基于随机森林的元胞自动机城扩展模拟-地理科学进展.PDF

第34 卷 第8期 地理科学进展 Vol.34, No.8 2015 年8 月 ProgressinGeography Aug. 2015 基于随机森林的元胞自动机城市扩展模拟 ——以佛山市为例 1,2 1,2* 1,2 1,2 陈 凯 ，刘 凯 ，柳 林 ，朱远辉 (1. 中山大学地理科学与规划学院，综合地理信息研究中心，广州510275 ； 2. 广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广州510275) 摘 要：本文提出一种基于随机森林的元胞自动机城市扩展(RF-CA)模型。通过在多个决策树的生成过程中分别 对训练样本集和分裂节点的候选空间变量引入随机因素，提取城市扩展元胞自动机的转换规则。该模型便于并 行构建，能在运算量没有显著增加的前提下提高预测的精度，对城市扩展中存在的随机因素有较强的容忍度。 RF-CA 模型可进行袋外误差估计，以快速获取模型参数；也可度量空间变量重要性，解释各空间变量在城市扩展 中的作用。将该模型应用于佛山市1988-2012 年的城市扩展模拟中，结果表明，与常用的逻辑回归模型相比，RF- CA 模型进行模拟和预测分别能够提高1.7%和2.6%的精度，非常适用于复杂非线性特征的城市系统演变模型与扩 展研究；通过对影响佛山市城市扩展的空间变量进行重要性度量，发现对佛山城市扩张模拟研究而言，距国道的距 离与距城市中心的距离具有最重要的作用。 关键词：随机森林；元胞自动机；城市扩展；佛山 1 引言 (柯新利等, 2014) ，以及进行规划方案的模拟与评价 (龙瀛, 2011)等。这些研究表明，CA 能够很好地模 元胞自动机(Cellular Automata, CA) 由数学家 拟城市用地的扩展，并可将模拟结果应用于生态、经 Stanislaw M.Ulam 与Von Neumann 于1948 年提出， 济、农业、规划等众多领域。 最初用于模拟生命系统所特有的自复制现象，是一 CA 模型的核心问题是定义元胞的转换规则 个描述自然界复杂现象的简化数学模型(段晓东 (冯永玖等, 2011) 。在每次循环迭代运算中，转换规 等, 2012) 。自1970年Tobler 首次将CA 应用于城市 则是由元胞的当前状态及其邻域状态确定下一时 扩展模拟以来，已经有众多学者开展有关城市CA 刻该元胞状态的动力学函数。CA 模型是否成功， 的研究，CA 在模拟城市土地利用与土地覆盖变化 很大程度上在于转换规则的设计是否合理，能否真 方面的潜力受到持续关注(廖江福等, 2014) 。例如， 实地反映事物间发生变化的内在本质。为使CA 能 综合系统动力学模型和元胞自动机模型对中国北 够模拟出城市扩展现象，众多学者从不同角度提出 方农牧交错地区进行模拟(何春阳等, 2005) ，探索城 了确定转换规则的方法。一方面，以Wu 为代表的 市形态与能源消费的关系(Chen et al, 2013) ，对城市 学者开创性地提出使用空间统计方法获取CA 模型 增长情景进行模拟(张鸿辉等, 2008) ，基于粮食安全 的转换规则，例如采用逻辑回归模型确定CA 的转 约束和经济发展区域差异进行土地资源优化配置 换规则(Wu, 2002) ，这类方法运算方便、易于理解、 收稿日期：2014-12；修订日期：2015-04。 基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2012AA 121402) ；国家自然科学基金项目 ；中央高校基本科研业务 费专用