多智能体土地利用动态模拟及应用

发布时间：2019-08-19 09:03

【摘要】：土地系统是一个涉及自然地理与人文社会的复杂系统,其空间演变是自然因素与社会因素综合作用的结果。其中,自然因素包括:地形地貌、高程、气候、土壤等,而社会因素则与人类活动息息相关,主要表现为人类利用土地的意图和方式。一方面,人类为了实现自身经济社会目的对土地进行一系列改造、利用等活动,从而改变土地系统本身的结构和特性。另一方面,土地系统的原始状态会较强地约束人类活动,当人类行为与其原始的土地利用情况相悖时则会发生诸如干旱、沙漠化等自然灾害。因此,人类活动与土地利用演变应是相辅相成的,对于不同特性的土地系统应当采取不同的改造手段,而深刻理解土地利用的演变机制及其与人类活动的关系是合理地进行土地改造、满足人类生产生活活动的基本要求。由于人类活动的各类行为主体具有不同的利益诉求、重要性以及影响程度等特性,因此在分析其行为与土地利用之间的关系时将上述特性基本一致的主体划分为同一类行为主体可以简化研究的繁冗度,土地系统演变则可以看成是在自然环境限制下这几类主体行为共同作用的结果。本文以遥感、地理空间信息数据为基础数据,以土地利用变化为因变量,多方面分析其影响因素,结合多智能体理论与方法,根据各类土地行为主体的特性分别构建符合其结构的智能体,并深入分析各类智能体的行为特征、决策方式、相互作用及其与自然环境间的相互关系,利用计算机科学的知识构建土地利用变化分析与模拟的动态模型,将所建模型用于佛山市顺德区土地利用演变动态模拟和分析应用研究以验证该模型的有效性。选用美国西北大学开发并持续维护的Net Logo软件平台进行理论模型构建,该软件在多元素的多智能体建模仿真中具有突出优点,并可依据项目需求自行编程。基于该软件的模型实现为土地系统的动态演变提供了一个良好的平台,能够辅助认识和理解演变过程中的非结构化问题,从而提高人类行为的合理性和科学性,为促进土地可持续发展提供参考。基于此目的,本文的研究内容及成果如下:(1)综合考虑影响研究区土地利用的各类条件因素。针对研究区土地利用系统的复杂性,总结了影响土地利用的自然条件、社会经济条件及政策驱动等因素,基于收集到的各类自然地理环境数据及社会经济地理数据,对土地利用现状结构和空间格局特征进行了定量分析,经统计分析获得土地利用变化情况受上述各因素的影响因子,并通过参与式土地利用动态预测方法,初步构建各类用地的发展概率模型。(2)将土地利用主体划分为政府、企业和居民三类,深入探讨了这三大行为主体的土地利用行为的价值取向、行为特征、行为选择方式和行为规范机制,并详细分析各类主体之间的相互关系,设计基于多智能体交互的土地利用空间决策行为和规则体系,构建以多智能体系统为核心的土地利用变化动态模拟模型。(3)以广东四小虎之一的佛山市顺德区为例进行模型实例研究。以该区2004及2014年的相关数据为基础数据,经过遥感数据处理、地理空间数据分析、统计分析计算等步骤,将处理得到的数据作为原始全局变量输入基于NetLogo建模的模型中,以时间帧为一个时间单位开展土地利用动态模拟。将2014年的模拟土地利用分布与该年实际土地利用分布作对比,结果显示水体、植被、耕地、企业用地和城市用地的空间拟合度分别为:92.71%、68.35%、71.82%、79.03%和81.44%,总体的空间拟合度为77.51%,Kappa系数达0.8151充分表明模型具有一定的可信度。并将该模型用于研究区2024年的土地利用情况分布预测,从理论上为该区的城市规划和管理提供决策支持和政策参考。将3S技术与智能体技术结合,同时吸取地理学、土地规划学、行为科学、智能学等多个学科领域的研究成果,将其综合运用于土地利用行为的研究中。基于Net Logo多因素建模平台,实现了在顺德区自然客观环境约束下,多个智能体共同行为作用引起的宏观土地系统结构特征变化的模拟研究,深化了智能体对土地利用影响的理解,为土地利用变化模拟的探索提供了一个新思路、新方法。
【图文】：

顺德,地理位置,佛山市

2.1.1 地理位置及行政区划研究区位于广州省佛山市顺德区。佛山市（112°23′-113°23′E，23°34′-22°39′N）位于中国广东省中南部，是全国经济最发达的地区之一，也是广东省经济社会发展的领头羊，同时也是最具发展潜力的地域。地处珠江三角洲腹地，是“广佛都市圈”、“广佛肇经济圈”、“珠江-西江经济带”的重要组成部分。佛山毗邻港澳，与香港、澳门相距车程均在 2 小时左右，随着广深高铁、广珠城际轨道的开通，佛港澳形成“1 小时交通圈”。佛山市总面积达 3797.72 平方公里，常住人口 735.06 万人，下辖禅城区、南海区、顺德区、高明区和三水区。本文研究区域——顺德区（113°00′-113°23′E，23°01′-22°40′N）是佛山市的经济人口大区，全区总面积 806 平方公里，登记人口 120 万人，常住人口 89万人。地处珠三角腹地，有着得天独厚的地理条件，与众多经济发达的城市相连，东接广州市番禺区，北连佛山市禅城区和南海区，西邻江门市新会区，南界中山市，并与香港特别行政区、澳门特别行政区等著名城市隔海相望，交通位置十分便利。研究区位置见图 2-1。

波段组合,遥感影像,来源,示意图

图 2-2 研究区示意图（来源：TM2014 年 4 月份遥感影像红绿蓝波段组合）2.1.2 自然气候情况顺德区地处珠江三角平原地区，全区土地平坦，河流纵横，土壤肥沃，气候宜人。全区地势高低起伏较小，东西地势略高，海拔约为 2 米，西北海拔相对较低，约为 0.7 米，偶有零散的小山丘，西临锦屏山，东接顺峰山。同时该区河网交织，大型河流如西江干流、平洲水道、眉焦河、南沙河等贯穿境内，自西北向东南流淌，河宽可达 200-300 米，而水深则为 5-10 米，为城市商业的发展提供绝佳的交通环境，成为该区农业及工业等发展的重要纽带。该区土地常年受水流灌溉，形成了土质极佳的土壤区域，营养丰富、面积宽广，非常适合用于耕作，远离水源的地区则非常林地资源丰富，总体的土地利用率非常高，，接近 100%。由于研究区地属亚热带海洋性季风气候，气候温暖潮湿、降水丰富、鲜有冰雹、常年无雪，为农作物的种植及林地的发展提供极佳的气候条件。由于临近水域，偶有洪涝、台风等自然灾害发生，对于顺德区经济产业结构及用地分布等总体发
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：F301.24

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