基于GIS_MATLAB_CA的农业景观格局空间优化模型的建立及应用
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2012-05-17
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基于 GIS2MATLAB2CA的农业景观格局空间优化模型的建立及应用
汪雪格
1
,汤 洁
2
3
,王立军
1
,杜立志
3
(
1. 中国市政工程东北设计研究院 ,吉林长春 130021; 2. 吉林大学环境与资源学院 ,吉林长春
130026; 3. 吉林大学建设工程学院 ,吉林长春 130026
)
摘要 景观格局的空间分布的合理程度直接影响区域土地资源的可持续利用。针对吉林西部农业生态景观格局不合理、生态环境日益
恶化的现状 ,利用元胞自动机模型原理 ,设立了土地利用景观格局适宜性、景观格局优先发展和约束条件等景观格局转换规则 ,并且基
于 GIS空间数据处理和数据空间分析的功能实现了数据的标准化 ,依托 MATLAB平台编程构建了景观格局空间优化模型 ,即 LPSO模
型。利用该模型实现了吉林西部农业景观空间格局的优化 ,为吉林西部农业景观格局空间分布趋于合理 ,实现区域农业可持续发展奠
定了良好的理论基础。
关键词 GIS;元胞自动机;MATLAB;景观格局;空间优化
中图分类号 S127 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611
(
2009
)
14 - 06770 - 04
Establishment and Application of Agriculture Landscape Pattern Spatial Optim ization M odel Based on GIS2MATLAB2CA
WANG Xue2ge et al
(
China NortheastMunicipal Engineering Design and Research Institute, Changchun, Jilin 130021
)
Abstract The reasonable degree of the landscape pattern spatial distribution directly influences the sustainable use of regional land resource.
Based on the unreasonable distribution of agricultural ecological landscape pattern and the increasing deterioration of ecological environment,
the CA model’s principle is used to establish the optim ized rules, such as the landscape suitability rule, the landscape prior rule and restraint
condition, and the standardization of the special data is realized by the competence of GIS spatial data handling and data spatial analysis, it is
relied on theMATLAB platform to establish the landscape pattern spatial optimization model, that isLPSO model. The spatial pattern optim iza2
tion of agriculture landscape has been realized and it makes the western Jilin agricultural landscape spatial distribution tend to reasonable and
establish good foundation to realize regional agricultural sustainable development.
Key words GIS; CA; MATLAB; Landscape pattern; Spatial optimization
作者简介 汪雪格
(
1978 -
)
,女 ,河北新乐人 ,工程师 ,研究方向 :生态
环境系统工程和环境影响评价。
3
通讯作者。
收稿日期 2009202220
景观格局是指大小和形状不一的景观斑块在空间上的
排列 ,它决定着资源和物理环境的分布形式和组合
[1 ]
,是景
观异质性的重要表现 ,同时又是各种生态过程在不同尺度上
作用的结果。景观格局分布的合理程度直接影响土地资源
的持续利用 ,进而影响区域可持续发展。景观格局优化从本
质上说是利用景观生态学原理解决土地合理利用的问题。
随着景观生态学原理日益向 LUCC研究领域渗透 ,景观格局
优化成了土地利用规划的核心内容。传统的景观格局优化
方法直接来自于土地利用格局优化 ,如定性与定量相结合
法
[2 - 4 ]
、线性规划
[5 - 7 ]
、灰色线性规划
[ 8 - 9 ]
、多目标决策优
化
[10 - 12]
、目标规划法
[ 13 - 15]
和系统动力学模型
[16 ]
等等 ,这些
方法虽然各有优点 ,但是缺乏定量的空间处理功能 ,难以刻
画景观要素空间上水平方向的相互作用
[17 ]
。其主要原因
是 ,在景观尺度上的格局和过程的时空动态演变规律尚缺乏
定量描述。然而基于元胞自动机的空间直观模型不关心景
观尺度上定量化的规律 ,而是直接在较低的一个尺度上 ,从
景观组成单元入手 ,模拟它们的状态和局部相互作用 ,即能
在总体上表现景观格局的演变过程
[ 18 ]
。
吉林省西部属于松嫩平原的西南部 ,地处生态环境脆弱
的农牧交错带 ,其北、西分别与黑龙江、内蒙古自治区接壤。
地理坐标东经 123°09′～124°22′,北纬 44°57′～45°46′,东、
南、西三面高 ,北部和中部较低 ,地形似簸箕状。幅员 4. 71 ×
10
4
km
2
。该区处于半干旱、半湿润区的过渡带 ,生态环境十
分脆弱 ,容易受到各种因素的干扰。近年来 ,由于人口的增
长、社会经济的发展 ,从 1989～2004年 15年间
[19 ]
,耕地面积
增加 7. 54万 hm
2
,草地面积减少 27. 32万 hm
2
,林地面积增加
了 10. 07万 hm
2
,但其破碎化程度增加 ,农业景观格局处于不
合理状态 ,致使该区生态环境恶化严重。
笔者在元胞自动机模型的基础上 ,基于 GIS空间数据处
理及空间分析功能 ,依托 MATLAB平台构建景观格局优化模
型 ,进行了吉林西部农业景观格局空间优化研究 ,拟望为吉
林西部制定农业发展决策提供理论依据。
1 研究方法
1. 1 GIS 地理信息系统
(
Geographic Information System,
GIS
)
作为传统学科
(
如地理学、地图学和测量学等
)
与现代科
学技术
(
遥感、计算机科学
)
相结合的产物 ,正在逐步发展成
为一门处理空间数据的综合性学科。由于 GIS具有强大的
图像分析、空间叠加分析、空间统计分析与制图等功能 ,使得
GIS技术的应用大大地提高了人类处理和分析大量有关地
球资源、环境、社会与经济数据的能力 ,而 GIS技术及其应用
则必须以地球科学的理论为基础。地理信息系统
(
GIS
)
已被
广泛地应用于土地利用变化和景观格局研究中 ,是土地利用
和景观格局变化研究必备手段 ,也是土地利用变化综合评价
模型和景观生态模型的技术支撑。
1. 2 MATLAB 数学模拟软件主要是 MATLAB7. 2,MAT2
LAB是美国 MathWorks公司开发的优秀计算软件。自 20世
纪 80年代面世以来 ,以其强大的数值计算能力、优秀的绘图
功能以及与其他软件良好的交互功能在众多的数学计算软
件中独领风骚 ,特别是它源代码的开放性使用户可以 2次开
发。本文利用 MATLAB语言建立景观格局空间优化模型。
1. 3 CA 元胞自动机是时间、空间、状态都离散 ,空间的相
互作用及时间上因果关系皆为局部的网格动力学模型。元
胞自动机模型不同于一般的动力学模型 ,没有明确的方程形
式 ,而是包含了一系列模型构造的规则 ,凡是满足这些规则
的模型都可以算作是元胞自动机模型。因此 ,确切地说 ,是
一类模型的总体、或者说是一个方法框架
[20 ]
。
元胞自动机最基本的组成包括 5个部分:元胞
(
cell
)
、元
责任编辑 夏静 责任校对 卢瑶安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2009, 37
(
14
)
: 6770 - 6773
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