[發(fā)明專利]一種基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710980211.X
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107644143B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王海軍;夏暢;張安琪
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T1/20;G06T17/05
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魏波

1.一種基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：建立城市土地利用矩陣，矩陣要素對應(yīng)每一個元胞，矩陣空間對應(yīng)元胞空間；

步驟2：將元胞空間分割為若干個子空間，并將每個子空間分發(fā)給不同的處理器；

步驟3：集合各中心元胞鄰域內(nèi)相同位置的鄰居元胞，形成各子空間不同方位的鄰域集；

其具體實現(xiàn)包括以下子步驟：

步驟3.1：建立各子空間的土地利用狀態(tài)矩陣，在狀態(tài)矩陣中只存在兩種取值，城市用地取值為1，非城市用地取值為0；

步驟3.2：根據(jù)鄰域形狀和大小，通過將狀態(tài)矩陣空間向各個方位平移相應(yīng)單元形成各子空間不同方位的鄰域集；

步驟3.3：通過裁減多余邊界和增加零邊界來實現(xiàn)不同方位的鄰域集與各子空間在位置和大小上的一致；

步驟4：采用記憶向量的方式實現(xiàn)相鄰兩個處理器間的信息交換，傳遞相鄰子區(qū)域邊界的元胞信息；

其具體實現(xiàn)包括以下子步驟：

步驟4.1：根據(jù)元胞鄰域的對稱性，建立各子區(qū)域左右邊界的記憶向量；

步驟4.2：采用消息模型，將各子區(qū)域的記憶向量發(fā)送給相鄰區(qū)域的邊界元胞，實現(xiàn)相鄰子區(qū)域間的信息傳遞；

步驟5：通過矩陣運算實現(xiàn)不同子空間的鄰域密度計算、轉(zhuǎn)換概率計算和元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變；

其具體實現(xiàn)包括以下子步驟：

步驟5.1：計算元胞空間的不同方位鄰域集之和與鄰域集數(shù)目的比值，得到各子空間的鄰域密度，實現(xiàn)鄰域密度計算的向量化；

步驟5.2：在轉(zhuǎn)換概率計算過程中采用矩陣運算中的Hadamard乘積代替循環(huán)體進行乘法運算，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換概率計算的向量化；

步驟5.3：將轉(zhuǎn)換概率矩陣與轉(zhuǎn)換閾值進行比較，將滿足條件的元胞轉(zhuǎn)為城市用地，實現(xiàn)元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變的向量化；

步驟6：滿足迭代終止條件后，將所有子空間的模擬結(jié)果合并，得到最終的城市擴展模擬結(jié)果。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法，其特征在于：步驟2中采用列分割或行分割將元胞空間均勻地劃分為n個子空間，其中，元胞空間大小為row×col，第i個子空間大小為row(i)×col(i)，i＝1,2,3...n。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法，其特征在于：步驟3.2中不同方位的鄰域集依據(jù)元胞空間分割方式劃分為兩類，列分割劃分左鄰域集和右鄰域集，行分割劃分上鄰域集和下鄰域集。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法，其特征在于：步驟4中第i個子空間右/下邊界元胞的右/下鄰域集，等于第i+1個子空間左/上邊界元胞的記憶向量；第i個子空間左/上邊界元胞的左/上鄰域集，等于第i-1個子空間右/下邊界元胞的記憶向量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法，其特征在于：步驟4.1中元胞鄰域的對稱性是指第j列/行元胞的右/下鄰域集等于第(j+r+1)列/行元胞的左/上鄰域集，同理，第j列/行元胞的左/上鄰域集等于第(j-r-1)列/行元胞的右/下鄰域集；第i個子空間右/下邊界元胞的記憶向量，為第i個子空間中第(col(i)-r-1)列/第(row(i)-r-1)行到第(col(i)-1)列/第(row(i)-1)行元胞的右/下鄰域集；同理，第i個子空間左/上邊界元胞的記憶向量，為第i個子空間中第2列/行到第(r+2)列/行元胞的左/上鄰域集；j＝1,2,3,...,col(i)或j＝1,2,3,...,row(i)；r為鄰域半徑。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法，其特征在于：步驟5.2中在CA轉(zhuǎn)換概率計算過程中，涉及到元胞的自身屬性，且這些屬性不會隨著迭代的進行而發(fā)生變化，作為輸入數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)以矩陣的形式存儲。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法，其特征在于：步驟5.2中在CA轉(zhuǎn)換概率計算過程中，涉及到隨機因素規(guī)則，可視為在元胞空間內(nèi)產(chǎn)生一個在[0,1]間隨機分布的隨機矩陣。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于向量化和并行計算的高性能城市CA模型構(gòu)建方法，其特征在于：步驟6中的迭代終止條件為達到最大迭代次數(shù)，或轉(zhuǎn)換元胞數(shù)目超過實際城市用地元胞變化總數(shù)。