空间模拟模型获取未来土地覆盖教程

缘起

我这几天翻自己以前的博客,翻到了这一篇:

当时不求甚解,没有深入的探索,直到我看到了YouTube有一位up主发了空间预测模拟的教程(参考网址中),因此激起了我的兴趣。

简介

空间预测模型具有空间模拟的优势,反映位置变化信息,预测空间格局的分布变化,能够模拟复杂系统的时空演变过程这类模型主要用于确定土地利用/土地覆盖变化的模式和过程,并预测未来变化的位置。

该类模型是在时间、空间和状态上离散的网格动态模型,能够从经验数据推导出土地利用/覆盖变化的过渡规则,可以在复杂和动态的环境中完成一系列任务,并且可以适应和感知环境的变化,这些特征被广泛用于模拟不同活动之间的相互作用。空间预测模型的相关原理可以参考:

技术路线

操作流程

影像预处理

数据准备

进行土地覆盖数据的空间模型预测需准备多年的土地覆盖数据,道路数据和DEM数据。

选取的研究区为四川省资阳市乐至县(怎么又是这?因为乐至县是我老家,哈哈)。

DEM数据为30m分辨率的NASA DEM,道路数据选取的是2020年open street map的道路矢量。土地覆盖数据是2009年、2014年、2019年的武汉大学数据集。

影像因子不仅可以包括交通距离、dem,你也可以添加土壤数据、气象数据等。这里为了展示,不深入研究。

研究目的是通过2009年和2014年的乐至县土地覆盖数据训练空间预测模型,获得2019年的乐至县预测土地覆盖影像,并对结果进行评价。

投影与分辨率处理

栅格数据处理

使用GCS_WGS_1984地理坐标系与WGS_1984_UTM_Zone_48N投影坐标系,对所有数据进行坐标系转换与重新投影:

栅格数据的投影转换使用导出功能中附带的数据框,并将分辨率设置为30m:

矢量数据的处理:

矢量数据的转换使用投影功能

道路数据做完投影之后,需计算交通距离图,即计算在乐至县内的每一个像素点到最近道路的距离。这里需使用欧氏距离计算工具:

需要注意分辨率设置为30m:

并在环境工具中设置空间处理范围为乐至县:

为防止出现bug,需要在环境设置中将并行处理因素设置为0:

点击运行,获得交通距离栅格图:

数据裁剪与像元对齐

使用栅格裁剪工具(数据管理-栅格-栅格处理-裁剪),不要选掩膜提取:

对2009年土地覆盖、2014年土地覆盖影像、dem影像和交通距离影像进行裁剪

为保证各个数据的像元个数相同并实现像元对齐,裁剪时必须勾选上裁剪几何和保持裁剪范围。这时打开所有影像的属性,这时输入数据都为相同行列号和分辨率。

空间模拟

工具介绍

MOLUSCE,Methods Of Land Use Chande Evaluation,是一个用于土地利用变化评估的 QGIS 插件,主要有以下功能:

  • 获取时间段 A(过去)的土地利用类别栅格、时间段 B(现在)的土地利用类别栅格以及解释变量的栅格。
  • 训练一个模型来预测从过去到现在的土地利用变化。
  • 使用派生模型、土地利用现状和当前因素预测未来土地利用变化。

模型训练

安装qgis(需要降级到2系列版本,不要使用3版本),在插件中心安装该插件。

添加土地覆盖数据以及空间影响要素,

点击检查几何。检查几何最主要是对比数据的坐标系、分辨率、像素对齐这三个内容,一定要按照我上面的数据处理预处理步骤,这一步才能通过检查。如果没有问题才能进入下一步预测。

选中check all raster,并计算各个影像因子相关系数,算法的选择可以随意,我这里选的算法是皮尔逊积矩相关系数:

再进入下一步,计算乐至县2009年到2014年的土地变化矩阵,变化影像需要导出:

完成上诉步骤,即可开始训练模型:
请添加图片描述

模型预测

待数据训练完毕后,即可模拟预测影像:

这个模拟过程耗时较长,耐心等待:

精度评价

待预测完毕后,即可使用工具进行精度评价:

操作视频

分为两部分影像预处理与空间模拟,由于我的耳机麦有杂音,我就不做相关语言介绍:

预处理的视频如下:

空间模拟的视频如下:

写在最后

由于我之前没有接触过空间预测模拟这一个领域,难免有不妥之处,欢迎留言讨论。

参考

[1]陆雨婷. 基于遥感时空融合的合肥市土地利用/土地覆盖变化分析与模拟[D].安徽大学,2019.

[2]李婧,范泽孟,岳天祥.中国西南地区土地覆盖情景的时空模拟[J].生态学报,2014,34(12):3266-3275.

[3]Prediction of Land Use/Land Cover Change using QGIS and ArcGIS (2010-2020-2030).https://www.youtube.com/watch?v=07_Z4JraSFc&list=PL-oOgWm8Lw-9Ck1vAmku9m1mZNACrzXz7&index=7&ab_channel=GIS%26RSSolution


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