专利名称：：基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法
技术领域：
：本发明涉及一种城市演化模拟模型处理方法，尤其是涉及一种基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法。
背景技术：
：自Wolfram提出利用元胞自动机(CellularAutomata,CA)认识系统的复杂性以来，CA在自然科学和社会科学诸多领域得到了较为广泛的应用。在城市地理领域，元胞自动机被用来模拟城市形态演化和土地利用变化，预测不同规划限制条件下城市的未来可能情景。目前，元胞自动机模拟已成为认识和理解城市复杂空间格局和演化过程的有效手段。在地理CA模拟中，城市形态从前一状态演化到下一状态，所依据的是反映城市生长机理的转换规则。因此，转换规则的定义就成为了地理CA城市模拟的核心。国内外研究中，多种方法被用来分析空间变量，从而获取地理CA的规则，这些方法主要包括(1)空间统计方法，如最小二乘方法和logistic回归方法等；(2)人工智能和机器学习，如模糊逻辑、遗传算法、神经网络、免疫智能、及支持向量机等；(3)系统动力学方法，等。但是，影响城市发展和土地利用变化的空间变量之间往往存在严重的相关性，传统的空间统计方法无法消除变量多重共线带来的不利影响，且不能够很好地刻画城市的非线性动力学过程，因此模拟结果较难反映城市的真实形态；而研究认为，一些智能化建模方法却可以得到较好的模拟结果，但是其参数物理意义并不明确。因此，我们需要探索一种既能消除空间变量的相关性、反映城市发展的非线性过程，同时其参数又具有明确物理意义的转换规则。
发明内容本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够以较合理的计算代价，得到较为合理的转换规则和模拟结果，且其预测结果也能够为城市规划和决策提供有用的参考的基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法，其特征在于，包括以下步骤1)将选择区域的二十年前的遥感影像输出到核主成分分析空间数据处理模块中，该模块对二十年前的遥感影像进行数据处理，建立地理CA的转换规则；2)通过遥感影像处理软件对选择区域的目前遥感影像分类，得到研究区域的城市发展分类图，作为评价模拟结果的基准；3)通过地理元胞自动机模拟框架，对研究区域执行核主成分分析的地理元胞模型(KPCA-CA)的模拟和预测，得到模拟和预测图；4)将步骤3)中的模拟和预测图与步骤2)中的城市发展分类图进行比较，得到模拟结果与模型性能的评价报告；5)输出并保存模拟结果。所述的1)中的数据处理过程如下11)从遥感影像中提取空间距离变量数据，对数据进行标准化；12)选取核函数f(Xij)，并求出核函数作为元素组成的矩阵K，其中，/(χ,)=εΧρ(-(χ"-5)2/2σ2)，式中，f(XiJ)是核函数，^是\(」=1,2,...,m)的期望值，σ是数据系列的标准差；13)利用该核函数进行映射，得到高维特征空间下的新矩阵Κ*，Κ*=Κ-ΑΚ-ΚΑ+ΑΚΑ，其中A是所有元素均为1/m的矩阵，并计算矩阵K7m的特征值μi(i=1，...，m)和特征向量Vi(i=1，···，m)；14)提取主成分，找出1个主成分对应的特征值ydi=1，...，1)和特征向量Vj(i=1，...，1)；15)求取区域变量作用下的元胞在t时刻的转换概率权利要求1.一种基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法，其特征在于，包括以下步骤1)将选择区域的二十年前的遥感影像输出到核主成分分析空间数据处理模块中，该模块对二十年前的遥感影像进行数据处理，建立地理CA的转换规则；2)通过遥感影像处理软件对选择区域的目前遥感影像分类，得到研究区域的城市发展分类图，作为评价模拟结果的基准；3)通过地理元胞自动机模拟框架，对研究区域执行核主成分分析的地理元胞模型(KPCA-CA)的模拟和预测，得到模拟和预测图；4)将步骤3)中的模拟和预测图与步骤2)中的城市发展分类图进行比较，得到模拟结果与模型性能的评价报告；5)输出并保存模拟结果。2.根据权利要求1所述的一种基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法，其特征在于，所述的1)中的数据处理过程如下11)从遥感影像中提取空间距离变量数据，对数据进行标准化；12)选取核函数f(xij)，并求出核函数作为元素组成的矩阵K，其中，/(、)二εΧρ(-(-5)2/2σ2)，式中，f(XiJ)是核函数，=1，2，...，m)的期望值，ο是数据系列的标准差；13)利用该核函数进行映射，得到高维特征空间下的新矩阵矿，K*=K-AK-KA+AKA，其中A是所有元素均为1/m的矩阵，并计算矩阵K7m的特征值μi(i=1，...，m)和特征向量Vi(i=1,···,m)；14)提取主成分，找出1个主成分对应的特征值yji=1，...，1)和特征向量Vj(i=1，···，1)；15)求取区域变量作用下的元胞在t时刻的转换概率ptj一1rIc一mΙ+exp(-)16)考虑到元胞邻居的影响、约束条件限制以及随机因素，土地元胞k在t时刻的发展概率为^conjSk-urban)Ptk=-——χ—-Xcon{cell[二suitable)χ(1+(-Inγ)β)其中，Pkt是元胞k在t时刻的联合发展概率，con(cellkt=suitable)是限制因素，1+(-1ηγ)β是随机因素；17)计算出每个元胞发展的概率之后，将其与预先设定的阈值进行比较，如果元胞的城市发展概率大于或等于该阈值，则该元胞转换为城市用地，否则该元胞不转换为城市用地。3.根据权利要求2所述的一种基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法，其特征在于，所述的步骤11)中的空间距离变量包括到市中心的距离、到镇中心的距离、到主要道路的距离、到菜园的距离、到耕地的距离。4.根据权利要求2所述的一种基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法，其特征在于，所述的步骤11)中的数据进行标准化方法如下=(-巧)/，其中，全文摘要本发明涉及一种基于核主成分分析的城市演化模拟元胞模型处理方法，包括以下步骤1)将选择区域的二十年前的遥感影像输出到核主成分分析空间数据处理模块中，该模块对二十年前的遥感影像进行数据处理，建立地理CA的转换规则；2)通过遥感影像处理软件对选择区域的目前遥感影像分类，得到研究区域的城市发展分类图，作为评价模拟结果的基准；3)通过地理元胞自动机模拟框架，对研究区域执行KPCA-CA模型的模拟和预测，得到模拟和预测图；4)将步骤3)中的模拟和预测图与步骤2)中的城市发展分类图进行比较，得到模拟结果与模型性能的评价报告。与现有技术相比，本发明具有能够以较合理的计算代价，得到较为合理的转换规则和模拟结果等优点。文档编号G06T1/00GK102222313SQ20101014672公开日2011年10月19日申请日期2010年4月14日优先权日2010年4月14日发明者冯永玖,刘妙龙,童小华申请人:同济大学