基于自主体(agent)的单中心城市化动态模拟

构建了基于自主体(agent)的单中心城市化模拟模型,实现了一个人工可控的计算实验环境。围绕人口流动、扩大内需、集聚效应等城市化进程的影响因素以及城市化与工业化关系展开模拟分析和讨论。研究表明:(1)城乡消费倾向扩大有助于城市与农村地区收入的提高,也有助于提高城市化水平;(2)随着集聚过程的负效应增大,城市化水平相应下降,甚至不可持续;(3)城市化与工业化具有较强的相关性,经济结构比值随着城市化水平上升而不断提高,而且工业化进程要快于城市化过程。本文认为,基于自主体建模为研究和揭示我国城市化过程的动态规律和驱动机制提供了一条新的途径。我国城市化研究需要结合转型时期的基本国情,探索演绎分析、计算实验以及实证研究相结合的技术路线。     

城市工业空间增长的多智能体模型

城市工业及基本就业空间的增长,是城市空间增长的动力源.有效模拟和预测城市基本就业空间的增长,对城市整体空间增长和城市系统的调控有着重要的作用.以城市工业及基本就业空间增长的决策主体--工业企业商和政府决策者,作为多智能体,通过多智能体之间的交流、竞争和协作,多智能体和环境间的交互作用,决定已存在工业区位的迁移和新工业空间区位的选择,形成城市工业及基本就业空间增长的动态微观模型.以珠江三角洲东部城市快速发展的樟木头镇为例,采用提出的方法模拟了该地区1988-2004年的工业及基本就业空间增长,获得了良好的模拟结果.     

土地利用动态模拟模型的构建及其应用——以北京市海淀区为例

CLUE-S模型是一个基于经验统计原理的模拟多土地利用类型空间变化的动态模拟模型,它在世界多个国家和地区的区域尺度农业、森林为主的土地利用变化模拟中得到应用。作者对CLUE-S模型进行了改进,改进后的模型 (CLUE-SII) 引入了动态计算的邻域分析因子,可以对土地利用变化中的自发过程、自组织过程和土地利用类型间的竞争进行模拟,还可以根据研究区域特点构建不同的模拟方案,在这些模拟方案中,局地因子和邻域因子在土地利用变化中的作用方式不同。应用CLUE-SII对北京市海淀区1991~2001年土地利用变化进行了多方案模拟,结果表明邻域因子对城镇用地变化具有重要作用,其中将邻域因子看作自发过程放大因子的模拟方案获得了较好的模拟结果,整图符合比达到77%,其中城镇用地符合比达到82%,Kappa值达到0.754。CLUE-SII在北京市海淀区的应用实例表明,该模型可以对高分辨率和多土地利用类型下的城市扩展进行有效模拟,扩展了CLUE-S的应用领域;通过构建多模拟方案,不但可以探索最佳的模拟结果,还可以研究和分析不同土地利用驱动因子在土地利用变化中的作用模式。     

国外城市系统智能体模型的科学计量分析

智能体模型用于自下而上模拟城市系统.当前综述性研究多关注其原理和缺陷等,而对研究内容演化的梳理尚不够细致.故运用主路径和冲积图分析,基于文献引用网络和关键词共现网络,梳理了国外城市系统智能体模型的研究脉络.结果 表明,土地利用是核心研究领域,居住隔离、城市增长和交通等亦是重要应用主题;元胞自动机、网络分析等方法在200...     

基于agent的商业中心地空间结构动态模拟

以克里斯泰勒提出的中心地空间结构为研究对象,回顾和总结了中心地理论的主要内容、理论发展和实际应用,并以复杂性科学的理论和方法为基础,根据中心地理论假设,提出基于agent建模的两层次agent模型结构,通过遗传算法再现和验证了克氏单一职能的六边形中心地空间格局。模拟表明,微观自主体的相互作用的确可以突现出六边形宏观空间格局,这为以后突破克氏理论中"均质、静态、封闭"的不足提供了新的研究途径。中心地宏观空间结构的微观机理需要进一步结合经济学演绎模型和ABM的计算实验深入研究。     

Defining agents' behaviour based on urban economic theory to simulate complex urban residential dynamics

In recent years, agent-based models (ABMs) have become a prevalent approach for modelling complex urban systems. As a class of bottom-up method, ABMs are capable of simulating the decision-making as well as the multiple interactions of autonomous agents and between agents and the environment. The definition of agents' behaviour is a vital issue in implementing ABMs to simulate urban dynamics. Urban economic theory has provided effective ways to cope with this problem. This theory argues that the formation of urban spatial structure is an endogenous process resulting from the interactions among individual actors that are spatially distributed. However, this theory is used to explain urban phenomena regardless of spatial heterogeneity in most cases. This study combines GIS, ABM and urban economic models to simulate complex urban residential dynamics. The time-extended model is incorporated into an ABM so as to define agents' behaviour on a solid theoretical basis. A spatial variable is defined to address the neighbourhood effect by considering spatial heterogeneity. The proposed model is first verified by the simulation of three scenarios using hypothetical data: (1) single dominated preference; (2) varying preferences on the basis of income level; and (3) spatially heterogeneous environment. Then the model is implemented by simulating the residential dynamics in Guangzhou, China.     

杭州城市蔓延评估体系及其治理对策

在快速城市化中,中国的城市蔓延现象日益突出.在分析城市蔓延的概念和基本特征的基础上,探究了中国城市蔓延与西方城市蔓延的区别,并发现城市蔓延与经济社会的发展息息相关.因此,先从传统的空间形态角度,在借鉴和综合多种西方城市蔓延评估方法的基础上,利用层次分析法来初步构建城市蔓延的评估体系,再从经济社会的角度,运用主成分分析和模糊数学法求出经济发展和社会生活之间的协调度,利用有关协调度的函数来对评估体系的进行修正.然后,具体以杭州市为例进行了实际测算,结果表明杭州的城市蔓延处于较严重的等级,这与从空间形态图上的判断基本一致.最后,在分析杭州城市蔓延产生原因和结合我国实际的基础上,对城市蔓延问题的治理机制进行了初步探讨,从经济增长模式、投资模式、征地补偿、城市交通和规划制定与实施等多个方面提出了相应的政策建议.     

Agent-based modeling within a cyberinfrastructure environment: a service-oriented computing approach

Agent-based models (ABM) allow for the bottom-up simulation of dynamics in complex adaptive spatial systems through the explicit representation of pattern–process interactions. This bottom-up simulation, however, has been identified as both data- and computing-intensive. While cyberinfrastrucutre provides such support for intensive computation, the appropriate management and use of cyberinfrastructure (CI)-enabled computing resources for ABM raise a challenging and intriguing issue. To gain insight into this issue, in this article we present a service-oriented simulation framework that supports spatially explicit agent-based modeling within a CI environment. This framework is designed at three levels: intermodel, intrasimulation, and individual. Functionalities at these levels are encapsulated into services, each of which is an assembly of new or existing services. Services at the intermodel and intrasimulation levels are suitable for generic ABM; individual-level services are designed specifically for modeling intelligent agents. The service-oriented simulation framework enables the integration of domain-specific functionalities for ABM and allows access to high-performance and distributed computing resources to perform simulation tasks that are often computationally intensive. We used a case study to investigate the utility of the framework in enabling agent-based modeling within a CI environment. We conducted experiments using supercomputing resources on the TeraGrid – a key element of the US CI. It is indicated that the service-oriented framework facilitates the leverage of CI-enabled resources for computationally intensive agent-based modeling.     

Simulation of spatial population dynamics based on labor economics and multi-agent systems: a case study on a rapidly developing manufacturing metropolis

Spatial population dynamics affects resource allocation in urban planning. Simulation of population dynamics can provide useful information to urban planning for rapidly developing manufacturing metropolises. In such a metropolis with a concentration of immigrant labor forces, individual employment choices could have a significant effect on their residential decisions. There remains a need for an efficient method, which can simulate spatial population dynamics by considering the interactions between employment and residential choices. This article proposes an agent-based model for simulation of spatial population dynamics by addressing the influence of labor market on individual residential decisions. Labor economics theory is incorporated into a multi-agent system in this model. The long-term equilibrium process of labor market is established to define the interactions between labor supply and labor demand. An agent-based approach is adopted to simulate the economic behaviors and residential decisions of population individuals. The residential decisions of individuals would eventually have consequences on spatial population dynamics. The proposed model has been verified by the spatial dynamics simulation (2007 to 2010) of Dongguan, an emerging and renowned manufacturing metropolis in the Pearl River Delta, China. The results indicate that the simulated population size and spatial distribution of each town in Dongguan are close to those obtained from census data. The proposed model is also applied to predict spatial population dynamics based on two economic planning scenarios in Dongguan from 2010 to2015. The predicted results provide insights into the population dynamics of this fast-growing region.     

广州市海珠区高密度城区扩展SLEUTH模型模拟

高密度城区是城市的核心区,也是城区扩展的源,对该区域的精确识别以及扩展模拟研究,具有重要的意义与价值。以广州市海珠区1979、1990、2000、2008 年4 期Landsat 影像为数据源,运用非渗透表面端元选取模型(V-I-S) 与归一化混合光谱分析模型(NSMA) 相结合的方法,辅以单窗算法反演地表温度数据(LST),高精度提取非渗透表面丰度,进而设置合适阈值表征研究区高密度城区范围。在此基础上基于SLEUTH模型设置4 种场景模拟和预测海珠区高密度城区扩展,并用景观指数分析方法对研究区1979-2050 年长达70 年的空间扩展状况进行分析。主要结论为：① SLEUTH模型同样适用于小尺度区域的扩展模拟。② SLEUTH模型模拟中基于自然、人文以及城市扩展内在动力机制等条件参数的设置,促使模拟结果精度更高。③ SLEUTH模型模拟结果表明,自1979 至今,海珠区高密度城区以较快扩展速率扩张,尤以1990-2004 年间变动增长最快;未来的20 年其增长速率减缓,并于2030 年前后趋于稳定。这种扩张格局与变化状况与研究区产业结构、经济政策、土地规划决策等因素密不可分。     

城市养老设施配置的微观模拟与规划政策分析——以北京市为例

养老设施规划配置的关键应着眼于老年群体对养老服务的差异化需求及其动态变化特征。本文提出了基于多主体模拟的理论框架,并通过对前期研究的梳理,归纳出养老机构配置问题中需要考虑的老年人、养老机构等主体的时间变异和空间差异特征、其行为规则以及他们与环境之间的相互作用规律。在此基础上,以北京市为例构建了多主体微观模拟模型,对2010-2030年间养老机构需求与供给态势进行了预测,并讨论了养老设施布局的评估指标,通过设施利用率、百人床位数和空间匹配度等指标,对北京市养老服务设施的规划政策进行了评估。研究表明,多智能体模拟技术对把握人口动向及养老服务需求的不确定性和动态变化特征而言是一个十分有效的研究工具,能够很好地体现各种要素的空间属性。对于北京市的“9064”养老服务规划和养老设施专项规划的分析表明,如果仅仅对养老模式的分担比例和百人床位数进行控制,而忽视对空间布局的管控,养老机构床位空置率有可能出现继续上升的趋势,为此,必须制定城市中心区养老机构的比例,同时对养老机构的定价、选址和服务质量采取必要的管控措施。     

Assimilating process context information of cellular automata into change detection for monitoring land use changes

This article presents a new method of assimilating process context information into change detection for monitoring land use changes. The accurate information about land use changes is important for implementing many global and regional environmental models. Two types of models have been independently developed to obtain such information, including change detection models (e.g. pixel-to-pixel comparison, post-classification comparison and object-based change analysis) and simulation models (e.g. cellular automata (CA) and agent-based modelling). These models may have limitations in capturing land use dynamics when used alone. In this study, the ensemble Kalman filter is used to obtain the best estimate of land use changes by combining remote-sensing observations with urban simulation. Urban simulation is able to provide process context information such as diffusion and coalescence of urban development. This type of complementary information is useful for improving the performance of change detection. Compared with traditional change detection models, this integrated model has the potential to improve the performance of change detection in terms of accuracies and landscape metrics. For example, the assimilating (MLC + CA) method can show improvement of the total accuracy and the kappa coefficient by 2.5–5.2% and 3.6–7.4%, respectively, in this study.     

基于空间句法耦合SLEUTH模型的新老城区扩展模拟研究——以开封市为例

在快速城镇化背景下,历史文化名城常扩建新区并形成新老城区联动发展格局,新建城区以"飞地"形式扩张,不易被传统的元胞自动机方法准确模拟.空间句法是基于空间拓扑的整体性交通网络研究方法,其自上而下的建模策略与元胞自动机自下而上的邻域转换规则起到了互补,两种模型相结合提供了解决上述问题的途径.本文在验证交通土地空间关联的基础...     

基于垄断竞争的大都市商业空间结构动态模拟

本文构建了一个基于垄断竞争、规模经济、交通成本、消费者多样化偏好以及商品和服务差异化的大都市两区域商业空间结构模型。提出了经济学演绎模型与基于agent 的计算实验相结合的研究路径,通过对商家、消费者等大量微观自主体(agent) 的相互作用来“动态地”观察和讨论大都市新、老城区宏观商业空间结构的微观基础、影响因素和演化过程。研究结果表明,①在商品和服务替代性、购物交通成本设定的情形下,新、老城区商业固定成本投入差距越大,则商业空间分布越不均衡,越易形成核心-边缘结构。② 由于居民的消费存在多样化偏好,因此强化区域间的差异性有助于改变商业的市场份额。③ 商业往往集聚在具有区位优势、人口规模优势以及固定成本优势的地区,而且交通条件的改善将加速商业的空间集聚。研究认为,空间经济学演绎模型与推导→基于agent 的地理计算→实证分析与计量检验是一个值得探索的技术路线。     

广州市的蔓延机理与调控

城市蔓延给城市的合理发展带来多方面的危害。广州市自20世纪80年代以来,城市蔓延日趋严重。大型项目的建设、城市机动化与快速交通的发展、外围地区房地产的发展以及行政区划的调整等多种因素,都不同程度地导致了广州的城市蔓延。广州现行的城市发展政策与空间策略并不能很好地起到控制城市蔓延的作用。要遏制城市的继续蔓延,需要运用精明增长的理念,注重提高增长的质量,尽快制定明确的城市增长边界,严格控制外围郊区大型房地产的发展,并防止城市的过度机动化。     

长江三角洲地区城市空间扩展研究

城市化是建设用地扩展的主要驱动因素,分析建设用地时空演化格局已成为学者研究城市化过程的重要视角。采用空间自相关等方法,测度了1985年以来长江三角洲地区城市空间扩展的集聚特征并分析其演变过程;并结合格网建设用地密度频率的变化特点,将空间划分为不同的景观梯度地带,以此研究城市空间在不同地带中的扩展特点。研究结果表明,长三角城市空间扩展聚集程度先降后升,城市化区域融合趋势明显,并在城市空间扩展中表现出以上海、南京和苏州等为代表的3种模式,反应了长三角内部不同的经济发展特点。此外,在不同景观梯度下,长三角城市空间扩展表现出典型的阶段性特征。2000年以前在各个景观梯度下城市空间扩展差异较小,表现为较强的拓展性扩展;2000年以后,在城市核心区扩展强度加强,表现为填充式扩展加快。同时,城乡过渡区面积增加迅速,表明随着城市空间扩展的加速,长江三角洲地区城市土地不集约利用现象已较为突出。     

基于多智能体的就业与居住空间演化多情景模拟——快速工业化区域研究

就业与居住空间关系是城市规划与管理研究的热点问题。已有研究主要基于传统宏观模型对就业—居住空间结构进行现状分析或对城市理论进行实证研究,在微观尺度的机制探讨与过程模拟方面较为缺乏。本文基于多智能体自下而上的建模思想,提出基于就业市场的人口居住区位选择模型(Labor Market Based Model of Residential Location-LMBMRL)。以典型的快速工业化地区—东莞市主城区为实验区,通过多情景模拟对就业与居住空间的互动关系进行机制探讨与过程分析。模拟结果充分反映了就业选择对人口居住区位决策的影响,定量评估了住房与交通对职住空间均衡性与职住分离的影响规律。当住房成本提高时,城市职住均衡性降低;当交通可达性提高时,城市空间结构可能出现较为显著的职住分离现象。最后通过多情景模拟揭示不同行业劳动人口群体的就业—居住空间特征与组织模式。研究结果有助于深刻理解城市就业—居住空间互动关系及其内部因果,能够为城市规划与管理提供决策参考。     

Urban expansion in Auckland,New Zealand: a GIS simulation via an intelligent self-adapting multiscale agent-based model

ABSTRACT

Abstract: When modelling urban expansion dynamics, cellular automata models focus mostly on the physical environments and cell neighbours, but ignore the ‘human’ aspect of the allocation of urban expansion cells. This limitation is overcome here using an intelligent self-adapting multiscale agent-based model. To simulate the urban expansion of Auckland, New Zealand, a total of 15 urban expansion drivers/constraints were considered over two periods (2000–2005, 2005–2010). The modelling takes into consideration both a macro-scale agent (government) and micro-scale agents (residents of three income levels), and their multi-level interactions. In order to achieve reliable simulation results, ABM was coupled with an artificial neural network to reveal the learning process and heterogeneity of the multi-sub-residential agents. The ANN-ABM accurately simulated the urban expansion of Auckland at both the global and local scales, with kappa simulation value at 0.48 and 0.55, respectively. The validated simulation result shows that the intelligent and self-adapting ANN-ABM approach is more accurate than an ABM with a general type of agent model (kappa simulation = 0.42) at the global scale, and more accurate than an ANN-based CA model (kappa simulation = 0.47) at the local scale. Simulation inaccuracy stems mostly from the outdated master land use plan.     

我国城市蔓延概念的界定与思考

对国内外城市蔓延概念的界定研究进行综述,归纳了近50年来城市蔓延界定的内涵与主要特征。分析发现,多数界定在关注城市蔓延现象本身特征的同时往往包含蔓延的成因与影响后果,进而较为深入地分析了西方蔓延界定的适用性与局限性。结合我国与西方城市蔓延的比较与分析,总结我国城市蔓延的界定标准与核心内容,提出应遵循界定对象明确、严格区分蔓延现象本身与影响后果、特征明晰并易于度量及充分考虑我国蔓延特殊性4个标准。从城市用地扩张的空间形态、用地强度与使用功能、用地的扩张速度3个方面选择核心特征对蔓延进行界定,有助于区分城市内部扩张的合理扩展与蔓延区域,并为蔓延影响与对策等其他相关研究提供理论基础。     

21世纪以来城市蔓延国际研究进展与趋势

基于Web of Science数据库和CiteSpace可视化软件,对21世纪以来城市蔓延国际研究进展与趋势进行知识图谱分析。结果显示：①城市蔓延研究发文量总体呈上升趋势,主要发表在城市类或地理类期刊上;②城市蔓延研究的国家合作较为密切,但机构和作者合作网络较为分散,最活跃的国家、机构和作者分别是美国、中国科学院和萨尔瓦蒂（Salvati）;③以城市、增长、土地利用、城市化、美国、格局、中国、影响、区域、GIS等高频关键词为主线,大致形成了三个不同的研究阶段;④早期研究主要聚焦于城市蔓延单个领域,近期则开始与其他领域（如景观生态、人类健康、土地财政等）相结合。未来研究趋势主要体现在研究领域和合作网络的拓展、研究方法的创新和多尺度研究的增多等方面。