基于关系数据库的CA模型扩展和时空模拟实验研究

具备时空计算特征的元胞自动机 (CA)模型与地理信息系统 (GIS)集成在地理过程模拟方面具有很大的优势 ,但标准CA在邻居规则等方面的严格定义制约了CA对真实世界的模拟能力。在分析了元胞空间关系和元胞邻居描述的基础上 ,该文提出元胞邻居不仅存在几何空间上的邻接形式 ,还存在空间上不邻接但属性上相关的邻居形式。传统思路的模型扩展很难完全解决CA的局限性 ,基于关系数据库来定义和选择元胞邻居是一种有益的理论尝试。以时空为载体的文化革新扩散系统具有多空间扩散形式和遗传特征 ,相对于标准CA基于关系数据库的CA扩展模型可以更真实地对其进行时空模拟 ,笔者以服装传播为典型案例做实验研究 ,取得了比较满意的实验结果。认为基于关系数据库的CA扩展模型比较适用于具有多空间扩散形式的复杂系统的过程模拟。     

基于关系数据库的CA模型扩展和时空模拟实验研究

具备时空计算特征的元胞自动机（CA）模型与地理信息系统（GIS）集成在地理过程模拟方面具有很大的优势，但标准CA在邻居规则等方面的严格定义制约了CA对真实世界的模拟能力，在分析了元胞空间关系和元胞邻居描述的基础上，该文提出元胞邻居不仅存在几何空间上的邻接形式，还存在空间上不邻接但属性上相关的邻居形式，传统思路的模型扩展很难完全解决CA的局限性，基于关系数据库来定义和选择元胞邻居是一种有益的理论尝试，以时空为载体的文化革新扩散系统具有多空间扩散形式和遗传特征，相对于标准CA基于关系数据库的CA扩展模型可以更真实地对其进行时空模拟，笔者以服装传播为典型案例做实验研究，取得了比较满意的实验结果，认为基于关系数据库的CA扩展模型比较适用于具有多空间扩散形式的复杂系统的过程模拟。     

权衡生态安全与城市扩展模拟的山地城市增长边界划定

进行城市空间增长边界模拟研究,对区域有序开发土地资源和有效保护生态效益具有重要意义.传统方法未考虑到现实约束下生态需求对城市扩展的影响,缺乏一定的客观评价.本文以2005年和2015年两期城镇建设用地数据为基础,从协调城市扩展与生态安全的视角出发,借助ArcGIS平台构建改进CA模型,模拟了2025年万州城区的城镇用地...     

大都市区城市扩展模型- 以北京城市扩展模拟为例

在分析大都市区城市扩展特征的基础上,从宏观外部约束性因素和局部城市单元自身扩展能力变化共同作用影响城市发展演变的角度,构建了一个模拟和预测大都市区城市发展演变过程的城市扩展模型 (City Expanding Model in Metropolitan Area; CEM)。首先对北京1975~1997年的城市发展过程进行模拟重建,然后在此基础上从城镇用地数量最优和位置最佳相结合的角度对北京2005~2015年的城市发展格局进行了预测。结果表明,在对各种影响因素进行严格标准化并利用自适应Monte-Carlo方法多次模拟确定最佳影响权重的基础上,该模型可以在一定程度上反映城市发展,尤其是大都市区城市发展演变的特征和规律。     

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。     

基于局部化转换规则的元胞自动机土地利用模型

传统土地利用元胞自动机(Cellular automata,CA)模型基于空间同质性假设,使用全局性模型建立元胞转换规则,忽略了土地利用变化驱动因素的驱动作用在空间上的变化。以美国佛罗里达州的橙县(Orange County)2003-2009年土地利用变化为例,提出了基于局部化转化规则的CA土地利用模型,其中元胞的土地利用类型适宜性由地理加权多项logit模型(Geographically weighted multinomial logit,GWML)获得。结果表明:GWML模型较传统全局性多项logit(Multinomial logit,MNL)模型有更高的数据解释能力。基于GWML模型的土地利用CA模型能反映局部土地利用变化模式,因而较基于MNL模型的CA模型具有更高的模拟精度。所得结论对未来国内地区的研究有借鉴意义。     

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%)。     

城镇化与生态环境耦合动态模拟模型研究进展

按照地理学科发展趋势,对城镇化与生态环境耦合的研究将由定量描述转入动态模拟。目前,城镇化与生态环境耦合动态模拟模型呈现多元化。论文系统梳理了其中4类常见的动态模拟模型,包括城镇化与生态环境耦合系统动力学模型、基于人工智能算法的城镇化与生态环境耦合动态模拟模型、基于土地利用变化的城镇化与生态环境耦合动态模拟模型以及基于多模型集成的城镇化与生态环境耦合复合模型。主要结论如下：系统动力学模型被广泛应用于城市复杂系统、城市转型和可持续发展以及城镇化与生态环境单要素耦合的动态模拟之中,但存在空间解释不足以及忽视系统自适应性等问题;人工智能算法(ANN和BN)在自学习、自组织、自适应系统或不确定性系统模拟中具有显著优势,并被应用于城市扩张、环境变化、资源需求以及生态脆弱性的识别之中,但应用面相对狭窄且限制条件偏多;土地利用变化模型(CLUE/CLUE-S、CA和MAS)局限于从土地城镇化视角模拟城镇化与生态环境耦合;基于多模型集成的复合模型实现了各模型之间的优势互补,已成为城镇化与生态环境耦合动态模拟模型的发展趋势。今后,应从技术和理论2个层面实现城镇化与生态环境耦合动态模拟模型的进一步发展,并加强对微观过程的模拟。     

基于GA复合模型的城市空间演变研究

介绍了元胞自动机（CA）模型、马尔柯夫（MARKOV）和层次分析（AHP）的概念和原理,在分析城市空间演化过程和模型特点的基础上,对标准CA模型进行扩展,构造出CA-MARKOV-AHP复合模型.在GIS和基础地理信息数据库的支持下,对广东江门城市空间的演变进行模拟和预测.     

大尺度和精细化城市扩展CA的理论与方法探讨

城市模型研究存在两个必然趋势:研究单元由粗糙单元向精细单元转变,研究范围由单个城市向城市群、整个国家乃至全球转变,但在大地理区域上建立精细化的城市模拟模型,兼顾大地理尺度和基本空间单元仍存在较大的难题,它对当前地理模拟的计算能力、数据质量和理论方法等都提出了新的要求。在此背景下,该文从理论、方法和应用研究上总结近年来城市扩展CA领域取得的重要进展和呈现的新特征,并提出构建大尺度和精细化城市模型的关键技术及亟待解决的主要问题,以满足未来城市模型在大数据量和高精度方面的要求。研究得出以下结论:1)耦合CA模型与城市空间相互作用模型,可弥补城市扩展CA在表达城市网络空间联系与交互作用上的不足;2)丰富的带有地理位置信息的地理时空大数据,为开展大尺度和精细化城市扩展模拟研究创造前所未有的机遇;3)设计高性能地理元胞并行技术,可为大尺度和精细化城市CA计算提供高效运算工具;4)有必要探究地理时空数据和地理模拟过程的可靠性,实现对现实世界更为准确的模拟与预测。     

长三角地区城市土地利用与生态环境效应的交互作用机制研究

论文以“长江三角洲城市经济协调会”内16个核心成员城市作为典型案例,构建城市土地利用与生态环境效应评价指标体系,运用灰色关联评价模型探究2000—2015年间城市土地利用与生态环境效应的时空演变规律与耦合度变化,解析系统间交互作用机制。结果表明：① 长三角地区城市土地利用指数不断增加,社会经济发展与土地利用开发均起到正向促进作用。社会经济发展对城市生产、生活空间和环境质量产生更多需求,建设用地扩张、耕地面积被侵占、人口承载增大也是导致城市土地利用指数上升的重要因素。② 区域生态环境质量整体表现平稳,效应映射到空间上,变化幅度与演变特征明显。浙江省的城市生态环境质量高于上海与江苏的城市,这与环境自净能力、污染处理设施建设以及生态保护理念的宣传等因素相关。③ 城市土地利用与生态环境效应耦合度较低的城市占多数,处于失调状态。城镇化进程中用地扩张呈现低密度、分散化倾向,对生态安全和环境质量扰动强烈,导致城市土地利用与生态环境保护的空间偏离度加大。④ 城市土地利用系统与生态环境系统各要素间存在较强的相互作用关系,要素胁迫与约束作用强度大小差异明显。     

多智能体城市土地扩张模型及其应用

传统的城市土地扩张模型多为静态模型,无法呈现空间上每一时间点的土地利用状况,以元胞自动机（Cellular Automata）模型为代表的新型城市土地扩张模型虽然具有动态特性,但其无法描述影响城市土地扩张的智能体（Agent）之间所产生的多元变化结果。以多智能体系统（Multi—Agent System）理论为基础,建立城市土地资源时间和空间配置规则,构建了动态且能描述影响城市土地扩张的智能体（Agent）间互动关系的城市土地扩张模型,并以长沙市区为例,应用所构建之模型进行了城市土地扩张的实证分析。结果表明：该模型可以反映城市土地扩张的基本特征和规律．对于解释城市土地扩张的成因、理解智能体行为对城市土地扩张过程的影响是合适的。并且将模拟结果与遥感土地利用解译结果对比．1998年、2001年、2005年城市土地扩张模拟的点对点精度均达到68％以上,从而能够为政府和城市规划者制定用地政策提供辅助决策支持。     

Modeling different urban growth patterns based on the evolution of urban form: A case study from Huangpi,Central China

Spatial patterns of urban expansion mainly include infilling, edge expansion, and outlying growth patterns. The cellular automata (CA) model, is an important spatio-temporal dynamic model and effectively simulates infilling and edge-expansion urban expansion. but is evidently lacking in outlying scenarios. In addition, CA cannot explain the causes and processes of urban land expansion. Given these limitations, we proposed a novel urban expansion model called simulation model of different urban growth pattern (SMDUGP), which can work well in both adjacent (i.e., infilling and edge expansion) and outlying growth patterns. SMDUGP has two main components. First, we divided the non-urban region into two categories, namely, candidate region for adjacent pattern urban growth (CRFAP) and candidate region for outlying pattern urban growth (CRFOP). Second, different methods were utilized to simulate urban expansion in the different categories. In CRFAP, a CA model based on the potential of urban growth was proposed to simulate urban growth in relatively randomly selected urban growth regions based on the discrete selection model and Monte Carlo method as the expansion area was implemented in CRFOP. Huangpi, a suburban area in Wuhan, is utilized as the case study area to simulate the spatial and temporal dynamics of urban growth from 2004 to 2024. SMDUGP can effectively simulate outlying urban growth with a highly improved simulation precision compared with the traditional CA model and can explain the causes and processes of urban land expansion.     

长三角城市土地扩张与人口增长耦合态势及其驱动机制

长三角是中国城市土地快速变动和人口快速集聚的热点地区,厘清并协调城市土地扩张与人口增长间的关系,对统筹区域土地资源合理配置,调控人口流动及实现新型城镇化意义重大。以长三角16个城市为研究对象,采用重心耦合模型和基于人均约束性构建的协调性系数,对1994-2012年城市土地扩张与人口增长的总体耦合态势及演变、空间耦合特征及格局进行分析,并探讨影响城市土地扩张与人口增长耦合的驱动机制。结果表明：① 长三角城市土地扩张速度整体快于人口增长速度,二者增长具有明显的阶段特征和显著的空间差异特征。② 长三角城市土地扩张与人口增长耦合关系处于不断变化过程中,人地耦合关系整体上呈现出增强—减弱—增强的态势,土地重心与人口重心间的距离不断缩小,土地扩张与人口增长间协调性逐步增强;城市土地扩张与人口增长空间耦合类型中,人口过快增长型和人地基本协调型数量有所减少,但其在空间分布上呈现集中的趋势;土地快速扩张型的数量有所增加,在空间上呈现扩散的趋势,各城市人地配置协调程度不高。③ 经济发展、产业结构升级调整、交通发展与区位条件变化、政策因素等是影响长三角城市土地扩张与人口增长及其耦合变化的重要驱动因素。     

基于路网分割的京津冀城乡空间识别及特征分析

提出一种基于路网分割应用于区域尺度快速识别城乡边界的方法。该方法利用路网与城市空间格局的强耦合联系,通过城乡斑块地理分割与精度计算确定城市斑块的最优解,识别区域城乡空间。以京津冀为例开展方法验证,分析了区域城乡空间格局、路网特征及城市用地经济效率。结果表明,该方法识别精度较高,可用于低成本、快速、高效的区域城乡空间识别;京津冀城市空间格局呈现“大京津、小河北”的差异性,路网密度特征呈现京、津、石3个显著的高密度区域,二者存在高耦合性;2015年该区域城市用地经济效益总体良好,石家庄、保定、和承德3市综合效率值欠佳,需进一步提高土地利用效率。     

2002-2012年长春市城市功能空间耦合研究

以长春市多年用地现状图和统计资料为数据源,以ArcGIS和SPSS软件为分析工具,引入静态耦合度和动态耦合度概念,从居住空间视角对长春市城市功能空间耦合的空间差异特征进行了动态研究,分析了城市功能空间耦合的动力机制。研究发现：① 长春市城市空间扩展仍未摆脱圈层扩张的窠臼,居住空间表现出过高的扩张强度,是城市功能空间低耦合近域扩展的重要原因;② 城市功能空间耦合的地域差异显著,核心区动、静态耦合度均高于外围,城市功能空间处于重构期,外围则处于低耦合的快速扩张状态;③选取耦合度指标通过聚类分析方法将中心城区划分为高耦合比较成熟、高耦合趋于成熟、高耦合新兴、低耦合比较稳定、低耦合新兴和低耦合特殊城市功能空间六类。     

城市扩张情景模拟及对城市形态与体系的影响——以广西西江经济带为例

针对区域层面城市扩张模拟研究的缺失,以快速城市化的广西西江经济带为案例区,构建了生态重要性和土地开发建设适宜性两种扩张情景;借助最小累积阻力模型对经济带内主要城市的扩张进行情景模拟,进而分析城市扩张对其形态和位序-规模特征的影响,揭示不同情境间的差异。结果表明,随着扩张强度增加,城市形态趋于紧凑和稳定,城市位序-规模发生变化。对比两种情景,生态重要性情境下,新增建设用地的分配相对均匀,首位城市发生变化,首位度明显下降,城市扩张方式多样,形态较为复杂、松散,内部各城市之间形状差异较大;土地开发建设适宜性情景下,大中城市扩张速度较快,首位城市保持不变,其首位度略有下降,城市扩张以外延式和填充式扩张为主,形态相对紧凑、规则,各城市间形状差异较小。研究认为基于生态重要性的城市扩张情景有利于减少重要生态空间占用、维护城市生态系统健康、合理调控城市体系结构,是一种更加可持续的扩张方式。     

基于CA模型的乌鲁木齐都市圈城市用地扩展模拟研究

借助CA模型技术,基于乌鲁木齐都市圈城市用地发展的特点,构建了模拟多个城市群体扩展的CA模型,重点对模型的转换规则进行了扩展,把用地适宜性约束、城市内部社会经济驱动、城市之间相互作用力、区域生态格局限制、城市发展规模有限这几个方面的作用机制融入到模型的规则制定中,通过宏观约束、中观调节、微观驱动3个层次逐步实现;为了使社会经济数据与CA模型中的空间数据相匹配,对社会经济数据进行了空间化表达;在历史数据的参照下,所构建的模型经过反复调试与修正,模拟结果达到了较为满意的效果;应用此模型模拟了经济优先、生态优先与规划优先3种不同情景下的城市用地扩展,对都市圈城市用地今后的发展起到重要的启示作用。     

北京市城区扩展的空间格局与影响因素

2000年以来北京市持续推进产业结构升级,由此引发了经济活动的空间重构,伴随着住宅郊区化、职住分离以及交通基础设施的配套建设,将引起新一轮城市空间扩展。构建顾及综合可达性因素、邻域因素、自然因素、规划因素以及社会经济因素的城市空间扩展模型,分析诊断北京城区扩展进程中的主要影响因素及问题,从而为指导与管治北京市城市空间的有序扩展提供科学支撑。研究表明：① 综合交通静态可达性（单一年份）与城市扩展呈显著负相关;综合交通动态可达性（年份之间的可达性变化）则在引导北京市城市空间发展方面并无显著影响。② 邻域建设用地百分比与城市扩展呈正相关,而农用地、林业用地及水域用地的比例将减少土地开发的概率。③ 城市总体规划在指导城市空间扩展的纲领性地位逐渐受到重视,其对城区扩展的影响程度最为显著。④ 常住人口的分布现状、第二产业企业数量、第三产业企业数量分布现状对土地开发无显著影响。⑤ 认为北京市静态可达性与土地利用变化呈负相关,即可达性条件较差的地区,土地开发的可能性越小,这与北京市“摊大饼式”空间蔓延和居住郊区化的发展现实相符;北京市动态可达性与土地利用变化亦呈负相关,表明可达性提高程度越大的区域并不一定带来更高的土地开发几率,这从侧面传递了沿着既有建成区进行土地扩展的概率远远大于由于诸如轨道交通建设而带来可达性极大改善区域的概率。因此,重视与发挥综合交通动态可达性指标对城市扩展的引导作用,将是有效破解城市蔓延式扩张、优化城市扩展的重要手段。