基于C5.0决策树算法的元胞自动机土地利用变化模拟模型

C5.0决策树算法可以揭示数据中的结构化信息，建立直观、易于理解的树形结构，可以用于元胞自动机转换规则的获取。提出了基于C5.0决策树算法的元胞自动机模型，分析了模型构建的理论和原理以及实现方法。在此基础上，以杭州市城市用地演变为例，利用C5.0决策树算法从已有的城市用地及其影响因子数据中挖掘出城市用地的演变规则，并将获得的转换规则应用到元胞自动机模型中进行城市用地演变的动态模拟与预测。结果表明：（1）利用C5.0决策树算法获取转换规则可以在较低采样率的前提下保证具有较高的精度；（2）与其它获取元胞自动机转换规则的方法相比，C5.0决策树算法生成的规则清晰明确，很适合用来获取元胞转换规则；（3）基于C5.0决策树算法的元胞自动机模型在模拟城市用地演变方面具有较高的模拟精度，模拟结果可靠.     

集成遥感和GIS的元胞自动机城市生长模拟

元胞自动机（Cellular Automata, CA）因其“自下而上”的自组织性能够呈现复杂的全局结构，越来越多地应用于城市生长和演化模拟。从历史遥感影像中提取了对城市生长影响较大的空间距离变量，结合实测数据和规划数据，挖掘基于Logistic回归的地理CA转换规则，建立了Logistic CA模型。在自主开发的基于GIS的地理模拟框架下，以中小尺度城市上海市嘉定区为例，利用该Logistic CA模型模拟和重建了该区1989~2006年城市生长过程。将模拟结果与遥感影像分类的结果进行逐象元比较，获取混淆矩阵和Kappa系数，从而对模型模拟结果进行评价。研究表明:Logistic CA模型适合于中小尺度城市生长模拟，模拟结果与城市实际形态相符，精度较好。最后，基于嘉定区城市发展态势不变的假设，预测了其2010年城市生长的可能情景。     

基于CA-Markov模型的鄱阳湖区土地利用变化模拟研究

以鄱阳湖区为研究区,采用Logistic回归测度不同影响因子与各地类之间的驱动作用,结合Markov预测构建适用于湖区土地利用变化模拟的元胞自动机模型,对模型精度进行检验并对湖区未来土地利用发展趋势进行模拟预测。结果表明:(1)2000~2010年湖区各地类变化幅度呈显著提升趋势,草地是最活跃地类,耕地面积大幅下降,城镇化扩张稳定;(2)不同影响因子对各地类的驱动作用方向与解释能力各不相同,整体解释效果良好,各个ROC检验值均超过了0.81;(3)CA-Markov模型整体Kappa系数0.85,点对点精度75%,模拟结果具有较高精度,其中模型对于林地、耕地及水域变化的模拟效果最优;(4)2010~2025年湖区各地类变化幅度有所扩大,但其变化活跃程度趋向稳定;(5)2010~2025年耕地、林地面积减少主要是城市建设用地的侵占所致,其它类型转变为居民用地的单向变化趋势显著,湖区城镇化进程大幅加速,主要集中在昌九一体化城市群区域;(6)2010~2025年草地、未利用土地面积增加主要集中在湖区各区县城镇边缘地带,城镇化进程中绿地保护措施效果明显,但仍容易造成耕地、林地抛荒等状况。     

基于Dyna-CLUE模型的太湖流域建设用地空间扩张模拟

从区域尺度模拟建设用地空间扩张是理解和解释区域土地利用变化过程与趋势的有效途径之一。基于Dyna-CLUE模型，通过1985年以来5个时段太湖流域遥感影像数据及自然与社会经济数据提取先验转换规则，模拟未来太湖流域在耕地保护、生态保护与综合保护3种不同情景模式下建设用地空间增长过程。结果显示：3种模拟情景下Kappa 系数均大于0.75，具有较高的一致性，表明Dyna-CLUE模型在太湖流域建设用地空间扩张模拟中有较强的适用性；3种情景下，综合保护情景下建设用地扩张模拟精度最高；2020与2030年流域建设用地扩张均以大城市周边为主导，其中2010～2020年扩张总量位居前列的城市依次为上海、嘉兴、无锡和湖州等，而2020～2030年依次为嘉兴、苏州、上海和无锡等。2020年、2030年建设用地空间扩张模拟结果基本符合太湖流域建设用地空间扩张的趋势。研究方法及模拟结果相对可靠，以期为未来太湖流域城市化进程中的土地利用规划实施，特别是土地利用宏观需求的空间配置提供一定的借鉴与参考     

基于SLEUTH模型的无锡市区土地利用变化情景模拟

以城市化快速发展和生态环境压力突出的无锡市区为研究区,综合集成地形图、交通图以及1980、1995和2000年TM/ETM土地利用遥感解译资料,应用SLEUTH元胞自动机模型对土地利用变化过程进行情景模拟,揭示不同土地保护强度下的土地利用变化趋势。研究结果：SLEUTH模型首先对过去土地利用变化实现了动态模拟,模拟精度较高;在模拟形成的未来土地利用变化情景中,情景Ⅰ是基于维持现状土地利用保护强度基本不变的假设,城镇用地将迅速扩张,并占用大量水田和旱地,城镇扩张形态以边缘增长为主;情景Ⅱ则将水田保护强度提高50%,旱地提高12%,林草地提高50%,则城镇用地迅速扩张及耕地大量被占用的趋势得到有效控制;研究也进一步证明了SLEUTH模型在我国快速城市化背景下土地利用变化模拟和预测中的适用性。     

基于GIS与LTM模型的上海市城市扩展模拟与预测

本文以1990、2000、2005年上海市城市土地利用遥感数据为基本数据源,结合城市人口数据,利用LTM模型对1990-2000年和1990-2005年上海市城市空间扩展过程进行了模拟和精度检验,并在此基础上对2020年上海市城市空间扩展进行了预测。结果表明:1990-2000年、1990-2005年LTM模型模拟结果的Kappa系数分别为0.59和0.61,可以较好的模拟历史时期上海市城市空间扩展的总体趋势;LTM模型预测结果显示,2005-2020年上海市城镇用地面积将由914.03km2增加到1123.79km2,年均扩展面积将由1990～2005年的23.44 km2/a下降到13.98 km2/a,未来上海市城市空间扩展速度将呈减缓趋势。     

基于知识与规则的土地利用信息分层提取研究——以南京市都市区为例

为了克服利用统一分类模型难以有效提高土地利用分类精度的问题,为土地利用/覆被定性、定量信息的提取提供一种高精度、高效率的提取方法,将分层信息提取法和基于知识规则的信息提取方法相结合,基于对南京市都市区的土地利用时空特点和研究区TM影像数据中各地类波谱信息的分析,结合了地类提取指数模型、DEM数据、城市建成区边界等,充分利用地学先验知识,设计了一套土地信息分层提取的流程,对土地利用信息进行了提取。利用该方法对2012年南京市都市区的土地利用/土地覆被信息提取的总体精度达到了88.67%,Kappa系数达到了0.85。实践证明,基于知识与规则的土地利用信息分层提取方法提取精度较高,适用性强,对其他地区的土地利用/覆被信息分类提取也有一定的借鉴意义。     

湖沼型血吸虫病疫区钉螺空间自相关的样点尺寸效应

钉螺是血吸虫的唯一中间宿主,与众多地理因子一样,钉螺的空间自相关具有明显的尺度效应。在湖沼型血吸虫病疫区典型洲垸型草洲选择一块50 m×50 m的试验样地,采用推扫式全覆盖方法进行了钉螺普查。用全局空间自相关Moran I指数、局部空间自相关Moran散点图和局部Moran’s I指数,进行了钉螺分布空间自相关的样点尺寸效应研究。结果表明:所有样点尺寸钉螺数目的全局Moran’s I均为极显著空间正相关(P0.001);不同样点尺寸下的钉螺样点在局部自相关Moran散点图上绝大多数集中分布在象限1和象限3内,表明试验样地的钉螺呈空间聚集分布;钉螺样点尺寸越小,用局部Moran’s I指数对单个钉螺样点附近的空间自相关表现得越细微,表明全局Moran’s I指标会掩盖实际存在的局部空间自相关与全局不一致的现象。     

产业发展、土地集约利用与城市土地扩张

城市土地扩张速度过快是当前中国社会需要解决的一个重要问题。利用2000～2014年中国30个省会城市的面板数据,实证检验了全国层面和区域层面下,产业发展、土地集约利用与城市土地扩张之间的关系,并重点分析了土地集约利用在其中的中介作用。研究表明:(1)就全国层面看,第三产业规模提升和产业结构升级会抑制城市土地的扩张,土地集约利用在其中发挥部分中介效应,且其对总效应的贡献率分别为10.3%和12.6%;(2)就区域层面看,第三产业规模提升和产业结构升级会通过提高土地集约利用水平对东部城市土地扩张产生间接负向影响;第二产业规模增加对中部城市土地扩张有直接的促进效果;(3)该研究揭示了不同产业发展类型对不同区域城市土地扩张的影响及其中的作用路径,并针对性的提出了一系列政策建议,这对控制我国城市土地的过度扩张具有现实的指导意义。     

CLUE-S模型对村镇土地利用变化的模拟与精度评价

利用航片、IKONOS和Quickbird影像得到研究区3期（1991、2001和2009年）土地利用历史数据，运用CLUE S模型，基于1991、2001年的土地利用数据对2009年土地利用格局进行模拟预测，并将模拟结果与2009年真实土地利用数据进行比较。类型水平上，选择ROC曲线统计和偏离度指数分别对各地类的Logistic回归拟合精度和CLUE S模型模拟精度进行评价；景观水平上，采用景观指数和Kappa指数系列方法，从综合预测能力、景观格局、数量和空间位置等方面对CLUE S模型的模拟精度进行全面评估。结果表明:①CLUE S模型对各土地利用类型的模拟精度均较高，各地类的Logistic回归的拟合精度随着模拟分辨率的提高而逐渐增加；②随着模拟时间的缩短，CLUE S模型对整体景观格局的模拟精度提高；③该模型对土地利用数量的模拟精度明显优于其对空间位置的模拟精度。总体而言，CLUE S模型在村镇尺度的模拟效果良好，预测精度较高，但在空间位置和景观格局精度方面还有待提高     

A model for the prediction of oil slick movement and spreading using cellular automata

A model for the prediction of oil slick movement and spreading, using Cellular Automata, is presented in this paper. The model is general and can predict the behaviour of oil slicks in regions with complicated boundaries. The effects of winds, surface currents, and oil evaporation have been taken into account. An algorithm for the simulation of oil slick movement and spreading, based on this model, has also been developed and has been used to simulate hypothetical oil slicks in hypothetical geographical regions. The results of the simulation are in qualitative agreement with real oil slick movement and spreading.     

长江中游城市群综合发展水平时空分异研究

区域可持续发展理念已被社会各界所接收，并逐步深入到社会发展计划及区域政策制定中。以区域差异分析为基础的区域格局优化是促进区域发展的核心内容。从经济发展、资源利用、环境保护、人口与公共服务和科技创新等5个方面选取23个指标，构建其监测评估指标体系综合分析长江中游城市群综合发展水平时空格局演变，有助于认清长江中游城市群综合发展格局形成的过程，出现的问题及产生的原因，从而制定相应的区域调控政策，这对于促进长江中游城市群内部区域之间协调发展及推进中部崛起战略具有重要的现实意义。基于2005年和2011年长江中游城市群37个地级市的统计数据，借助SPSS、GIS软件，采用全局主成分分析法评价分析其综合发展水平及时空分异，并对其成因进行分析。结果表明：区域综合发展分值有所提升，但增长潜力仍然很大；发展水平差异显著，且两极分化趋势明显；整体呈现出以武汉和长沙为中心，以南昌、合肥为副中心发展格局，但中心城市带动作用较弱，制约各城市群发展的因素各异。因此，未来长江中游城市群应努力提升区域经济发展总量的同时，转变经济产业结构，加强企业创新能力，寻求新的经济增长点。与此同时，应加大基础设施尤其是道路交通的投资强度；充分利用已有的地理区位及资源、科技人才优势发展第二、三产业，提高经济发展中资源的利用效率，降低能耗，保护环境；除此之外，还应加强区域宏观调控，注重城乡统筹发展，协调、平衡区域内部均衡发展，缩小区域之间及内部差异，促进技术转移和优势互补     

汉江流域土地利用/覆被变化的水文效应模拟研究

针对流域LUCC驱动因子众多、驱动因子与土地利用/覆被变化之间存在复杂的非线性动态关系的特点，以汉江上游流域LUCC模拟为例，构建基于人工神经网络（ANN）与元胞自动机（CA）的模拟土地利用/覆被变化的CA ANN耦合模型，并应用该模型预测汉江上游流域2020s年代的LUCC变化情景。结果表明：2020s汉江黄家港站上游流域水田、旱地、灌木林与建设用地面积均有不同程度的增加，其中建设用地增幅最大，与区域交通和城市化的迅猛发展趋势相符；除建设用地增幅变化较大之外，1980s～2000s与2000s～2020s两个时期其余土地利用/覆盖类型的面积变化率都比较相近，表明CA ANN耦合模型能够刻画土地利用/覆盖类型的转换规律，在流域土地利用/覆被变化的复杂非线性动态演变情景的模拟预测方面是可行的。在此基础上，应用SWAT分布式水文模型模拟汉江上游流域水文过程。研究结果表明：在1980s年代、2000s年代及预测的2020s年代LUCC情景下，汉江上游流域年平均径流量呈增加趋势，LUCC对径流量年内影响较汛期显著，多年平均蒸散发量呈增加趋势     

基于多源遥感影像融合的武汉市土地利用分类方法研究

准确高效的获取土地利用信息,对于合理利用和开发土地资源具有十分重要的意义。在快速城镇化地区,土地利用活动频繁且密集,土地利用格局演变十分剧烈,增加了城市土地利用精准分类的不确定性;且受环境气候和云雨天气影响增加了有效光学影像获取的难度。为提高城市土地分类精度,该文选取武汉市中心城区为研究案例,以Sentinel-1A和Landsat8 OLI影像为数据源,采用Gram-Schmidt变换方法进行影像融合,选取最大似然、支持向量机、CART决策树、BP神经网络等4种分类方法对融合的影像进行分类,提取了研究区土地利用信息,并对其进行分析。进一步,通过与光学影像的分类结果对比,探究了Sentinel-1A和Landsat8 OLI融合影像在土地利用信息提取方面是否具有优势。研究结果表明:(1)对比其他3种方法,CART决策树分类方法对于融合后的影像分类精度最高,总体分类精度和Kappa系数分别达到88.55%和0.841 4;(2)与光学影像相比,Sentinel-1A和Landsat8 OLI融合影像可以更有效地获取高精度城市土地利用信息;(3)基于多源遥感影像融合的CART决策树分类方法是获取研究区高精度土地利用信息的一种行之有效的技术手段。研究成果可为快速城镇化区域的土地利用分类提供参考。     

基于SWAT模型的昌江流域土地利用变化对水环境的影响研究

土地利用快速变化对水环境带来较大影响,定量分析土地利用与水环境污染的关系是土地利用结构调整的重要依据。利用3S技术,通过SWAT模型对1983年与2012年昌江流域的水量和水质模拟,分析了土地利用时空变化,结合氨氮、总磷模拟数据,定量分析了土地利用变化下该流域的水环境污染负荷。研究结果表明:该区域林地、草地、水域、城镇及建设用地呈增加趋势,耕地则呈减小趋势。林地占比最大,为70%左右,其次为水田。水田为水环境非点源负荷贡献的第一大来源,且其占流域略多于20%的面积,贡献了该区域总磷总量的53.48%~57.01%和氨氮总量的51.86%~56.57%;农业耕作以25%的地类面积,贡献了60%~65%的非点源污染负荷;旱地的单位面积贡献污染负荷高于林地及城镇及建设用地,表明农业非点源污染是该区域水环境非点源污染的主要来源。     

基于STIRPAT模型的中国城镇生活能源消费影响因素研究

为探究人口规模、收入水平、消费倾向、节能政策和技术等因素对中国城镇生活能源消费的影响,基于拓展的STIRPAT模型并运用2000~2013年中国省际面板数据对各影响因素的效应进行评估。结果显示:城镇生活能源强度、城镇居民消费倾向、人均可支配收入、城镇化率、总人口、政策综合力度6个因素的增长率每变化1%,将会引起城镇生活能源消费量增长率0.9322%、0.8537%、(0.559 2+0.169 2 ln DI)%、0.599 8%、0.408 0%、-0.012 0%的变化,表明除节能政策外,其余5因素均正向促进城镇生活能耗增长。其中生活能源强度对城镇生活能耗影响最大,节能政策虽会抑制城镇生活能耗增长,但作用较为微弱。政府需继续加强节能政策综合实施力度,从而实现生活能源消费领域的节能减排。     

土地资源错配及经济效率损失研究

长期以来,政府主导下的土地资源配置模式为中国的城镇化、工业化快速发展提供了强有力的支撑,但同时也伴随着土地制度和政策不完善引致的土地资源配置扭曲,不同用地单位之间土地资源配置效率差异较大,不同用地单位之间的土地资源错配致使总体经济效率损失巨大。调研组通过实地随机抽样问卷调查,获取了四大产业不同类型的607个样本企业生产经营活动相关的投入产出数据,基于C-D生产函数理论,构建土地资源配置及经济效率损失测度模型,测算不同类型企业的土地资源要素错配程度及由此导致的经济效率损失。测算结果显示,环保、生物和高端装备制造产业的土地资源要素投入的相对扭曲系数都大于1,光电子信息产业系数小于1;土地资源错配造成光电子信息产业总体上经济效率损失达10.23%,高端装备制造产业达13.82%,生物产业和环保节能产业都超过了20%。研究表明,不同类型企业之间的土地资源要素投入对企业总体经济产出的贡献率存在显著差异性;同类型企业的土地资源要素配置的相对扭曲系数不同,即土地资源的错配程度不同;从用地规模大小角度分析,同类型企业用地规模大的土地资源要素的相对扭曲系数要明显高于用地规模小的企业,用地规模越大土地资源错配程度越严重;从土地资源错配造成企业经济效率损失测算结果来看,土地资源要素投入相对扭曲系数越大的企业,土地资源错配导致总体经济效率损失越大;在各类型企业的技术和规模效率不变的条件下,不增加资源要素投入,通过纠正企业的土地资源错配,能够有效地提升企业的经济效率。     

气候变化对涟水流域蓝水绿水资源的影响

利用SWAT分布式水文模型模拟分析1996~2015年过去20 a及2020~2079年未来60 a长期气候变化背景下涟水流域蓝水绿水资源的时空分布变化特征。将气候变化划分为1996~2015年、2020~2049年、2050~2079年三段气象背景时期,选用Had GEM2-AO大气模式的RCP2.6、RCP4.5、RCP6、RCP8.5四种典型浓度路径作为未来时期的气象输入条件,并细分为9种气候变化情景。运用PSO粒子群优化算法,以KGE克林效率系数为目标函数,采用湘乡站实测径流量及MOD16蒸散发数据并行校准模型参数,通过p-factor、r-factor、R2、NSE和PBIAS评价模型模拟效果和不确定性,评价结果表明校准期及验证期蓝水绿水模拟均达到可信程度。情景分析结果表明,对比1996~2015年、2020~2049年、2050~2079年三段气候背景时期,在各RCP浓度路径下蓝水均呈现了不同程度的下降趋势,大约降低了1.4%~17.3%,绿水流均表现出一定的上升趋势,约增长3.5%~12.4%,绿水蓄量则在持续降低,大致下降了7.8%~19.7%,即使将95PPU模拟不确定性范围考虑进来,绿水流的增长趋势也较为明显。因此,将绿水资源纳入涟水流域未来水资源评价体系,实现蓝水绿水综合规划管理具有实际意义。     

基于随机森林和Sentinel-2影像数据的低山丘陵区土地利用分类——以重庆市江津区李市镇为例

精准的土地利用信息是土地资源监测和管理的基础。为提高低山丘陵区域的土地利用分类精度，选取重庆市江津区李市镇为研究案例，基于随机森林方法，以Sentinel-2影像数据和地形因子为数据源，提取3种变量（传统遥感数据，红边遥感数据和地形因子），合计23个特征指标，构建3个具有不同输入变量的组合模型，以提取研究区土地利用信息，分析变量的重要性。结果表明：（1）传统遥感数据模型中顺序添加红边遥感数据和地形因子，总体分类精度分别为86.54%，87.19%，88.61%；Kappa系数分别为 0.800 9，0.810 2，0.831 4；（2）对模型精度有重要影响的特征指标依次是波段B2(Blue)，B4(Red)，B3(Green)，改进归一化差异水体指数(MNDWI)和波段B5(Vegetation Red Edge 1)；(3）基于随机森林的遥感数据和地形因子的组合方法，是获取研究区高精度土地利用信息的一种有效手段。研究成果可以为地形复杂区域的土地利用分类提供参考。