CN115169636A - 基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法及装置，按照用途或功能导向，将农村居民点用地细分为不同类型，确定农村居民点内部用地之间及其和外部用地的数量转换关系；通过基于内部用地之间的竞争关系，构建不同地类空间变化的驱动模型，生成基于内部竞争关系的农村居民点用地转换规则，实现农村居民点空间模拟。本发明通过基于内部用地竞争关系以更新转换规则，突破传统农村居民点模拟模型，能够充分反应农村居民点用地空间的异质性特征，可以为农村居民点内部用地结构优化及精细化管理提供参考。

Description

基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法及装置

技术领域

本申请涉及农村土地规划技术领域，具体涉及一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法及装置。

背景技术

在快速的城镇化及工业化背景下，城乡要素流动加快，对农村经济和产业结构产生了重大影响，农村居民点用地正在发生深刻调整。优化农村居民点用地结构，合理配置乡村土地资源。农村居民点用地空间模拟可以预知未来农村居民点空间的发展方向及布局态势，模拟结果可以为乡村规划及政策制定提供直接评判参考，对指导农村地区科学开展用地整理、盘活存量用地、促进土地集约节约利用至关重要。

农村居民点用地模拟主要通过土地利用变化模拟模型实现。通常，土地利用变化模拟模型主要可分为三类，第一类是数量变化预测模型、第二类是空间格局预测模型，但单一模型无法满足土地利用变化过程的复杂特性，越来越多的学者将多个模型结合起来进行研究，将其归为第三类模型，即耦合模拟模型，包括系统动力学模型、元胞自动机模型、SLEUTH模型和CLUE-S模型等。有关农村居民点的模拟研究主要基于上述模拟模型，模拟的主要内容聚焦在不同的发展趋势及政策干预下农村居民点空间格局变化上。

在上述研究中，农村居民点模拟需要明确模拟需求总量、确定农村居民点用地与其他地类的数量转换关系、生成农村居民点用地空间分布概率图集作为局部转换规则，随后设置一系列限制规则以限定模型运行，生成全局转换规则开展下一步模拟。其中，农村居民点用地总量控制主要由规划的目标或相应的发展情景确定；数量转换关系主要通过农村居民点用地与其他地类的转换矩阵确定转换的规模；空间分布概率图集需要依据一系列影响因素，通过构建驱动模型确定农村居民点用地及其他地类空间分布的概率，生成农村居民点空间模拟的适宜性图集作为转换规则。在此基础上，设置模型参数，以完成未来某一时刻的农村居民点用地空间模拟。

农村居民点用地是由其内部多类型用地组合构成的复合体，由于自然本底条件及经济发展水平的差异，农村居民点内部各地类的数量配比关系、空间组合形态都具有较大差异，使得农村居民点用地空间具有较强的异质性特征。同时，在有限的空间里，人口变动、产业结构变革、科技进步、政策法规乃至农户行为约束均会导致农村居民点用地变化，不可避免地产生其内部各地类之间的侵占、挤压等此消彼长的转换过程，使得农村居民点内部各地类之间具备显著的竞争关系。此外，各地类之间通过不断的竞争冲突更新其布局形态，导致农村居民点用地扩张格局存在显著的内部差异，农村居民点空间变化的异质性不容忽视。

然而，在已有的模拟研究中，农村居民点用地被视为一个整体图斑，这相当于把农村居民点空间进行了同质化处理，使其成为一个均质的空间，未考虑其内部用地类型之间的竞争关系，从而忽略了农村居民点内部用地之间的差异性。在模型设置过程中，数量转换关系层面，已有模拟在技术上仅关注到了农村居民点用地与其他地类(如耕地、林地、草地)之间的转换，而内部用地类型之间及其内部用地与外部地类的数量转换关系均被忽略，未能将数量变化分配到农村居民点内的每种地类上。空间转换概率层面，农村居民点被视为一个均质的图斑，仅生成了农村居民点用地整体及其他地类的分布适宜性图集作为局部转换规则，农村居民点内部用地类型之间的竞争关系未被考虑，难以表达农村居民点用地空间的异质性特征。

综上可知，这种将农村居民点用地视为一个整体图斑的模拟忽略了农村居民点用地空间的异质性，也无法体现各地类的空间竞争关系对农村居民点空间变化的影响。从而难以实现农村土地精细化管理的目标，在理论和实践应用层面均具有明显缺陷。

发明内容

为此，本申请提供一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法及装置，以解决现有技术存在的忽略了农村居民点用地空间的异质性，无法体现各地类的空间竞争关系对农村居民点空间变化的影响的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，包括：

获取初始模拟数据，对所述初始模拟数据进行预处理，并确定初始模拟时刻、模拟时段间隔和模拟终止时刻；

根据目标导向，将农村居民点用地进行分类；

模拟终止时刻的农村居民点用地总量限制，基于所述农村居民点用地总量限制，分配内部各地类的面积比例，并确定内部各地类之间及其与外部其他地类之间的数量转换关系，计算数量转移矩阵；

构建各地类空间分布与相关驱动因子的驱动模型，并生成各地类的空间分布概率图集，合并更新为基于内部竞争关系的农村居民点空间适宜性图集；

根据土地利用变化模拟模型、模拟时段间隔农村居民点内部各地类之间及其与外部其他地类的数量转移矩阵、初始模拟时刻农村居民点内部各地类分布的空间适宜性图集，模拟终止时刻的农村居民点用地变化，获得终止时刻的农村居民点用地空间分布；

根据预设值，判断是否达到模拟终止条件；

若未达到模拟终止条件，则继续设定调试转换规则，进行迭代循环；否则，模拟结束，得到农村居民点用地空间的模拟分布结果。

进一步的，所述初始模拟数据包括：农村居民点用地及其他用地分布数据、相关驱动因素数据。

进一步的，所述目标导向包括：用途或功能导向。

进一步的，所述模拟终止时刻的农村居民点用地总量限制是根据第一公式计算得到的，所述第一公式为：

ΔL_a＝L_a，t+1-L_a，t

其中，ΔL_a为农村居民点内部用地类型L从模拟基年到模拟目标年面积变化；L_a，t为基期土地利用类型L面积；L_a，t+1为目标期土地利用类型L面积。

进一步的，所述内部各地类之间及其与外部其他地类之间的数量转换关系是通过Markov转移矩阵计算得到的。

进一步的，所述驱动模型为空间Logistic回归模型。

进一步的，所述空间Logistic回归模型中，某个栅格出现某一土地利用类型的概率为：

其中，P_i表示每个栅格可能出现某一土地利用类型的概率；β₀是常数项，β₁,β_2，…，β_n是回归系数，确定驱动因子之间定量关系和作用的大小；X₁，X₂，…，X_n表示驱动因子。

进一步的，所述模拟终止时刻的农村居民点用地变化是基于元胞自动机模拟方法模拟的。

进一步的，所述模拟终止条件包括：是否到达模拟时间，农村居民点用地变化预设总量是否完全满足，模拟精度是否符合要求。

第二方面，一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟装置，包括：

数据获取模块，用于获取初始模拟数据，对所述初始模拟数据进行预处理，并确定初始模拟时刻、模拟时段间隔和模拟终止时刻；

分类模块，用于根据目标导向，将农村居民点用地进行分类；

总量分配更新模块，用于模拟终止时刻的农村居民点用地总量限制，基于所述农村居民点用地总量限制，分配内部各地类的面积比例，并确定内部各地类之间及其与外部其他地类之间的数量转换关系，计算数量转移矩阵；

转换规则更新模块，用于构建各地类空间分布与相关驱动因子的驱动模型，并生成各地类的空间分布概率图集，合并更新为基于内部竞争关系的农村居民点空间适宜性图集；

模拟模块，用于根据土地利用变化模拟模型、模拟时段间隔农村居民点内部各地类之间及其与外部其他地类的数量转移矩阵、初始模拟时刻农村居民点内部各地类分布的空间适宜性图集，模拟终止时刻的农村居民点用地变化，获得终止时刻的农村居民点用地空间分布；

判断模块，用于根据预设值，判断是否达到模拟终止条件；若未达到模拟终止条件，则继续设定调试转换规则，进行迭代循环；否则，模拟结束，得到农村居民点用地空间的模拟分布结果。

相比现有技术，本申请至少具有以下有益效果：

本发明按照用途或功能导向，将农村居民点用地细分为不同类型，确定农村居民点内部用地之间及其和外部用地的数量转换关系；基于内部用地之间的竞争关系，构建不同地类空间变化的驱动模型，生成基于内部竞争关系的农村居民点用地转换规则，实现农村居民点空间模拟。本发明通过基于内部用地竞争关系以更新转换规则，突破传统农村居民点模拟模型，能够充分反应农村居民点用地空间的异质性特征，可以为农村居民点内部用地结构优化及精细化管理提供参考。

附图说明

为了更直观地说明现有技术以及本申请，下面给出几个示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。

图1为本申请提供的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法总体流程图；

图2为本申请提供的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法详细流程图；

图3为本申请提供的农村居民点用地模拟需求总量分配及数量转换关系更新流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。

在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。

本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本申请揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本申请表述的范畴。

请参阅图1和图2，本发明的实施例提供一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，通过细化农村居民点用地分类、确定农村居民点用地模拟需求总量并分配内部用地之间及其与外部地类的数量转换关系、考虑内部用地竞争关系生成各地类的空间分布适宜性图集以更新转换规则，进而参与到模拟模型中，实现农村居民点用地空间的模拟。

S1：数据准备；

具体的，初始模拟数据准备包括农村居民点用地及其他用地分布数据、相关驱动因素数据等，应对数据进行预处理，同时确定初始模拟时刻(t)、模拟时段间隔(Δt)及模拟终止时刻(t+1)。

S2：农村居民点用地分类；

农村居民点内部不同的土地利用类型相互混合组成农村居民点用地空间。科学合理的农村居民点用地分类能够反映其内部用地的配比关系及空间组合，服务于规划及管理的需要。在模拟过程中，农村居民点用地分类有助于用地数量转换关系的分配及反映其空间相互作用关系。

按照不同的目标导向，农村居民点用地的分类原则、分类方法及分类体系有所不同。在模拟数据预处理阶段，可以基于用途或功能导向对农村居民点用地进行细分，如按照用途将农村居民点用地划分为商业服务业用地、工业用地、居住用地、公共服务与公共管理用地、空闲地等。

S3：农村居民点用地模拟需求总量分配及数量转换关系更新；

请参阅图3，农村居民点用地模拟的需求总量即模拟终止时刻的农村居民点用地总量限制，主要通过规划目标或使用情景假设的方法获取。在确定农村居民点模拟需求总量的基础上，分配内部各地类的面积比例，进而确定内部各地类之间及其与外部其他地类之间的数量转换关系。

S31：根据基期与规划目标期的农村居民点用地分布数据计算获得，计算模型如下：

ΔL_a＝L_a，t+1-L_a，t

其中，ΔL_a为农村居民点内部用地类型L从模拟基年到模拟目标年面积变化；L_a，t为基期土地利用类型L面积；L_a，t+1为目标期土地利用类型L面积；

农村居民点内部用地之间及其与外部地类的数量转换关系可以用Markov 转移矩阵计算。

Markov模型是用于预测土地利用在数量上变化的随机模型，其表达式为：

S_(t+1)＝P_ijS_(t)

式中，S_(t+1)表示土地利用在t+1未来时刻的状态；S_(t)表示土地利用在当前t时刻的状态；P_ij为土地利用类型状态概率转移矩阵，主要表示的是i类土地利用类型转向j类土地利用类型转变的概率。

S32：通过设置不同的模拟情景，首先确定不同发展情景需求下农村居民点用地面积总量及内部用地类型的面积比例。其次，确定农村居民点内部各地类之间及其与农村居民点外部其他地类的数量转换关系，计算数量转移矩阵。

S4：基于内部竞争关系的转换规则更新；

农村居民点用地转换规则设置是空间模拟模型的核心。基于内部用地类型之间的竞争关系，可以通过构建各地类空间分布与相关驱动因子的驱动模型来实现，如空间Logistic回归模型或其他模型等，进而生成各地类的空间分布概率图集，合并更新为基于内部竞争关系的农村居民点空间适宜性图集，作为转换规则参与模拟。

空间Logistic回归模型是分析和解释土地利用变化简明有效的方法，利用二元Logistic回归模型构建农村居民点内部各地类与各影响因子之间的关系。

在二元Logistic回归模型中，某种土地利用类型作为二值分类的因变量，栅格属性是该种土地利用类型赋值为1，反之赋值为0，各项驱动因子作为自变量。某个栅格出现某一土地利用类型的概率为：

式中，P_i表示每个栅格可能出现某一土地利用类型的概率；β₀是常数项，β₁,β_2，…，β_n是回归系数，确定了驱动因子之间定量关系和作用的大小； X₁，X₂，…，X_n表示驱动因子。

S5：t+1时刻农村居民点空间变化模拟

使用土地利用变化模拟模型，结合Δt时段农村居民点内部各地类之间及其与外部其他地类的数量转移矩阵、t时刻农村居民点内部各地类分布的空间适宜性图集，进行t+1时刻的农村居民点用地变化模拟，获得t+1时刻的农村居民点用地空间分布。

农村居民点用地空间变化模拟可基于元胞自动机机模拟方法进行计算。

元胞自动机由空间、元胞、邻域和转化规则4个要素组成，适用于复杂的地理现象模拟，表达式为：

S(t，t+1)＝f(S(t)，N)

式中，S表示元胞有限、离散的状态集合，t表示不同的时刻，N表示元胞邻域，f表示局部空间元胞状态的转换规则，定义元胞从t时刻到下一时刻 t+1状态的转换。

S6：判断是否达到模拟终止条件；

根据预设值，判断是否达到模拟终止条件。模拟终止条件包括：是否已到模拟时间，农村居民点用地变化预设总量是否已完全满足，模拟精度是否符合要求等。

如未达到模拟终止条件，则继续设定调试转换规则，进行迭代循环；否则，模拟结束。

S7：农村居民点用地空间模拟分布；

基于内部用地竞争关系的农村居民点用地空间的模拟分布结果包括了其内部用地的数量结构特征和空间分布情况，能够反映未来农村居民点用地空间的异质性特征，体现内部用地在数量结构和空间格局上的差异性。

本发明通过基于内部用地竞争关系以更新转换规则，突破传统农村居民点模拟模型，能够充分反应农村居民点用地空间的异质性特征，可以为农村居民点内部用地结构优化及精细化管理提供参考。

本发明基于农村居民点用地空间的异质性特征及内部用地之间挤压、侵占、转移等相互作用对农村居民点用地空间变化的影响，提出基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，通过将数量转换关系细化到农村居民点内部、生成内部各地类的空间分布概率图集以更新农村居民点用地转换规则，从而实现农村居民点空间模拟，克服传统的空间模拟模型将农村居民点用地空间视为一个均质图斑，忽略了农村居民点用地空间异质性这一缺陷。

本发明的实施例提供一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟装置，包括：

数据获取模块，用于获取初始模拟数据，对所述初始模拟数据进行预处理，并确定初始模拟时刻、模拟时段间隔和模拟终止时刻；

分类模块，用于根据目标导向，将农村居民点用地进行分类；

总量分配更新模块，用于模拟终止时刻的农村居民点用地总量限制，基于所述农村居民点用地总量限制，分配内部各地类的面积比例，并确定内部各地类之间及其与外部其他地类之间的数量转换关系，计算数量转移矩阵；

转换规则更新模块，用于构建各地类空间分布与相关驱动因子的驱动模型，并生成各地类的空间分布概率图集，合并更新为基于内部竞争关系的农村居民点空间适宜性图集；

模拟模块，用于根据土地利用变化模拟模型、模拟时段间隔农村居民点内部各地类之间及其与外部其他地类的数量转移矩阵、初始模拟时刻农村居民点内部各地类分布的空间适宜性图集，模拟终止时刻的农村居民点用地变化，获得终止时刻的农村居民点用地空间分布；

判断模块，用于根据预设值，判断是否达到模拟终止条件；若未达到模拟终止条件，则继续设定调试转换规则，进行迭代循环；否则，模拟结束，得到农村居民点用地空间的模拟分布结果。

关于基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟装置的具体限定可以参见上文中对于基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法的限定，在此不再赘述。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。

上文中通过一般性说明及具体实施例对本申请作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本申请的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本申请的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本申请的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，包括：

获取初始模拟数据，对所述初始模拟数据进行预处理，并确定初始模拟时刻、模拟时段间隔和模拟终止时刻；

根据目标导向，将农村居民点用地进行分类；

模拟终止时刻的农村居民点用地总量限制，基于所述农村居民点用地总量限制，分配内部各地类的面积比例，并确定内部各地类之间及其与外部其他地类之间的数量转换关系，计算数量转移矩阵；

构建各地类空间分布与相关驱动因子的驱动模型，并生成各地类的空间分布概率图集，合并更新为基于内部竞争关系的农村居民点空间适宜性图集；

根据土地利用变化模拟模型、模拟时段间隔农村居民点内部各地类之间及其与外部其他地类的数量转移矩阵、初始模拟时刻农村居民点内部各地类分布的空间适宜性图集，模拟终止时刻的农村居民点用地变化，获得终止时刻的农村居民点用地空间分布；

根据预设值，判断是否达到模拟终止条件；

若未达到模拟终止条件，则继续设定调试转换规则，进行迭代循环；否则，模拟结束，得到农村居民点用地空间的模拟分布结果。

2.根据权利要求1所述的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，所述初始模拟数据包括：农村居民点用地及其他用地分布数据、相关驱动因素数据。

3.根据权利要求1所述的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，所述目标导向包括：用途或功能导向。

4.根据权利要求1所述的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，所述模拟终止时刻的农村居民点用地总量限制是根据第一公式计算得到的，所述第一公式为：

ΔL_a＝L_a，t+t-L_a，t

其中，ΔL_a为农村居民点内部用地类型L从模拟基年到模拟目标年面积变化；L_a，t为基期土地利用类型L面积；L_a，t+1为目标期土地利用类型L面积。

5.根据权利要求1所述的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，所述内部各地类之间及其与外部其他地类之间的数量转换关系是通过Markov转移矩阵计算得到的。

6.根据权利要求1所述的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，所述驱动模型为空间Logistic回归模型。

7.根据权利要求6所述的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，所述空间Logistic回归模型中，某个栅格出现某一土地利用类型的概率为：

其中，P_i表示每个栅格可能出现某一土地利用类型的概率；β₀是常数项，β₁,β_2，…，β_n是回归系数，确定驱动因子之间定量关系和作用的大小；X₁，X₂，…，X_n表示驱动因子。

8.根据权利要求1所述的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，所述模拟终止时刻的农村居民点用地变化是基于元胞自动机模拟方法模拟的。

9.根据权利要求1所述的基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟方法，其特征在于，所述模拟终止条件包括：是否到达模拟时间，农村居民点用地变化预设总量是否完全满足，模拟精度是否符合要求。

10.一种基于内部用地竞争关系的农村居民点空间模拟装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取初始模拟数据，对所述初始模拟数据进行预处理，并确定初始模拟时刻、模拟时段间隔和模拟终止时刻；

分类模块，用于根据目标导向，将农村居民点用地进行分类；

总量分配更新模块，用于模拟终止时刻的农村居民点用地总量限制，基于所述农村居民点用地总量限制，分配内部各地类的面积比例，并确定内部各地类之间及其与外部其他地类之间的数量转换关系，计算数量转移矩阵；

转换规则更新模块，用于构建各地类空间分布与相关驱动因子的驱动模型，并生成各地类的空间分布概率图集，合并更新为基于内部竞争关系的农村居民点空间适宜性图集；

模拟模块，用于根据土地利用变化模拟模型、模拟时段间隔农村居民点内部各地类之间及其与外部其他地类的数量转移矩阵、初始模拟时刻农村居民点内部各地类分布的空间适宜性图集，模拟终止时刻的农村居民点用地变化，获得终止时刻的农村居民点用地空间分布；

判断模块，用于根据预设值，判断是否达到模拟终止条件；若未达到模拟终止条件，则继续设定调试转换规则，进行迭代循环；否则，模拟结束，得到农村居民点用地空间的模拟分布结果。

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