FUTURES:一种新型区域城市增长模型

如何更好地进行城市发展模拟是发展中国家快速城市化过程中面临的一个科学问题。传统研究往往基于单体或组合模型,不能为决策方案提供直接支持。本文介绍了国外一个新的城市发展模型FUTURES(FUTure Ur-ban-Regional Environment Simulation)。该模型不仅考虑了城市发展区动态适宜性梯度计算、人均土地消耗的趋势分析以及基于空间位置的斑块变化可视化模拟,而且注重模块间的动态交互反馈过程,形成了独有的深度耦合机制,模型结构紧密又不失灵活性。基于高性能计算环境支持,该模型已经在美国北卡罗来纳州的多个区域进行实验并取得成功。本文主要介绍该模型设计思想、模型组成、关键建模方法,并总结了模型的主要优势,以期为我国城市发展模拟研究提供借鉴。     

多主体系统在城市发展模拟中的应用

多主体系统(Multi-Agent System, MAS)是由多个主体(Agent)组成的松散的网络,每个主体根据其属性和行为规则互相交流、协作甚至竞争。MAS通过模拟和观察大量主体的微观行为来研究系统整体的宏观规律,对复杂系统的演化机理具有更合理、更准确的解释力,因此,MAS在城市发展模拟中有很大的应用前景。本文介绍了多主体系统的基本框架及模拟思路,综述了国内外城市模拟研究中MAS理论的应用现状。重点分析了MAS理论在城市模拟应用中的五个关键课题:即微观个体数据的获取、微观主体的合理选择、主体行为规则的提取和设定、主体之间相互作用的描述与表达、环境变量的提取与导入等,并对相关研究进展进行了综述。研究表明,城市发展预测与政策评价是MAS应用的重点突破方向之一。     

城市与区域定量研究进展

本文系统地梳理了城市与区域的定量研究方法,主要包括数理模型和模拟方法、单个城市增长和动力系统研究、城市系统动力学模型及其发展过程模拟研究、空间一般均衡模型研究以及多模型复合/集成系统研究等。主要结论为：1950年以前的城市与区域研究主要采取时间序列预测法,依靠历史资料的时间数列进行趋势外推研究;1960-1970年代主要采用数理统计分析方法,应用人口统计学模型和线性回归方法进行研究;1970-1980年代,随着系统科学的发展,采用系统分析方法发展了诸如交通、人口、土地等专业模型,展开对城市与区域问题的深入分析;1990-2000年代,研究数据的获取手段得到极大的改善,利用数据模型、地计算分析、模拟预测等分析手段使得研究的深度和广度均有了长足进步。近年来,由于空间数据挖掘的突破,大数据、云计算和巨型模型系统开始进入城市与区域研究领域,多模型复合/集成系统研究成为主要研究方向。     

流域水环境过程综合模拟研究进展

以流域为单元开展水环境多要素、多尺度过程的综合模拟已成为了自然地理学重要研究方向。水环境过程综合模拟模型可定量解析流域系统水环境变化,是流域水环境研究与管理的重要工具。论文围绕流域水环境过程模拟的发展历程和最新进展,梳理总结了流域非点源污染过程和河湖等受纳水体水环境过程模拟的理论方法和模型软件;面向模拟不确定性问题讨论了模型选择、开发与集成、率定验证等流域水环境过程综合模拟建模的关键环节;结合最新的研究进展及相关学科新方法新技术的发展,建议后续研究关注流域自然和人文多过程综合集成模拟(包括流域系统人与水环境耦合模拟、多过程综合集成模拟)以及新方法新技术应用(包括数据同化理论方法创新与应用、高性能计算技术和人工智能技术)。     

空间微观模拟方法及在城市研究中的应用

基于活动主体的城市系统微观模拟可能在未来城市研究中发挥重要作用,但其通常受到微观个体数据稀缺的限制。空间微观模拟方法（spatial microsimulation）主要基于家庭、个人等微观分析单元,通过整合不同层面的数据源,如宏观汇总层面的人口普查统计表以及微观层面的家庭活动日志调查等,合成大样本微观个体数据集,可以在精细化空间尺度上对微观个体行为进行模拟研究。该方法在城市系统微观模拟、空间分析以及政策评估等方面具有一定优势,在西方国家城市研究中的应用逐渐增多,但在国内较为缺乏。本文尝试对空间微观模拟方法的起源、三种核心算法,包括条件概率（conditional probability） 、确定性加权（deterministic reweighting）以及模拟退火（simulated annealing）进行介绍,并从国际层面综述该方法在城市研究,如收入与贫困、交通出行、健康等领域中的应用,为我国相关研究的开展提供借鉴。     

城市系统微观模拟中的个体数据获取新方法

目前自上而下的城市系统宏观模拟并不能解决城市这一复杂系统中出现的部分问题,城市系统微观模拟(如多主体系统MAS) 已经成为城市系统模拟的新思路,其主要是基于个体数据(如个人、家庭、公司或建筑物) 开展的。国际国内这方面的应用都受到个体样本稀缺的限制。微观模拟所需要的个体样本数据是原有的统计制度所不能适应的,尤其是在中国,个体样本在统计公报或年鉴中不公开,仅可通过典型调查来补充。本文旨在探索稀疏数据环境下构建城市系统微观模拟的个体样本数据的新方法。该方法基于已有的多源统计数据、典型调查数据以及个体的通用规则,反演出个体样本的属性信息和空间分布,进而可以以GIS图层的形式直接作为微观模拟的数据基础。通过本方法获取的样本,能够符合已有的统计资料,并遵照了样本的基本特征,可以作为现有数据条件下的微观模拟模型的数据输入。同时该方法的应用简单,统计意义上的准确度高,适合我国统计制度下的微观模拟模型的构建。     

地理系统模拟的CA模型理论探讨

在系统认识和理解地理元胞自动机（CA）模型的基本性质基础上,重点从自然与人文综合的复杂地理系统模拟研究角度,对地理元胞模型所涉及的基本理论与方法问题进行了进一步的探讨。研究表明：从地理系统的模拟看,CA模型的研究和应用提供了一种从地理系统的微观出发、将自然与人文统一的地理系统模拟的新视角与新途径。在此基础上,提出了地理系统模拟的CA模型需要解决的三队基本关系和三个基本科学方法问题。     

基于多智能体系统的城市增长时空动态模拟——以江苏省连云港市为例

城市化是土地利用/覆盖变化中最典型形式之一,探索城市增长的驱动机制并预测其未来变化,对于实现城市可持续发展十分重要。鉴于多智能体系统强大的模拟复杂空间系统的能力,基于联合"自上而下"和"自下而上"决策行为的视角,构建了一个城市增长时空动态模拟多智能体模型,在模型中,宏观Agent实施的"自上而下"的宏观土地利用规划行为和微观Agent自主发起的"自下而上"的微观土地利用空间诉求行为通过二维空间网格相互作用,并通过联合决策共同推动研究区域的城市化进程。以连云港市中心城区为例,考虑了基于目前趋势、经济发展优先和环境保护优先的3种目标情景,并进行了相应的城市增长情景模拟。模拟结果表明:联合"自上而下"和"自下而上"决策行为的城市增长时空动态模拟多智能体模型能够充分发挥多智能体系统的潜力来了解城市化的驱动机制,为城市管理提供基于情景分析的决策支持。     

论城市空间破碎化研究

空间破碎化是城市空间演进的客观现象,表现为城市空间单元碎化、空间分割加强、空间联系弱化和空间整体功能下降,具有空间形态的封闭性、空间联系的阻隔性和空间功能的失配性等特征,是城市品质提升和可持续发展的重要制约因素,是城市空间格局与过程分析的新内容。“空间破碎化”是对“景观破碎化”的拓展和深化,有助于从更为综合整体的空间视角研究城市。“空间破碎化”研究应遵循“格局过程刻画→形成机理分析→调控模式设计”的分析框架,围绕城市空间破碎化的概念、特征、测度、机理、动态模拟和调控模式等内容,采用景观指数、空间句法、多智能体情景模拟和地学信息图谱集成的方法进行多学科融贯的综合分析,可为制定城市发展政策、促进城市发展转型、实现城市可持续发展提供理论指导和方法支撑。     

顾及建设用地聚集与排斥性的城市扩张模拟：以义乌市为例

建设用地在空间上存在相互聚集或排斥的特性,并可能影响到城市扩张格局。本文在厘清建设用地内部以及不同类型建设用地之间聚集与排斥性的基础上,将其纳入到元胞自动机（CA）模型的发展适宜性与邻域影响因子计算中,以此构建顾及建设用地聚集与排斥性的CA-SAE模型,并将其应用于义乌城市扩张模拟的实证分析。结果表明：CA-SAE模型能够有效模拟不同类型建设用地的扩张状况,且模拟精度要优于传统CA模型。同时,多情景的模拟结果也证实了建设用地聚集与排斥性会影响到不同类型建设用地的空间分布及城市扩张形态。本文构建的CA-SAE模型创新性地将建设用地聚集与排斥性纳入到CA模型中,为开展面向不同类型建设用地的城市扩张模拟提供了思路与方法。     

Uncertainty modeling and analysis of surface area calculation based on a regular grid digital elevation model (DEM)

In the field of digital terrain analysis (DTA), the principle and method of uncertainty in surface area calculation (SAC) have not been deeply developed and need to be further studied. This paper considers the uncertainty of data sources from the digital elevation model (DEM) and SAC in DTA to perform the following investigations: (a) truncation error (TE) modeling and analysis, (b) modeling and analysis of SAC propagation error (PE) by using Monte-Carlo simulation techniques and spatial autocorrelation error to simulate DEM uncertainty. The simulation experiments show that (a) without the introduction of the DEM error, higher DEM resolution and lower terrain complexity lead to smaller TE and absolute error (AE); (b) with the introduction of the DEM error, the DEM resolution and terrain complexity influence the AE and standard deviation (SD) of the SAC, but the trends by which the two values change may be not consistent; and (c) the spatial distribution of the introduced random error determines the size and degree of the deviation between the calculated result and the true value of the surface area. This study provides insights regarding the principle and method of uncertainty in SACs in geographic information science (GIScience) and provides guidance to quantify SAC uncertainty.     

城市模型研究的发展趋势及展望

从内容、空间尺度、时间维、综合程度、建模方式、复杂程度和数学方法等方面对目前的城市模型进行了系统的分类。论述了城市模型研究的发展趋势：模型研究内容日益丰富和多元化;从静态模拟到动态模拟发展;从子系统模拟向综合系统模拟发展;遥感和GIS的应用以及与城市模型的集成。对城市模型研究的未来发展进行了展望,认为未来的城市模型开发应基于综合方法的思想,注重加强城市基本理论和多学科交叉研究,强调城市模拟的动态性和综合性。充分借助遥感与GIS等技术手段进行研究。     

中国城市化过程中生态环境研究的文献计量分析

中国城市化过程中生态环境研究成果丰富,总结其演变过程利于把握该领域现状与趋势。本文从城市化文献视角对中国城市化过程中的生态环境研究在研究成果、研究子领域、研究主题、理论和方法等方面进行总结。结果表明,从2005年起中国城市化文献中关于生态环境的研究呈加速增长的态势;资源领域的国土资源和产业子领域,生态领域内经济子领域和环境领域内气候和城市环境子领域受到了较多的关注;＂土地利用＂和＂热岛效应＂一直是最热的关键词,分别占全部关键词出现频次的0.15%和0.09%,＂热岛效应＂和＂气候变化＂则是近期热点;主要理论涉及生态学、数理模型、资源与环境经济学、环境科学等,其中生态足迹理论从2002年起一直占据主流,STIRPAT模型、环境库兹涅茨曲线等综合理论模型是近期热点理论;依方法来源和主要应用领域将1992-2011年主要方法分为4类,即统计类（65.17%）、系统类（13.11%）、机理类（11.79%）和测评类（9.93%）。灰色系统分析和R/S分析近年来常见的方法。由此得出主要结论：中国城市化研究对城市土地利用、城市热岛、气候变化和水资源等大尺度的生态环境问题更加重视,对城市环境健康等微观尺度生态环境问题关注相对不足;以STIRPAT和多种土地利用变化模型为代表,综合自然和经济理论采用系统建模方法评价和模拟城市化过程中的生态环境效应将是未来研究的重点。     

Simulating urban growth by integrating landscape expansion index (LEI) and cellular automata

Traditional urban cellular automata (CA) model can effectively simulate infilling and edge-expansion growth patterns. However, most of these models are incapable of simulating the outlying growth. This paper proposed a novel model called LEI-CA which incorporates landscape expansion index (LEI) with CA to simulate urban growth. Urban growth type is identified by calculating the LEI index of each cell. Case-based reasoning technique is used to discover different transition rules for the adjacent growth type and the outlying growth type, respectively. We applied the LEI-CA model to the simulation of urban growth in Dongguan in southern China. The comparison between logistic-based CA and LEI-CA indicates that the latter can yield a better performance. The LEI-CA model can improve urban simulation accuracy over logistic-based CA by 13.8%, 10.8% and 6.9% in 1993, 1999 and 2005, respectively. Moreover, the outlying growth type hardly exists in the simulation by logistic-based CA, while the proposed LEI-CA model performs well in simulating different urban growth patterns. Our experiments illustrate that the LEI-CA model not only overcomes the deficiencies of traditional CA but might also better understand urban evolution process.     

基于经济社会活动视角的城市空间演化过程模型

中国的快速城市化带来了诸多问题,亟需制定合理有效的城市空间政策以确保城市发展的可持续性。因此,开展城市空间发展过程模拟、实施政策检验对于推进新型城镇化和城市的健康发展具有重要意义。本文基于“土地利用/交通相互作用模型”(Land Use/Transport Interaction Model, LUTI),以经济社会活动为切入点,构建了城市空间演化过程模型(Urban Activity Spatial Evolution Model, UASEM),并进一步给出了UASEM模型各子模型的具体实现和模块之间衔接的逻辑结构,从可操作层面给出了模型的实现方法。该模型可用于模拟城市空间演化过程、检验政策实施等,将成为城市空间可持续发展模拟分析研究的重要工具。     

基于CA-ABM模型的福州城市用地扩张研究

以中国海西地区重要门户福州市为研究区,结合其地理位置多层次约束性条件,以地理加权回归模型作为元胞自动机(CA)层的转换规则,同时以2000-2015年多期LandsatTM/ETM+影像的城市用地情况为参照,借助GIS空间分析技术,对CA和多智能体(ABM)相耦合的城市用地扩张模型进行改进。然后利用传统的和改进后的CA-ABM模型,多角度、多层次地模拟福州市2000年、2005年、2010年、2015年城市用地扩张在微观格局上的变化。结果表明,传统的和改进后的CA-ABM模型的整体精度均在80%以上,模拟结果具有较强的可信度;改进的 CA-ABM模型模拟的点对点总体精度和Kappa系数均高于传统的CA-ABM模型,而且模拟结果更加接近实际的城市用地扩张分布情况。结论可为平衡城市化进程和合理规划城市用地提供重要的理论技术支撑。     

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.     

中国城市休闲商业街区研究进展

随着人们闲暇时间和收入的增长,休闲旅游不断发展,而城市休闲商业街区(RBD)作为城市旅游的重要游憩空间,受到普遍关注.城市RBD是传统商业与旅游业的融合,对于城市旅游业的发展、经济转型、城市形象的提升具有重要意义.本文以知网检索到的与RBD相关的246 篇文献为基础,以论文年发表数量和增长率作为主要的评价依据,首先分析国内RBD研究进程,将其分为起步发展、快速发展、巩固发展3 个阶段,从研究主题、使用方法、研究层次等角度对每个阶段特征进行分析.其次,分析文献内容,对RBD的相关研究方向进行划分,共分为12 大类,并从RBD的相关概念与定义、RBD的特征功能与分类、形成机制与过程、空间结构与布局、RBD发展对城市的影响、RBD的旅游形象与游客体验感知、RBD的开发与规划7 个方面对国内RBD研究现状进行了综述.最后对RBD的研究中存在的问题进行总结,其中,概念定义的统一、深化案例研究、细化研究方向、提炼理论层次、应用定量化研究方法、建立评价指标体系等都是今后的研究中应加强的环节,并对今后的研究方向和重点进行展望.     

"土地整理理论"初探

土地整理已成为土地科学的一个新的学科“生长点”，该文借鉴土地科学的相关理论基础，结合目前我国土地整理工作的任务与实践，探讨土地整理的理论：阶段理论、市场理论、广域理论、区域差异理论、效益统一理论、人居环境理论。     

GIS-based stochastic modeling of physical accessibility using GPS-based floating car data and Monte Carlo simulation

The term physical accessibility has long been used by geographers, economists, and urban planners and reflects the relative ease of access to/from several urban/rural services by considering the traveling costs. Numerous accessibility measures, ranging from simple to sophisticated, can be observed in the geographical information systems (GIS)-based accessibility modeling literature. However, these measures are generally calculated from a constant catchment boundary (a most likely or average catchment boundary) based on constant deterministic transportation costs. This is one of the fundamental shortcomings of the current GIS-based accessibility modeling and creates uncertainty about the accuracy and reliability of the accessibility measures, especially when highly variable speeds in road segments are considered. The development of a new stochastic approach by using global positioning system (GPS)-based floating car data and Monte Carlo simulation (MCS) technique could enable handling the variations in transportation costs in a probabilistic manner and help to consider all possible catchment boundaries, instead of one average catchment boundary, in accessibility modeling process. Therefore, this article proposes a stochastic methodology for GIS-based accessibility modeling by using GPS-based floating car data and MCS technique. The proposed methodology is illustrated with a case study on medical emergency service accessibility in Eskisehir, Turkey. Moreover, deterministic and stochastic accessibility models are compared to demonstrate the differences between the models. The proposed model could provide better decision support for the decision-makers who are supposed to deal with accessibility, location/allocation, and service/catchment area related issues.