اتوماسیون سلولی

امروزه گسترش فیزیکی روزافزون و بدون برنامه ریزی شهرها، باعث کاهش کیفیت زندگی جوامع شهری و غیرشهری شده است. درک فرایند رشد شهری در برنامه ریزی و مدیریت شهری به منظور رسیدن به شهری پایدار بسیار مهم است. از طرف دیگر مدلسازی الگوهای فضایی شهری می تواند دید مناسبی در مورد اینکه چگونه شهرها تحت شرایط مختلف اجتماعی و اقتصادی و محیطی توسعه می یابند، ایجاد کند. تاکنون تلاش های زیادی در زمینه مدلسازی توسعه شهری با استفاده از اتوماسیون سلولی صورت پذیرفته است اما برای ایجاد یک مدل قابل اطمینان و معتبر هنوز برخی مسائل بصورت حل نشده باقی مانده است. پیچیدگی در فرآیند توسعه شهری، تعداد متغیرهای زیاد و وجود قوانین مختلف باعث گردیده تا کالیبراسیون مدل اتوماسیون سلولی، یکی از مسائل چالش برانگیز در شبیه سازی گسترش شهری باشد. در این تحقیق تلاش بر این بوده که با تلفیق اتوماسیون سلولی و الگوریتم ژنتیک مدلی مناسب جهت مدلسازی فرایند رشد شهری ایجاد شده و کاربردی عملی از آن در پیش بینی فرایند توسعه شهری شیراز بین سال های 1990 و2000 نشان داده شود. پارامتر های موثر در این فرایند تعداد همسایگی شهری، شیب زمین، فاصله تا راه های اصلی و مناطق غیر قابل توسعه می باشند که به هر کدام سهمی از ژن های کروموزوم اختصاص داده شده و نتایج بهینه از آن ها استخراج گشته و در نهایت از دقت کلی و شاخص کاپا برای ارزیابی مدل استفاده شده است. بدین ترتیب دقت کلی بدست آمده برابر با 91837/0 است که نشان دهنده ی این است که 837/91 درصد سلول ها درست شبیه سازی شده اند و مقدار شاخص کاپای نهایی 68406/0 بوده که نشان دهنده ی این است که نتایج شبیه سازی 406/68 درصد بهتر از زمانی است که شبیه سازی بطور تصادفی صورت پذیرد.

شهرها مانند موجودات زنده از لحاظ کالبد بزرگتر و از لحاظ ساخت پیچیده تر می شوند و به دنبال این رشد فیزیکی، توسعه اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی آنها نیز بتدریج دگرگون می شود. همواره فضای کالبدی شهرها تحت تأثیر مکانیزم ها وعواملی قرار دارد که در طی زمان با پیشرفت ها و تحولات اقتصادی، اجتماعی، فرهنگی، سیاسی، زیست محیطی و ... متحول می شوند و در ضمن این تأثیرات، تغییرات جدیدی نیز برچهره و منظر کالبدی شهر تحمیل می کنند. در این میان جلوگیری از رشد بی رویه و نامتوازن شهرها به دلیل ارزش بالای زمین از اهمیت بسزایی برخوردار است و به همین دلیل جایگاه مدلسازی و پیش بینی تغییرات کاربری اراضی برای مدیریت شهری، بیش از پیش اهمیت پیدا کرده است. مدل اتوماسیون سلولی به سبب ساختاری ساده و پویا و نیز برخورداری از ویژگی های قدرتمند مکانی، به طور گسترده در شبیه سازی تغییرات مکانی- زمانی از جمله گسترش شهرها مورد استفاده قرار گرفته است. در مقاله حاضر از اتوماسیون سلولی برای محاسبه فاکتور اثر همسایگی در مدلسازی توسعه شهری استفاده شده و با در نظر گرفتن محدودیت های موجود در الگوهای رایج سلولی، به ارائه مدل اتوماسیون ترکیبی به صورت آمیزه ای از ساختار محاسباتی سلولی و روش تصمیم گیری چند معیاره Majority OWAپرداخته شده است. روش اتوماسیون سلولی برای ترکیب نقشه های تناسب کاربری و محاسبه تناسب کلی از روش میانگین گیری استفاده می کند که در بیشتر کاربردها روش مناسبی نیست؛ اما روش Majority OWA برای ترکیب معیارهای مختلف ارزیابی یک گزینه نظر اکثریت را درنظر می گیرد؛ بنابراین، تلفیق دو روش ذکر شده می تواند یکی از ضعف های مهم روش اتوماسیون سلولی را پوشش دهد. در این مقاله ابتدا با به کارگیری داده های مورد نیاز، مدل پیشنهادی برای شبیه سازی گسترش شهر شیراز بین سال های 1383 تا 1388 هجری خورشیدی، پیاده سازی شده و سپس نتایج به دست آمده مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقایسه نتایج مدلسازی این تحقیق برای سال 1388 با داده های به دست آمده از تصاویر ماهواره ای در این سال نشان می دهد، استفاده از روش Majority OWA می تواند با دقت 60% فرایند توسعه شهری را مدلسازی نماید که در مقایسه با دقت حدود 53% روش CAنتایج بهتری حاصل می شود. نتایج تحقیق، گامی به سمت جلو است؛ زیرا مدل پیشنهادی با افزایش قابلیت اتوماسیون سلولی در مدلسازی پروسه های پیچیده مکانی به دقت مطلوبتری نیز دست پیدا کرده است. نتایج حاصل از این مدلسازی می تواند به عنوان ابزاری مناسب جهت اخذ تصمیم های بهینه در اختیار برنامه ریزان شهری قرار گیرد.

رشد سریع و نامتوازن جمعیت بخصوص در کشورهای در حال توسعه، مشکلات فراوانی را در زمینه های زیست محیطی، اقتصادی و اجتماعی ایجاد کرده است. این مسئله اهمیت مدل سازی تغییرات کاربری اراضی را برای مدیریت بهتر شهرها بیش از پیش مطرح می نماید. مدل اتوماسیون سلولی به طور گسترده در مدل سازی تغییرات مکانی-زمانی گسترش شهرها مورد استفاده قرار گرفته است. مقاله حاضر به ارائه مدل اتوماسیون ترکیبی با منطق فازی پرداخته است. در روش های متداول اتوماسیون سلولی یا همان CA، حالت، وضعیت و قوانین انتقال به صورت قطعی تعریف می شوند در حالی که بیان قطعی این اجزا، نیازمند داده های بسیار زیاد است. حال این که دسترسی به داده های دقیق، به دلیل گستردگی و حجم بالای معیارهای مؤثر در مدل سازی فرآیند توسعه شهری، کار ساده ای نیست. از این رو نظریه فازی به دلیل پشتیبانی از عدم قطعیت و قابلیت توصیف واژگان طبیعی می تواند در بیان اجزای CA استفاده گردد. مدل پیشنهادی به منظور مدل سازی گسترش شهر شیراز بین سال های 1383 تا 1388 استفاده شده و سپس نتایج مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقایسه نتایج این تحقیق با تصاویر ماهواره ای، حاکی از دقت 80 درصدی برای روش پیشنهادی می باشد، این در حالی است که برای روش اتوماسیون سلولی معمول دقت 75 درصد گزارش شده است. نتایج تحقیق، گامی به سمت جلو می باشد، زیرا مدل پیشنهادی با افزایش قابلیت اتوماسیون سلولی در مدل سازی پروسه های پیچیده مکانی به دقت مطلوب تری نیز دست پیدا کرده است. نتایج حاصل از این مدل سازی می تواند به عنوان ابزاری مناسب جهت اخذ تصمیم های بهینه در اختیار برنامه ریزان شهری قرار گیرد.

توسعه کالبدی و رشد جمعیت شهرهای ایران در چند دهه اخیر دگرگونی هایی را پذیرفتند که سبب بروز عدم تعادل و ناهماهنگی در گسترش کالبدی شهرها و تغییرات پیش بینی نشده در توسعه فضایی شهرها شده است. در این پژوهش از تلفیق دو مدل اتوماسیون سلولی برای شبیه سازی تغییر کاربری در شهر همدان در سال ۲۰۴۰ میلادی و مدل رگرسیون بردار پشتیبان برای پایه ریزی قوانین انتقال غیرخطی برای شبیه سازی اتوماسیون سلولی و از منطق فازی برای تعریف قوانین انتقال خطی و غیرخطی استفاده شده است. به منظور آزمون مدل شبیه سازی، تغییرات کاربری شهر همدان بررسی و پس از استخراج اطلاعات از پایگاه اطلاعات جغرافیایی و تصاویر ماهواره ای، وضعیت سلول ها در دوره های زمانی مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل از آزمون مدل نشان می دهد مدل تلفیقی مورد نظر قادر است با رفع پیچیدگی های اطلاعاتی و ابهامات ناشی از تحولات کالبدی شهر، مدلی مناسب برای تحلیل تحولات توسعه ای در گذشته و پیش بینی جهات و میزان تغییرات کاربری فراهم آورد. در شهر همدان مساحت اراضی ساخته شده در شهر تا سال ۲۰۴۰ افزایش یافته و احتمالاً مساحت این پهنه به حدود ۶۳۵۰ هکتار برسد و رفته رفته مساحت اراضی باغستان نیز کمتر شود.

این تحقیق به منظور مدل سازی گسترش آتش سوزی با استفاده از مدل Alexandridis و روش اتوماسیون سلولی در بخشی از جنگل های بخش سه نکا-ظالمرود انجام شد. پارامترهای تأثیرگذار بر گسترش آتش-سوزی با توجه به مدل مذکور شامل ارتفاع، شیب، سرعت و جهت باد، نوع و تراکم پوشش گیاهی بودند. به منظور مدل سازی گسترش آتش سوزی و ارزیابی صحت آن، اطلاعات مورد نیاز آتش سوزی واقعی از قبیل نقطه شروع آتش، وسعت حریق، سرعت و جهت باد در زمان آتش سوزی تهیه شدند. همچنین کلیه پارامترهای تأثیرگذار برای محدوده آتش سوزی واقعی، در محیط GIS آماده سازی و کدبندی شدند. در نهایت مدل گسترش آتش سوزی با استفاده از روش همسایگی هشت تایی Moore، برنامه نویسی مدل Alexandridis در محیط MATLAB و فراخوانی لایه های رقومی کلیه پارامترهای تأثیرگذار، برای محدوده آتش سوزی واقعی پیاده سازی شد. برای پیش بینی گسترش آتش سوزی جنگل بر اساس اتوماسیون سلولی، چندین حالت سلولی و قانون انتقال آتش سوزی در نظر گرفته شد. با انتخاب نقطه شروع آتش سوزی، نمایشی پویا از گسترش جبهه آتش سوزی ارائه و در پایان تعداد سلول های سوخته و سالم مشخص شد. به منظور ارزیابی کیفی صحت مدل مورداستفاده، نتایج خروجی جهت گسترش آتش و نحوه پیش روی جبهه گسترش با محدوده آتش سوزی واقعی مورد مقایسه قرار گرفت. به منظور ارزیابی کمی صحت مدل مورداستفاده از دقت کلی و شاخص کاپا استفاده گردید. دقت کلی و شاخص کاپای بدست آمده به ترتیب برابر 88/0 و 74/0 بوده که بیان گر دقت پیش بینی مدل گسترش آتش سوزی و مطلوبیت روش اتوماسیون سلولی در مدل سازی گسترش آتش سوزی در تحقیق حاضر می باشد.

توسعه شهرنشینی و مهاجرت های بی رویه جمعیت روستایی به مناطق شهری از پدیده های قابل توجهی است که موجب تخریب اراضی کشاورزی، مناظر طبیعی و فضاهای باز عمومی گردیده است. پژوهش حاضر رشد شهر همدان را از سال 1375 تا 1398 ارزیابی و سپس تا سال 1420 شبیه سازی می نماید. روش تحقیق توصیفی- تحلیلی بوده و از مدل اتوماسیون سلولی جهت شبیه سازی توسعه کالبدی، از رگرسیون لجستیک برای تحلیل تاثیر متغیرهای مختلف در رشد کالبدی و از زنجیره مارکوف جهت تحلیل تغییرات کاربری بهره گرفته شده است. صحت سنجی تصاویر ماهواره لندست نیز با توجه به میزان کاپا و میزان دقت کلی قابل قبول ارزیابی شده است. نتایج پژوهش نشان می دهد متغیر مرکزیت شهر و اراضی کشاورزی به ترتیب با میزان ROC، 873/0 و 881/0 دارای بیشترین تاثیر در رشد شهری همدان طی 23 سال اخیر داشته است. مساحت مناطق ساخته شده (شهری) در سال 1375 در مقایسه با 1390 بیش از دو برابر شده است و در مقایسه با سال 1398 تقریبا 5/2 برابر شده است. از طرف دیگر رشد جمعیت در طول این 23 سال 48/1 برابر شده است. این مساله نشان می دهد نسبت رشد مناطق ساخته شده(شهری) از نسبت رشد جمعیت در شهر همدان به شدت پیشی گرفته است. نتایج حاصل از ارزیابی مدل نشان گر این است که مدل تلفیقی موردنظر قادر است درک دقیقی از فرآیندها و تحولات شهری از قبیل ارزیابی توسعه های گذشته و پیشبینی جهات و میزان توسعه کالبدی آتی فراهم آورد.