دانلود: مدلسازی فضایی زمانی توسعه شهری با استفاده از پردازش تصاویر ماهواره ای و الگوریتم های هوشمند (مطالعه موردی شهر مهاباد)

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                      صفحه

فصل اول: مقدمه

1-1- طرح مسئله و ضرورت تحقيق ……………………………………………………………………………………. 3

1-2-اهداف پژوهش………………………………………………………………………………………………………………… 4

1-2-1-اهداف کلان………………………………………………………………………………………………………….. 4

1-2-2-اهداف خرد…………………………………………………………………………………………………………… 4

1-3-سوالات پژوهش………………………………………………………………………………………………………………. 5

1-4-فرضيه تحقيق و مدل تحقيق………………………………………………………………………………………… 5

1-5-روش شناسی تحقیق……………………………………………………………………………………………………… 5

1-6-روش و ابزار گردآوری اطلاعات……………………………………………………………………………………… 6

1-7-جامعه آماري و تعداد نمونه و روش نمونه گيری (در صورت لزوم)……………………………. 6

1-8-روش تجزيه و تحليل اطلاعات………………………………………………………………………………………. 6

فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق

2-1-مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………….. 9

2-2-مفهوم  رشد و توسعه شهری……………………………………………………………………………………….. 10

2-3-توسعه شهر……………………………………………………………………………………………………………………. 11

2-3-1-اهمیت توسعه شهری…………………………………………………………………………………………. 12

2-4-رشد شهری……………………………………………………………………………………………………………………. 13

2-4-1-رشد شهر و توسعه فیزیکی……………………………………………………………………………….. 13

2-5-مفهوم توسعه کالبدی و اشکال آن………………………………………………………………………………. 14

2-5-1-عوامل موثر در توسعه کالبدی شهر ها……………………………………………………………… 15

2-6-تصورات نادرست پیرامون توسعه شهری……………………………………………………………………… 15

2-7-مدل سازی توسعه شهری…………………………………………………………………………………………….. 18

عنوان                                                                                                                      صفحه

2-8-ماهیت مدل ها………………………………………………………………………………………………………………. 18

2-9-مدل ها در فرایند برنامه ریزی……………………………………………………………………………………… 19

2-10-کاربرد مدل در شهرسازی………………………………………………………………………………………….. 20

2-11-مدلسازی شهری پویا (دینامیک شهری)…………………………………………………………………… 21

2-12-سلول های خودکار و مدلسازی شهری……………………………………………………………………… 23

2-13-کارهای اولیه ……………………………………………………………………………………………………………… 23

2-14-تحقیقات اخیر در زمینه مدل سازی شهری با سلول های خودکار………………………… 25

2-15-کالیبراسیون (زینه بندی ، تنظیم ، درجه بندی ، واسنجی)…………………………………. 28

2-16-شبکه های عصبی………………………………………………………………………………………………………. 30

2-16-1-شبکه های عصبی ، سلول های خودکار و مدلسازی رشد شهری………………… 30

2-17-سیستم های فازی……………………………………………………………………………………………………… 33

فصل سوم: تئوری ها و الگوریتم ها

3-1-کلیات…………………………………………………………………………………………………………………………….. 37

3-2-مدلسازی با سلول های خودکار……………………………………………………………………………………. 37

3-2-1-پیش زمینه تاریخی……………………………………………………………………………………………. 37

3-2-2- تئوری سلول های خودکار………………………………………………………………………………… 40

3-2-3-ساختار مدل CA……………………………………………………………………………………………….. 41

3-2-3-1-شبکه سلولی…………………………………………………………………………………………….. 41

3-2-3-2-وضعیت سلول…………………………………………………………………………………………… 42

3-2-3-3-همسایگی …………………………………………………………………………………………………. 43

3-2-3-4-زمان…………………………………………………………………………………………………………… 44

3-2-3-5-قوانین انتقال…………………………………………………………………………………………….. 44

3-2-4-سلول های خودکار یک بعدی……………………………………………………………………………. 45

3-2-5-سلول های خودکار دو بعدی……………………………………………………………………………… 48

3-3-شبکه های عصبی ……………………………………………………………………………………………………….. 52

3-3-1-پیش زمینه ………………………………………………………………………………………………………… 52

3-3-2-اجزای یک شبکه عصبی……………………………………………………………………………………. 53

3-3-3-اصول شبکه های عصبی مصنوعی……………………………………………………………………. 54

3-3-4-شبیه سازی های عصبی…………………………………………………………………………………….. 60

عنوان                                                                                                                      صفحه

3-3-5-مؤلفه های دخیل در یک شبیه سازی عصبی………………………………………………….. 60

3-3-5-1-فرمولاسیون مسئله…………………………………………………………………………………… 60

3-3-5-2-جمع آوری اطلاعات و وارد نمودن آنها به شبکه…………………………………… 62

3-3-5-3-اعتبار سنجی در شبکه …………………………………………………………………………… 62

3-3-5-4-آنالیز حساسیت در شبکه………………………………………………………………………… 63

3-3-5-5-توپولوژی شبکه…………………………………………………………………………………………. 64

3-3-5-6-پایش نمودن علایم…………………………………………………………………………………… 64

3-3-5-7-انجام شبیه سازی…………………………………………………………………………………….. 64

3-3-5-8-تعیین ماتریکس همبستگی ……………………………………………………………………. 65

3-3-5-9-تقسیم نمودن داده ها………………………………………………………………………………. 65

3-3-5-10-نرمال سازی……………………………………………………………………………………………. 65

3-3-5-11-معماری شبکه ………………………………………………………………………………………. 66

3-3-5-12-آنالیز های شبکه های عصبی و تابع هزینه………………………………………….. 66

3-3-5-13-سنجش کارایی شبکه …………………………………………………………………………… 67

3-3-5-15-میانگین مربعات خطا…………………………………………………………………………….. 67

3-3-5-16میانگین مربعات نرمال شده ی خطا………………………………………………………. 68

3-3-5-17-درصد خطا……………………………………………………………………………………………… 68

3-3-6-آموزش شبکه های عصبی مصنوعی………………………………………………………………….. 68

3-3-7-آموزش از دیدگاه کلی………………………………………………………………………………………… 69

3-3-8-داده های ورودی…………………………………………………………………………………………………. 70

3-3-8-1-اندازه ی شبکه…………………………………………………………………………………………. 71

3-3-8-2-پایان آموزش……………………………………………………………………………………………… 71

3-3-8-3-روش های آموزش…………………………………………………………………………………….. 72

3-3-8-1-1-الگوریتم های یادگیری نظارت شده یا با ناظر……………………………… 72

3-3-8-1-2-الگوریتم های یادگیری نظارت نشده یا بدون ناظر …………………….. 73

3-3-8-1-3-الگوریتم پس انتشار خطا …………………………………………………………….. 74

3-4-سیستم های فازی…………………………………………………………………………………………………………. 76

3-5-چرا از منطق فازي استفاده مي كنيم؟……………………………………………………………………….. 77

3-6-عناصر سيستم فازي……………………………………………………………………………………………………… 77

3-6-1-مجموعه هاي فازي……………………………………………………………………………………………… 78

عنوان                                                                                                                      صفحه

3-6-1-1-مجموعه فازی منفرد………………………………………………………………………………… 81

3-6-1-2-عملگر هاي فازي………………………………………………………………………………………. 82

3-6-1-3-قواعد فازي………………………………………………………………………………………………… 84

3-6-1-4- به كار گيري قوانين فازي………………………………………………………………………. 85

3-6-1-5-استدلال فازي……………………………………………………………………………………………. 86

3-6-1-6-روش مستقيم……………………………………………………………………………………………. 86

3-6-1-7-روش ممداني…………………………………………………………………………………………….. 87

3-6-1-8-روش Sugeno…………………………………………………………………………………………… 88

3-6-1-9-غير فازي سازي (Defuzzification)………………………………………………………. 88

3-6-1-10-مركز ثقل………………………………………………………………………………………………… 89

3-6-1-11-ميانگين مراكز………………………………………………………………………………………… 90

3-6-1-12-يكي از مراكز خروجي ها (Min، Max، Mean)………………………………….. 90

3-7-خوشه بندي فازي (FCM)………………………………………………………………………………………….. 90

3-7-1-روش Neuro-fuzzy  ………………………………………………………………………………………… 92

3-7-2-VGA-FCM………………………………………………………………………………………………………. 95

3-8-الگوريتم هاي خوشه بندي…………………………………………………………………………………………… 96

3-8-1-الگوريتم fuzzy C-means…………………………………………………………………………………. 97

3-9-طبقه بندي تصاوير با منطق فازي……………………………………………………………………………….. 98

3-9-1-روش كار……………………………………………………………………………………………………………… 99

فصل چهارم: مطالعه موردی شهر مهاباد

4-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………….. 101

4-2-بررسي هاي تاريخي ……………………………………………………………………………………………………. 101

4-3- خصوصیات جغرافیایی و اقلیمی……………………………………………………………………………….. 103

4-5-موقعیت جغرافیایی……………………………………………………………………………………………………… 103

4-6-وضعیت توپوگرافی……………………………………………………………………………………………………….. 104

4-7-گسل……………………………………………………………………………………………………………………………… 107

4-8- چگونگی توسعه شهر و روند رشد آن در ادوار گذشته…………………………………………… 108

4-9-محدودیت و موانع طبیعی و قابلیت توسعه جهات مختلف شهر……………………………… 112

عنوان                                                                                                                      صفحه

4-10-نحوه پراکندگی روستاهای و جاذبه جمعیتی………………………………………………………….. 114

4-11-جمعیت و تحولات آن………………………………………………………………………………………………. 115

فصل پنجم: داده ها و روش اجرای مدل

5-1-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………. 118

5-2-روش اجرای مدل CA_ANN ، داده های و نحوه استخراج پارامترها…………………….. 118

5-2-1-آموزش شبکه های عصبی مصنوعی………………………………………………………………… 119

5-2-1-1-داده های مربوط به کاربری زمین………………………………………………………….. 120

5-2-1-2-داده های همسایگی و فواصل…………………………………………………………………. 129

5-2-1-3-داده های محدودیت (زونینگ)………………………………………………………………. 133

5-2-2-ساختار شبکه و نحوه آموزش آن…………………………………………………………………….. 136

5-2-3-کالیبره کردن مدل CA از طریق ANN…………………………………………………………. 137

5-3-شبیه سازی رشد  شهری……………………………………………………………………………………………. 138

5-4-پیش بینی رشد شهری برای سال 2015…………………………………………………………………. 140

5-5-اعتبار سنجی مدل………………………………………………………………………………………………………. 143

3-6-آزمون فرضیات…………………………………………………………………………………………………………….. 147

فصل ششم: نتیجه گیری

6-1-نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………. 150

6-2- پشنهادات …………………………………………………………………………………………………………………… 154

فهرست منابع و مأخذ

منابع فارسی………………………………………………………………………………………………………………………….. 156

منابع انگلیسی ……………………………………………………………………………………………………………………… 157

پیوست ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 163

فهرست جدول ها

عنوان                                                                                                                      صفحه

جدول 3-1 : مدل های مختلف شبکه عصبی…………………………………………………………………………… 61

جدول شماره 1-4 . مساحت طبقات ارتفاعی محدوده شهر مهاباد………………………………………… 105

جدول شماره 3-4 . ویژگی های بارز تاریخی مهاباد………………………………………………………………… 109

جدول شماره 4-4. سیر تحول کالبدی- فضایی و الگوی توسعه شهر مهاباد………………………… 110

جدول شماره5-4 روند تغییرات میزان شهرنشینی و روستانشینی در استان

آذربایجان غربی و شهرستان مهاباد……………………………………………………………………………………………. 116

جدول شماره6-4  : روند تغييرات تعداد جمعيت و متوسط رشد جمعيت استان

 آذربايجان غربي و شهرستان مهاباد طي سالهاي 1385-1365…………………………………………….. 116

جدول شماره7-4: مساحت و تراکم جمعيتي شهرستانهاي استان آذربايجان غربي

 سال 1385-1365……………………………………………………………………………………………………………………. 116

جدول شماره 1-5 . پارامترهای بکار گرفته شده در مدل………………………………………………………. 120

جدول شماره2-5 . بخشی از داده های نمونه بکار برده شده در فرایند آموزش…………………… 137

جدول شماره3-5 . برخی دیگر از روش های کالیبره کردن سلول های خودکار…………………… 144

فهرست شکل ها

عنوان                                                                                                                      صفحه

شکل شماره 1-2 . تخمین میزان جمعیت شهری تا سال 2030 …………………………………………. 13

شکل شماره 2-2 . درصد جمعیت شهری بر اساس طبقه بندی جمعیت شهرها ………………… 17

شکل شماره 1-3  : فضای سلولی شماتیک با پیکسل های قرمز و آبی………………………………….. 38

شکل شماره 2-3  : حالات پیکسل ها در مشهورترین طرح های همسایگی

سلول های خودکار……………………………………………………………………………………………………………………….. 39

شکل 3-3 : مثال رایج عام معمولی مشترک از الگوهای سلول خودکار پیچیده……………………. 40

شکل 4-3  :  تاثیر مقیاس سلول……………………………………………………………………………………………….. 42

شکل 5-3  : تاثیر همسایگی بر روی مدل………………………………………………………………………………… 43

شکل 6-3  : همسایگی دایره ای در سه مقیاس کوچک ، متوسط و بزرگ……………………………. 44

شکل شماره 7-3 : یک سلول خودکار یک بعدی با N=10  پیکسل و با حالات ممکن a 1 ,….., a10  در زمان معین t 46

شکل 8-3: سلول های خودکار یک بعدی دارای ساختار ابتدایی……………………………………………. 48

شکل 9-3 : همسایگی پیکسل شهری واقع شده در موقعیت شبکه ای…………………………………. 50

شکل 10-3 : همسایگی 3×3 مور برای …………………………………………………………………………………. 51

شکل شماره 11-3 : فرایند های آموزش و یادگیری در شبکه های عصبی……………………………. 55

شکل 12-3: تابع g در شبکه عصبی…………………………………………………………………………………………. 56

شکل 13-3 : تابع فعال سازی……………………………………………………………………………………………………. 56

شکل 14-3 : وزن های بین لایه های پنهان و خروجی…………………………………………………………… 57

شکل 15-3: ورود یک بردار x (  ) به شبکه عصبی…………………………………….. 58

شكل 16-3 :  ساختار يك سيستم فازي………………………………………………………………………………….. 77

شكل17-3 :  نمونه اي از مجموعه هاي فازي…………………………………………………………………………… 78

شكل 18-3 :  تعدادي از مجموعه هاي فازي استاندارد…………………………………………………………… 78

شكل19-3 : شكل توابع عضويت استاندارد………………………………………………………………………………. 79

عنوان                                                                                                                      صفحه

شكل 20-3 : تابع عضويت ……………………………………………………………………………………………………. 80

شكل 21-3 :‌تكيه گاه مجموعه A……………………………………………………………………………………………… 81

شكل 22-3 : مجموعه فازي منفرد……………………………………………………………………………………………. 81

شكل 23-3 : برش  از مجموعه فازي……………………………………………………………………………………. 82

شكل 24-3 : مجموعه فازي غير محدب…………………………………………………………………………………… 82

شكل 25-3 : نحوه به كار گيري عملگر هاي فازي…………………………………………………………………… 84

شكل 26-3 : متغير لغوي…………………………………………………………………………………………………………… 85

شکل 27-3: نحوه استخراج نتيجه به صورت فازي………………………………………………………………….. 86

شكل 28-3 : نحوه عملكرد سيستم فازي Sugeno…………………………………………………………………. 88

شكل 29-3 : پروسه غير فازي سازي نتيجه…………………………………………………………………………….. 89

شكل 30-3 : ميانگين مراكز………………………………………………………………………………………………………. 90

شكل 31-3: نوروفازي…………………………………………………………………………………………………………………. 93

شكل 32-3: سيستم مورد استفاده……………………………………………………………………………………………. 94

شکل شماره1-5 . مدل آموزش و شبیه سازی رشد شهری از طریق CA_ANN………………. 119

فهرست نمودارها

عنوان                                                                                                                      صفحه

نمودار شماره1-4 : روند تحولات جمعیتی شهر مهاباد طی بازه زمانی 1345 تا 1385……… 116

نمودار شماره1-5 . مساحت کاربریهای مختلف بین سالهای 1989-2000 – 2005…………. 124

نمودار شماره 2-5 . روند رشد سریع کاربری شهری در شهر مهاباد………………………………………. 140

فهرست نقشه ها

عنوان                                                                                                                      صفحه

نقشه شماره1-4 . موقعیت جغرافیایی شهر مهاباد…………………………………………………………………… 104

نقشه شماره2-4 . طبقات ارتفاعی محدوده استحفاظی شهر مهاباد……………………………………….. 106

نقشه شماره3-4 . گسل های شهر مهاباد………………………………………………………………………………….. 107

نقشه شماره 4-4 :روند رشد شکل گیری و توسعه شهر مهاباد در گذر ……………………………….. 111

نقشه شماره5-4 : نقاط و جاذبه جمعیتی روستاهای محدوده شهر مهاباد…………………………….. 114

نقشه 1-5. ترکیب باندهای بهینه تصاویر ماهواره های TM , ETM+

محدوده ی شهر مهاباد……………………………………………………………………………………………………………….. 121

نقشه 2-5 . زمین مرجع نمودن تصاویر ماهواره ای از طریق عکس هوایی

مربوط به شهر مهاباد …………………………………………………………………………………………………………………. 122

نقشه شماره3-5 . طبقه بندی تصاویر ماهواره ای شهر مهاباد برای سال 2005…………………… 123

نقشه شماره4-5 . طبقه بندی تصاویر ماهواره ای شهر مهاباد برای سال های

 1989 و 2000…………………………………………………………………………………………………………………………. 123

نقشه شماره 5-5. طبقه بندی تصویر ماهواره ای سال1989…………………………………………………. 124

نقشه شماره 6-5. طبقه بندی تصویر ماهواره ای سال2000………………………………………………….. 125

نقشه شماره 7-5. طبقه بندی تصویر ماهواره ای سال2005…………………………………………………. 126

نقشه شماره8-5 . مدل ارتفاعی و شیب محدوده شهر مهاباد…………………………………………………. 128

نقشه شماره 9-5 . نقشه سلسه مراتب راههای محدوده شهر مهاباد ……………………………………… 130

نقشه شماره10-5 . محل استقرار مراکز اشتغال کارگاهی شهر مهاباد ………………………………….. 131

نقشه شماره11-5  . پارامتر های منطقه ای بکار گرفته شده در مدل CA_ANN ……………. 132

نقشه شماره 12-5 حریم استحفاظی دریاچه سد شهر مهاباد………………………………………………… 134

نقشه شماره 13-5 . حریم استحفاظی رودخانه های شهر مهاباد…………………………………………… 135

عنوان                                                                                                                      صفحه

نقشه شماره 14-5 . شبیه سازی و پیش بینی رشد شهری شهر مهاباد……………………………….. 142

نقشه شماره 15-5 . پیش بینی رشد شهری برای سال 2015 شهر مهاباد………………………….. 143

نقشه شماره 16-5 .  اعتبار سنجی مدل پیشنهادی بر اساس مقایسه شاخص

 کاپای فازی شده………………………………………………………………………………………………………………………… 146