一种土地利用变化的模拟方法及系统

本发明涉及时空数据建模及土地规划应用领域，特别涉及一种土地利用变化的模拟方法及系统。

背景技术：

1、土地利用或土地覆盖变化是反映人类活动与其赖以生存的土地资源之间相互作用的基本过程与重要结果，利用模拟模型研究土地利用或土地覆盖变化的演化过程与格局，不仅有助于揭示人地相互作用机制，缓解人地关系矛盾，而且也为区域土地利用与城市规划提供了科学决策依据,对促进区域可持续发展具有重要作用。

2、现有技术中，通过元胞自动机模型中的逻辑回归方法定义土地转换规则，该转换规则反映土地状态是否会发生改变，进而模拟研究土地利用的变化情况。但是，上述方法的缺点在于无法确定土地在发生改变后会变为哪种土地利用类型。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种土地利用变化的模拟方法及系统，可以解决现有技术中，存在无法确定土地在发生改变后会变为哪种土地利用类型的问题。

2、本发明实施例提供一种土地利用变化的模拟方法，包括以下步骤：获取研究区域内的土地相关数据，所述土地相关数据包括：邻域土地利用条件、土地利用类型和土地开发适宜性；所述邻域土地利用条件用于表示确定范围内的不同土地类型占范围内所有土地的比例，所述土地开发适宜性用于表示土地利用变化受多个空间变量共同影响的结果；根据土地相关数据训练卷积神经网络模型cnn输出转移概率，获得转移概率模型，所述转移概率表示当前土地利用类型转变为不同土地利用类型的概率；使用元胞自动机ca将一个待测研究区域的栅格单元视为一个元胞，将每个元胞的土地相关数据输入转移概率模型获取每个元胞的转移概率；将转移概率、用于表示影响土地利用变化的约束条件和用于增加随机性的随机因素作为元胞自动机ca的转换规则；根据转换规则预测每个元胞的开发概率，通过开发概率确定每个元胞变化后的土地利用类型。

3、进一步地，所述根据土地相关数据训练卷积神经网络模型cnn输出转移概率，具体步骤包括：

4、将包含邻域土地利用条件、土地利用类型和土地开发适宜性的土地相关数据输入cnn的卷积层进行特征提取，获取特征数据；

5、将特征数据输入池化层改变特征的空间维度，并将改变空间维度后的特征数据通过全连接层映射到对应的转移概率；

6、通过分类器层softmax输出土地利用类型的转移概率。

7、进一步地，所述通过开发概率确定每个元胞变化后的土地利用类型，具体步骤包括：

8、根据转换规则预测每个元胞的开发概率 p ij，公式为：

9、；

10、其中， cp ij表示元胞（ i,j）的土地利用类型的转移概率， z ij表示元胞（ i,j）的约束条件， r ij表示元胞（ i,j）的随机因素；

11、设定用于确定当前元胞是否转移的概率阈值，当开发概率大于概率阈值，则确定当前元胞转变为主要用地类型。

12、进一步地，所述约束条件表示水域、生态保护区、优质的农田保护区的土地利用类型不发生改变；

13、所述约束条件 z ij的获取公式为：

14、；

15、其中， c ij表示元胞的状态， con(·)是一个函数，如果元胞( i,j)在限制区域内，它返回0，否则返回1。

16、进一步地，所述随机因素将随机变量引入元胞自动机中，让元胞自动机具有随机性；

17、所述随机因素 r ij的获取公式为：

18、；

19、其中， a是从0到1的随机数，u是控制随机扰动强度的参数，取值在1-10的范围内。

20、进一步地，所述卷积神经网络模型cnn由3个卷积层、2个池化层、1个全连接层、1个分类器层softmax和激活函数relu构成，且第一层卷积层由8个卷积核组成，第二层池化层由3×3池化层组成，第三层卷积层由16个5×5卷积核组成，第四层池化层由3×3池化层组成，第五层卷积层由16个5×5卷积核组成，第六层全连接层由48个神经元组成。

21、进一步地，所述获取研究区域内的土地相关数据，具体步骤包括：通过初始土地利用图获取邻域土地利用条件和土地利用类型，所述初始土地利用图用于显示研究区域内固定时间点土地利用情况；根据初始土地利用图，使用逻辑回归方法对地面坡度、到市区的距离、gdp的空间分布进行分析得到土地开发适宜性。

22、本发明实施例提供一种土地利用变化的模拟系统，包括：

23、条件获取模块，用于获取研究区域内的土地相关数据，所述土地相关数据包括：邻域土地利用条件、土地利用类型和土地开发适宜性；

24、转移概率获取模块，用于根据土地相关数据训练卷积神经网络模型cnn输出转移概率，获得转移概率模型，所述转移概率表示当前土地利用类型转变为不同土地利用类型的概率；使用元胞自动机ca将一个待测研究区域的栅格单元视为一个元胞，将每个元胞的土地相关数据输入转移概率模型获取每个元胞的转移概率；

25、土地利用模拟模块，用于将转移概率、用于表示影响土地利用变化的约束条件和用于增加随机性的随机因素作为元胞自动机ca的转换规则；根据转换规则预测每个元胞的开发概率，通过开发概率确定每个元胞变化后的土地利用类型。

26、本发明实施例提供一种土地利用变化的模拟方法及系统，与现有技术相比，其有益效果如下：

27、使用元胞自动机ca将一个待测研究区域的栅格单元视为一个元胞，将每个元胞的土地相关数据输入转移概率模型获取每个元胞的转移概率，转移概率表示当前土地利用类型转变为不同土地利用类型的概率；

28、将转移概率、约束条件和随机因素作为元胞自动机ca的转换规则；根据转换规则预测每个元胞的开发概率，最终能够通过开发概率确定每个元胞变化后的土地利用类型，获得待测研究区域土地利用类型发生变化后的土地利用类型。

技术特征：

1.一种土地利用变化的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种土地利用变化的模拟方法，其特征在于，所述根据土地相关数据训练卷积神经网络模型cnn输出转移概率，具体步骤包括：

3.如权利要求2所述的一种土地利用变化的模拟方法，其特征在于，所述通过开发概率确定每个元胞变化后的土地利用类型，具体步骤包括：

4.如权利要求1所述的一种土地利用变化的模拟方法，其特征在于，所述约束条件表示水域、生态保护区、优质的农田保护区的土地利用类型不发生改变；

5.如权利要求1所述的一种土地利用变化的模拟方法，其特征在于，所述随机因素将随机变量引入元胞自动机中，让元胞自动机具有随机性；

6.如权利要求1所述的一种土地利用变化的模拟方法，其特征在于，所述卷积神经网络模型cnn由3个卷积层、2个池化层、1个全连接层、1个分类器层softmax和激活函数relu构成，且第一层卷积层由8个卷积核组成，第二层池化层由3×3池化层组成，第三层卷积层由16个5×5卷积核组成，第四层池化层由3×3池化层组成，第五层卷积层由16个5×5卷积核组成，第六层全连接层由48个神经元组成。

7.如权利要求1所述的一种土地利用变化的模拟方法，其特征在于，所述获取研究区域内的土地相关数据，具体步骤包括：

8.一种土地利用变化的模拟系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种土地利用变化的模拟方法及系统，涉及时空数据建模及土地规划应用领域，包括：使用元胞自动机CA将一个待测研究区域的栅格单元视为一个元胞，将每个元胞的邻域土地利用条件、土地利用类型和土地开发适宜性输入训练后的卷积神经网络CNN获取每个元胞的转移概率；将转移概率、约束条件和随机因素作为元胞自动机CA的转换规则，通过转换规则获得每个元胞的开发概率，通过开发概率确定每个元胞变化后的土地利用类型。本发明能够模拟和预测土地利用及城市发展趋势。

技术研发人员：杨威,侯鲲,张宇,齐星格,王雪景
受保护的技术使用者：长春师范大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10