SLEUTH模型简介及应用

SLEUTH模型简介及应用提纲1.SLEUTH模型概述3.SLEUTH模型应用2.SLEUTH模型原理1.SLEUTH模型概述SLEUTH是CA模型的一种实现，是模型所需的6种输入图层的首字母缩写而成（地形坡度slope,土地利用landuse,排除图层exclusion,城市空间范围urbanextent,交通网络transportation,地形阴影hillshade）由美国加州大学克拉克(Clarke)教授开发,它是关于城市空间增长与土地利用变化的模型，假设未来现象可以由过去真实演化趋势模拟得到，同时假设历史增长趋势是持续的，并在全球范围得到广泛应用。SLEUTH模型包含三个模块:测试模块、校准模块和预测模块。SLEUTH模型运行的基本单位：增长环1.测试模块:确保模型正确编译和运行（基础）2.校准模块:对历史时期城市增长和土地利用变化的模拟，从而产生最佳的增长系数（重要）3.预测模块:在不同的预案下，利用校准模块的增长系数预测未来城市空间变化及土地利用变化情况（应用）SLEUTH所需数据SLEUTHSlope坡度Landuse土地利用Excluded排除层Urban城市范围Transportation交通Hillshade阴影坡度：该模型定义临界坡度为CRITICAL_SLOPE，用百分比坡度值表示，范围为0-100，通常从数字高程模块(DEM)中计算生成。土地利用：土地利用编码采用整型编码，每个像元值代表一种唯一的土地利用类型，像元值取值范围为O-255。排除层：该层用来定义限制城市化区域的控制层，取值域范围为0-255，0表示该区域可以完全城市化，任何大于100的值都表示该区域不能城市化。城市范围：城市范围用一个二进制分类表示，取值范围为0-255，0表示非城市区域，可以用任何一个大于0小于255的整数值表示城市区域。交通：道路不一定是二制形式，可以用相对权重值来表示，如(0，l，2，4)、(0，25，50，100)或用道路的相对可达性来表示(high，medium，fow，none)。阴影层：为了使模拟的城市空间扩展过程具有更好的空间视觉效果，阴影层作为一个背景层嵌入，但不参与模型的运算。该层也通常从DEM中提取。2.SLEUTH模型原理SLEUTH模型根据历史数据对模型进行校核,选取适合于具体区域的参数值,实现模型的地方化,共有5个参数和4种增长规则影响城市的增长,5个参数分别为散布参数(dispersioncoefficient)、繁殖参数(breedcoefficient)、传播参数(spreadcoefficient)、道路吸引力参数(roadcoefficient)、坡度系数数(slopecoefficient）4种增长规则分别为:自然增长、新兴建城区增长、边缘增长、沿交通网络增长。以下详细介绍每种增长规则的增长原理。2.1自发增长：所谓自然型增长是指在城市内部,一些空地、草地等非城市用地慢慢转变为城市用地,使得较松散的城市内部逐渐充实,同时也表现在城市外部随机产生的城市化点。2.2边缘增长：城市的边缘型增长是指以原有的城市为核心,在其周围生长出新的城市元胞,它是城市发展导致空间向外扩展的必然结果。整个过程从动力机制上来说,是一种以向心力为主、离心力为辅的相互作用的增长过程。增长原则:For每个已城市化细胞；IfP传播系数；If相邻细胞城市化个数=2,；相邻细胞非城市化系数=1{相邻细胞中可以城市化的非城市化的细胞进行城市化}2.3新兴建城区增长：建立新的城区是一种离心力为主的城市增长类型,即城市发展的卫星城模式或开发区模式。产生这种类型的城市增长的原因是城市社会经济的发展需要突破原有城区的各种限制条件,一般在紧邻原有城区的附近创建新城区,形成城市扩展的新的增长点。增长原则:For每个新城市化细胞；IfP繁殖系数；If相邻细胞城市化个数=2,；{以相邻城市化细胞为中心}；For1toA{相邻细胞中可以城市化的非城市化的细胞进行城市化}2.4沿交通网络型增长：城市沿交通网络扩展是一种向心力的作用,这种向心力是沿着交通干线的。随着工业化的发展,吸引更多农民到城市里工作,居民为了节省交易费用,必然居住在交通沿线,同时由于交通网络的线状发展空间有限,所以城市沿交通网络向外扩展的速度很快增长原则:For每个新城市化细胞；IfP繁殖系数；{以R为半径搜索最近的道路细胞}For1to道路细胞{PB=游走完的道路细胞}{A=以PB为中心相邻细胞城市化个数}IfA=2,；{以相邻城市化细胞为中心}；For1toA{相邻细胞中可以城市化的非城市化的细胞进行城市化}2.5自修改规则：增长环是SLEUTH模型运行的基本单位。对于每一个增长环，其城市增长速率为四种不同类型增长方式之和。各增长系数在实际应用中，不一定要保持静态。当每个增长环结束后，对城市增长率进行评价。如果增长率超过或者低于临界值，自修改规则将起作用。自修改规则将轻微地改变系数值来模拟快速或低速增长，与城市发展的繁荣或萧条相关。应用自修改规则，首先确定系统是一个发展的增长期还是稳定期。如果增长率超过增长率的最大临界值，各系数乘以一个大于1的乘数以提高增长率，模拟一个扩展系统甚至更快的增长，这时出现“繁荣”状态。当增长率低于最小临界值，“萧条”状态将发生，各系数乘以一个小于1的乘数降低增长率，使其有效模拟一个萧条或饱和的系统。2.6SLEUTH模型校准：模型的校正是一个用历史数据来进行样本训练的过程,首先设定各参数的初始值,这5个参数均被定义在[0,100]这个区间内,最大值为100,最小值为0,然后将参数和需要的数据输入到模型进行校正。校正过程可分3个阶段(粗校正、精校正、最后校正)进行,逐步细化各系数范围。•2.7SLEUTH模型的预测：SLEUTH预测即根据过去历史发展特征与趋势，在未来继续外推这种发展趋势或复制其增长趋势。•从校准过程获得的最佳值作为预测的初始化值，用离现在最近时期的坡度、土地利用、排除层、城市范围、交通和阴影层作为预测的初始化输入数据，运行100次(或更小一些，但不能小于20次)蒙特卡罗迭代数进行预测。SLEUTH模型原理_应用•SLEUTH模型数据输入：坡度图层、山体阴影图层、城市范围图层、道路交通图层、排除层。•参数设置：模型预测依据对该模型中不同排除层(Exclude)的设置可有不同的预测方案。本文设置3种不同的排除层，进行3种场景的预测模拟。A为低生态保护的城市增长预案模拟结果B为适当生态保护的城市预案模拟结果C为严格生态保护城市增长预案模拟结果