（地图学与地理信息系统专业论文）环胶州湾城市扩展分析及发展预测模拟研究.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 城市空间扩展是一个持续运行的涉及许多社会因素的复杂时空动态 过程，是城市形态不断适应功能需求变化的发展过程。它不断打破原有 城市功能与结构之间的平衡，建立适应经济健康发展的新城市平衡，实 现城市内部各组织的和谐发展。 本文在“我国近海海洋综合调查与评价专项”专项“山东、江苏区块 海岛、海岸带卫星遥感调查与研究 项目的支持下，以环胶州湾区域为 研究区，选择1 9 8 6 年至2 0 0 7 年四期遥感影像为主要数据源，应用卫星 遥感调查与现场调查相结合的方法，获得了四个时期的土地利用数据， 并分析了2 0 多年间环胶州湾区域的土地利用变化现状及情况；应用前三 期的数据模拟得到适合环胶州湾区域的地理元胞自动机模型的控制参 数、循环周期，并应用第四期数据开展模型验证；在此基础上，预测了 环胶州湾区域2 0 1 0 年和2 0 2 0 年土地利用状况。主要结论如下： ( 1 ) 环胶州湾2 0 多年来的土地利用方式发生了巨大的变化。居民地、 工业用地和商服机关用地在1 9 8 6 年至2 0 0 0 年、2 0 0 0 年至2 0 0 3 年、2 0 0 3 年至2 0 0 7 年三个时段内持续增加，而空闲用地则一直处于减少状态。 ( 2 ) 基于地理元胞自动机模型，开展环胶州湾区域的城市扩展模拟， 应用前二个时段的数据训练，并应用第三时段数据开展验证，得到适合 环胶州湾区域的地理元胞自动机模型的控制参数与循环周期。 ( 3 ) 基于训练完备的环胶州湾城市扩展地理元胞自动机模型，本文 预测了环胶州湾区域的2 0 1 0 年和2 0 2 0 年城市扩展。数据显示，环胶州 湾区域在空间上呈现由东西两侧向北发展，并向中间汇合的趋势；对于 青岛市内四区，整体趋势为城区内工业用地向商n 机关用地和居民地发 展，城市边缘区域大规模工业化：对于黄岛经济技术开发区，依旧以大 规模的工业化为主，一但是会出现非常剧烈的商业化趋势；红石崖镇和营 海镇开始出现大规模的城市化进程，工业用地迅猛增加，其趋势和1 9 8 6 年至2 0 0 0 年时间段内黄岛经济技术开发区的发展类似。 关键词：环胶州湾，城市扩展，模拟，预测，地理元胞自动机 内蒙古师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t u r b a ns p a t i a le x p a n s i o ni sac o m p l i c a t e dc o n t i n u o u so p e r a t i n gt e m p o r a l a n ds p a t i a ld y n a m i cp r o c e s sw h i c hi n v o l v e di nm a n ys o c i a lf a c t o r s i t sa d e v e l o p i n gp r o c e s sw h i c hu r b a nf o r mc o n t i n u o u s l ya d a p tf o rt h ec h a n g e so f f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s u r b a ns p a t i a le x p a n s i o nb r e a kd o w nt h ee x i s t i n g b a l a n c eo fc i t yf u n c t i o na n ds t r u c t u r e e s t a b l i s h e san e wb a l a n c ew h i c hf i tf o r e c o n o m yh e a l t h yd e v e l o p m e n ta n dr e a l i z e sh a r m o n i o u sd e v e l o p m e n to fc i t 、， i n t e m a ls t r u c t u r e s s u p p o r t e db yt h es u b j e c t s a t e l l i t er e m o t es e n s i n gi n v e s t i g a t i o na n d r e s e a r c ho fi s l a n d sa n dc o a s t a lz o n e si ns h a n d o n ga n dj i a n g s us e c t i o n ”，w e t a k ej i a o z h o ub a yo fs h a n d o n gp r o v i n c ea ss t u d ya r e aa n du s ef o u rp e r i o d s r e m o t es e n s i n gi m a g e sa sm a i nd a t as o u r c e s ，a s s i s t e db yf i e l di n v e s t i g a t i o n ， w eg e tf o u rp e r i o d sl a n d u s ed a t a t h i sp a p e ra n a l y s i st h el a n du s ec h a n g e s i nj i a o z h o ub a yw i t ha na p p r o p r i a t ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e m o nt h eb a s i so f a b o v e w es i m u l a t e dt h ed e v e l o p m e n to fj i a o z h o ub a ya n dg e tc o n t r o l p a r a m e t e r sa n dc i r c u l a t i o np e r i o d f o r e m o r ew ep r e d i c ty e a r2 0 10a n d2 0 2 0 j i a o z h o ub a yl a n du s es t a t u s t h em a i nc o n c l u s i o na sf o l l o w ： ( 1 ) b e t w e e n2 0y e a r s j i a o z h o ub a yh a sab i gc h a n g ei nl a n du s e p a t t e m s h a b i t a t i o na n d i n d u s t r i a ll a n d sa n dc o m m e r c i a ll a n d sw e r e c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n gf r o my e a r19 8 6t o2 0 0 7 b u tv a c a n tl a n dc o n t i n u o u s l y i n c r e a s e db yc o n t r a r i e s ( 2 ) w i t hc e l l u l a ra u t o m a t a w er u nj i a o z h o ub a yc i t ye x p a n s i o n s i m u l a t i o n ，t h ef i r s tt h r e ep e r i o d sd a t af o rt r a i n i n ga n dt h el a s to n ef o r v a l i d a t i o n ，a n dg o tc o n t r o lp a r a m e t e r sa n dc y c l ep e r i o d ( 3 ) b a s e do nj i a o z h o ub a yc i t ye x p a n s i o nc am o d e l w ep r e d i c ty e a r 2 010t oy e a r2 0 2 0j i a o z h o ub a yc i t ye x p a n s i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tb o t h e a s ta n dw e s ts i d e so fj i a o z h o ub a yw i l le x p a n dn o r t h w a r d sa n dc o n v e r g ea t h o n g d a o f o rq i n g d a oi n t r a c i t yd i s t r i c t i nu r b a na r e ai ts h o w st h a ti n d u s t r i a l l a n dc h a n g et oc o m m e r c i a ll a n d i nu r b a nf r i n g ei ts h o w si n d u s t r i a l i z a t i o n ； f o rh u a n g d a oe c o n o m i cd e v e l o p m e n tz o n e i tw i l ls t i l ls h o w sac o s m i c a l i n d u s t r i a l i z a t i o n b u tt h e r ee x i s t sah u g e ；h o n g s h i y at o w na n dy i n g h a it o w n s t a r t e dt oa p p e a ru r b a n i z a t i o np r o c e s s ，i n d u s t r i a ll a n di n c r e a s e dr a p i d l y , t h e d e v e l o p m e n ts t a t u si sl i k et h 【a th u a n g d a oe c o n o m i cd e v e l o p m e n tz o n ef r o m y e a r1 9 8 6t o2 0 0 0 一 k e yw o r d s ：j i a o z h o ub a y , u r b a ne x p a n s i o n ，s i m u l a t i o n ，f o r e c a s t ， g e o c e l l u l a ra u t o m a t a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示感谢。 签名： 圭奠聋 日期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解内蒙古师范大学有关保留、使用学位 论文的规定：内蒙古师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 鲐刷压备 锄张参氓 日期：年7 月 日 第一章引言 1 引言 1 1 选题依据 1 1 1 支撑课题 论文研究工作受到“我国近海海洋综合调查与评价专项”( 简称9 0 8 专项) “山东、 江苏区块海岛、海岸带卫星遥感调查与研究 项目的支持。 1 1 2 研究背景 海岸带是陆地和海洋的交接地带，是海岸线向陆、海两侧发展到一定宽度的带状 区域【1 1 。海岸带具有丰富的自然资源、优越的地理位置以及适宜人生存的环境，同时 它也在承受着更巨大的经济和环境压力。我国沿海省市陆地面积仅占全国的1 3 4 ， 却承载着4 0 的人口，创造出占全国6 0 以上的国民生产总值2 1 。因此，海岸带环境 与经济能否协调发展是我国未来可持续发展的关键，对海岸带环境与经济协调发展的 研究也就具有重要意义。 胶州湾是深入内陆半封闭型自然海湾，湾内水深域阔，是我国北方优良的避风港 湾，是青岛市发展的摇篮。胶州湾孕育了优良的亿吨大港，形成了环胶州湾的产业聚 集带，从而带动青岛市经济、社会、文化等各项事业的发展。对胶州湾区域进行多方 位，多角度的研究是十分有意义的。 土地利用是指人类为实现特定目的而采取的作用于土地的安排、行动和投入【3 j ， 它既包括土地使用状况，即土地的利用方式，还包括土地利用意图和目的。因此，广 义来说土地利用的涵义是人类作用于土地行为的目的、方式和过程，它描述的是土地 的社会、经济属性【4 1 。 土地利用是研究全球环境变化和土地资源可持续发展利用的重要内容【5 1 ，而城市 建设用地扩展是其变化的主要特征之一。城市空间扩展是一个持续运行的涉及许多社 会因素的复杂时空动态过程，是城市形态不断适应功能需求变化的发展过程。它不断 打破原有城市功能与结构之间的平衡，建立适应经济健康发展的新城市平衡，实现城 市内部各组织的和谐发展。 城市扩展表现为多个驱动力( 城市人口增加、g d p 增长、城市环境条件改善【6 】、 优势自然区位、引进外资、居住观念改变、制度政策影响等) 作用下的农用地和未利 用土地城市流转，其实质是国家通过强制征用，将集体土地所有权转变为国有土地所 有权，并将部分土地权利供应给土地需求者的过程【7 1 。 预测就是运用科学的判断方法或计量方法，对某种事物未来可能演变的情况，事 内蒙古师范大学硕士学位论文 先作出推测的一种技术，是对某种事物的发展和演变规律的认识和分析的过程【8 】。城 市扩展模拟与预测是利用专业人员的丰富的经验、知识以及掌握的调查资料，考虑城 市区域扩展的规律及限制因素等因果关系，建立模型，对城市区域的扩展进行判断与 推测的过程。其中，模拟是预测的前提和支撑，预测在模拟结果良好的基础上对城市 区域进行科学的定量分析。城市扩展模拟与预测是城市规划和建设决策的一个重要辅 助工具，其目的是辅助政府或相关单位正确的做出城市发展与建设等方面的决策。地 理元胞自动机自2 0 世纪六十年代诞生以来，目前已发展成为城市扩展模拟与预测的 有效的工具。 1 2 国内外研究进展 自1 9 9 2 年里约地球峰会及1 9 9 4 年联合国海洋法公约生效以来，国际社会对 海岸带研究及海岸带持续发展问题给予了高度的关注，目前已有海岸带海陆交互作用 研究计划( l o i c z ) 、沿海观测系统c g o o s 开展相关研究。 遥感信息技术由于具有覆盖范围广、获取周期短等特点已经成为获取海岸带基本 数据的主要手段之一，同时也是评估沿海社会经济和生态环境可持续发展能力的有利 工具。 与各国政府开展的海岸带管理行为相配合，研究人员在利用卫星遥感数据对海岸 带中港湾和河口区域进行土地利用土地覆盖研究方面做了大量工作。 y w s h a g h u d e 等人采用1 9 8 6 、1 9 9 5 、1 9 9 9 、2 0 0 0 年的l a n d s a t 数据，对非洲坦桑 尼亚东海岸，桑给巴尔海峡处的海岸带进行河流入海口处三角洲形状、大小变化分析， 并给出可能的导致变化的原因【9 1 0 f e m a n d oa l o n s o p e r e z 通过对l a n d s a t 数据监督分类 得到了西班牙休达港沿岸土地利用土地覆盖变化趋势【1 0 1 。w m u t t i t a n o n 等人采用 1 9 9 0 、1 9 9 3 、1 9 9 6 、1 9 9 9 年的l a n d s a t 5 数据对泰国本东湾( b a nd o nb a y ) 进行监督分 类，结果表明，在养虾场、红树林区、城镇用地逐渐增长的同时，农田和未开垦土地 却在逐渐减少【l l j 。 在国内，近二十几年来，遥感技术已应用于我国海岸带土地利用状况调查。自 1 9 8 0 年以来，我国已经完成了“全国海岸带和滩涂资源综合调查”、“中国海湾志”、 “全国海洋功能规划、“全国海洋开发规划 等一系列专项调查研究项目。2 0 0 5 年 9 0 8 专项开始实施：这是我国有史以来规模最大的近海与海岸带调查项目，其中海岸 带土地利用是重要的调查内容之一，目前该项目正在实施过程中。 我国研究人员在国内各种计划和课题的支持下利用遥感数据对海岸带港湾与河 口区域土地利用方面做了大量工作。孟伟等人以渤海湾典型海岸带为研究对象，利用 2 第一章引言 g i s 和r s 为基本手段，建立了海岸带土地利用土地覆盖分类体系及遥感影像数据解 译的技术方法，提出景观单元动态变化模型【1 2 1 。乔磊等人通过对19 8 8 ，19 9 7 和2 0 0 5 年3 个时相l a n d s a t 卫星遥感数据的解译，得到了胶州湾北部大沽河口地区3 个年份 的土地利用变化状况，对比研究表明：该区域人工建筑物面积不断扩大，耕地面积不 断减少【1 3 1 。陈晓玲等人以1 9 7 7 年到2 0 0 0 年2 4 年期间的8 个时段的l a n d s a t m s s t m e t m + 影像为数据源，对深圳湾填海造地问题进行了研究【1 4 】。王茂军等人分 析了大连市海湾区资源的基本特征和利用中存在的问题，提出了可持续发展的基本途 径【1 5 】。 虽然我国应用卫星遥感数据进行海岸带监测取得了一系列进展，但总体上对海湾 区域重视不够，如在经济高速发展的环胶州湾地区，相应的动态现状及其科学预测却 相对缺乏，这制约相关政府部门决策的科学性。 元胞自动机( c e l l u l a r a u t o m a t a ，简称c a ) 是离散动态系统概念和应用建模的一 种方法，最早由j o h nv o nn e u m a n n 在2 0 世纪4 0 年代提出。最初，元胞自动机应用 于物理学、化学、生物学、计算机学等自然科学领域。由于元胞自动机具有时空特征 的离散动力学模型，不仅可以用来模拟和分析一般的复杂系统，而且对于具有空间特 征的地理复杂系统则更具优势。 美国圣巴巴拉加州地理系的h e l e nc o u c l e l i s 对元胞自动机在地学中的应用潜力 从理论上作了充分的阐述。先后发表在( ( e n v i r o n m e n ta n dp l a n n i n g ) ) 上的三篇文章奠 定了元胞自动机在地理学应用中的理论框架，尤其对元胞自动机模拟城市扩散方面的 研究具有深远的影响。 p h i p p s 对地理元胞自动机模拟地理复杂现象的能力进行了实验研究，并应用名为 “邻居一致性原则 的概念，研究了局部邻居构型和规则如何对全局构型造成影响。 采用正六边形作为基本的元胞，利用一定的概率方阵控制元胞的演变，研究元胞自动 机的空间结构。 f u l o n gw h 将元胞自动机模型和多因子评价模型( 简称m c e ) 有机合成，并在 e s r i a r c i n f og i s 中应用c 语言和a m l 语言，在统一的用户界面进行了g i s 和c a 模型、m c e 模型的集成【1 6 】。 孙战利通过对地理复杂性的分析，提出了一种基于元胞自动机的地理模型框架， 并对美国的安阿伯波城市的增长与扩散进行了模拟和预测【1 7 】。 1 9 9 9 年，周成虎、孙战利等出版的地理元胞自动机研究一书系统地研究了 元胞自动机理论基础和地理元胞自动机模型，并且提出了地理元胞自动机模型框架 内蒙古师范大学硕士学位论文 。 黎夏和叶嘉安提出了基于约束性的c a 模型，具体分析了局部、区域以及全局约 束性对c a 模型结果的影响。并将灰度的概念引进c a 模型中来反映状态连续的变 化，克服常规c a 模型的缺陷。将该模型应用于珠江三角洲地区来获得合理的城市发 展空间布局【1 9 1 。 陈建平等人尝试利用3 s 技术，结合元胞自动机理论架构出一套荒漠化动态模拟 模型，进而对北京及邻区荒漠化的发展趋势进行预测。 黎夏和叶嘉安将密度梯度函数引进了c a 模型的转换规则中，以获得更好的模拟 结果，并定义“灰度”来反映状态的转换。并利用该模型对不同可能的城市发展组合 进行了模拟，为城市规划提供了辅助依据【2 1 1 。 杨青生和黎夏为了有效的模拟地理现象的复杂演变过程，提出了用粗集理论来确 定元胞自动机不确定性转换规则的新方法。利用粗集从g i s 和遥感数据中发现知识， 自动寻找c a 的不确定性转换规则，能提取非确定性的转换规则，更好的反应复杂系 统的特点【2 2 】。 刘小平和黎夏等人把生态学的概念引进城市规划中，提出了基于“生态位 的元 胞自动机的新模型，探讨了如何通过“生态位元胞自动机和g i s 的结合进行城市土 地可持续利用的规划，并将其应用在广州市土地利用规划中瞄】。 田光进和邬建国在元胞自动机的基础上加入了人为因素的智能体模型，对土地利 用动态进行了更好的模拟f 2 4 】。 张显峰和崔伟宏将标准c a 模型的4 元组进行扩展以满足g i s 环境下时空动态模 拟的要求，建立了土地利用演化动态模拟与预测模型( l e s p ) ，对包头市城市扩展和 土地可持续利用进行了模拟和预测1 2 5 1 。 萨楚拉以呼和浩特市为研究区，利用g i s 与地理元胞自动机模型，构建呼和浩 特市g e o c a w u r b a n 模型，确定合理的邻居及转换规则，对呼和浩特市城市扩展进行 了模拟和预测【2 6 】。 1 3 本文的内容安排 本文选择了环胶州湾区域作为研究对象，选择1 9 8 6 年和2 0 0 0 年的l a n d s a t - 5t m 遥感影像、2 0 0 3 年的s p o t - 5 遥感影像、2 0 0 7 年s p o t - 5 和a l o s 融合影像为主要数 据源，采用卫星遥感调查与现场调查相结合的方法，选取适合胶州湾城市扩展分析的 土地利用分类体系，获得了四个时期的土地利用数据，分析了2 0 多年间环胶州湾的 土地利用变化情况以及土地利用变化的影响因素；应用1 9 8 6 2 0 0 0 年和2 0 0 0 2 0 0 3 年 4 第一章引言 两个时段的数据模拟得到适合环胶州湾区域的地理元胞自动机模型的控制参数、循环 周期，并应用2 0 0 3 2 0 0 7 时段的数据开展模型验证；在此基础上，预测了环胶州湾区 域2 0 1 0 年和2 0 2 0 年土地利用状况。论文一共分为六章，其中第三、四和五章为本文 的主体部分，篇章结构如下： 第一章：引言。介绍本文的研究背景、国内外研究进展情况和本文的篇章结构。 第二章：研究区域和研究方法。概要地介绍环胶州湾内城市的概况，重点介绍环 胶州湾内的自然地理状况和社会经济状况；研究方法中介绍本文使用的数据和采用的 技术路线。 第三章：环胶州湾土地利用状况及变化分析。首先给出适合于环胶州湾的土地利 用分类体系，然后对四个时期的遥感影像进行分类，得出各个土地利用类型的面积及 分布情况以及城市用地类型的总量变化及变化速度、类型间的相互转化。 第四章：城市扩展模拟验证。对得到的四期土地利用数据，使用地理元胞自动机 进行1 9 8 6 2 0 0 0 年模拟、2 0 0 0 2 0 0 3 年模拟，通过模拟实验求出适合环胶州湾地区城 市扩展变化的控制参数及循环周期，应用2 0 0 3 2 0 0 7 年进行验证，并分析精度，为第 五章环胶州湾城市变化预测提供数据基础和相关参数。 第五章：城市扩展变化预测。以2 0 0 7 年土地利用栅格数据为初始状态，使用第 四章得出的地理元胞自动机控制参数及循环周期，开展2 0 0 7 2 0 1 0 年预测、2 0 0 7 - 2 0 2 0 年预测，并分析预测结果。 第六章：结论与讨论。最后给出本文的结论，并对存在的问题及下一步的工作进 行讨论。 内蒙古师范大学学位论文 2 研究区域和研究方法 2 1 研究区概况 胶州湾是深入内陆半封闭型自然海湾，湾内水深域阔，是我国北方优良的避风港 湾，是青岛市发展的摇篮。 胶州湾位于山东半岛东南部海岸，是以团岛头( 3 6 。0 2 7 3 6 ”n ，1 2 0 。1 6 4 9 ”e ) 与薛家岛脚子石( 3 6 。0 0 7 5 3 ”n ，1 2 0 。1 7 3 0 ”e ) 连线为界，海湾东西宽 2 7 8 i 血，南北长3 3 3 k m 水域面为3 6 7 k m 2 。湾口开向东南，口门最窄处只有3l k m ， 平均水深7 m ，最大水深6 4 m 。胶州湾是与黄海相通的一扇形半封闭海湾，沿岸以擞 泥质海岸、基岩海岸为主，湾内及邻近海区没有大的河流入海。 环胶州湾区域包括青岛市市南区、市北区、李沧区、城阳区、四方区、崂山区、 黄岛经济技术开发区、红石崖镇，阻及胶州市的营海镇( 见图2 - 1 ) 。 r 11 1 一。j4 蠲黔 腔南砸矗赢蕾镐 型孀 彝魏$ t i 劈青尊毒垮 【8 ，囊鳝市鹄黟“ - i 黼毒市南区 圈2 - 1 环腔州湾区域示意图 第二章研究区域和研究方法 环胶州湾区域与其他地区不同之处在于其土地利用的变化绝大部分是由人类开 发引起的。在全国范围内，胶州湾拥有世界上少有的优良港湾，湾内o 米以下水域面 积近3 0 0 平方公里，负1 0 米以下深水区有5 1 平方公里，适宜建港的海湾和岸段有 1 5 处。青岛港是全国最大的集装箱码头、原油码头、矿石码头，煤炭码头、散粮接 卸码头，目前已成为东北亚第二大、世界第1 4 位的集装箱大港。外贸吞吐量居全国 沿海港口第二位，仅次于上海港。 同时，青岛在胶州湾良好的自然、经济条件下，从上个世纪8 0 年代中期青岛的 g d p 突破1 0 0 亿以来，还不到2 0 年的时间，迅速上升到1 5 0 0 亿，巨幅的经济增长 显而易见。就海岸带附近的发展趋势来说，沿海湾周边聚集的经济量越来越快，越来 越大，过去的部分纯县域经济带也迅速的向湾边靠拢，成为实际上的新城区经济带， 比如胶南的部分地区( 现属于黄岛经济技术开发区) 以及城阳区。自上世纪9 0 年代 末期开始的开放大环境下，胶州湾这种特殊经济地理条件所具有的产业聚集潜能，正 在迅速释放，并正在形成一种国内外不多见的环湾产业集群发展优势。在黄岛经济技 术开发区原规划区域用地和环境容量趋于饱和的情况下，产业发展还将加速向北部的 红石崖镇和城阳区沿海一带延伸。开发区的大规模产业聚集，带来了人流，带动了第 三产业的兴旺，其房地产业开工面积近年以3 0 左右的速率递增，年施工面积已达 2 8 0 多万平方米，竣工验收面积1 6 0 多万平方米；房产交易近年更以5 0 的速度递增， 交易面积近2 0 0 万平方米。 综上，胶州湾具有良好的经济聚集和带动作用，在过去的二十多年内，环胶州湾 处于快速发展期，已形成环湾经济聚集带，其土地利用变化尤其是耕地转化为城市用 地的变化是惊人的，为此，本文开展环胶卅i 湾地区的城市扩展分析及预测模拟研究， 研究成果可为环湾经济带一如青岛市的发展建设与城市规划提供相关依据。 7 内蒙古师范大学硕士学位论文 2 2 研究方法 本文采用了g i s 与c a 模型结合的方式进行城市土地利用扩展模拟及预测。在遥 感图像处理和信息提取部分使用了专业图像处理软件和g i s 软件，主要用来处理获得 的遥感影像数据，建立城市土地利用结构及动态变化分析和地理元胞自动机模拟预测 的基础数据集。地理元胞自动机模拟使用了g e o c a - u r b a n 软件。 2 2 1 数据源 本文选择1 9 8 6 和2 0 0 0 年的l a n d s a t - 5t m 影像、2 0 0 3 年的s p o t - 5 影像、2 0 0 7 年s p o t - 5 和a l o s 融合影像，获得1 9 8 6 、2 0 0 0 、2 0 0 3 和2 0 0 7 年土地利用结果，研 究时段约为2 2 年。l a n d s a t - 5t m 、s p o t - 5 和a l o s 的波段参数见表2 1 、表2 2 和 表2 3 。 以现场踏勘获取的地面控制点作为1 9 8 6 、2 0 0 0 、2 0 0 3 和2 0 0 7 年影像几何校正的 地理参考；以现场踏勘获得的照片、录像和控制点记录表为依据，建立了针对s p o t - 5 和a l o s 影像的解译标志、l a n d s a t 5t m 影像解译标志。 另外，使用了s r t m 9 0d e m 、地形图、数字地理底图、青岛市城市总体规划图， 用以分析确定元胞自动机模型运行的种子点、模型参数以及控制因素层等。 表2 1l a n d s a t - 5t m 波段参数( 引自中国遥感卫星地面站网站) 波段号类型波谱范围地面分辨率 1 蓝绿 0 。4 5 0 5 2 x m 3 0 m 2 绿 0 。5 2 - 0 。6 0 p m 3 0 m 3红 o 6 3 - 0 。6 9 p , m 3 0 m 4 近红外 o 7 6 0 9 0 9 m 3 0 m 5 短波红外 1 5 5 - 1 7 5 9 m 3 0 m 6 长波红外 1o 4 0 - 12 5 0 t m1 2 0 m 7 短波红外 2 0 8 - 2 3 5 1 a m 3 0 m 8 第二章研究区域和研究方法 表2 2s p o t - 5 波段参数( 引自中国遥感卫星地面站网站) 波段号类型波谱范围地面分辨率 l绿o 5 0 - 0 5 9r t m 1 0 m 2 红 0 6 1 - 0 6 8p m 1 0 m 3近红外 0 7 8 - 0 8 9 “m 1 0 m 4 短波红外1 5 8 - 1 7 5g m 2 0 m 5全色o 4 8 - 0 7 1g m 5 m 2 5 m 表2 3a l o sp r i s m 全色数据基本参数( 引自中国遥感卫星地面站网站) 波段数 1 ( 全色) 波长 o 5 2 0 7 7p m 观测镜 3 ( 星下点成像、前视成像、后视成像) 基高比 1 o ( 在前视成像与后视成像之间) 空间分辨率2 5 m ( 星下点成像) 幅宽7 0 k m ( 星下点成像模式) ；3 5 k m ( 联合成像模式) 信噪比 7 0 m t f 0 2 探测器数量2 8 0 0 0 波段( 7 0 k m 幅宽) ；1 4 0 0 0 波段( 3 5 k m 幅宽) 指向角士1 5 度 量化长度 8 位 2 2 2 遥感影像处理 多期影像的高精度几何配准是变化研究的基本技术要求【2 丌。首先利用现场踏勘测 量得到的5 4 个地面控制点( 见图2 3 ) 中选取影像覆盖范围内分布尽量均匀的控制点， 辅以d e m 数据，对2 0 0 3 年的两景s p o t - 5 影像进行正射校正，最大的r m s 误差为 1 2 个像元( 见图2 4 ) 。重采样方法采用双线性内插法，考虑到其具有较高的空间位 置精确性。其它三景影像，19 8 6 年和2 0 0 0 年的l a n d s a t 5t m 、2 0 0 7 年s p o t - 5 和 a l o s 融合影像以校正好的2 0 0 3 年s p o t - 5 影像为准进行地理配准，l a n d s a t 5t m 影像r m s 误差均小于0 5 个像元，s p o t - 5 和a l o s 融合影像r m s 误差小于2 个像 元。校正之后的1 9 8 6 年和2 0 0 0 年l a n d s a t 5t m 影像、2 0 0 7 年s p o t - 5 和a l o s 融 9 内蒙古师范大学硕士学位论文 合影像见图2 5 、图2 - 6 和图2 7 。 技术流程见图2 2 。 图2 2 遥感影像处理技术流程 1 0 第二耄研究区域和研究方法 图2 - 3 现场测量的地面控制点及路线分布图 凹2 - 4 2 0 0 3 年f = 腔卅f 漪区域s p o t - 5 假彩色影像( 波段i + 波段2 + 波段3 ) 内簟古师范大学硕士学位论立 图2 - 5 1 9 8 6 年环胶州湾区域l a n d s a t - 5 t m 假彩色影像( 波段4 十被段3 + 波段2 ) 图2 - 6 2 0 0 0 年环胶州湾区域l a a & 碰- 5 1 m 假彩色l ；像( 波段4 十波段3 + 波段2 ) 第二研究区域和研究方法 麓 圈2 - 7 2 0 0 7 年环胶卅障区域s p o t 4 和心融合霞彩色髟像( 波段t + 波段2 + 波段3 ) 2 2 3 城市扩展变化分析 土地利用是人类经济社会活动作用于资源和自然环境的综合反映，土地利用变化 体现了人类适应一利用一改造自然的“ 地”相互过程。随着全球经济的发展，人 类作用于土地资源的干扰活动日益加剧，随之而来的是耕地面积减少、住房蜃张、环 境污染严重簪一列的问题弓i 起了很多学者和研究者的关注，并涌现了大量的土地利 用变化研究的成果嗍i 圳划口“。通过土地利用变化研究，分析影响土地利用变化的驱 动因素或者促使土地利用变化的机制蚓删删而这些影响因子通常可以概括为两大 类t 一共是自然因素，主要包括地形地貌、土壤、气候等；一类是社会经济因素的影 响，主要包括人口总数、人口分布密度、产业结构、产值、农业投入等。 传统的土地利用变化研究方法包括两类：分类前比较法和分类后比较法。分类后 比较法是目前最常用的定量变化检测方法。分类后比较法不要求进行影像间辐射校正 和匹配。由于本文使用的遥感数据获得时相、传感器、空间分辨率均不同，故采用分 类后比较法，保证信息提取的糟度，为地理元胞自动机在胶州湾区域的模拟预测研究 提供准确的研究数据另外，它是分析土地利用，土地覆盖变化更常用的方法i 明 在现场踏勘基础上，建立解译标志集，根据适合胶州湾城市扩展分析的分类体系 鳓滢灞氍 内蒙古师范大学硕士学位论文 进行土地利用信息提取，结合数字地理地图、全国海岸带和海涂资源综合调查报告和 图集，进行土地利用信息提取，得出四期土地利用状况数据。在此基础上，分析1 9 8 6 年至2 0 0 7 年土地利用状况的总量变化和各时间段内土地利用变化分析。 技术流程见图2 8 。 19 8 6 往l a n d s a t 5 t m 影像 2 0 0 0 年l a n d s a t - 5 t m 影像 2 0 0 3 年s p o t - 5 影 像 2 0 0 7 年a l o s 和 s p o t - 5 融合影像 解译标志 分类体系 信息提取 地理数字地图、地 形图、全国海岸带 和海涂资源综合 调查报告、全国海 岸带和海涂资源 综合调查图集 1 9 8 6 年土地利用 数据集 2 0 0 0 年土地利 用数据集 2 0 0 3 年土地利 用据集 2 0 0 7 年土地利 用数据集 土地利用总量变 化分析 1 9 8 6 年至2 0 0 0 年 土地利用变化分 析 2 0 0 0 年至2 0 0 3 年 土地利用变化分 析 2 0 0 3 年至2 0 0 7 年 土地利用变化分 析 图2 8 城市扩展变化分析流程图 土地利用信息提取时，要素矢量层各斑块之间易出现缝隙、重叠等拓扑错误，须 在信息提取后对矢量层进行拓扑检查。 2 2 4 地理元胞自动机模型介绍 元胞自动机是定义在一个具有空间、时间离散，有限状态的元胞组成的元胞空间 上，按照一定的局部规则，在离散的时间维演化的网格动力学系统。标准的c a 系统 是由元胞( c e l l s ) 、状态( s t a t e s ) 、元胞空间( l a t t i c e ) 、邻域( n e i g h b o r s ) 和规则( r u l e s ) 五部分组成，可用数学符号表示如下： 1 4 第二章研究区域和研究方涪 a = ( l ，c ，s ，n ，o( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中：a 代表一个元胞自动机系统；l 表示元胞空间( 觅图2 9 ) ，d 是一正 整数，表示元胞自动机内元胞空甸的维数；c 表示元胞空间里的个体：s 是元胞的有 鼹的、离散的状态集台：n 表示一个所有邻域内元胞的组合( 包括中心元胞) ( 见图 2 - 1 0 ) ；f 是基于邻近函数实现的转换规则c 蝴。 鼷髓闺 a ) 三墙网格( b ) 四方网格( c ) 六边网格 幽2 - 9 常见的二维元胞自动机的= 种嘲格划分刚 田雕雕 a ) v o n n e u m m n 型( b ) m o o r e 型( c ) 扩展的m o o r e 型 图2 1 0 常见的二维元胞自动机的邻域模型 所有的元胞相互离散，构成一个元胞空间：在某一时刻一个元胞只能有一种状态， 而且该状态取自一个有限集合( 如，城市土地利用类型) ：邻域是元胞周围按一定形 状划定的元胞集合，它们影响元胞下一个时刻的状态；元胞搜则定义了元胞状态转换 规则【3 1 。 从元胞自动机的构成及其规则上分析，标准的c a 模型应具有下列特征【3 q 【删 4 1 j 4 2 1 ： ”开放性和灵活性。c a 没有既定的数学方程，只是采用“自下而上”构模原 则的模型框架，可以根据不同应用领域，构筑相应的专业模型。而且，c a 模型具有 不依比例尺的概念元胞只是提供了一个行为空间时空尺度的影响可由转换规则来 体现，因此，c a 模型可以用于模拟局部的、区域的不同空阃尺度的演化过程。 内蒙古师范大学硕士学位论文 2 ) 离散性和并行性。即空间的离散、时间的离散和状态的有限离散。这些特性 使得元胞自动机适于建立计算机模型和并行计算特征，将元胞自动机的状态变化看成 是对数据或信息的计算或处理，而且这种处理具有同步性。 3 ) 空间性。以栅格单元空间来定义元胞自动机，能很好地和许多空间数据集相 互兼容。 4 ) 局部性。即时间、空间的局部性。每一个元胞的状态，只对其邻居元胞下一 时刻的状态有影响。从信息传输的角度来看，c a 中信息的传递速度是有限的。 5 ) 高维性。在动力系统中一般将变量的个数称为维数，从这个角度看，元胞自 动机的维数是无穷的。 参考地理元胞自动机研究 1 8 1 ，本文给出了技术流程( 见图2 1 1 ) 。 1 6 第二章研究区域和研究方法 图2 1 1 元胞自动机模拟技术流程图 1 7 内蒙古师范大学硕士学位论文 如下为流程涉及的地理元胞自动机相关名词的解释。 将土地单元赋予了生命特征，遵循生命轮回。根据土地单元的活力，将每个土地 单元分为“青年、“中年”和“老年 三个阶段。因而在某个时刻t ，所有的土地单 元可以分为相应的三种类型，不同类型的单元产生随之不同的行为规则：青年土地单 元，其活力值最大，它不仅可以在下一时刻继续存在，而且它还具备较强的发展能力， 即有产生( 吸引) 新的土地单元的潜力；中年土地单元，其活力值较低，不具备发展 变化的能力，在下一时刻维持现有状态；老年土地单元，这类单元处于生命的边缘， 不仅没有发展能力，而且在下一时刻将消亡，即成为空闲土地。 邻居是元胞自动机模型中最重要的概念之一，在g e o c a u r b a n 模型中，统一采 用了扩展的摩尔邻居类型。这是一种最为常见的邻居类型之一，给定半径r ，其邻居 的集合为一个正方形： 枷心= 1 ，= ( 1 ，西，v 纱) l l ，扛一1 ，。i + l v 伊一，掣i ，( 1 ，髓，v 妒) z 2 ) 对于二维的四方网格划分的g e o c a - u r b a n 模型，一个元胞的邻居个数( 除去中 心元胞) 为( 2 r + 1 ) 2 1 。如给定邻居半径r = 2 ，则邻居集合为以当前元胞为中心的5 x5 方块。 在土地单元的行为规则中，检查当前单元以及新生单元的邻居条件和交通条件的 过程都是基于邻居构成确定单元行为的过程。例如考虑一个商业单元的行为时，首先 考虑它邻居的居民地密度是否大于某个指标，其次还要检查交通层中邻居范围内是否 有足够密度的交通线，在条件满足后，产生新的商业单元，对于新的商业单元也要检 查其邻居的情况，看是否满足条件。以上邻居条件，任何条件的得不到满足，这次行 为都会以失败告终。 当一个土地单元活力值为青年，且满足了邻居条件及交通通达性条件后，它作为 一个“母体 ，就可以产生一个新生的土地单元，它的“子单元 。 这一新单元产生过程包含了两个独立的部分，一是新生单元类型的确定；二是新 生单元位置的确定。 在新生单元的位置和类型确定后，还需要经过一系列的检查条件，才能最终完成 新生单元的出生过程。任何一个条件得不到满足，整个过程就告失败。具体讲，新生 单元还要经历五个方面的检查。 ( 1 ) 检查新生单元的所在位置是否已被占用。新生单元只能诞生在空闲土地上， 1 8 第二章研究区域和研究方法 如果该位置上己被居民地、商业、工业或其它土地单元占据，那么则不能产生新生单 元。 ( 2 ) 检查新生单元在土地单元层面上的邻居状况。例如，当新生居民地单元的 邻居范围内的工业单元的密度大于一定阀值，则认为这个新生单元的产生是不合理 的，因而，这次行为告为流产。 ( 3 ) 检查新生单元在交通层面上的邻居状况。例如新生商业单元必须在道路、 街道等交通路线的附近，如果新生商业单元的邻居范围内没有交通线，宣告此次行为 流产。 ( 4 ) 检查在控制层面上，该位置的控制条件。控制因素层是由多层自然、社会、 经济因素经过叠置等空间分析得到的综合层面。控制因素层面在每个单元位置上，规 定了不同的类型的土地单元以及交通单元的生存概率。若在某个层面的某个位置的概 率值为o o ，则表示该位置不允许发展这种土地类型的单元：若概率值为1 0 ，则表示 该位置对这种土地类型单元的发展没有限制；而当概率介于0 0 和1 0 之间时，其概 率值的大小则反映了该位置对发展这种土地类型单元的鼓励或限制的程度。 ( 5 ) 检