[發(fā)明專利]一種基于隨機(jī)森林的元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)展模擬方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410409993.8
• 申請(qǐng)日: 2014-08-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104156537A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 柳林;陳凱;劉凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

1.一種基于隨機(jī)森林的元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)展模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)首先獲取研究區(qū)起始年份和終止年份的遙感影像，通過(guò)遙感影像預(yù)處理、解譯得到該研究區(qū)起始年份和終止年份的土地利用分類圖；使用ArcGIS軟件得到影響城市擴(kuò)展的各空間變量；

(2)采用隨機(jī)分層抽樣方法，從土地利用分類圖中抽取n個(gè)樣本點(diǎn)，讀取這些樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的城市發(fā)展值和空間變量值，得到元胞自動(dòng)機(jī)模型的原始訓(xùn)練集X；

(3)使用原始訓(xùn)練集X對(duì)隨機(jī)森林模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到生成好的隨機(jī)森林，并且進(jìn)行模型袋外誤差估計(jì)和變量重要性度量；

(4)利用生成好的隨機(jī)森林，預(yù)測(cè)每個(gè)元胞在空間變量作用下的發(fā)展適宜性，在此基礎(chǔ)上計(jì)算在鄰域元胞、隨機(jī)變量、約束條件共同影響下初始狀態(tài)非城市元胞的城市發(fā)展概率；

(5)將得到的城市發(fā)展概率與閥值比較，決定是否轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫兀?/p>

(6)采用步驟(4)、(5)多次迭代，直到非城市用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫剡_(dá)到指定的數(shù)量為止，得到指定年份的城市擴(kuò)展模擬預(yù)測(cè)圖，輸出并保存模擬預(yù)測(cè)圖。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)森林的元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)展模擬方法，其特征在于，所述步驟(3)中的隨機(jī)森林模型構(gòu)建方法為：

(31)應(yīng)用Bootstrap方法從原始訓(xùn)練集X中有放回地隨機(jī)抽取ntree個(gè)自助樣本集{X_i}；

(32)對(duì)每個(gè)自助樣本集X_i構(gòu)建一顆不剪枝的決策樹，在對(duì)決策樹內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分裂過(guò)程中，是從M個(gè)原始空間變量中隨機(jī)抽出mtry個(gè)預(yù)測(cè)空間變量作為該分裂節(jié)點(diǎn)的候選空間變量，M表示自助樣本集X_i的不剪枝決策樹的原始變量，mtry＜＜M；

(33)重復(fù)步驟(31)、(32)，直到生成ntree棵決策樹；

(34)對(duì)未知類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，其預(yù)測(cè)結(jié)果的類別標(biāo)簽由ntree棵樹的多數(shù)投票決定。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于隨機(jī)森林的元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)展模擬方法，其特征在于，所述步驟(3)中的隨機(jī)森林模型袋外誤差估計(jì)，是利用原始訓(xùn)練集X中未被抽取進(jìn)自助樣本集X_i中的數(shù)據(jù)作為袋外數(shù)據(jù)，估計(jì)隨機(jī)森林元胞自動(dòng)機(jī)模型的誤差；

通過(guò)比較參數(shù)ntree、mtry在不同取值時(shí)的袋外誤差大小，在CPU性能允許的情況下，選擇精度最高時(shí)參數(shù)的取值，確定模型的參數(shù)ntree、mtry。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機(jī)森林的元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)展模擬方法，其特征在于，所述步驟(3)中的變量重要性度量是利用平均精度減少方法，把一個(gè)空間變量的取值變?yōu)殡S機(jī)數(shù)，通過(guò)袋外數(shù)據(jù)衡量隨機(jī)森林預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的降低程度，來(lái)度量該空間變量的重要性。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于隨機(jī)森林的元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)展模擬方法，其特征在于，所述步驟(4)中的發(fā)展適宜性用來(lái)衡量各空間變量影響下的元胞轉(zhuǎn)換為城市用地的適宜性，在隨機(jī)森林模型中，一個(gè)元胞的開(kāi)發(fā)適宜性是隨機(jī)森林中所有決策樹有關(guān)該元胞發(fā)展為城市用地的平均預(yù)測(cè)概率P_ij：

P_ij＝N_ij/ntree???(1)

式中，P_ij是ij位置元胞的轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫氐拈_(kāi)發(fā)適宜性，N_ij為在所有決策樹中，將該元胞判別為發(fā)展成城市用地的決策樹的數(shù)量，ntree為隨機(jī)森林中決策樹的總個(gè)數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于隨機(jī)森林的元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)展模擬方法，其特征在于，所述步驟(3)、(4)中得到ntree個(gè)自助樣本集后，在使用隨機(jī)森林模型進(jìn)行訓(xùn)練、預(yù)測(cè)時(shí)，能夠分發(fā)給多核CPU并行獨(dú)立地運(yùn)行。