基于mooo型鄰域鄰域的ca模型在石漠化中的應(yīng)用

基于mooo型鄰域鄰域的ca模型在石漠化中的應(yīng)用

1石漠化系列問(wèn)題以喀斯特石漠化為特征的是，在亞熱帶脆弱的環(huán)境保護(hù)條件下，由于人類(lèi)不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的干擾和破壞，土壤嚴(yán)重侵蝕，巖石路面外露，土壤肥力嚴(yán)重下降，地表呈現(xiàn)出類(lèi)似于沙漠景觀的土壤侵蝕過(guò)程。石漠化地區(qū)是中國(guó)最典型的生態(tài)脆弱區(qū)之一,也是我國(guó)西南地區(qū)最突出的貧困與環(huán)境問(wèn)題高發(fā)區(qū)。開(kāi)展石漠化的模擬預(yù)測(cè)研究,對(duì)深入研究石漠化系列問(wèn)題具有十分重要的意義。近年來(lái),3S及其集成技術(shù)迅速發(fā)展,其大量應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源監(jiān)測(cè)等方面,在多元數(shù)據(jù)定量分析與綜合研究方面取得了很好的效果,但在動(dòng)態(tài)模擬演化研究方面效果不佳。CA具有強(qiáng)大的空間動(dòng)態(tài)模擬功能,采用CA理論建立模型可以較好地解決該問(wèn)題。CA理論在地學(xué)中的應(yīng)用最早可追溯20世紀(jì)60年代,主要應(yīng)用于城市土地利用變化,城市空間演化模型構(gòu)造,城市發(fā)展模擬,以及交通流控制等領(lǐng)域;而CA土地荒漠化研究方面的應(yīng)用尚處于嘗試階段。Jenerette用Markov-CAmodeling研究了亞利桑那州中心地區(qū)鳳凰城城市化造成的土地沙化。馬力等把CA模型用于不同土地利用模式下,土壤侵蝕空間演化模擬研究;文獻(xiàn)將CA模型用于海南島西部土地沙漠化時(shí)空模擬研究;文獻(xiàn)將CA模型用于土壤鹽漬化時(shí)空演變模擬與預(yù)測(cè)研究。本文采用GIS技術(shù),把CA模型應(yīng)用于廣西都安喀斯特石漠化的模擬演化研究,以彌補(bǔ)GIS在石漠化的動(dòng)態(tài)模擬演化方面存在的不足。2局部同步更新元胞自動(dòng)機(jī)是時(shí)間和空間都離散的動(dòng)力系統(tǒng)。散布在規(guī)則格網(wǎng)(LatticeGrid)中的每一元胞(Cell)取有限的離散狀態(tài),遵循同樣的作用規(guī)則,依據(jù)確定的局部規(guī)則進(jìn)行同步更新。大量元胞通過(guò)簡(jiǎn)單的相互作用而構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。元胞自動(dòng)機(jī)模型由4個(gè)基本要素構(gòu)成:元胞、元胞狀態(tài)、元胞鄰域、轉(zhuǎn)換規(guī)則。可用公式簡(jiǎn)單地描述如下:其中,A為元胞自動(dòng)機(jī);C為元胞;S為元胞狀態(tài);N為元胞鄰域;R為狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則。CA的基本原理:一個(gè)元胞下一個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)是上一時(shí)刻該元胞及其鄰域狀態(tài)的函數(shù)。3荒漠化發(fā)展預(yù)測(cè)ca模型3.1石漠化元胞根據(jù)喀斯特石漠化的分級(jí)分類(lèi)理論,將廣西喀斯特石漠化劃分為3個(gè)等級(jí):輕度石漠化、中度石漠化、強(qiáng)度石漠化。研究地區(qū)石漠化分布圖柵格化得到石漠化分布柵格圖,而柵格圖中每個(gè)柵格就代表一個(gè)石漠化元胞。石漠化元胞狀態(tài)表示土地單元對(duì)應(yīng)的石漠化狀態(tài),文中將土地單元的狀態(tài)分為4類(lèi):無(wú)石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、強(qiáng)度石漠化,分別用0、1、2、3來(lái)表示,即土地元胞狀態(tài)S={0,1,2,3}。3.2沙漠巖石細(xì)胞的空間及其形狀的確定本研究中使用的柵格數(shù)據(jù),在空間分布上是二維的,元胞形狀為正方形,故石漠化元胞空間采用矩形網(wǎng)格來(lái)表示。3.3ca模型中的ca土地單元是否石漠化,不僅取決于自身的狀態(tài),與周?chē)麪顟B(tài)也密切相關(guān)。本文分別建立了采用標(biāo)準(zhǔn)Moore型鄰域和擴(kuò)展Moore型鄰域的CA模型:標(biāo)準(zhǔn)的Moore型鄰域具有8個(gè)鄰居;擴(kuò)展Moore型鄰域具有24個(gè)鄰居。3.4石漠化驅(qū)動(dòng)模型CA模型中,轉(zhuǎn)換規(guī)則是最核心的部分。本文通過(guò)定義鄰域影響指數(shù)、轉(zhuǎn)換代價(jià)指數(shù)和綜合轉(zhuǎn)換指數(shù)來(lái)表示石漠化CA轉(zhuǎn)換規(guī)則。(1)鄰域影響指數(shù)NI若記任意土地單元(x,y)的鄰域內(nèi)各種類(lèi)型石漠化元胞所占的比例為Pi(x,y)(i=0,1,2,3,分別代表無(wú)石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強(qiáng)度石漠化),則有:其中,n為鄰域元胞個(gè)數(shù),標(biāo)準(zhǔn)Moore型鄰域的CA模型中n=8,擴(kuò)展Moore型鄰域的CA模型中n=24;C(x,y)為鄰域內(nèi)各種類(lèi)型的石漠化元胞。若記各類(lèi)石漠化元胞對(duì)中心元胞的影響指數(shù)為Ii(x,y),則有:其中,ρij表示i類(lèi)石漠化元胞轉(zhuǎn)化為j類(lèi)石漠化元胞的概率;i、j的值表示元胞的4種狀態(tài);ρij主要通過(guò)分析前后兩期石漠化類(lèi)型變化情況得到;svj表示轉(zhuǎn)化為j類(lèi)石漠化元胞的權(quán)值,取值依次為0、1、2、3。最后,由公式(1)和(2)可計(jì)算出鄰域影響指數(shù)NI,如下:(2)轉(zhuǎn)換代價(jià)指數(shù)TITI描述當(dāng)前元胞的轉(zhuǎn)換代價(jià),其計(jì)算方法是將本文所考慮的各種石漠化驅(qū)動(dòng)因子按照公式(4)進(jìn)行權(quán)值疊加運(yùn)算。其中,Wi為各個(gè)因子權(quán)值,由改進(jìn)的層次分析法(AHP)得到;Vi為各因子的值。本研究所考慮的各項(xiàng)因子及其權(quán)值設(shè)置,見(jiàn)表1。(3)綜合轉(zhuǎn)換指數(shù)SI綜合轉(zhuǎn)換指數(shù)可按公式(5)進(jìn)行計(jì)算:(4)元胞自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換規(guī)則記土地單元(x,y)在t+1時(shí)刻的狀態(tài)為St+1(x,y),則有:這一公式說(shuō)明每一土地元胞在下一時(shí)刻的狀態(tài),取決于自身的變化條件和周?chē)泥従訝顟B(tài),其中f代表轉(zhuǎn)換規(guī)則,表示石漠化程度類(lèi)型與石漠化土地狀態(tài)值之間的映射關(guān)系(見(jiàn)表2)。4模型驗(yàn)證與動(dòng)態(tài)發(fā)展預(yù)測(cè)4.1模擬校驗(yàn)?zāi)Ｐ捅疚牟捎?988、1999、2005年3期廣西都安石漠化分布圖數(shù)據(jù),進(jìn)行兩次模擬校驗(yàn)?zāi)Ｐ?即分別以1988、1999年數(shù)據(jù)為始端數(shù)據(jù)運(yùn)行模型,將模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析,對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)。模擬結(jié)果表明,利用擴(kuò)展Moore型CA模型模擬的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)較大,分別為0.83、0.89、0.88。4.2土地石漠化規(guī)模預(yù)測(cè)采用擴(kuò)展Moore型鄰域的CA模型的模擬結(jié)果和實(shí)際情況比較吻合,可以反映實(shí)際石漠化發(fā)展趨勢(shì),因此確定采用擴(kuò)展Moore型鄰域的CA模型運(yùn)行參數(shù)為該模型最終參數(shù),繼續(xù)運(yùn)行模型,預(yù)測(cè)2012年該研究區(qū)域土地石漠化的情況。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,到2012年該區(qū)石漠化面積將比2005年增加24%,其中強(qiáng)度石漠化增幅最大,達(dá)到35%。這說(shuō)明該區(qū)石漠化進(jìn)一步惡化,需要采取相關(guān)措施防止石漠化的進(jìn)一步惡化。5擴(kuò)展moo型鄰域的ca模型要比采用標(biāo)準(zhǔn)mo分實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法對(duì)石漠化進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)是有效的。本文建立的兩種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果都具有一定的精度,而采用擴(kuò)展Moore型鄰域的CA模型要