[发明专利]一种基于向量化和并行计算的高性能城市CA模型构建方法

摘要

本发明公开了一种基于向量化和并行计算的高性能城市CA模型构建方法，首先建立城市土地利用矩阵，矩阵要素对应每一个元胞，矩阵空间对应元胞空间；将元胞空间分割为多个子空间，并将每个子空间分发给不同的处理器；集合各中心元胞邻域内相同位置的邻居元胞，形成各子空间不同方位的邻域集；然后采用记忆向量的方式实现相邻两个处理器间的信息交换，传递相邻子区域边界的元胞信息；通过矩阵运算实现不同子空间的邻域密度计算、转换概率计算和元胞状态转变；最后将所有子空间的模拟结果合并，得到最终的城市扩展模拟结果。本发明构建了向量化和并行元胞自动机模型，并将上述模型应用于城市扩展模拟中，有助于更高效、快速地模拟城市扩展。

主权项

1.一种基于向量化和并行计算的高性能城市CA模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立城市土地利用矩阵，矩阵要素对应每一个元胞，矩阵空间对应元胞空间；步骤2：将元胞空间分割为若干个子空间，并将每个子空间分发给不同的处理器；其中，采用列分割或行分割将元胞空间均匀地划分为n个子空间，其中，元胞空间大小为row×col，第i个子空间大小为row(i)×col(i)，i＝1,2,3...n；row(i)表示第i个子空间的行数，col(i)表示第i个子空间的列数；步骤3：集合各中心元胞邻域内相同位置的邻居元胞，形成各子空间不同方位的邻域集；其具体实现包括以下子步骤：步骤3.1：建立各子空间的土地利用状态矩阵，在状态矩阵中只存在两种取值，城市用地取值为1，非城市用地取值为0；步骤3.2：根据邻域形状和大小，通过将状态矩阵空间向各个方位平移相应单元形成各子空间不同方位的邻域集；步骤3.3：通过裁减多余边界和增加零边界来实现不同方位的邻域集与各子空间在位置和大小上的一致；步骤4：采用记忆向量的方式实现相邻两个处理器间的信息交换，传递相邻子区域边界的元胞信息；其具体实现包括以下子步骤：步骤4.1：根据元胞邻域的对称性，建立各子区域左右边界的记忆向量；其中，元胞邻域的对称性是指第j列/行元胞的右/下邻域集等于第(j+r+1)列/行元胞的左/上邻域集，同理，第j列/行元胞的左/上邻域集等于第(j‑r‑1)列/行元胞的右/下邻域集；第i个子空间右/下边界元胞的记忆向量，为第i个子空间中第(col(i)‑r‑1)列/第(row(i)‑r‑1)行到第(col(i)‑1)列/第(row(i)‑1)行元胞的右/下邻域集；同理，第i个子空间左/上边界元胞的记忆向量，为第i个子空间中第2列/行到第(r+2)列/行元胞的左/上邻域集；j＝1,2,3,...,col(i)或j＝1,2,3,...,row(i)；r为邻域半径；步骤4.2：采用消息模型，将各子区域的记忆向量发送给相邻区域的边界元胞，实现相邻子区域间的信息传递；步骤5：通过矩阵运算实现不同子空间的邻域密度计算、转换概率计算和元胞状态转变；其具体实现包括以下子步骤：步骤5.1：计算元胞空间的不同方位邻域集之和与邻域集数目的比值，得到各子空间的邻域密度，实现邻域密度计算的向量化；步骤5.2：在转换概率计算过程中采用矩阵运算中的Hadamard乘积代替循环体进行乘法运算，实现转换概率计算的向量化；步骤5.3：将转换概率矩阵与转换阈值进行比较，将满足条件的元胞转为城市用地，实现元胞状态转变的向量化；步骤6：满足迭代终止条件后，将所有子空间的模拟结果合并，得到最终的城市扩展模拟结果。