一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法和系统

本发明属于城乡规划，具体涉及一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法和系统。

背景技术：

1、城市扩张元胞自动机模型(cellular automat，ca)是一种用于模拟城市土地利用演变的离散时空动态模型。在该ca模型中，城乡空间被划分成不同用地类型，每一块土地都由一个元胞代表。这些元胞受到周围邻域元胞的状态影响，并根据一组规则来模拟土地类型的变化。这些规则描述了元胞状态如何根据其当前状态和邻域状态来演变。通过模型的多次迭代模拟城市扩张的过程，可以观察土地利用的变化趋势和城市结构的演化规律，有助于规划者更好地理解城市发展和土地利用的动态，以做出更明智的规划和决策。城市扩张元胞自动机模型在城市规划、土地利用规划和环境评估中具有广泛的应用。

2、现有研究中，部分学者从经济视角关注城市扩张的经济动因，分析城市的增长是否与就业机会、产业发展等相关；部分研究者则从土地与环境视角考察城市扩张对自然资源的影响，如土地使用变化、生态系统破坏等；此外，社会、政治、文化等视角也在一定程度上可揭示城市扩张的多样性与复杂性。然而，这些研究在关注特定视角的同时，往往忽略了空间相互作用对城市扩张的影响，尤其是空间相互作用导致的空间各向异性特征在城市扩张中的影响。传统的ca模型体现的更多的关注城市内部变量之间的相互关系，忽略了城市之间的空间相互作用对城市扩张模拟(城市用地数量增长与城市形态)的影响。因此，采用现有的ca模型忽视空间相互作用，对城市扩张进行模拟预测，其预测结果不够准确。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明通过在ca模型中引入空间相互作用模型来确定城市之间的引力大小、辅助分析城市之间的引力对城市扩张的影响，解决传统ca模型忽视空间相互作用，提高了城市扩张模拟结果的准确性。

2、本发明第一方面提供一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法，该方法包括：

3、步骤a：构建城市扩张元胞自动机模型ca，目标城市各区域分别对应于所述城市扩张元胞自动机模型中的各元胞；

4、步骤b：根据目标城市的城市质量q和目标城市到周边各城市间的综合距d，计算目标城市各区域与周边各城市的引力值tij，将所述引力值tij根据距离衰减函数赋值给每个元胞，每个元胞得到加权引力值；

5、步骤c：获取目标城市的土地利用数据和驱动因子数据，所述土地利用数据包括基期年土地利用数据和末期年土地利用数据，进行数据预处理，得到目标城市的用地变化及驱动因子数据库；

6、步骤d：对所述用地变化及驱动因子数据库中数据进行随机分层抽样，得到抽样后的数据，利用所述抽样后的数据预训练随机森林网络，利用预训练后的随机森林网络得到元胞的初步转换概率

7、步骤e：利用卷积神经网络，对所述基期年土地利用数据和驱动因子数据进行处理，得到元胞的邻域效应概率

8、步骤f：根据所述加权引力值、初步转换概率邻域效应概率和随机因子r，计算得到元胞的总体转换概率在基期年土地利用数据中随机选择起始元胞点，根据总体转换概率判断该元胞的转换状态，根据元胞的加权引力值判断下一个迭代点元胞的位置，进行迭代，迭代达到全局约束量的扩张量则停止，得到所述目标城市的城市扩张模拟结果。

9、上述步骤c和步骤d之间有先后顺序，步骤b和步骤e分别与步骤c和步骤d之间没有时间或顺序的先后之分。

10、本发明第二方面提供一种基于空间相互作用的城市扩张模拟系统，包括：

11、数据采集模块：用于采集数据，采集的数据包括：基期年土地利用数据、末期年土地利用数据、驱动因子数据；目标城市的各区域及周边城市的人口数、地区生产总值、社会消费品零售总额和进出口总额；目标城市的各区域距离周边城市的公路里程、铁路里程、空间经纬度距离；

12、数据处理模块：用于对采集的数据进行预处理，根据所述目标城市的土地利用数据和驱动因子数据，经预处理后得到目标城市的用地变化及驱动因子数据库；

13、引力值计算与赋值模块：用于计算目标城市各区域与周边各城市的引力值，将所述引力值根据距离衰减函数赋值给每个元胞，每个元胞得到加权引力值；

14、随机森林网络模块：用于计算元胞的初步转换概率利用预训练后的随机森林网络，对所述用地变化及驱动因子数据库中的数据进行处理，得到元胞的初步转换概率

15、卷积神经网络模块：用于计算元胞的邻域效应概率利用卷积神经网络，对所述基期年土地利用数据和驱动因子数据进行处理，得到元胞的邻域效应概率

16、总体转换概率计算模块：用于计算元胞的总体转换概率根据所述初步转换概率邻域效应概率加权引力值和随机因子r，计算得到元胞的总体转换概率

17、城市扩张模拟模块：用于进行城市扩张模拟，该模块包括城市扩张元胞自动机模型ca，在基期年土地利用数据中随机选择起始元胞点，根据总体转换概率判断该元胞的转换状态，根据元胞的加权引力值判断下一个迭代点元胞的位置，进行迭代，一直迭代达到全局约束量的扩张量，得到所述目标城市的城市扩张模拟结果。

18、本发明的有益效果：本发明构建城市扩张元胞自动机模型ca，计算目标城市各区域与周边各城市的引力值，并将该引力值赋值到每个元胞，得到每个元胞的加权引力值；根据目标城市的土地利用数据和驱动因子数据，得到目标城市的初步转换概率根据基期年土地利用数据和所述驱动因子，得到目标城市的邻域效应概率根据所述每个元胞的加权引力值、初步转换概率邻域效应概率和随机因子，计算得到元胞的总体转换概率在ca模型的迭代中，根据所述总体转换概率和基期年土地利用数据，进行迭代，扩张模拟得到所述目标城市的城市扩张模拟结果。本发明在ca模型中充分考虑目标城市各区域与周边各城市的引力关系，其城市扩张模拟结果更准确，解决传统ca模型中元胞无向性导致模拟精度偏低的问题。

技术特征：

1.一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法，其特征在于，所述步骤b的具体过程包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法，其特征在于，所述步骤c的具体过程包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述驱动因子包括目标城市的自然环境因子、社会经济因子和交通因子，利用地理信息系统，得到所述驱动因子数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法，其特征在于，所述步骤d的具体过程包括：

6.根据权利要求1所述的一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法，其特征在于，所述步骤e的具体过程包括：

7.根据权利要求1所述的一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法，其特征在于，在所述步骤f中，所述迭代公式为用地动态迭代公式，其具体计算公式为：

8.一种基于空间相互作用的城市扩张模拟系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明涉及一种基于空间相互作用的城市扩张模拟方法和系统，该方法包括：构建CA模型，根据目标城市的城市质量和目标城市到周边各城市间的综合距离，计算目标城市各区域与周边各城市的引力值，将引力值根据距离衰减函数赋值给每个元胞，每个元胞得到加权引力值；经过数据预处理，得到目标城市的用地变化及驱动因子数据库；分别计算得到元胞的初步转换概率、邻域效应概率；根据初步转换概率、邻域效应概率、加权引力值和随机因子得到元胞的总体转换概率，在CA模型中进行城市扩张模拟，得到所述目标城市的城市扩张模拟结果。采用本发明解决传统CA模型中元胞无向性导致模拟精度低的问题，所得到城市扩张模拟结果更准确。

技术研发人员：刘明皓,王建祥
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16