面向城市更新的地理空间信息技术研究现状与展望

我国城镇化处于后期增速放缓及质量提升阶段,城市增长方式逐步从“增量发展”向“存量提质”过渡,进入城市更新的城镇化新模式。城市更新作为城市国土空间全域范围内持续完善功能、优化空间布局、提升环境品质、激发经济社会活力的空间治理活动,地理空间信息正在其中发挥重要的技术和思维支撑作用。本文在“生产空间”、“生活空间”、“生态空间”（简称“三生空间”）视角下,重新审视了城市更新的内涵,指出城市更新本质上是对“三生空间”的统筹优化。基于“城市认知”中的感知、评估和优化等全过程,构建了“三生空间”视角下的城市更新逻辑架构,并基于此架构梳理了地理空间信息技术在“三生空间”中要素感知、效益评估和空间优化方面的应用与研究现状。立足城市更新实际需求,基于现代地理空间信息技术,通过对城市的综合感知、综合评估和综合优化,提出构建涵盖“感知-评估-优化”城市认知全过程的全空间城市更新技术体系,以提高城市适应未来发展的自我调控能力,实现国土空间治理体系和治理能力现代化。     

基于InVEST与CARS的生态空间分区与未来预测研究

生态空间现状数量配比与模拟是新时期地理信息服务于国土空间优化的重要应用.以常州市武进区为研究区,利用InVEST模型与多类随机种子CA模型(CARS),对2015年研究区生态空间进行分区并模拟了2025年的生态空间分布演变情况.结果表明:2015年生态评价极重要区主要分布于滆湖(西太湖)湿地公园及其周边地区、雪堰镇竺山...     

城市派出所空间位置优化及警力分配

提高公安派出所的治安防控能力是解决我国城市治安问题的有效途径之一。本文从公安派出所空间位置优化和警力分配两个角度出发,针对当前公安派出所空间位置布局较为随意及警力资源紧缺的现状,以及多目标优化的需求,结合新兴空间大数据和犯罪数据,进行派出所多目标空间优化研究,包括派出所空间布局的数学期望、量化指标以及多目标空间优化模型,并在相关理论模型的基础上利用犯罪热点和房屋建筑分布的空间异质性开展派出所警力（治安和户籍分类）的空间分配研究。以兰州市中心城区为分析区域开展公安派出所空间位置优化和警力分配实验,结果表明：① 在不增加派出所数量、最大维持原有空间布局的前提下,本文提出的方法能有效降低派出所服务区重叠度（17.2%）和平均响应时间（6.67 s）,提高面积覆盖度（12.01%）和需求点覆盖度（7.25%）,并有效提高研究区内各区域应急响应时间的公平性（基尼系数由0.382降低到0.268）;② 数据分析发现,城市犯罪热点以及房屋建筑空间分布均存在空间分异现象。理解并量化分析空间分异特征,有助于优化派出所治安和户籍警力的配置。     

基于土地利用强度的城市道路增长模拟模型与案例分析

城市交通与土地利用相互作用、相互影响。传统的城市空间模拟研究多关注交通对土地利用变化影响,缺少土地利用对路网空间形态影响的模拟。已有研究通常使用静态路网,不能表达土地利用与交通间的动态相互作用关系。本文以城市土地利用强度与城市道路网络空间分布间的正向关系,提出了基于城市土地利用强度的城市路网增长模拟模型。以唐山市为例,对其城市环路内的道路增长进行了模拟。结果表明,该模型能以城市土地利用强度的空间分布特征快速生成路网,反映城市土地利用对道路网络扩张的影响。模拟结果与实际路网具有高度的空间分布相似性。该模型可进一步与土地利用模拟模型结合,模拟城市土地利用与交通的动态相互作用。     

2000年以来山东省地级以上城市空间格局监测分析研究

城市空间格局变化监测能够反映城市建设空间的发展规律和特点,为城镇体系发展规划、优化以及城市空间开发集约利用等提供重要基础。该文选取山东省作为研究区域,以全省17个地级以上城市城区为研究对象和统计分析单元,以2000-2017年7个时期高分辨率正射影像提取其城区边界和部分时期内部结构数据,采用城市扩展面积、城市扩展速度、城市扩展强度及紧凑度等指标,对山东省17个地级市城市空间格局发展变化进行综合分析,对城市扩展、城市用地等进行评价。研究结果表明:山东省地级以上城市空间格局演变整体呈现出以济南青岛为中心的东西两极发展格局,整体发展较为均衡,但东西部差距依然较大。城市紧凑度较低,以粗放型土地增长模式扩展,面积扩张过快,占用耕地比例较高,土地集约利用程度不够。研究成果可为优化城市空间结构,促进城镇高效、集约、节约、绿色发展等提供了合理的建议以及技术支撑。     

AutoPaCA:耦合过程-模式的城镇空间增长模拟模型

理解城镇增长过程、模式、机理并预判未来发展趋势,对优化城镇空间布局,促进城市可持续发展有重要意义。元胞自动机模型（Cellular Automata, CA）是研究城镇增长过程、模式的有效技术手段,但传统CA模型对城镇增长过程和空间模式的协同考虑不足。本研究构建了基于斑块（Patch）的城镇CA模型AutoPaCA,实现对城镇增长过程及空间模式的协同表征和精细控制,将城镇增长过程分为边缘增长和跳跃增长两种形式,并实现了对不同形式下城镇斑块位置、形状和面积大小的精细控制,同时考虑城镇空间模式的集聚性、整体形态及空间约束。此外,还提出使用景观格局分析法分析历史时期城镇增长过程和模式,并结合遗传算法实现对模型参数的地域化自动校正,降低人为主观因素对模拟结果的影响。将模型应用于长沙市1995—2035年的城镇增长模拟与多情景分析。结果表明,构建的AutoPaCA模型可以取得较好的模型精度,200次模拟结果的互异邻域相似性指数均值达到0.486;在生态保护情景下,长沙市城市内部生态结构保存完好,且表现出更为明显的长株潭一体化趋势,说明本研究提出的AutoPaCA模型及参数校正方法是有效的。     

基于坡位-地块单元的流域最佳管理措施空间优化配置方法

最佳管理措施（BMP）是治理流域土壤侵蚀、非点源污染等环境问题的有效途径,基于流域过程模拟的情景优化方法可得到综合效益近似最优的BMP空间配置方案集。目前用于配置BMP的空间单元（如子流域、水文响应单元、地块、坡位）均不能有效地综合体现BMP与地形部位间的空间关系以及同一地形部位内不同土地利用斑块上的BMP差异。本文提出将坡位单元与地块单元叠加生成的坡位-地块单元作为BMP空间配置单元,结合分布式流域建模框架SEIMS和多目标优化算法NSGA-II建立一套流域BMP空间优化配置方法。以江苏省溧阳市中田舍流域的非点源污染治理为例,选取减量施肥、退耕还林、封山育林和生态林草4种典型BMP,以最大化总氮削减率、最小化经济成本为优化目标,分别采用坡位单元、地块单元、坡位-地块单元进行情景优化。结果表明：相比坡位单元和地块单元,采用坡位-地块单元可获得最多具有近似最优综合效益的BMP情景,定量评价解集分布性和收敛性的Hypervolume指数分别提升了7%和4%,且BMP在空间上分布更加精细、配置更加灵活。本文方法可有效、合理地优化流域最佳管理措施的空间配置,为流域治理提供决策支持。     

生态约束性城市扩展模型构建与应用分析——以南宁市区为例

以生态安全理论与方法为基础,地理信息系统（G IS）和元胞自动机（CA）为技术支持,集成宏观的生态经济学Tietenberg资源分配模型和微观的GEOMOD模型,构建一种生态约束性城市扩展优化模型（Ecological Re-straintUrban Expansion Model,ERUEM）,进行了广西南宁市2005～2020年城市空间扩展情景模拟研究。通过Tietenberg模型完成未来各个时段内城市用地数量的最优分配;从满足局部土地生态适宜性、土地利用继承性和邻域影响的角度,利用GEOMOD模型结合城市用地生态适宜性评价,完成城市用地的空间分配,最终实现城市空间扩展优化模拟。模拟结果表明,该模型在生态安全约束下,南宁城市空间扩展主要占用农村居民地、工矿用地、未利用土地和园地,减少对林地、水田和旱地的占用,增加和保育了城市生态系统服务功能,优化了城市空间的扩展;该模型方法可为南宁市土地利用规划和城市规划管理提供参考依据。     

多因素约束的城市空间扩张元胞自动机构建及其应用研究

城市空间扩张是复杂的社会经济进程,伴随着人口、政策和城市要素向外推进等现象,是评判城市化水平的重要指标。元胞自动机(Cellular Automata,CA)是可以模拟事物发展演化过程的系统动力学模型,可以有效揭示城市空间扩张过程的特征和机制,具有广阔的应用前景。根据Geo-CA的内涵与特征,以湖南省衡阳市为例,考虑城市空间扩张的主要影响因素,本文提出了多因素制约的城市空间扩张过程元胞自动机模拟模型(Multi-factors Constrained Expanding Simulation CA,MCESCA)。结合多期LANDSET影像、DEM和规划数据等数据源,论文构建并实现了MCES-CA模型,取得了较好的模拟结果。经检验,MCES-CA的模拟精度总体达89.24%。模拟结果显示衡阳主城区的空间扩张具有多方向、多阶段的特征,受到城市的自然环境和发展规划等因素的制约。本文研究表明,MCES-CA是一种简洁、易实现且高效的城市空间扩张模拟工具,今后应该结合人工智能方法提高模拟结果的精度。     

基于SLEUTH模型的城市空间增长模拟研究--以焦作市为例

利用1988,1992,2001,2008年4个时相的遥感影像和GIS技术获取历史数据,采用SLEUTH模型,对焦作市未来城市空间演变进行研究。结果显示：SLEUTH模型重现了焦作市1988~2008年城市空间演变形态,模拟结果与实际情况比较吻合,充分证明SLEUTH模型具有普适性,通过校正能较好地描述城市增长的自然规律;预测模拟了2009~2020年城市空间增长,城市扩展趋势是新扩展中心出现边缘式扩展,向周围地区蔓延,在交通轴线连接下,形成组团式布局。研究结果为研究区城市发展及政府制定规划提供了科学决策依据。     

分布式空间拓扑连接查询优化处理算法

针对传统分布式数据库查询应用于分布式空间数据库查询带来的传输和处理代价高的问题,本文结合已有分布式跨边界片段连接优化方法,深入研究了分布式空间拓扑连接查询处理,提出跨边界连接优化的空间查询优化算法,丰富了传统的分布式查询的关系代数等价变换规则。同时,针对不同片段连接类型的分布式空间查询全局优化策略,实现了分布式空间查询分解与数据本地化,从而优化分布式查询中的数据传输所付出的高昂代价。最后,提出了结点归并、连接归并树、执行结点、执行计划树等分布式查询优化方法,利用相应归并和优化算法将全局空间查询转化为各个场地局部空间数据库的具体执行计划,消除分布式查询中的冗余计算,优化查询计算策略,从而解决分布式空间查询中的处理代价高的问题。通过分布式空间查询实验表明,本文的算法能够较好地提高分布式空间查询的性能。     

国土空间规划视角下的城镇开发边界划定和空间管控体系构建

新时期国土空间规划背景下,科学合理地划定城镇开发边界,建立健全的国土空间用途管制制度是有序引导国土空间各类开发保护行为的重要举措。本文以福州市为例,构建了一种全域多维度国土空间管控体系,将其管控约束条件嵌入未来土地利用格局模拟中。同时,顾及区域空间异质性和时空依赖性,设计了一种服务于城镇开发边界划定的集成地理分区策略、深度学习技术、FLUS模型功能模块的时空元胞自动机ST-CA(Spatio-Temporal Cellular Automata)模型。基于已有成果集成三区三线,开展"划管结合"思维下的空间管控应用研究。结果表明:(1)顾及区域空间异质性和时空依赖性的ST-CA模型可以有效提高土地利用变化模拟精度(OA指标从95.95%提升至98.34%),实现更为真实、准确的地理模拟过程;(2)地理模拟过程中嵌入管控约束条件,可引导城镇、农业和生态3类空间合理布局且规模可控,基于模拟结果划定的城镇开发边界能有效避开规划保护用地;(3)未来模拟预测结果结合管控预警值可看出,福州市主城区及周边区县的城镇扩张形势比较严峻,未来亟需对福州市国土空间格局进行合理调控;(4)边界变化趋势特征表明划...     

阳极焙烧炉结构优化设计

对以重油作为燃料的阳极焙烧炉的火道结构进行了优化模拟计算。从炉子的设计角度提出了解决炉内流动场、温度分布不均匀的方案。分析了两种结构优化方案的可行性 ,并得出综合优化方案。适当的调整挡板的位置可以改善气流的分布。结果显示 ,综合优化方案对改善阳极焙烧炉的燃烧条件有着显著效果。数值模拟的方法为阳极焙烧炉结构和运行参数的优化提供了较准确、快速和经济的研究手段。     

基于高时相遥感影像的洪水演进模型参数优化方法

种子点蔓延算法是洪涝演进过程模拟仿真的主要方法之一,其中,洪水演进模型参数由于受到不同地理环境影响而发生改变,具有一定的不确定性,进而导致洪涝模拟结果可靠性不高。随着高分4号卫星的发射,其具有高时间分辨率特性的影像将成为洪涝模拟、灾情评估的第一手资料。本文在模拟仿真过程中,接入高时效卫星影像并提取淹没范围和洪水体积,通过与模拟仿真产生的淹没范围和洪水体积进行比对,迭代调整洪水演进模型参数μ值、速度V,进而提高模拟结果的准确性。选取云南华坪山洪为典型案例,验证了本文方法的可行性与可靠性,为快速灾情评估和预防决策服务提供更为科学的依据。     

以坡位为空间配置单元的流域管理措施情景优化方法

基于流域过程模型的BMP情景分析是当前流域管理措施评价、非点源污染控制等研究应用中广泛采用的方法,但其通常采用的BMP空间配置单元（地块、农场、水文响应单元或子流域）与坡面上的地形部位关系较弱,难以有效地根据坡面过程特点表达坡面上多种BMP之间的空间配置关系,影响了BMP情景优化效率和结果的合理性。为此,本文提出以坡位单元作为BMP空间配置单元,将各种BMP在不同坡位间合理的空间配置关系显式表达为基于坡位的空间配置规则,通过结合NSGA-II优化算法建立了一套基于坡位单元的BMP空间配置优化方法。应用案例表明,本文构建的基于坡位单元的BMP情景优化方法可有效利用基于坡位的空间配置规则进行BMP情景优化,优化所得的BMP空间配置方案更为合理,优化效率较高。     

土地利用结构优化图谱研制——以科尔沁沙地典型样区为例

地学信息图谱是一种现代信息技术条件下的地理时空分析方法论。本文阐述了土地利用结构优化图谱的时空尺度、情景过程、层次结构、图谱和模型的互馈等科学问题。提出遥感影像信息源和前期工作产生的土地利用现状、生态安全单因子评价系列的征兆图谱,中期工作得出的生态安全及土地利用综合评价系列的诊断图谱,后期的土地利用优化情景系列的实施图谱。各层次图谱在分类和分级体系上要具有一定的统一协调性。科尔沁沙地八仙筒镇的优化实例表明,应用地学信息图谱进行土地利用结构优化可以实现对过去、现在和未来的反演、评价和预测,进而为区域土地可持续发展提供决策依据。     

基于改进熵权DEA-TOPSIS模型的乡村国土综合整治格局优化

针对国土综合整治时空格局优化的多目标量化问题,以空间脆弱性和时间迫切性为切入点,构建以目标功能为主线的乡村社会-生态系统脆弱性和迫切性评价指标体系,采用改进熵权DEA模型开展脆弱性效率评价和改进熵权多因素综合模型进行迫切性评价;在此基础上,采用层次目标分解法和主导问题归因法构建"业态兴旺、形态优化、生态宜居和综合复兴"4种国土综合整治多目标格局优化方案,采用改进熵权TOPSIS分析法开展多目标最优决策定量分析,以期从有限多目标系统优选和排序视角识别和划分国土综合整治多目标时空格局类型,实现对乡村国土综合整治多目标格局优化体系构建的目的。研究以上海市青浦区184个行政村为例进行实证,研究结果表明:改进熵权DEA模型能有效克服多行政村高度关联造成的结果偏大问题,提高了空间适宜性的应用精度;改进熵权TOPSIS模型能较为准确地划分国土综合整治的多目标格局优化方案,细化各最优方案间的异质性;2018年青浦区社会-生态系统脆弱性均值表现为社会子系统脆弱性(0.605)>经济子系统脆弱性(0.577)>生态子系统脆弱性(0.549),社会子系统脆弱成为影响该区脆弱性的重要原因;行政村社...     

面向大规模空间Agent建模的分布式地理模拟框架

基于Agent建模的地理模拟是认识和理解动态地理现象的有效方法,但随着地理模拟的规模和复杂性不断增加,模型的计算问题开始凸显。分布式并行仿真是解决大规模Agent复杂模拟计算的途径,然而已有研究基于Agent建模/仿真软件构建并行仿真系统的方式并不适用于具有高移动与行为交互的空间Agent建模及其模拟过程的实时可视化。为解决这个问题,本文提出了一个分布式地理模拟框架DGSimF,用于大规模动态空间Agent模拟,支持模拟过程的实时表示与分析。设计了一个简单但高效的时空数据模型建模空间Agent,支持直接基于Agent行为建模集成地学模型,采用了时间微分方法协同各计算节点行为的执行,实现以“任务并行”的方式进行分布式计算以提高仿真性能,构建了基于三维地球渲染引擎的虚拟地理环境,提供模拟过程的实时可视化。最后,以“红蓝对抗”案例进行了实验验证,对不同模拟计算量和不同客户端数量下的仿真性能进行了分析,结果表明DGSimF可以为具有时空特征变化与行为交互的大规模空间Agent模拟提供一个有效的平台。通过扩展计算节点,DGSimF可以有效地缓解复杂模拟计算的压力问题,并且仿真性能较高,在实验中并...     

Development of a preliminary slope stability calculation method based on internal horizontal displacements

This paper proposes a horizontal displacement-based approach to determine the potential slip surface of the slope. Firstly, a group of in-situ inclinometers with an appropriate spacing in the horizontal direction is located in the model slope. The equation of horizontal displacement with time for each in-situ inclinometer is fitted during the whole simulation process. Furthermore, the intersection of each inclinometer with potential slip surface is determined by using an optimization model. The slip surface can be obtained by using least square fitting method. Finally, the feasibility and accuracy of the method are validated by a series of numerical simulations. It is noted that the optimization model taking the maximum value of displacement increment gradient as an objective has higher accuracy when compared with other optimization models. This method employed in this study provides a preliminary approach to determine the real-time slope stability based on displacement, which can also be measured by using conventional instruments on site.