城市土地利用演化CA模型的扩展研究

城市土地利用演化的实质是人为干预下城市生态景观的自组织机制作用过程。根据城市土地利用演化生命机制概念,构建基于地理特征的城市土地利用演化CA模型,并以深圳特区为试验区域进行实证研究。结果表明,基于城市生命机制和地理特征的城市土地利用演化CA模型,可以有效地进行城市土地利用演化的时空模拟与预测。     

基于空间自回归CA模型的城市土地利用变化模拟与预测

该文构建了一种基于空间自回归的地理元胞自动机(CA)模型——SARCA模型,该模型能够较好融合地理系统模拟中的空间自相关特性,且获取的CA参数具有明确的物理意义。以1995-2015年上海城市土地利用为案例,验证了该模型的有效性。CA参数和城市土地转化概率表明,上海市外环线对于CA参数的贡献相比其他空间变量具有压倒性优势,到外环线距离越近则土地发展为城市的概率就越大。将基于Logistic回归的CA模型(LogCA)作为比较对象,模拟同期上海全域城市土地利用变化过程。CA规则表明,SAR在赤池信息量准则(AIC)、残差的描述性统计量和空间自相关指标等方面均优于Logistic回归。同时,SARCA模型在2005年和2015年的土地利用模拟结果总体精度分别为86.3%和82.0%,均优于LogCA模型的模拟结果(总体精度分别为79.8%和76.3%)。     

基于遗传算法自动获取CA模型的参数

本文提出了基于遗传算法来寻找CA模型最佳参数的方法。CA被越来越多地应用于城市和土地利用等复杂系统的动态模拟。CA模型中变量的参数值对模拟结果有非常重要的影响。如何获取理想的参数值是模型的关键。传统的逻辑回归模型运算简单,常常用来获取模型的参数值,要求解释变量间线性无关,所以获取的城市CA模型参数具有一定的局限性。遗传算法在参数优化组合、快速搜索参数值方面有很大的优势。本文利用遗传算法来自动获取优化的CA模型参数值,并获得了纠正后的CA模型。将该模型应用于东莞1988~2004年的城市发展的模拟中,得到了较好的效果。研究结果表明,遗传算法可以有效地自动获取CA模型的参数,其模拟的结果要比传统的逻辑回归校正的CA模型模拟精度高。     

基于约束性CA的大都市郊区城镇增长的情景模拟与管控——以武汉市江夏区为例

大都市郊区是快速城镇化进程中空间演变最为频繁、人地矛盾最为突出的区域,尤其在中国加快推进“就地就近”城镇化战略的背景下,把握大都市郊区小城镇土地利用时空变化过程及其演变机制,对制定科学合理的管控政策和优化都市空间结构具有重要的现实意义。约束性元胞自动机(constrained Cellular Automata, constrained CA)能够通过简单的规则模拟复杂的城市动态演化过程。本文将土地利用总体规划指标、城镇空间发展战略布局、土地利用开发适宜性等,嵌入约束性CA的转换规则中,采用Logistic逐步回归法分析土地利用空间影响因素,对严格约束下的武汉市江夏区2020年土地利用进行情景模拟分析,并提出城市增长管控手段。结果表明：①研究时段内,江夏区城镇用地呈低效外延式扩张,土地利用集约节约程度较低,其人口规模并未有较大增长,对主城区人口的分散作用尚未真正形成;②约束性CA在模拟大都市郊区演化方面具有较高的可靠性,能够真实反映近郊小城镇的未来空间布局与结构,模拟结果与土地利用规划和城市规划较为契合;③将规划目标导向与现实发展趋势下的模拟结果进行叠加分析,可确定城镇增长需求与规划指标调控间冲突的空间分布,从而划定土地督察的重点监测区域,为加强大都市近郊区的违法用地监查和土地利用管控提供先验的预警知识。     

基于核主成分元胞模型的城市演化重建与预测

通过元胞自动机(CA)模拟和重建城市演化的复杂非线性过程,对于城市土地利用规划和决策具有指导意义。利用传统线性方法获取的地理CA转换规则,较难刻画城市演化的时空动力学过程。基于核主成分分析方法(KPCA),通过核函数映射,在高维特征空间下不仅能够对多重共线的空间变量进行非线性降维,且由此建立的地理元胞模型KPCA-CA参数物理意义明确,能够较好地体现城市化过程的非线性本质。基于GIS环境下自主研发的地理模拟框架SimUrban,利用该KPCA-CA模型模拟和重建了快速城市化区域上海市嘉定区1989-2006年城市演化过程,并预测了研究区2010年的城市空间格局。模拟结果显示,嘉定区城市主要沿中心区域及主干道路而扩展,体现了KPCA方法提取的前两个主成分的作用,与城市实际发展情况相符。利用混淆矩阵和面积控制精度等指标,对模拟结果进行了评价,得到总体精度为80.67%、Kappa系数为61.02%,表明模拟结果与遥感分类结果及统计结果符合程度较好;与传统基于线性方法的地理CA模型比较,KPCA-CA模型模拟结果精度更高。     

基于GIS与CA的城市扩展研究——以洛阳市为例

元胞自动机(Cellular Automata,CA)是一种"自下而上"的动态模拟建模框架,具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。CA模型的这些特点使得它在城市增长、扩展和土地利用演化模拟等方面较为合适,成为CA应用的热点。探讨利用GIS技术开发CA模型将会改善CA模拟城市扩展的环境,建立典型的城市CA模型也会发现新的参数和转换规则。基于CA原理,结合GIS与RS技术,在ArcGIS平台中进行二次开发,构建了GIS-CA模型系统。以洛阳市为研究区域,对其城市扩展进行了模拟和预测,结果表明,将人为的规划因素加入到CA模型中,打破了CA模型只能模拟城市受自然因素影响而进行的扩展。模拟结果比较真实可信,也为下一步城市规划提供决策支持。     

元胞自动机在城市模拟中的误差传递与 不确定性的特征分析

元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)已越来越多地用于地理现象的模拟中,如城市系统的演化等。城市模拟经常要使用GIS数据库中的空间信息,数据源中的误差将会通过CA模拟过程发生传递。此外,CA 模型只是对现实世界的近似模拟,这就使得其本身也具有不确定性。这些不确定因素将对城市模拟的结果产生较大的影响,有必要探讨CA在模拟过程中的误差传递与不确定性问题。本文采用蒙特卡罗方法模拟了CA误差的传递特征,并从转换规则、邻域结构、模拟时间以及随机变量等几个方面分析了CA不确定性产生的根源。发现与传统的GIS模型相比,城市CA模型中的误差和不确定性的很多性质是非常独特的。例如,在模拟过程中由于邻域函数平均化的影响,数据源误差将减小;随着可用的土地越来越少,该限制也使城市模拟的误差随时间而减小;模拟结果的不确定性主要体现在城市的边缘。这些分析结果有助于城市建模和规划者更好地理解CA建模的特点。     

北京城市功能区土地利用协调度分析

土地利用与经济、社会和生态密切相关。建立评价指标体系来反映北京市城市土地利用状况,并设计了土地利用协调度模拟模型。模拟结果显示:北京市土地利用系统整体比较协调,经济效益系统的协调度高而社会、环境效益系统协调度不够;考察各城市功能区,经济效益系统协调度不相上下,但社会效益系统、环境效益系统协调度差别较大。利用协调度模型对城市土地利用进行综合评价,有利于制定有针对性的合理利用城市土地的政策和措施。     

基于动态约束的元胞自动机与复杂城市系统的模拟

为获得复杂城市系统更理想的模拟效果,提出时空动态约束的城市元胞自动机(CA)模型。用不同区域、不同时间新增加的城市用地总量作为CA模型的约束条件,形成时空动态约束的CA模型,并利用该模型模拟1988—2010年东莞市和深圳市城市扩张过程。结果表明,利用CA模型模拟的1993年城市用地总精度比静态CA模型提高了5.86%,而且模型中的动态约束条件可以反映城市发展的时空差异性。     

基于元胞自动机的城市发展密度模拟

元胞自动机CA越来越多地被用于模拟复杂的城市系统,但这些模拟基本不考虑城市的发展密度。不同的城市发展密度会对城市的形态有很大的影响,有必要将城市的发展密度引进CA的城市模拟中,以获得更好的模拟结果。本文将密度梯度函数引进了CA模型的转换规则中,并定义‘灰度’来反映状态的转换。利用该模型对不同可能的城市发展组合进行了模拟,为城市规划提供了辅助依据。     

An agent-integrated irregular automata model of urban land-use dynamics

Urban growth models are useful tools to understand the patterns and processes of urbanization. In recent years, the bottom-up approach of geo-computation, such as cellular automata and agent-based modeling, is commonly used to simulate urban land-use dynamics. This study has developed an integrated model of urban growth called agent-integrated irregular automata (AIIA) by using vector geographic information system environment (i.e. both the data model and operations). The model was tested for the city of San Marcos, Texas to simulate two scenarios of urban growth. Specifically, the study aimed to answer whether incorporating commercial, industrial and institutional agents in the model and using social theories (e.g. utility functions) improves the conventional urban growth modeling. By validating against empirical land-use data, the results suggest that a holistic framework such as AIIA performs better than the existing irregular-automata-based urban growth modeling.     

大连市内部地域结构转型与郊区化

在回顾大连城市内涪地域结构形成发展的基础上,分析了８０年代以来大连城市土地利用结构的总体变化趋势,并尝试提出了大连市内部地域结构模式图。８０年代期间,大连市内部地域结构已开始由单中心集聚型向多中心集聚与扩散并存型转型,而这种转型是大连市效区化现象在城市地域上的空间反映。     

协调度模型在城市土地利用潜力评价中的应用

以往在利用协调度模型进行相关研究时,大多采用两段叙述的分段函数,假定所有序参量的功效性都是单向的,非正即负。然而城市土地利用系统中影响系统发展与演化的各个序参量对系统有序的功效并非都是单向的,某些序参量的功效可能会发生正负性的转变。因此,针对城市土地利用系统的特点,有必要在功效函数中引入第三段函数,改进传统的功效函数和协调度函数,以建立更适用于城市土地利用系统研究的协调度模型。利用该模型对广州市天河区的城市土地利用潜力进行实证评价,结果显示天河区的土地利用系统基本有序,发展比较协调,但距离最优状态尚有潜力可挖;环境和社会子系统的发展较为欠缺,在未来用地挖潜的过程中应予以重视。     

Modeling dynamic urban land-use change with geographical cellular automata and generalized pattern search-optimized rules

A novel generalized pattern search (GPS)-based cellular automata (GPS-CA) model was developed to simulate urban land-use change in a GIS environment. The model is built on a fitness function that computes the difference between the observed results produced from remote-sensing images and the simulated results produced by a general CA model. GPS optimization incorporating genetic algorithms (GAs) searches for the minimum difference, i.e. the smallest accumulated residuals, in fitting the CA transition rules. The CA coefficients captured by the GPS method have clear physical meanings that are closely associated with the dynamic mechanisms of land-use change. The GPS-CA model was applied to simulate urban land-use change in Kunshan City in the Yangtze River Delta from 2000 to 2015. The results show that the GPS method had a smaller root mean squared error (0.2821) than a logistic regression (LR) method (0.5256) in fitting the CA transition rules. The GPS-CA model thus outperformed the LR-CA model, with an overall accuracy improvement of 4.7%. As a result, the GPS-CA model should be a superior tool for modeling land-use change as well as predicting future scenarios in response to different conditions to support the sustainable urban development.     

城市土地利用——交通集成模型的构建与应用（英文）

China is now experiencing rapid urbanization. Powerful tools are required to assess its urban spatial policies before implemented toward a more competitive and sustainable development paradigm. This study develops a Land Use Transport Interaction(LUTI) model to evaluate the impacts of urban land-use policies on urban spatial development. The model consists of four sub-models, i.e., transport, residential location, employment location and real estate rent sub-models. It is then applied to Beijing metropolitan area to forecast the urban activity evolution trend based on the land-use policies between 2009 and 2013. The modeling results show that more and more residents and enterprises in the city choose to agglomerate on outskirts, and new centers gradually emerge to share the services originally delivered by central Beijing. The general trend verifies the objectives of the government plan to develop more sub-centers around Beijing. The proposed activity-based model provides a distinct tool for the urban spatial policy makers in China. Further research is also discussed at the end.     

模拟退火算法用于产生城市土地空间布局方案

本文发展了一种模拟退火算法辅助产生城市土地空间布局方案。首先建立了城市土地空间配置问题的数学模型 ,目标函数是最小化土地开发费用、最大化不同功能地块间的空间协调性。由于问题存在的诸多空间约束条件使得可行的土地利用布局方案的搜寻过程变得十分缓慢 ,采用了将一些空间约束条件结合到目标函数中的方法 ,如结合了距离约束、方向约束、相同土地利用单元的邻近约束和地块形状的紧凑约束等约束条件。应用于湖南省长沙市暮云工业区用地规划的结果表明 ,模拟退火算法是一种辅助城市土地利用规划的有用的、有潜力的优化方法     

广州市土地利用结构优化配置及其潜力

基于广州市土地利用结构、地区经济、生态与社会特点,结合广州城市总体规划(2010-2020),对广州市域土地利用结构进行生态经济效益-自然生态效益导向的多目标优化配置研究。结果表明：对广州市土地利用数量结构进行调整,一定时间内能够满足地区可持续发展;但是,土地仍然承担着巨大的压力,焦点是建设用地和农用地之间的数量转变,以耕地为主,也包括对未利用土地的利用;土地利用潜力度模型结果显示,通过优化土地利用结构,土地系统的协调度增大而潜力度减小：在生态经济效益目标下,潜力度分别为0.628～0.661,0.372～0.339;在自然生态效益目标下,分别为0.531～0.782,0.469～0.218,表明土地利用系统将趋于更高的协调状态,而其数量结构优化配置的潜力减小,优化各产业部门内部土地资源结构及其空间布局,将是广州市土地资源高效集约利用和进一步挖潜的主导方向。     

简论城市边缘区研究

本文主要论述了城市边缘区的基本概念,城市边缘区研究产生背景、研究的主要内容以及研究动向,并认为我国城市边缘区的研究具有宽阔的发展前景和深远的理论和实践意义。     

Incorporation of intra-city human mobility into urban growth simulation: A case study in Beijing

Journal of Geographical Sciences - The effective modeling of urban growth is crucial for urban planning and analyzing the causes of land-use dynamics. As urbanization has slowed down in most...     

城市土地利用变化中邻域相互作用的特征——日本三大都市圈的比较研究

Local spatial interaction between neighborhood land-use categories (i.e. neighborhood interaction) is an important factor which affects urban land-use change patterns. Therefore,it is a key component in cellular automata (CA)-based urban geosimulation models towards the simulation and forecast of urban land-use changes. Purpose of this paper is to interpret the similarities and differences of the characteristics of neighborhood interaction in urban land-use changes of different metropolitan areas in Japan for providing empirical materials to understand the mechanism of urban land-use changes and construct urban geosimulation models. Characteristics of neighborhood interaction in urban land-use changes of three metropolitan areas in Japan,i.e. Tokyo,Osaka,and Nagoya,were compared using such aids as the neighborhood interaction model and similarity measure function. As a result,urban land-use in the three metropolitan areas was found to have had similar structure and patterns during the study period. Characteristics of neighborhood interaction in urban land-use changes are quite different from land-use categories,meaning that the mechanism of urban land-use changes comparatively differs among land-use categories. Characteristics of neighborhood interaction reveal the effect of spatial autocorrelation in the spatial process of urban land-use changes in the three metropolitan areas,which correspond with the characteristics of agglomeration of urban land-use allocation in Japan. Neighborhood interaction amidst urban land-use changes between the three metropolitan areas generally showed similar characteristics. The regressed neighborhood interaction coefficients in the models may represent the general characteristics of neighborhood effect on urban land-use changes in the cities of Japan. The results provide very significant materials for exploring the mechanism of urban land-use changes and the construction of universal urban geosimulation models which may be applied to any city in Japan.