[发明专利]基于斑块元胞自动机和港口城市规划的港城发展模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于斑块元胞自动机和港口城市规划的港城发展模拟方法，该方法采用了斑块增长模拟策略，科学的将城市用地的增长通过自发增长和组织增长两种增长模式，以种子核生长和边缘生长的方式，结合港口规划和港口城市规划来对不同发展阶段的港口城市的城市扩张过程进行动态模拟。本发明方法可以避免容易产生的过度拟合现象，能够更加合理的模拟出真实的城市增长格局，从而得出城市规划空间布局方案下的城市空间扩张模拟结果。本发明方法有效的解决了港口城市在没有建设基础的情境下根据规划方案指导的模拟城市建设过程的问题，并且得到了真实港口城市发展形态相似的空间格局，是一种切实可行的模拟港口城市空间扩展的方法。

技术领域

本发明涉及地理信息科学技术领域，尤其是涉及一种基于斑块元胞自动机和港口城市规划的港城发展模拟方法。

背景技术

港口和城市是一种相辅相成、相得益彰的关系：港口是城市发展的基础和动力，为城市带来大量的物流、人流和资金流；城市是港口发展的支撑和载体，也在为港口提供发展空间。港口和城市二者由于自然区位和发展经济的原因会融合在一起，但作为两个不同的系统，到了一定的阶段自然会产生局部用地冲突。港区与城市在发展空间、交通、环境等方面的矛盾不断加剧，“城进港退”现象屡见不鲜。甚至部分新港区也面临城市的不断挤压。建设现代化港口城市成为港口城市发展设计者的目标，为避免港区和临港新城发展引发的港城空间冲突，高起点、高水平、高标准的规划建设港区，对于充分配置资源、促进港口城市经济发展、创造和谐的人居环境和产业发展空间意义重大。

在现有技术中，一般使用元胞自动机进行模拟城市演变模型。元胞自动机(CA)模型是在近年来反演城市土地利用变化模拟研究中的主流模型。元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散，空间相互作用和时间因果关系都为局部的网格动力学模型，具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。常用的地理元胞自动机模型都是使用两期数据，第一期作为训练样本结合机器学习算法对元胞自动机的转换规则进行训练，对第二期数据进行模拟，得到模拟结果和真实的第二期数据进行精度验证。精度达到较高水准后，再以第二期数据作为初始数据对未来城市空间变化进行模拟预测。

因此，常用的元胞自动机进行的城市空间变化模拟多是以发展相对成熟的城市获取训练数据来进行预测，无法对处于建设初期的规划城市进行模拟，即无法根据港口和城市规划模拟港口城市未来扩张格局以及港城用地矛盾冲突和资源配置分析。

发明内容

针对现在技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于斑块元胞自动机和港口城市规划的港城发展模拟方法。本发明采用斑块增长模拟策略，科学的将城市用地的增长通过自发增长和组织增长两种增长模式，以种子核生长和边缘生长的方式，结合港口规划和港口城市规划来对不同发展阶段的港口城市的城市扩张的过程进行动态模拟，其包括如下步骤：

S1，获取港口规划和港口城市规划信息数据，进行空间配准解译处理，选取若干影响港口城市土地利用/土地覆盖变化的空间引导性要素和限制性要素，组成影响因子；确定未来城市建设用地的需求面积；

S2，使用港口城市规划信息数据规定好模拟区域的范围与标准栅格影像大小，然后计算模拟区域内空间栅格到各个影响因子的距离，并进行归一化处理；生成与标准栅格影像图幅大小一致的栅格距离数据；

S3，利用层次分析法(AHP)来获取各个影响因子的权重，根据变量的权重大小对所有影响因子进行加权求和计算发展适宜性数据；根据中心元胞周围已转化为城市建设用地的元胞数量来判断城市发展密度，通过5*5的网格窗口来计算中心元胞的邻域的城市发展密度数据；处理限制性数据(比如水域、生态红线等)，输出限制发展数据；将输出的适宜性数据、邻域城市发展密度数据和限制发展数据相乘，计算元胞的发展概率；

S4，确定元胞的发展模式，根据邻域城市发展密度数据判断元胞是否属于种子元胞，若是，转到S8，否则转到S9；确定好增长模式之后，利用移动窗口方式来模拟城市建设用地的增长过程。