耦合混合像元分解和混合元胞模拟的土地覆盖变化推演

作     者：曹玮 肖瑶 梁迅 关庆锋 CAO Wei;XIAO Yao;LIANG Xun;GUAN Qingfeng

作者机构：中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院武汉430078 北京辰安科技股份有限公司北京100094 中国地质大学(武汉)国家地理信息系统工程技术研究中心武汉430078 

出 版 物：《地球信息科学学报》 (Journal of Geo-information Science)

年 卷 期：2024年第26卷第7期

页      面：1611-1628页

核心收录：

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 081602[工学-摄影测量与遥感] 0816[工学-测绘科学与技术] 

基　　金：可持续发展大数据国际研究中心(CBAS2022GSP05) 国家自然科学基金项目(42271437、42171466) 湖北省自然资源厅科研计划项目(ZRZY2022KJ12) 

主　　题：土地利用变化 土地覆盖 地理模拟 混合元胞 元胞自动机 混合像元分解 

摘      要：元胞自动机(CA)是土地利用/土地覆盖变化模拟的重要工具。以往基于纯质元胞的CA模型忽略了元胞内部的混合土地覆盖结构,难以模拟现实中混合土地系统在快速城市化进程的连续演化。而混合元胞CA模型(MCCA)虽能较好地处理这一问题,却因难以获取精细尺度的混合结构数据而不易于推广。为了解决这个问题,本研究提出了耦合混合像元分解方法和MCCA模型的模拟分析框架,利用混合像元分解算法从Landsat影像中直接获取MCCA模型所需的亚元胞尺度混合结构数据;并利用SHAP方法挖掘亚元胞尺度土地覆盖变化的驱动力。本文以武汉市为研究区开展了实验,研究结果表明:①耦合模型在混合土地结构的空间格局表征以及未来变化模拟方面具有较高的准确性(解混精度高于0.8,mcFoM指数达到0.38);②本文的耦合模型能够在有效模拟精细尺度的土地覆盖动态变化及其比例关系的同时,发现区域土地覆盖变化的相关规律。例如:未来的土地覆盖结构变化主要集中在建成区附近,土地混合度将经历先增后减的过程,靠近公司企业、市政府和高人口、高GDP是不透水面扩张的重要驱动因素,在离高铁站相对较远的地方,不透水面比近处增长更加明显;③本文模型模拟的未来土地覆盖变化趋势与武汉市的未来规划布局相符,多情景间的对比体现了MCCA模型在精确捕捉像元间土地覆盖比例细微差异方面的能力。本研究通过耦合遥感领域的混合像元分解方法和GIS领域的混合元胞CA模型,解决了混合土地覆盖模拟缺乏精细尺度数据源的问题,实现了在亚像元尺度下的未来混合土地覆盖结构变化模拟,可为城市管理和规划决策提供新的方法与工具。