基于概率不確定推理的土地利用時(shí)空演變建模方法

李文清

摘要：從時(shí)空建模的角度，通過(guò)借鑒人工智能和模糊數(shù)學(xué)領(lǐng)域的概率不確定推理方法，運(yùn)用面向?qū)ο蠛虶IS建模技術(shù)，將土地利用時(shí)空演變過(guò)程中對(duì)象、事件、狀態(tài)、過(guò)程、驅(qū)動(dòng)概率封裝成一個(gè)整體，構(gòu)建基于不確定推理的土地利用時(shí)空演變模型，利用此模型來(lái)分析土地環(huán)境的演變過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)因子的作用。

關(guān)鍵詞：土地利用；不確定推理方法；時(shí)空演變模型；驅(qū)動(dòng)因子

中圖分類號(hào)：K903 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）06-0167-03

Land Use Temporal and Spatial Evolution Modeling Method Based on The Probability of Uncertain Reasoning

LI Wen-qing

（Baise University a. School of Politics and Public Affair Manegement， Baise 533000，China）

Abstract： from the perspective of spatio-temporal modeling， through using probability in the field of artificial intelligence and fuzzy uncertainty reasoning method， using the object-oriented modeling and GIS technology， the use of the land use spatio-temporal evolution of objects， events， condition， process， drive probability encapsulated into a whole， build the land use temporal and spatial evolution model based on uncertainty reasoning and USES this model to analyze the evolution process of land environment and its effect on the driving factors.

Key words： land use； Uncertain reasoning method； Temporal and spatial evolution model； Driving factor

1 引言

土地是城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類與自然進(jìn)行交互的載體。土地問(wèn)題研究的核心是土地利用的時(shí)空變化，土地利用受到人為和自然雙重因素的影響，其變化過(guò)程是極其復(fù)雜的。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過(guò)大量研究，大部分都是通過(guò)建立相關(guān)模型來(lái)進(jìn)行分析，其中最具代表性的是荷蘭學(xué)者P.H. Verburg研究的CLUE-S模型[1-2]，該模型是一種在較小尺度上模擬土地利用變化及其環(huán)境效應(yīng)的模型，通過(guò)定量分析自然、經(jīng)濟(jì)、政策和人口等驅(qū)動(dòng)因子之間的相互關(guān)系，模擬并表達(dá)土地利用的變化，并分析其動(dòng)態(tài)演變規(guī)律 。中國(guó)學(xué)者劉紀(jì)遠(yuǎn)等通過(guò)綜合土地利用程度變化指標(biāo)和土地利用動(dòng)態(tài)度來(lái)對(duì)土地利用的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行研究，并揭示出土地利用變化的空間格局與驅(qū)動(dòng)因子[3-4]。

2 基于概率的不確定推理分析

3 概率不確定推理的土地利用時(shí)空演變分析

土地利用是一個(gè)特別復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，是由很多個(gè)不同的土地利用類型復(fù)合而成，總的來(lái)說(shuō)可以將土地類型劃分為六大類：林地、草地、耕地、水系、城鄉(xiāng)居住建設(shè)用地、未利用土地[6]。而且，不同的土地利用類型之間存在著相互影響的關(guān)系。

3.1 土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化度分析

分析一塊區(qū)域的土地結(jié)構(gòu)的時(shí)空動(dòng)態(tài)度，通?？梢詮木C合的土地利用動(dòng)態(tài)度和單一的土地利用動(dòng)態(tài)度兩個(gè)角度著手：

（1）綜合土地利用動(dòng)態(tài)度：綜合土地利用動(dòng)態(tài)度是指描述該區(qū)域整體土地利用類型變化速度區(qū)域差異的指標(biāo)，可以反映出人為活動(dòng)在對(duì)該區(qū)域整個(gè)土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的綜合影響程度，其數(shù)學(xué)模型表達(dá)為：

（2）單一土地利用動(dòng)態(tài)度：?jiǎn)我煌恋乩脛?dòng)態(tài)度用來(lái)描述該區(qū)域特定時(shí)間內(nèi)不同土地利用類型發(fā)生變化的速度，可以反映出人為與自然的作用對(duì)單一土地利用類型的影響。

為了更詳細(xì)的表達(dá)土地利用動(dòng)態(tài)變化的特征，使用土地利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的形式則顯得更為直觀。以矩陣形式的數(shù)學(xué)表達(dá)來(lái)反映出自然以及人為活動(dòng)對(duì)土地利用變化轉(zhuǎn)移趨向的引導(dǎo)，其數(shù)學(xué)表達(dá)為：

3.3 土地利用時(shí)空演變規(guī)律分析

土地利用在時(shí)空尺度上，受到自然和人為等眾多因子的驅(qū)動(dòng)發(fā)生變化，在這個(gè)變化的同時(shí)，往往會(huì)反作用于這些驅(qū)動(dòng)因素，以達(dá)到一種平衡的狀態(tài)。土地利用類型的這種變化往往有形狀、面積、空間位置和空間關(guān)系的變化，建立的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)也一直在不斷的更新著，因此土地利用的時(shí)空演變過(guò)程可以表示為如圖1所示：

4 基于概率不確定推理的土地利用動(dòng)態(tài)演變模型

4.1 不確定推理土地利用演變過(guò)程概念化描述

土地利用是在受到外在驅(qū)動(dòng)力影響的情況下發(fā)生變化，這個(gè)變化過(guò)程是十分復(fù)雜的，涉及到空間對(duì)象、事件對(duì)象、過(guò)程序列、狀態(tài)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)概率等相關(guān)參數(shù)，可以使用BNF范式對(duì)其進(jìn)行描述如下。

（1）空間對(duì)象（Spatial Object，SO）：一個(gè)土地利用類型可以當(dāng)成一個(gè)空間對(duì)象，其空間（Spatial）、屬性（Attribute）和時(shí)間（Time）特征以及空間關(guān)系（Spatial Relations）可以一起封裝在對(duì)象的模型中，簡(jiǎn)要的描述為< SO >：：=< Spatial >< Attribute >< Time >< Spatial Relations >。

（2）事件對(duì)象（Event Object，EO）：驅(qū)使土地利用類型發(fā)生變化的這一事件可以作為一個(gè)事件對(duì)象，這些事件一般是由自然因素（Natural Factors，NF）和人為因素（Human Factors，HF）驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的，常見(jiàn)的自然因素有土壤（NF1）、水文（NF2）、氣候（NF3）、植被（NF4）、地質(zhì)（NF5）等因素，常見(jiàn)的人為因素有土地政策（HF1）、人口（HF2）、城建（HF3）、經(jīng)濟(jì)（HF4）、社會(huì)（HF5）等因素，簡(jiǎn)要描述為：：=。

（3）過(guò)程序列（Process Sequence，PS）：土地利用類型受外在驅(qū)動(dòng)力的影響發(fā)生變化，這個(gè)變化過(guò)程可以作為一個(gè)過(guò)程序列，整個(gè)過(guò)程序列由若干個(gè)子過(guò)程序列組合而成，簡(jiǎn)要描述為：：=<…>< PSn>。

（4）狀態(tài)參數(shù)（State Parameters，SP）：土地利用類型的變化是從一個(gè)初始狀態(tài)往另一個(gè)最終狀態(tài)變化，期間經(jīng)歷各種狀態(tài)的變化，其變化過(guò)程可描述為：：=<…>。

（5）驅(qū)動(dòng)概率（Drive probability，DP）：驅(qū)動(dòng)概率是指在驅(qū)動(dòng)土地利用發(fā)生變化這個(gè)事件中，各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子所起的作用，通過(guò)概率的形式來(lái)表達(dá)他們的作用程度。驅(qū)動(dòng)概率可以分別描述為自然驅(qū)動(dòng)概率（Natural driven probability，NDP）和人為驅(qū)動(dòng)概率（Human driven probability，HDP），其中自然驅(qū)動(dòng)概率一般可分為土壤驅(qū)動(dòng)概率（NDP1）、水文驅(qū)動(dòng)概率（NDP2）、氣候驅(qū)動(dòng)概率（NDP3）、植被驅(qū)動(dòng)概率（NDP4）、地質(zhì)驅(qū)動(dòng)概率（NDP5）等。人為驅(qū)動(dòng)概率一般可分為土地政策驅(qū)動(dòng)概率（HDP1）、人口驅(qū)動(dòng)概率（HDP2）、城建驅(qū)動(dòng)概率（HDP3）、經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)概率（HDP4）、社會(huì)驅(qū)動(dòng)概率（HDP5）等。

4.2 不確定推理的土地利用動(dòng)態(tài)演變邏輯模型

土地利用的邏輯模型是指在抽象的概念模型基礎(chǔ)上，根據(jù)過(guò)程、事件、狀態(tài)對(duì)象以及驅(qū)動(dòng)概率之間的邏輯關(guān)系構(gòu)建起來(lái)的可以概括現(xiàn)實(shí)世界中土地利用演變規(guī)律的一種時(shí)空數(shù)據(jù)模型[8]。設(shè)土地利用類型變化的驅(qū)動(dòng)因子為E，記土地利用類型為L(zhǎng)，原土地利用類型樣本為L(zhǎng)o，現(xiàn)有土地利用類型樣本為L(zhǎng)n，未來(lái)的土地利用類型為L(zhǎng)f。驅(qū)動(dòng)因子由自然因子（E1）和人為因子（E2）組成，自然因子（E1）又可分為土壤（E11）、水文（E12）、氣候（E13）、植被（E14）、地質(zhì)（E15）等因子，人為因子（E2）又可分為土地政策（E21）、人口（E22）、城建（E23）和經(jīng)濟(jì)（E24）、社會(huì)（E25）等因子。記驅(qū)動(dòng)因子導(dǎo)致土地類型發(fā)生變化的概率為P，自然因子和人為因子的驅(qū)動(dòng)概率分別記為P1和P2，土壤、水文、氣候、植被、地質(zhì)等因子的驅(qū)動(dòng)概率各自為P11、 P12、 P13、 P14、 P15，土地政策、人口、城建、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等因子的驅(qū)動(dòng)概率為P21、 P22、 P23、 P24、 P25。歷史、現(xiàn)在和未來(lái)的土地利用類型數(shù)據(jù)庫(kù)中都包含有林地（S1）、城市用地（S2）、居民用地（S3）、耕地（S4）、河流（S5）、湖泊（S6）六個(gè)土地利用類型數(shù)據(jù)表，每一個(gè)土地利用類型數(shù)據(jù)表中都帶有空間、時(shí)間、屬性和空間拓?fù)潢P(guān)系等信息，這些時(shí)空信息是伴隨著土地利用類型的變化而變化的。進(jìn)而土地結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變規(guī)律邏輯模型可以表達(dá)為如圖2所示。

5 總結(jié)

文章通過(guò)利用人工智能與模糊數(shù)學(xué)領(lǐng)域的不確定推理算法，使用Oracle Spatial對(duì)象—關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)土地利用的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行組織存儲(chǔ)，構(gòu)建基于不確定推理方法的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，據(jù)此來(lái)對(duì)土地利用中的驅(qū)動(dòng)因子和土地類型演變規(guī)律進(jìn)行分析研究，這將對(duì)土地管理部門提供決策可參考的科學(xué)依據(jù)，有助于對(duì)土地利用進(jìn)行合理的規(guī)劃并更加科學(xué)的利用土地資源。

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【通聯(lián)編輯：王力】