專利名稱：基于遙感與gis的地理模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種地理模擬系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于遙感與GIS的地理模擬 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自Wolfram提出利用元胞自動機(Cellular Automata, CA)認識系統(tǒng)的復(fù)雜性以 來，CA在自然科學(xué)和社會科學(xué)諸多領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。在城市地理領(lǐng)域，元胞自 動機被用來模擬城市形態(tài)演化和土地利用變化，預(yù)測不同規(guī)劃限制條件下城市的未來可能 情景。目前，元胞自動機模擬已成為認識和理解城市復(fù)雜空間格局和演化過程的有效手段。在地理CA模擬中，城市形態(tài)從前一狀態(tài)演化到下一狀態(tài)，所依據(jù)的是反映城市生 長機理的轉(zhuǎn)換規(guī)則。因此，轉(zhuǎn)換規(guī)則的定義就成為了地理CA城市模擬的核心。國內(nèi)外研 究中，多種方法被用來分析空間變量，從而獲取地理CA的規(guī)則，這些方法主要包括(1)空 間統(tǒng)計方法，如最小二乘方法和logistic回歸方法等；(2)人工智能和機器學(xué)習(xí)，如模糊邏 輯、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫智能、及支持向量機等；(3)系統(tǒng)動力學(xué)方法，等。但是，影響 城市發(fā)展和土地利用變化的空間變量之間往往存在嚴重的相關(guān)性，傳統(tǒng)的空間統(tǒng)計方法無 法消除變量多重共線帶來的不利影響，且不能夠很好地刻畫城市的非線性動力學(xué)過程，因 此模擬結(jié)果較難反映城市的真實形態(tài)；而研究認為，一些智能化建模方法卻可以得到較好 的模擬結(jié)果，但是其參數(shù)物理意義并不明確。因此，我們需要探索一種既能消除空間變量的 相關(guān)性、反映城市發(fā)展的非線性過程，同時其參數(shù)又具有明確物理意義的轉(zhuǎn)換規(guī)則。方法內(nèi)容本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠以較 合理的計算代價，得到較為合理的轉(zhuǎn)換規(guī)則和模擬結(jié)果，且其預(yù)測結(jié)果也能夠為城市規(guī)劃 和決策提供有用的參考的基于遙感與GIS的地理模擬系統(tǒng)。本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種基于遙感與GIS的地理模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括輸入端、核主成分分析空 間數(shù)據(jù)處理模塊、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)、顯示器、遙感影像處理模塊，所述的輸入端、 核主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)、顯示器依次連接，所述的遙 感影像處理模塊分別與輸入端、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)連接。所述的核主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、處理器，所述的數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換模塊與處理器連接，所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊與輸入端連接。所述的地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)包括模擬器、比較模塊、存儲器，所述的模擬 器、比較模塊、存儲器依次連接，所述的模擬器與處理器連接，所述的比較模塊分別與遙感 影像處理模塊、顯示器連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點(1)核主成分分析可以在信息損失最小的前提下，對空間變量進行降維處理，且能 用核方法實現(xiàn)地理CA建模中空間變量的非線性主成分提取。因此，本實用新型能夠更好地反映城市發(fā)展復(fù)雜非線性過程。(2)利用地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)SimUrban，可以方便地提取地理空間變量、 獲取空間樣本數(shù)據(jù)，以及進行其他方面的預(yù)處理；同時該框架可以方便地執(zhí)行多種元胞模 型(如本文的KPCA-CA(基于核主成分分析的地理元胞模型))，并對模擬結(jié)果進行精度評定。(3)從模擬結(jié)果與實際統(tǒng)計的比較來看，本實用新型的結(jié)果也更符合城市演化的 真實情況。該研究表明，利用核主成分分析方法能夠以較合理的計算代價，得到較為合理的 轉(zhuǎn)換規(guī)則和模擬結(jié)果，而其預(yù)測結(jié)果也能夠為城市規(guī)劃和決策提供有用的參考。

圖1為本實用新型的流程圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。實施例如圖1所示，一種基于遙感與GIS的地理模擬系統(tǒng)，包括輸入端1、核主成分分析空 間數(shù)據(jù)處理模塊2、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)3、顯示器4、遙感影像處理模塊5，所述的輸 入端1、核主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊2、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)3、顯示器4依次連 接，所述的遙感影像處理模塊5分別與輸入端1、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)3連接。所述 的核主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊2包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊21、處理器22，所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模 塊21與處理器22連接，所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊21與輸入端1連接。所述的地理元胞自動機 模擬子系統(tǒng)3包括模擬器31、比較模塊32、存儲器33，所述的模擬器31、比較模塊32、存儲 器33依次連接，所述的模擬器31與處理器22連接，所述的比較模塊32分別與遙感影像處 理模塊5、顯示器4連接。以上海市嘉定區(qū)作為KPCA-CA模型的試驗區(qū)。嘉定區(qū)位于上海市西北部，與江蘇 省昆山市毗連，地域上屬遠郊區(qū)，行政轄區(qū)面積為463. 6km2。過去二十年是嘉定區(qū)的快速發(fā) 展時期，土地利用/覆蓋變化不斷變化，城市建成區(qū)持續(xù)擴大。以這樣一個快速城市化區(qū)域 作為KPCA-CA模型的試驗區(qū)，能夠較好地檢驗該模型的有效性。本試驗采用的數(shù)據(jù)主要為 Landsat-5TM 1989年8月6日和2006年4月30日的兩組遙感影像。
參數(shù)0.10.5125101520成分累計 貢獻率累計 貢獻率累計 貢獻率累計 貢獻率累計 貢獻率累計 貢獻率累計 貢獻率累計 貢獻率125.000%29.033%38.905%53.896%62.637%62.720%62.253%62.940%250.000%53.985%62,816%77.252%93.608%97.526%98.212%98.433%375.000%78.073%84.371%92.122%97.956%99.484%99.789%99,888%4100.000%100.000%100.000%100.000%100.000%100.000%100.000%100.000%[0020]表1依據(jù)各種不同核參數(shù)得到的主成分貢獻率對獲取的空間樣本數(shù)據(jù)矩陣實施KPCA (核主成分分析)變換得到K7m。進一步對 K7m進行主成分分析，得到相應(yīng)的線性無關(guān)主成分。不同的核參數(shù)會得到不同的K7m矩陣， 因此最終獲取的主成分也不一樣。表1顯示了不同核參數(shù)下，各個主成分的貢獻率。很明 顯，隨著核參數(shù)增大，第一主成分的貢獻率明顯增大，同時前三個主成分的累計貢獻率也急 劇增大。當核參數(shù)大于10時，這種變化不再明顯。由于核參數(shù)為10時前兩個主成分為0—611&、D
towncenter、^mainroad^ ^plowland^ ^kaleyard
0. 917、-0. 159,0. 954、-0. 872、-0. 882 ；-0. 121,0. 982,0. 689、-0. 487、-0. 444，其累計貢獻 率為97. 526%，其中第1主成分主要表示以市中心和道路為主的信息，第2主成分主要表示 以鎮(zhèn)中心和道路為主的信息。考慮到計算量及獲取的CA參數(shù)的準確性，將這兩個主成分用 來解釋解釋空間變量。核參數(shù)為10時，利用KPCA方法獲取的地理CA規(guī)則如下
權(quán)利要求一種基于遙感與GIS的地理模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括輸入端、核主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)、顯示器、遙感影像處理模塊，所述的輸入端、核主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)、顯示器依次連接，所述的遙感影像處理模塊分別與輸入端、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遙感與GIS的地理模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的核 主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、處理器，所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊與處理器 連接，所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊與輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遙感與GIS的地理模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述的地 理元胞自動機模擬子系統(tǒng)包括模擬器、比較模塊、存儲器，所述的模擬器、比較模塊、存儲器 依次連接，所述的模擬器與處理器連接，所述的比較模塊分別與遙感影像處理模塊、顯示器 連接。
專利摘要本實用新型涉及一種基于遙感與GIS的地理模擬系統(tǒng)，包括輸入端、核主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)、顯示器、遙感影像處理模塊，所述的輸入端、核主成分分析空間數(shù)據(jù)處理模塊、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)、顯示器依次連接，所述的遙感影像處理模塊分別與輸入端、地理元胞自動機模擬子系統(tǒng)連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有能夠以較合理的計算代價，得到較為合理的轉(zhuǎn)換規(guī)則和模擬結(jié)果等優(yōu)點。
文檔編號G06F19/00GK201716727SQ20102015917
公開日2011年1月19日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者馮永玖, 劉妙龍, 童小華 申請人:同濟大學(xué)