基于ANN-CA模型的F县季节性闲置耕地模拟及预测

为保护耕地和提高耕地利用率,促进农业可持续发展,本研究利用ANN-CA模型对F县的季节性闲置耕地情况进行模拟预测。模拟结果表明,在α=2,T=0.8的参数组合下,各类用地变化的模拟精度较高,模拟出的用地变化情况与2020年的实际用地情况较为贴近;根据季节性闲置耕地识别规则模拟出F县未来耕地季节性闲置现象呈现明显好转趋势,预测2025年F县季节性闲置耕地主要集中在东北部和南部,面积为25.8318km^(2)。生产中,注意对耕地进行科学合理的养护和利用,以保障农作物的产量和质量,确保农业可持续发展。

基于ANN-CA的外来入侵植物互花米草的扩散趋势预测研究

采用遥感技术手段对九段沙互花米草(Spartina alterniflora)信息提取与动态监测基础上,开展滨海地区互花米草入侵时空特征分析、入侵地区景观演变规律以及预测互花米草扩散趋势等研究对于沿海城市生态环境协调发展具有重要的意义。选取邻域因子、生态属性和地理属性等相关变量因子,耦合人工神经网络(ANN)与元胞自动机(CA),基于2015-2019年间九段沙互花米草与其他湿地景观类型数据构建ANN-CA模型,采用3层BP神经网络,在不断训练与校正与验证模型精度的基础上,对2019年九段沙区域互花米草进行模拟,采用Lee-Sallee形状指数来对比模拟分类结果与实际分类结果在空间分布层面的相似度,并进行相应的模型校正,在此基础上预测2025年九段沙互花米草扩散与群落分布格局,为互花米草的扩张趋势、景观演变以及分布扩散预测提供理论依据和科学基础。结果表明,1)1995-2025年间互花米草自从引种定居到不断扩张,所呈现的面积变化图近乎S型曲线,其中2015-2019年面积增长了847 hm^(2),2019-2025年面积增长了646 hm^(2),因此互花米草在九段沙自然保护区的动态扩散,分别为定居阶段、滞缓阶段、快速增长阶段以及缓慢增长阶段。2)2025年九段沙区域互花米草的扩张速率从趋势看已进入扩张的缓慢期,与前几年相比尽管有所增加,但趋势有所放缓。3)构建的ANN-CA模型能够较好地对九段沙自然保护区的植被演变进行模拟和预测。

基于RSEI和ANN-CA-Markov模型的伊宁市生态环境质量动态监测及预测研究

伊宁市位于中国新疆西北边陲伊犁河谷内,土地肥沃,水资源和生物资源丰富,具有发展农、林、牧业的优越自然条件,但由于城市化进程过快,导致生态遭受破坏,生态环境质量不断下降,因此依托遥感生态指数(Remote-sensing ecological index,RSEI)及ANN-CA-Markov模型,科学、合理地利用Landsat TM5/OLI-TIRS8遥感数据对开展伊宁市2006—2021年生态环境动态评价及预测具有重要意义。结果表明:(1)绿度和湿度对伊宁市生态水平具有正面影响,干度和热度对伊宁市生态水平具有负面影响,影响伊宁市生态环境质量的主要因素依次为绿度、热度、干度、湿度,符合伊犁河谷地区所表现出来的生态状况。(2)伊宁市RSEI平均值为0.451,总体处于中等水平,生态环境质量变化呈现两极逐渐缩小的趋势,但RSEI指标中等区域及较差区域的面积正在逐年增大,总体生态环境呈现稳中向差的发展趋势。(3)预计2026年和2031年伊宁市北坡地区生态得到一定程度改善,结合《新疆伊宁市城市2018—2035年总体规划》,城区在未来生态环境质量依旧保持在中等水平,城市将继续向外扩张,可耕地面积将继续减少。

土地利用变化的ANN-CA模拟研究--以西南喀斯特地区猫跳河流域为例

为了准确把握西南喀斯特地区土地利用格局的变化规律,以贵州省猫跳河流域为例,采用人工神经网络与元胞自动机的耦合模型对喀斯特地区1990—2002年间的土地利用格局变化进行了模拟。将模拟结果与实际土地利用图进行对比发现:在数量变化方面,两者的混淆矩阵和性能指数的总精度分别达到了87.62%和57.36%;在空间格局方面,模拟结果的景观格局指数均接近真实值。研究结果表明,该模型模拟精度较高且可操作性强,能够作为西南喀斯特地区小尺度范围土地利用变化研究的有效工具。

基于BP-ANN-CA的都安喀斯特土地系统演变模拟

综合考虑影响都安喀斯特土地利用变化的社会经济和自然等15个空间变量,耦合元胞自动机与BP神经网络模型,经过数据预处理、人工神经网络、校准模拟和预测等四个步骤模拟了都安县2015年土地利用情景变化。研究表明,都安县2015年灌丛地、有林地草地和居民点用地都有不同程度的增加,坡耕地、裸岩地则有较大幅度的减小,其他用地变化不明显,反映出近年来生态治理措施取得的成效。

基于GIS和ANN-CA的广州市黄埔区耕地预警

根据地理模拟和耕地保护相耦合的思想,基于近15 a的土地利用变化数据,以广州市黄埔区为例,从土地利用方式转换的角度出发,进行耕地的空间预警研究.①利用ArcGIS得到土地利用转移矩阵,分析得出建设用地扩张是造成耕地流失的最大因素;②采用GeoSOS集成的ANN-CA模型,以低速扩张的模式预测2020年建设用地空间分布格局;③利用ArcGIS空间分析功能,将建设用地预测图与2009年耕地现状图进行重叠分析,提取耕地预警区域.预警总面积为931.86 hm^2,占2009年耕地总面积的37.88%,耕地与建设用地之间存在尖锐矛盾.因此,相关部门可根据预警区域的地理位置和面积大小,采取补偿措施,以此协调城市发展和耕地保护之间的矛盾.

基于ANN-CA及AgentLA模型的农用地整治研究——以吉林省敦化市为例

以吉林省敦化市为例,基于ArcGIS 10.6平台、GeoSOS的ANN-CA和AgentLA模型,在预测建设用地扩张占用耕地整治亟需度的基础上,结合农用地整治规模效应、生态安全性、耕地限制因素,实现多因素相耦合,对农用地整治进行分区并自动生成高标准农田保护区范围。结果表明:预测期内,敦化市耕地在空间分布格局上依旧延续耕地的保护与占用相重叠、人地矛盾尖锐的特点,各乡镇整治亟需度存在明显差异。敦化市耕地质量提升潜力较大,主要限制因素为剖面构型,其他限制因素为坡度、质地-构型以及障碍层-构型。将研究区耕地划分为5个整治类型区,明确了各类型区的整治方向与重点。AgentLA模型在划定高标准农田保护区范围方面具有很高的应用价值,具有斑块个数少、单个图斑面积大也更紧凑的特点。

基于ANN-CA模型的黄土丘陵区县域土壤侵蚀演变预测

为了精准预测土壤侵蚀变化,科学合理地预防区域水土流失的发生,选择黄土丘陵沟壑区的彭阳县为研究区,2000、2008和2015年3期遥感影像、DEM和日降雨等为基础数据,基于GIS和RUSLE模型计算土壤侵蚀并定量分析2000—2015年时空分布变化特征;应用人工神经网络耦合元胞自动机构建ANN-CA模型,预测彭阳县2025年土壤侵蚀。结果显示:1)彭阳县2000—2015年土壤侵蚀状况整体呈现向好趋势;强度及强度以上侵蚀面积减少652.81 km^(2),高等级侵蚀逐渐向低等级转移;2)2015年土壤侵蚀强度模拟结果精度排序为:微度>轻度>中度>极强度>剧烈>强度,总体精度为87.9%,Kappa系数0.82,预测精度较高;3)彭阳县2025年土壤侵蚀以微度与轻度为主,面积分别为1366.67和748.61 km^(2),占总面积的84.69%,强度以上面积仅为2.69 km^(2),占总面积的1.1%,较2015年进一步好转;强度以上侵蚀主要发生在孟塬乡与新集乡,可在该区域加强水土保持措施建设,预防水土流失。研究结果表明,ANN-CA模型具有较强的自学习与空间动态模拟能力,可以应用于区域土壤侵蚀预测。

基于Ann-CA-Markov模型的生态空间预测模拟: 以重庆市万州区为例

生态空间是提供生态服务功能及保护国家生态安全的重要区域,对未来生态空间的模拟预测可以为生态环境保护的政策制定及国土空间的优化管控提供参考依据。以万州区为研究区,使用万州区2000、2006、2012和2018年4期土地利用、数字高程模型(DEM)、道路交通、河流、行政中心、生态红线和自然保护地等数据,界定万州区的生态空间类型为林地、草地、水域和未利用地,对万州区的生态空间变化特征进行分析,并构建Ann-CA-Markov模型对万州区2024年生态空间进行模拟预测,同时对生态空间的生境质量进行评估。结果表明,该研究构建的Ann-CA-Markov模型具有较高的模拟精度,以元胞自动机模型(CA)为主体,结合Markov和Ann模型,有效解决了CA模型的不足,既能够对生态空间类型的转移数量和概率进行预测,又能够处理好影响因子与生态空间变化之间的复杂的非线性关系,从而对生态空间分布进行预测,其模拟的精度达0.9836。万州区生态空间面积呈现持续增加趋势,但是生态空间斑块的破碎度、分化程度及面积均匀化程度越来越大,生态空间稳定性逐步下降,且生态空间的生境质量呈现逐年下降趋势。因此,在保证生态空间数量规模增加的同时,要兼顾生态环境保护与生态空间的优化管控,以保证生态空间的稳定性及生境质量。

基于ANN-CA的城市用地扩张模拟优化——以潍坊市城区为例

随着城市规模的不断扩大,土地覆盖和利用的格局发生了显著改变,利用神经网络—元胞自动机模型(ANN-CA)模拟预测未来城市用地变化,可为城市整体规划和布局提供依据。文章以潍坊市城区为例,采用地理模拟优化系统集成的ANN-CA模型,利用宏观规划方案对其进行优化,分别模拟了潍坊市城区2005、2011、2017年土地利用状况,并预测了2025年的土地利用状况。结果表明:2005至2017年期间,潍坊城区空闲用地面积减少,居住用地、城市道路用地面积增加,城市发展中心向城市北部偏移;优化后的模拟结果精度明显提高,说明加入宏观规划因子在一定程度上弥补ANN-CA模拟的不足;预测至2025年,潍坊城区居住、工矿用地和交通运输地面积将会继续增加,而绿地和空闲用地面积则会继续缩小。

基于ANN-CA的土地利用变化模拟应用研究

研究适用于流域土地利用变化模拟方法,基于元胞自动机原理,应用GeoSOS平台的ANN-CA模型对黑河中下游2000-2011年、2011-2017年两期土地利用状况进行模拟评价并分析,结果显示:①ANN-CA模型适用于模拟复杂的土地利用演化过程;②基于ANN-CA模型模拟的黑河中下游土地分类取得理想的模拟效果,模拟结果 kappa精度较好;③利用合适的模拟方法预测黑河中下游土地利用变化,以期为土地资源的保护和可持续发展以及相关规划编制提供参考依据。

基于ANN-CA模型的黄土小流域正负地形演化模拟

黄土高原正负地形的不同组合特征反映了黄土地貌的发育程度,黄土小流域正负地形的演化则是黄土高原地貌形态发育的缩影。该文采用地理元胞自动机的建模方法,对室内黄土小流域正负地形的演化过程进行建模与模拟。实验通过多次训练神经网络,自动获取转换规则,简化了构建元胞自动机模型的难度,同时,模拟的结果总精度达88.5%。研究表明,该方法可以反映黄土小流域正负地形演化过程中其沟谷扩张、沟头向前以及黄土陷穴的发育特点,对黄土高原地貌发育研究具有重要意义和可鉴性。

基于ANN-CA的中小城市空间拓展分析——以福建平和县为例

以福建平和县中心城区城市空间为研究对象,采用耦合神经网络(ANN)和元胞自动机模型(CA),依据2003年、2009年、2017年平和县城市土地利用数据,选取地形坡度、交通设施、规划改策作为城市扩张驱动主因子,对2030年城市空间拓展进行模拟预测。结果表明:三因子对城市土地利用变化量及形态发展有着积极影响,以政府部门为主导的规划改策因子影响力显著;2033年平和县空间扩张形态预测结果与城市未来发展趋势相符合,计算两者的KAPPA系数,一致度达72.82%;ANN-CA耦合模型对于中心城区未开发利用的真空地带具有预算效用,并能够实现城市骨干道路蔓延预测。

基于ANN-CA的胶州湾西岸港城土地利用情境模拟

针对青岛市胶州湾西岸港城发展对土地利用的不同需求,采用人工神经网络(ANN)与元胞自动机(CA)的耦合模型,分别从城市导向与港口导向2种情境出发,对土地利用格局的进行模拟,分析不同情境下港城土地发展趋势与差异,揭示港城发展对土地功能演化及港城土地冲突的影响,在此基础上预测港城土地功能重叠区范围。结果表明青岛市胶州湾西岸地区土地发展格局较为鲜明,2015~2025年城市功能用地主要向西南方向扩展,港口功能用地主要向西北方向蔓延;港城土地功能重叠区主要分布在胶州湾西岸区域的西部、西北部与东南角。本研究成果可为港城土地资源规划利用提供建议。

基于ANN-CA模型的港口城市景观格局变化与预测研究——以胶州湾西岸区为例

研究港口城市景观格局变化规律对港口城市土地利用规划和产业布局具有借鉴和指导意义。以胶州湾西岸所在区域为例,基于ANN-CA模型和景观生态学理论,对2025年土地利用情况进行仿真预测,利用景观格局指数深入分析1995~2025年胶州湾西岸景观格局变化规律及其驱动因素。结果表明:胶州湾西岸耕地、草地和水域面积趋于减少,城镇、港区和临港用地面积所占比例大幅度增加至16.19%、7.72%和22.20%,非建设用地逐渐向港口和城市建设用地转化;景观结构总体趋于复杂化,前期景观的优势度下降,分离破碎化程度上升,景观丰富度和异质性增强,斑块分布更加均匀,后期景观优势度转而上升,分离破碎程度逐渐减小,景观多样性和均匀度趋于降低;社会经济和港口产业的迅猛发展是推动胶州湾西岸土地利用和景观格局变化的主要因素,随着港城矛盾逐渐凸显,港口和临港用地扩张趋于饱和。故提出加快区域内港口及其临港产业向外转移和提高土地利用集约程度的建议。

ANN-CA模型改进及城市用地动态模拟

针对传统ANN-CA(artificial neural network—cellular automata)模型在城市动态模拟中用地转换阈值确定繁琐以及全局模拟效果不佳的问题。以ArcGIS和Matlab2012b为开发平台,构建了一个"自上而下"和"自下而上"相结合的改进模型,以重庆市南岸区为例进行土地变化模拟,对比模型改进前后的模拟效果并讨论邻域设置对模型精度的影响。结果显示,改进后模型的模拟结果不论是精度还是Kappa系数都高于传统模型的模拟结果,而且改进后模型转换阈值的设置方便灵活,无需经过多次试验来获取,随着邻域设置范围的增大,模型的模拟精度也得到一定的改善。

快速城镇化背景下生态系统服务价值时空变化及空间特征研究——以潮州市潮安区为例

生态系统服务价值(ESV)动态评估可为区域可持续发展提供决策。基于生态系统服务价值当量法、双变量空间自相关分析法,分析了潮安区2008—2018年生态系统服务价值变化特征,及与主要经济指标的空间分析。结果表明:(1)2008—2018年期间,潮安区的主要的生态用地阔叶林、水田和水域大面积减少;(2)南部平原区ESV相对变化率较大,相反北部山地丘陵区各镇ESV相对变化率较小;(3)人均GDP、工业生产总值比例与生态系统服务价值存在明显的负相关关系,其中工业总产值比例与生态系统服务价值的负相关性最强;其双变量LISA图也具有相似的空间分异特征,高—低聚集区总体分布于潮安区南部平原区,低—高聚集区主要分布在北部山地丘陵地区。建议应注重产业经济的发展与生态环境保护的协调与平衡,以提高生态用地服务功能的发挥。

1985—2015年昆明市土地利用变化特征及其预测研究

以云南昆明市域1985、1995、2005、2015年4期的Landsat遥感影像为基础数据,借助ArcGIS平台,采用土地利用动态度、转移矩阵及ANN-CA模型,研究近30 a昆明市土地利用景观格局动态变化特征,并预测其2025年土地利用数据.结果表明:1)林业用地在昆明市土地利用类型中占主导地位,全市国有林地覆盖面积平均占45%以上,草地次之,近30 a来未利用地面积没有明显变化.2005—2015年土地利用结构和景观格局变化显著,城市土地综合利用结构变化速度加快.2)1985—2015年主要土地利用类型变化呈现为农用耕地、草地向建设工程用地的转换,林地向农用耕地的转换.3)1985—2015年昆明市土地利用破碎化程度不断升高,景观格局趋向复杂化,景观异质性增强.预计2015—2025年,昆明市地区草地利用面积将有所减少,林地利用面积保持不变,建设用地和耕地面积略有增加.

基于元胞自动机模型的城市土地利用变化预测研究

随着城市化进程的加快,城市土地利用变化需要进行有效的模拟和预测。本文采用基于人工神经网络(ANN)的元胞自动机(CA)模型,预测“十四五”时期台州市土地利用变化情况。结果表明,随着“十四五”时期台州市城市化的推进,中心城区的空间辐射能力逐渐增强,建设用地逐渐扩张,大量占用中心城区周边耕地。“十四五”时期,台州市应加强中心城区周边耕地的保护,严格限制建设用地无序扩张,缓解城市发展与耕地保护的矛盾。

基于景观安全格局的城镇建设用地扩张多情景模拟研究——以扬州市为例

城镇建设用地多情景模拟有利于实现土地资源优化配置,保障区域可持续发展。本文以扬州市为例,以2005年、2013年土地利用变更数据为训练数据,借助景观安全格局与ANN-CA模型模拟城镇建设用地扩张趋势,并利用城镇建设用地转移矩阵与景观格局指数分析2013—2020年城镇建设用地模拟结果。研究结果表明:(1)不同情景下的城镇建设用地模拟扩张占用其他景观规模不同,但均占用农村居民点规模最多,其中,惯性发展情景下,模拟新增城镇建设用地以布局在低景观安全格局为主,占用耕地、水域、林地规模较高;基本保障情景下,模拟新增的城镇建设用地主要布局在中景观安全格局区域,较惯性发展情景占用耕地规模增加,占用水域、林地规模减少;与惯性发展情景、基本保障情景相比,最优保护情景下占用耕地规模略高但集中于高景观安全格局区,新增占用水域规模、林地规模降低。(2)不同情景下的景观格局也存在差异,惯性发展情景下,景观格局变化一定程度有利于促进城镇化发展,但不利于耕地机械化生产,影响林地、水域生态服务功能;基本保障情景下,景观格局变化一定程度上有利于城乡社会经济发展,对非人工景观的破坏程度较惯性发展情景降低;最优保护情景下,景观格局变化更有利于区域社会、经济及生态发展。(3)惯性发展情景下,应适当规划生态基础设施,严格划定永久性基本农田;基本保障情景下,应充分发挥景观安全格局的生态底线功能,引导城镇建设用地合理开发与布局;最优保护情景下,可通过存量建设用地挖潜等措施提高土地集约利用水平。