元胞自动机在模拟土壤侵蚀时空演化过程中的应用

土壤侵蚀作为一个全球性的环境问题已经越来越受到人们的广泛关注。动态模拟和预测土壤侵蚀的发育及演化过程具有十分重要的意义。元胞自动机（Cellular Automata简称CA）是一种“自下而上”的动态模拟建模框架，具有模拟地理复杂系统时空演化过程的能力。从元胞自动机的概念和原理入手，介绍了CA模型的特征及其在土壤侵蚀学科中的应用情况和存在问题，对CA模型应用于土壤侵蚀过程的模拟、预测的可行性和可操作性进行了探讨。     

基于元胞自动机的土壤侵蚀过程CA模型研究评述

土壤侵蚀作为一个全球性的环境问题已经越来越受到人们的关注,开展土壤侵蚀的动态模拟和预测其发生发展及演化过程研究,对于深入认识土壤侵蚀机理、预测土壤侵蚀发展趋势及优化水土保持措施等具有十分重要的意义。介绍了目前国内外土壤侵蚀预测模型研究和应用以及基于元胞自动机的土壤侵蚀过程CA模型的研究现状,指出了基于CA的土壤侵蚀研究存在的问题和今后有待加强的研究内容。     

不同空间尺度下的土壤侵蚀元胞自动机建模评述

土壤侵蚀系统是一个典型的非线性动力系统,系统内部的侵蚀发育演化过程十分复杂,为了对该过程进行精确的模拟和预测,需要发展有效的技术和方法.元胞自动机( cellular automata,CA)是一种具有时空特征的离散动力学模型,采用“自下而上”的构模方式,对于模拟和分析具有空间特征的土壤侵蚀系统具有先天优势.由于空间尺度变化所引起的土壤侵蚀因子对侵蚀产沙过程的影响不同,CA模型在坡面尺度下主要针对细沟侵蚀和土壤颗粒的变化,在小流域尺度下涉及到更多的元胞状态和更加完整的侵蚀过程,在大区域尺度下重点研究气候和地貌之间的相互作用.不同空间尺度建立的CA模型没有确定的转换规则,模型通用性较低,今后需要在三维可视化、智能化等方面深入研究CA模型在土壤侵蚀领域的应用.     

试论元胞自动机模型与LUCC时空模拟

对土地利用变化过程的模拟和预测,需要地理信息系统(GIS)等相关技术的支撑。但目前GIS不能完整地表达地理实体的时态信息和时空关系,缺乏时空分析和动态模拟的能力。元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)是一种自下而上的动态模拟建模框架,具有模拟地理复杂系统时空演化过程的能力。本文从元胞自动机的原理和特征入手,介绍了CA模型的构造方法,对CA模型应用于土地利用变化过程的动态模拟及预测的可操作性进行了探讨,并分析了其应用现状,存在的问题及前景。     

坡面细沟自组织形成过程的CA模拟

细沟侵蚀作为由面蚀向沟蚀转化的重要环节,是坡面水蚀物理过程的一个重要组成部分,在坡面侵蚀产沙机理研究中具有重要意义.传统侵蚀模型很难精确地动态模拟和再现这一自组织现象的形成过程.元胞自动机是一种"自下而上"的动态模拟建模框架,通过元胞间的相互作用,能够在整体上表现出许多复杂的非线性行为和现象,具有模拟复杂地理系统时空演化过程的能力.运用元胞自动机理论和方法建立了黄土坡面细沟侵蚀时空演化过程模型--CA-Rill,对坡面细沟发育过程进行了动态虚拟实验,生动地模拟了坡面细沟自组织形成过程,并对结果进行了分析.研究突破传统试验方法的束缚,为细沟侵蚀研究提供了新的途径.     

基于元胞自动机的黄土小流域地形演变模拟

黄土高原以沟沿线为基准分为正地形和负地形2种基本的地貌形态,黄土小流域正负地形演变是黄土高原地貌形态发育的缩影。该文采用元胞自动机建模方法,对人工降雨条件下室内黄土小流域正负地形的动态演变过程进行建模与模拟。试验使用近景摄影测量方法监测小流域发育过程,处理获得10mm分辨率的数字高程模型。模拟迭代过程逼真地刻画了黄土负地形区向正地形区不断蚕食的动态演化过程,并能反映出非常重要的黄土陷穴现象的发生。模拟结果在数量上和空间分布上都取得了较好的模拟效果。研究认为元胞自动机建模方法可以用来模拟黄土小流域的正负地形演变,有助于揭示黄土地形演化机制。     

小流域非点源污染负荷流失特征监测研究——以广东省珠海正坑小流域为例

以GIS为技术支持,完成了以元胞自动机(CA)为模型的基于土地利用变化的土壤侵蚀空间演化分析。通过对土地利用规划前和规划后不同利用模式制约下侵蚀发展状况的模拟,预测了不同利用模式中各地块单元土壤侵蚀的发展方向,为评价土地利用合理程度提供了理论依据。     

基于元胞自动机的城市地表积水模拟研究

[目的]对城市地表水文产汇流时空过程进行模拟研究,以期为城市排水防涝应急决策提供依据。[方法]针对城市地表覆盖破碎性和地形复杂性的特征,构建基于元胞自动机(CA)的城市地表积水模型,结合水力水文学原理定义元胞及其规则。[结果]与传统统计经验模型、物理模型相比,该模型避免了汇水区划分、水流路径确定、参数提取等数据预处理问题,以广州市番禺区富华东路段区域作为试验区进行参数率定及模型验证,根据规则更新每个元胞的状态参数可获得任意时刻地表积水量、径流量和水流。[结论]该CA模型可以准确模拟地表水流时空分布及其变化,模拟结果可靠、表达直观;通过雨水口不同排放量模拟和常用数学模型对比分析表明,CA城市地表积水模型在城市内涝模拟中具有良好的实用性及易操作性。     

基于GeoCA和GIS的水土流失空间演化模拟研究

传统的水土流失研究主要是以通用方程(USLE)为基础的一种确定性分析。实际上,水土流失是一个影响因素众多,边界条件复杂的连续不间断的不确定过程。研究了用地理元胞自动机来模拟水土流失的原理、方法和工作流程,并在GIS技术支持下采用标准的Von.Neumann邻居定义,着重探讨元胞状态转化所遵循的规则和水土流失从一种强度到另一种强度这一微观动态变化过程,最终形成GeoCA—SoilErosion系统。最后,以重庆市万洲区为例,用元胞空间与研究区域相一致的地理元胞自动机模型,得出了重庆市万洲区水土流失等级图并分析了水土流失与其背景的空间关系。研究结果表明,万洲区水土流失已经得到有效控制。并运用ArcView软件作为开发平台与之集成,将这一过程可视化表达。     

基于元胞自动机模型的城市绿地系统探讨

将城市绿地规划与元胞自动机相结合建立城市绿地的时空动态模拟模型,正在成为环境复杂性研究的新方法。本文通过建立机理和空间明确的城市模拟模型,科学分析中国城市绿地系统空间格局演变,及其可能的环境影响与控制策略,为国家生态城市发展规划提供科学依据,对城市绿地系统的规划提供有用的决策支持。     

黄土坡面细沟侵蚀发育过程与模拟

以坡面细沟侵蚀过程为研究对象,利用人工模拟降雨试验和三维激光扫描技术,研究了同一坡面三场间歇性降雨下细沟侵蚀发生、发展和演化的图形化过程;同时,采用已有细沟侵蚀过程模型(CARill),结合Net Logo软件,将试验结果与模型模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)扫描三场降雨图形化过程显示:侵蚀阶段呈现出溅蚀—片蚀—跌坑—断续细沟—连续细沟—细沟崩塌过程,沟长发育迅速,沟宽和沟深发育相对缓慢,细沟沟网形成迅速,降雨结束后侵蚀强度达到22.11 kg m-2,较初期降雨侵蚀增加了22.04倍。(2)CA-Rill模型模拟结果显示,在细沟侵蚀演化图形化过程方面,该模型可较完整地模拟细沟形态发育过程,实现细沟侵蚀的发生、发展以及演化过程中细沟形态的可视化模拟;(3)模型模拟三场降雨细沟侵蚀参数t检验结果发现:最长平均沟深、最大沟深、最长沟平均沟宽模拟效果不好;而细沟平面密度、最长沟长、侵蚀强度模拟效果较好。     

基于元胞自动机的黄土坡面细沟侵蚀模型研究

在黄土高原,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的70%左右。细沟侵蚀作为坡面侵蚀的主要形式,是坡面水蚀物理过程的重要组成部分[2]。长期以来,尽管国内外学者针对细沟侵蚀已经进行了大量的研究工作,但人们还未充分理解和掌握细沟侵蚀的形成和演化机理。现有研究大都将动态复     

由降雨事件引起的坡面产流和土壤侵蚀的元胞自动机模拟

A novel quantitative cellular automata (CA) model that simulates and predicts hillslope runoff and soil erosion caused by rainfall events was developed by integrating the local interaction rules and the hillslope surface hydraulic processes. In this CA model, the hillslope surface was subdivided into a series of discrete spatial cells with the same geometric features. At each time step, water and sediment were transported between two adjacent spatial cells. The flow direction was determined by a combination of water surface slope and stochastic assignment. The amounts of interchanged water and sediment were computed using the Chezy-Manning formula and the empirical sediment transport equation. The water and sediment discharged from the open boundary cells were considered as the runoff and the sediment yields over the entire hillslope surface. Two hillslope soil erosion experiments under simulated rainfall events were carried out. Cumulative runoff and sediment yields were measured, respectively. Then, the CA model was applied to simulate the water and soil erosion for these two experiments. Analysis of simulation results indicated that the size of the spatial cell, hydraulic parameters, and the setting of time step and iteration times had a large impact on the model accuracy. The comparison of the simulated and measured data suggested that the CA model was an applicable alternate for simulating the hillslope water flow and soil erosion.     

面向地表过程模拟的降雨径流模型开发与应用

降雨径流是流域地表过程的主要驱动力,是众多地表模型的基础。该文在充分考虑流域气象及下垫面等要素空间异质性的基础上,提出了一个面向地表过程模拟的、基于DEM的分布式次降雨径流模型。模型将流域离散为栅格计算单元,并按水流特性将栅格划分为坡面单元和河网单元;模型考虑了降雨、植被截流和入渗等产流过程,利用运动波分级汇流的方式进行汇流演算。模型在江西躁口水流域进行了检验和应用。结果表明：该模型模拟的流量过程精度较高;模拟的径流深度及径流搬运力的空间分布符合水文规律。模型结构简洁、参数较少,具有较好的实用价值;为土壤侵蚀及非点源污染等以流路为基础的复杂地表过程研究奠定了基础。     

BP神经网络在道路土壤分离速率模拟中的应用

 土壤分离是土壤侵蚀的重要过程,为坡面径流的搬运过程提供了物质基础,因而对土壤分离速率的准确模拟具有重要的理论和实践意义。采用变坡水槽实验,利用在较大的坡度(8.8%～46.6%)及较大的流量范围(1～5L/s)内测得的黄土高原道路土壤分离速率数据,分别使用BP神经网络模型及回归模型对土壤分离速率进行模拟,并对比上述2种模型的模拟效果。结果表明:BP神经网络模型可以利用实验中较容易测定的坡度、流量等数据对土壤分离速率进行较为准确的模拟(模型效率系数0.952);相对传统回归模型,BP神经网络模型对不同类型道路的土壤分离速率的模拟精度均有所提高;BP神经网络模型可以将道路类型、坡度、流量与土壤分离速率的关系统一为一个模型,可为道路土壤分离的模拟提供新的方法。     

利用三维激光扫描技术动态监测沟蚀发育过程的方法研究

在介绍三维激光扫描技术基本原理的基础上,详述了应用三维激光扫描技术实现沟蚀发育过程动态监测的方法和流程,包括扫描测量前期准备、扫描测量、点云预处理、坐标转换、TIN及等高线的生成、侵蚀量的估算等。以沟蚀发育过程的模拟降雨试验为案例,介绍了应用三维激光扫描技术进行沟蚀发育过程动态监测的方法,包括实地数据采集、点云分析处理和建模等,并分析了本案例基于三维激光扫描技术估算侵蚀量的精度,其平均精度达到96.85%。建议在野外应用三维激光扫描技术动态监测沟蚀过程时结合GPS进行辅助测量。     

基于GIS的流域土壤侵蚀量估算指标模型方法——以嘉陵江上游西汉水流域为例

在分析土壤侵蚀形成的各主要影响因子的基础上 ,提出了基于栅格地理信息系统的流域土壤侵蚀量估算的指标模型。结合嘉陵江上游西汉水流域具体情况 ,以降雨、地形、沟谷密度、植被盖度、成土母质等为主要指标 ,对流域土壤侵蚀量进行了估算 ,计算结果与实测数据相符合