中斑塊數(shù)從64531下降到633,斑塊密度從0.0068下降到0.0001.這表明分辨率從1km變化到10km過程中,較小的斑塊合并到鄰近的大斑塊中,斑塊個(gè)數(shù)減少,斑塊面積增加.與非城市用地相比,城市用地的數(shù)量相對(duì)較少.在降尺度的過程中,往往會(huì)將零散的城市用地斑塊歸并到非城市用地斑塊中,因此城市用地斑塊個(gè)數(shù)會(huì)明顯減少.分形維度是反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的一個(gè)指標(biāo).從表2中可以看出隨著空間分辨率的降低,其分形維度值從1.0126減少到1.0067,表明低分辨率的結(jié)構(gòu)變得簡單.這主要是因?yàn)槭艿浇党叨鹊挠绊?零散城市用地消失,城市用地變得更為聚集和簡單.例如,在圖5a中的1km模擬結(jié)果中,中國西北部新疆地區(qū)城市用地的分布是比較零散的,但是到8km(圖5e)和10km(圖5f)的模擬結(jié)果中,這些用地卻消失了,這表明部分零散分布的城市用地已受到降尺度的影響已歸并到非城市用地并消失.

【參考文獻(xiàn)】：
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