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自然资源遥感  2022, Vol. 34 Issue (4): 122-128    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021375
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基于LSTM-CA模型的土地利用动态模拟
刘春霖(), 夏建新()
中央民族大学生命与环境科学学院,北京 100081
Dynamic simulation of land use based on the LSTM-CA model
LIU Chunlin(), XIA Jianxin()
College of Life and Environmental Science, Minzu University of China, Beijing 100081, China
全文: PDF(3510 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

及时准确获取土地利用空间格局演变规律,能够有效为城市生态环境保护和科学管理提供依据。文章利用卷积神经网络提取多个时期土地利用空间特征,结合多种空间驱动因子建立长短时记忆网络(long short term memory network,LSTM)的元胞自动机(cellular automata,CA)模型(LSTM-CA)。以张家口市中心城区1995年、2000年、2005年、2010年及2015年5期时序土地利用分类、地形及城市交通等数据为基础,开展2020年城市土地利用模拟方法研究。通过与多层感知机(multi-layer perceptron,MLP)的CA模型(MLP-CA)进行精度对比分析,结果表明所提方法Kappa系数达到0.90,FoM指标为0.39,各项指标均优于MLP-CA模型, LSTM-CA更能充分挖掘历史土地利用变化之间的内在关系,可以有效提升模拟精度。

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刘春霖
夏建新
关键词 土地利用长短时记忆网络元胞自动机变化模拟    
Abstract

Timely and accurate acquisition of the spatial pattern evolution of land use can effectively support urban ecological environment protection and scientific management. In this study, the spatial characteristics of land use in multiple periods were extracted using a convolutional neural network. Then, they were combined with multiple spatial driving factors to build the long short-term memory network - cellular automata (LSTM-CA) model. Based on the data of land use classification, terrain, and urban traffic of the Zhangjiakou central urban area in 1995, 2000, 2005, 2010, and 2015, this study investigated the simulation methods for urban land use in 2020. By comparison with the precision of the multi-layer perceptron - cellular automata (MLP-CA) model, the proposed method has a Kappa coefficient of over 0.90 and FoM of 0.39. All indices are better than those of the MLP-CA model. Therefore, the LSTM-CA model can fully explore the internal relationships between the changes in historical land use and effectively improve the simulation precision.

Key wordsland use    long short-term memory    cellular automata    change simulation
收稿日期: 2021-11-05      出版日期: 2022-12-27
ZTFLH:  TP79  
通讯作者: 夏建新(1963-),男,博士生导师,主要从事环境水力学和环境地学研究。Email: jxxia@vip.sina.com
作者简介: 刘春霖(1989-),男,博士研究生,主要从事遥感在生态环境保护方面的研究和应用。Email: 344018735@qq.com
引用本文:   
刘春霖, 夏建新. 基于LSTM-CA模型的土地利用动态模拟[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 122-128.
LIU Chunlin, XIA Jianxin. Dynamic simulation of land use based on the LSTM-CA model. Remote Sensing for Natural Resources, 2022, 34(4): 122-128.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021375      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2022/V34/I4/122
Fig.1  研究区概况图
(Landsat8 B7(R),B5(G),B2(B)合成遥感影像)
Fig.2  地形、距离变量空间分布
Fig.3  LSTM-CA流程
Fig.4  LSTM结构图
土地利用类型 转换后状态
耕地 林地 草地 水体 建设用地



耕地 0 0.9 0.1 0.8 0.1
林地 0.7 0 0.3 0.99 0.99
草地 0.5 0.8 0 0.4 0.3
水体 0.9 0.9 0.9 0 0.99
建设用地 1 1 1 1 0
Tab.1  土地利用各类型转换成本
模型 研究区 区域1 区域2 区域3
卷积神经网络
MLP-CA
LSTM-CA
Tab.2  2020年土地利用模拟结果
土地类型 实际 预测数 正确数
LSTM-
CA
MLP-
CA
LSTM-
CA
MLP-
CA
建设用地 249 164 252 755 222 755 234 300 199 308
耕地 906 926 944 094 983 073 883 148 873 090
草地 282 350 189 875 198 246 188 079 190 462
林地 812 165 865 210 841 694 794 167 774 944
水体 27 745 26 416 32 582 20 483 19 787
Tab.3  Comparison between actual grid and simulated grid of land use in 2020 (个)
模型 Kappa FoM A B C D
MLP-CA 0.87 0.22 83 993 57 672 14 139 105 574
LSTM-CA 0.90 0.39 46 747 101 779 7 278 104 148
Tab.4  土地利用模拟结果精度评价
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