大尺度和精細(xì)化城市擴(kuò)展CA的理論與方法探討

王海軍,夏 暢,劉小平,張安琪,4,朱玨然,王慧霞

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北武漢430079;2.武漢大學(xué)教育部地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430079; 3.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東廣州510275;4.北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院,廣東深圳518055)

大尺度和精細(xì)化城市擴(kuò)展CA的理論與方法探討

王海軍1,2,夏 暢1,劉小平3*,張安琪1,4,朱玨然1,王慧霞1

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北武漢430079;2.武漢大學(xué)教育部地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430079; 3.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東廣州510275;4.北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院,廣東深圳518055)

城市模型研究存在兩個(gè)必然趨勢(shì):研究單元由粗糙單元向精細(xì)單元轉(zhuǎn)變,研究范圍由單個(gè)城市向城市群、整個(gè)國(guó)家乃至全球轉(zhuǎn)變,但在大地理區(qū)域上建立精細(xì)化的城市模擬模型,兼顧大地理尺度和基本空間單元仍存在較大的難題,它對(duì)當(dāng)前地理模擬的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量和理論方法等都提出了新的要求。在此背景下,該文從理論、方法和應(yīng)用研究上總結(jié)近年來(lái)城市擴(kuò)展CA領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展和呈現(xiàn)的新特征,并提出構(gòu)建大尺度和精細(xì)化城市模型的關(guān)鍵技術(shù)及亟待解決的主要問(wèn)題,以滿足未來(lái)城市模型在大數(shù)據(jù)量和高精度方面的要求。研究得出以下結(jié)論:1)耦合CA模型與城市空間相互作用模型,可彌補(bǔ)城市擴(kuò)展CA在表達(dá)城市網(wǎng)絡(luò)空間聯(lián)系與交互作用上的不足;2)豐富的帶有地理位置信息的地理時(shí)空大數(shù)據(jù),為開(kāi)展大尺度和精細(xì)化城市擴(kuò)展模擬研究創(chuàng)造前所未有的機(jī)遇;3)設(shè)計(jì)高性能地理元胞并行技術(shù),可為大尺度和精細(xì)化城市CA計(jì)算提供高效運(yùn)算工具;4)有必要探究地理時(shí)空數(shù)據(jù)和地理模擬過(guò)程的可靠性,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界更為準(zhǔn)確的模擬與預(yù)測(cè)。

城市擴(kuò)展模擬;CA模型;大尺度;精細(xì)單元

0 引言

當(dāng)今世界正處于快速城市化進(jìn)程中,城市化現(xiàn)象已引起廣大學(xué)者的關(guān)注[1-3]。改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)城市化得到高速發(fā)展,城市化水平已由1978年的17.9%增長(zhǎng)到2015年的56.1%。根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃(2014-2020)》,到2020年我國(guó)城市化水平將達(dá)到60%。城市化是人類(lèi)生產(chǎn)和生活活動(dòng)由農(nóng)村不斷向城市轉(zhuǎn)移、城市用地空間向外不斷擴(kuò)大的過(guò)程[4]。城市擴(kuò)展作為城市化過(guò)程中最為直接的表現(xiàn)形式,是隨著城市化而出現(xiàn)的建成區(qū)不斷向外延伸、面積逐漸增加的現(xiàn)象,近年來(lái)成為地理學(xué)界高度關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題[5-7]。在快速城市化的過(guò)程中,我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)的同時(shí),也帶來(lái)了日益嚴(yán)峻的人地矛盾,土地已成為制約人類(lèi)和社會(huì)全面發(fā)展的重要因素[8]。在我國(guó)城市化建設(shè)的新階段,深入研究城市擴(kuò)展過(guò)程的驅(qū)動(dòng)機(jī)制及其演變規(guī)律,對(duì)于促進(jìn)土地資源的合理配置,優(yōu)化城市空間開(kāi)發(fā)格局,實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等都具有重大的理論和實(shí)踐意義。

20世紀(jì)90年代以來(lái),地理計(jì)算(Geo-computation)將計(jì)量地理的研究推進(jìn)了一個(gè)新的時(shí)代,數(shù)學(xué)模型與模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的理念逐漸受到學(xué)者們的重視。元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata,CA)作為一個(gè)離散的動(dòng)力學(xué)模型,在模擬復(fù)雜非線性問(wèn)題上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[9-11],已成為應(yīng)用地理學(xué)等學(xué)科研究的重要工具,在城市擴(kuò)展模擬[12]、圖像分割[13]、林火蔓延[14]和土地利用變化[15-21]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。城市擴(kuò)展是元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域, CA模型作為動(dòng)態(tài)城市空間模型,從微觀角度出發(fā)為地理系統(tǒng)模擬提供了一種新的研究視角[22],克服了傳統(tǒng)靜態(tài)解析性的城市模型的不足,如中心地模型、空間相互作用模型和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等。研究表明,CA模型在模擬具有時(shí)空動(dòng)態(tài)特征的復(fù)雜現(xiàn)象方面具有巨大優(yōu)勢(shì),能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的局部規(guī)則模擬復(fù)雜全局現(xiàn)象且可控性較強(qiáng),特別適合于城市擴(kuò)展及土地利用變化等復(fù)雜系統(tǒng)的模擬[23-25]。

城市用地?cái)U(kuò)展過(guò)程受到自然和人文等因素的綜合影響,其演變過(guò)程具有高度復(fù)雜性。元胞自動(dòng)機(jī)作為研究復(fù)雜系統(tǒng)的一種強(qiáng)有力的時(shí)空動(dòng)態(tài)模擬工具,被廣泛應(yīng)用于城市擴(kuò)展等具有復(fù)雜空間特征的系統(tǒng)模擬研究中,不僅可以再現(xiàn)城市用地演變的歷史格局,還能夠預(yù)測(cè)不同目標(biāo)導(dǎo)向下的未來(lái)城市擴(kuò)展情景[26,27]。進(jìn)入21世紀(jì)后,全球化的加速、信息通信技術(shù)(ICT s)的快速發(fā)展給中國(guó)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、體制帶來(lái)急劇變革[28-30]。中國(guó)作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體,城市化給中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了廣闊的空間,而以城市集群、網(wǎng)絡(luò)化格局為主要形式的快速城市化道路正成為中國(guó)城市發(fā)展的新特征[31]。城市不再是在封閉系統(tǒng)內(nèi)孤立發(fā)展的個(gè)體,研究單個(gè)城市系統(tǒng)難以真實(shí)和完整地反映城市擴(kuò)展過(guò)程的演變規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制,開(kāi)展城市群、整個(gè)國(guó)家乃至全球等更大尺度和范圍的城市擴(kuò)展模擬研究已成為必然趨勢(shì)[31,32]。同時(shí),我國(guó)大城市發(fā)展正逐漸由空間擴(kuò)展轉(zhuǎn)為內(nèi)部改造(如城市更新和舊城改造等),小尺度上的城市空間再開(kāi)發(fā)成為土地利用演變的主要形式[33]。而隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的出現(xiàn),大量帶有地理空間位置信息的城市空間數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)微觀數(shù)據(jù)被獲取、存儲(chǔ)和共享,為開(kāi)展基于精細(xì)地理空間單元的城市模擬研究提供數(shù)據(jù)機(jī)遇[34]。因此當(dāng)前城市模型研究存在兩個(gè)必然趨勢(shì):研究單元由粗糙單元(如超大網(wǎng)格和分區(qū)等大尺度研究單元)向精細(xì)單元(如街區(qū)、地塊、宗地和單體建筑等土地利用的基本空間或?qū)傩缘乩韱卧?轉(zhuǎn)變,研究范圍由單個(gè)城市向城市群、整個(gè)國(guó)家乃至全球轉(zhuǎn)變。但在大地理區(qū)域上建立精細(xì)化的城市模擬模型,兼顧大地理尺度和基本空間單元仍存在較大的困難,它對(duì)當(dāng)前地理模擬的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量和理論方法等都提出了新的要求。在此背景下,本文總結(jié)近年來(lái)城市擴(kuò)展CA研究進(jìn)展,提出構(gòu)建大尺度和精細(xì)化城市模型面臨的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn),以滿足未來(lái)城市擴(kuò)展模擬在大數(shù)據(jù)量和高精度方面的要求。

1 城市擴(kuò)展CA模擬研究現(xiàn)狀

CA模型由美國(guó)T obler院士在20世紀(jì)70年代首次引入城市研究中,并用于模擬美國(guó)五大湖邊底特律地區(qū)城市的迅速擴(kuò)展[35]。之后美國(guó)Helen Couclelis教授對(duì)CA模型在城市模擬中的理論框架、應(yīng)用能力與前景作了系統(tǒng)深入的理論分析[36,37],這些研究開(kāi)啟了元胞自動(dòng)機(jī)模型在城市擴(kuò)展領(lǐng)域應(yīng)用的先河。隨后White[38,39]、Batty[40]、Clarke[41]、Takeyama[42]和Wu[43]等先后展開(kāi)了大量城市CA研究工作,拓展了CA模型的理論框架和應(yīng)用。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展,CA模型與GIS的集成受到普遍關(guān)注,眾多學(xué)者將CA模型應(yīng)用到不同地區(qū)的真實(shí)城市發(fā)展模擬中[44-47]。20世紀(jì)90年代末,國(guó)內(nèi)開(kāi)始基于CA的城市擴(kuò)展模擬研究,主要集中在CA模型與其他模型的結(jié)合進(jìn)行城市空間演化發(fā)展的預(yù)測(cè)上,黎夏、劉小平、楊青生和何春陽(yáng)等學(xué)者將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[48]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[49,50]、核學(xué)習(xí)機(jī)[51]、多智能體[52-54]和支持向量機(jī)[55]等引入CA模型中;陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入地理特征、地理實(shí)體等概念和知識(shí)的CA模型構(gòu)建方法,周成虎提出地理元胞自動(dòng)機(jī)(GeoCA)的概念[22],羅平和杜清運(yùn)等[56]綜合地理特征的幾何和非幾何屬性,建立了地理特征CA概念模型,楊亮潔和薛重生[57]將城市地理實(shí)體映射為元胞對(duì)象,考慮實(shí)體間的作用,構(gòu)建基于地理實(shí)體的城市CA模型。關(guān)于擴(kuò)展元胞自動(dòng)機(jī)的元胞狀態(tài)、鄰域定義和轉(zhuǎn)換規(guī)則等方面,周成虎、劉耀林和張顯峰等開(kāi)展了深入的研究。而隨著地理學(xué)的發(fā)展及多學(xué)科的交叉融合,城市擴(kuò)展CA研究展現(xiàn)出新的特征,本文擬從以下幾個(gè)方面總結(jié)近年來(lái)城市擴(kuò)展CA模擬的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)。

在理論研究上,城市CA注重對(duì)城市發(fā)展特征和地理空間規(guī)律的分析和表達(dá)。在許多地理分析和建模過(guò)程中都存在著不確定性問(wèn)題,粗集理論[58]和灰色決策[59]等相繼被用于獲取城市CA的轉(zhuǎn)換規(guī)則,能有效反映城市系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和不確定性;模糊性和隨機(jī)性是不確定性中最基本和最重要的兩種形式,模糊理論[60]、蒙特卡羅法[61]和云模型[62]可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)城市擴(kuò)展的模糊性、隨機(jī)性或模糊性-隨機(jī)性耦合的充分表達(dá)。Goodchild院士曾提出空間異質(zhì)性是地理學(xué)第二定律可能誕生的方向[63],城市擴(kuò)展呈現(xiàn)典型的非均質(zhì)性特征,考慮區(qū)域差異和障礙空間距離的城市擴(kuò)展CA模型逐漸得到重視[64-68]。其次,城市CA模型與多學(xué)科理論的交叉融合也是當(dāng)前城市擴(kuò)展模擬中的一個(gè)重要方向,城市擴(kuò)展過(guò)程驅(qū)動(dòng)因素復(fù)雜、影響范圍大、涉及學(xué)科多,需要綜合集成城市地理學(xué)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)等來(lái)研究和解決局部、區(qū)域乃至全球的問(wèn)題[17,19,69,70]。

在方法研究上,城市擴(kuò)展CA與計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)技術(shù)的結(jié)合日益緊密,數(shù)據(jù)挖掘[58,71-75]、智能算法[75-77]和高性能計(jì)算[12]等相繼被引入城市擴(kuò)展模擬研究中,并在轉(zhuǎn)換規(guī)則與模型參數(shù)獲取以及數(shù)據(jù)計(jì)算中發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。當(dāng)前的城市擴(kuò)展CA研究,更多集中在對(duì)CA模型方法的使用和改進(jìn)上。轉(zhuǎn)換規(guī)則作為城市CA的核心和關(guān)鍵,直接決定了模擬結(jié)果的合理性與真實(shí)性。制定更合理的轉(zhuǎn)換規(guī)則及優(yōu)化相應(yīng)權(quán)重參數(shù),以增強(qiáng)CA模型的適應(yīng)能力和提高對(duì)城市系統(tǒng)的擬合度,仍是當(dāng)前城市擴(kuò)展模擬研究中的熱點(diǎn)。城市擴(kuò)展是在不同時(shí)空尺度上受多重因素作用的復(fù)雜非線性過(guò)程,其影響因素和空間尺度的敏感性分析[78-81]是研究城市CA模型的另一重要方向。城市CA模型在結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)形式上多是二維空間,難以真實(shí)刻畫(huà)現(xiàn)代城市立體空間的發(fā)展變化,許多學(xué)者已開(kāi)始利用城市空間三維元胞自動(dòng)機(jī)模型(3DCA)進(jìn)行城市三維動(dòng)態(tài)模擬研究[82,83]。

在應(yīng)用研究上,城市擴(kuò)展CA研究注重針對(duì)特定的城市發(fā)展問(wèn)題,通過(guò)城市擴(kuò)展情景模擬分析,輔助和引導(dǎo)城市合理增長(zhǎng)與健康發(fā)展,已在城市土地可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃[84,85]、土地利用規(guī)劃方案空間預(yù)評(píng)估[86,87]和城市增長(zhǎng)邊界(UGBs)劃定[88]等方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。城市CA模型在城市擴(kuò)展生態(tài)效應(yīng)分析[20,27]與區(qū)域環(huán)境變化影響評(píng)估[19,89]方面也有一些應(yīng)用,對(duì)深刻理解城市化對(duì)周邊土地利用/覆蓋變化影響機(jī)制具有重大意義。城市擴(kuò)展CA的研究區(qū)域涵蓋發(fā)達(dá)地區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)、內(nèi)陸地區(qū)和沿海地區(qū)、高密度城區(qū)和城市邊緣區(qū)等典型地區(qū)[21,90-94],并逐漸在煤礦區(qū)[95,96]、濱海地區(qū)[26,97,98]、西部干旱區(qū)[99]、黃土高原區(qū)[100]和喀斯特區(qū)[101]等特殊地域中得到應(yīng)用。城市CA模型應(yīng)用正向大地理尺度發(fā)展,其模擬空間逐漸從局部走向區(qū)域乃至全國(guó)等更大的范圍,而模擬粒度則趨向街區(qū)、地塊、宗地和單體建筑等精細(xì)空間單元。

2 城市擴(kuò)展CA模擬面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

在新的全球化和信息化時(shí)代背景下,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解城市地理系統(tǒng)演變的基本機(jī)理和規(guī)律,建立在大尺度范圍、微觀描述水平上的城市擴(kuò)展CA模型已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和前沿。本文擬從以下4個(gè)方面探討構(gòu)建大尺度和精細(xì)化城市CA模型面臨的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn),以滿足未來(lái)城市擴(kuò)展模擬在大數(shù)據(jù)量和高精度方面的需求。研究框架見(jiàn)圖1。

圖1 大尺度和精細(xì)化城市擴(kuò)展CA研究框架Fig.1 Research framework of fine-scale urban expansion cellular automata for the large regions

2.1 城市網(wǎng)絡(luò)空間聯(lián)系與交互作用的定量表達(dá)

城市網(wǎng)絡(luò)的多向空間聯(lián)系與交互作用是開(kāi)展城市群、國(guó)家乃至全球等大地理尺度范圍內(nèi)的城市擴(kuò)展模擬研究需要解決的首要問(wèn)題。21世紀(jì)全球進(jìn)入社會(huì)大轉(zhuǎn)型時(shí)期,以特大城市或大城市為中心構(gòu)成的城市集合體正不斷涌現(xiàn)和發(fā)育,并成為國(guó)家參與全球競(jìng)爭(zhēng)與國(guó)際分工的全新地域單元[3,31]。以城市群為主題的快速城市化路徑已成為中國(guó)城市發(fā)展的新特征,中心城市間的空間聯(lián)系日益增強(qiáng),依托高度便捷的交通條件和基礎(chǔ)設(shè)施,地理要素逐漸向城市間的交通干線聚集,逐漸形成“以線穿點(diǎn),以點(diǎn)帶面,點(diǎn)線面耦合”、覆蓋周?chē)欢〝?shù)量中小型城市的區(qū)域空間體系?，F(xiàn)有城市擴(kuò)展模擬研究通常將城市看作孤立發(fā)展的個(gè)體,較少考慮城市間的空間交互影響和網(wǎng)絡(luò)格局,難以真實(shí)地反映區(qū)域一體化背景下的城市群發(fā)展?fàn)顩r。城市群是推進(jìn)國(guó)家新型城鎮(zhèn)化的主體形態(tài)和驅(qū)動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)極,城市群聯(lián)合擴(kuò)展將成為今后城市化發(fā)展的主要表現(xiàn)形式。面向國(guó)家和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,針對(duì)全球一體化背景下日益顯著的城市集群化和網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)象,亟須深入研究我國(guó)城市群聯(lián)合擴(kuò)展時(shí)空演變規(guī)律,揭示城市空間相互作用特征和聯(lián)動(dòng)增長(zhǎng)機(jī)制[32]。城市空間相互作用模型可較好地反映城市間空間交互影響的作用機(jī)制和客觀規(guī)律,目前研究采用較多的為城市流模型、重力模型、潛力模型、斷裂點(diǎn)模型、輻射模型和偏離份額模型等。耦合CA模型與城市空間相互作用模型可彌補(bǔ)城市擴(kuò)展CA在表達(dá)城市網(wǎng)絡(luò)空間聯(lián)系與交互作用上的不足,為開(kāi)展大尺度和精細(xì)化城市擴(kuò)展模擬研究提供基礎(chǔ)。

2.2 結(jié)合地理時(shí)空大數(shù)據(jù)與城市擴(kuò)展CA

地理時(shí)空大數(shù)據(jù)與地理元胞自動(dòng)機(jī)模型結(jié)合,為開(kāi)展大尺度和精細(xì)化城市擴(kuò)展模擬研究創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇。大數(shù)據(jù)是繼云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)后全球社會(huì)面臨的又一次顛覆性技術(shù)革命,信息時(shí)代的大數(shù)據(jù)已滲透到全球范圍內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,給人們的生活、工作和思維帶來(lái)了一場(chǎng)重大的變革,同時(shí)也給社會(huì)科學(xué)研究開(kāi)啟了新范式的轉(zhuǎn)型機(jī)遇[29,34,102]。當(dāng)前城市擴(kuò)展CA模擬研究更多集中在CA模型方法的使用和改進(jìn)上,對(duì)人口現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征以及政府政策等社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素涉及較少,缺乏與城市演變過(guò)程的真正融合。大數(shù)據(jù)使得制約傳統(tǒng)科學(xué)研究的數(shù)據(jù)缺乏不再成為問(wèn)題,基于定位功能的移動(dòng)信息設(shè)備(智能手機(jī)、GPS等)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟,可提供豐富的帶有地理空間位置信息的城市空間數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)微觀數(shù)據(jù);加之其數(shù)據(jù)規(guī)模龐大、細(xì)節(jié)豐富、覆蓋面廣,可為開(kāi)展大尺度和精細(xì)化模擬提供研究基礎(chǔ)。應(yīng)用地理時(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行城市研究已成為學(xué)者們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn),目前研究主要集中在對(duì)用戶位置數(shù)據(jù)(包括Twitter、Facebook和新浪微博等社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、公交刷卡數(shù)據(jù)、智能手機(jī)通話數(shù)據(jù)和興趣點(diǎn)POI數(shù)據(jù)等)的挖掘和分析上[33,103-105]。結(jié)合地理時(shí)空大數(shù)據(jù)與城市擴(kuò)展CA,可利用新浪微博等社交數(shù)據(jù)分析城市間的內(nèi)在聯(lián)系和刻畫(huà)城市群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[106-109],運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)密度和中心性分析預(yù)測(cè)城市擴(kuò)展的新中心,彌補(bǔ)城市擴(kuò)展CA對(duì)孤立式發(fā)展模擬能力的不足;可利用手機(jī)定位與通話數(shù)據(jù)模擬居民的出行軌跡,結(jié)合居民情感和活動(dòng)進(jìn)行城市中心區(qū)和功能區(qū)劃分[110,111],耦合城市規(guī)劃制定分區(qū)轉(zhuǎn)換規(guī)則;可利用經(jīng)濟(jì)和人口普查等大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)GDP和人口分布的精細(xì)刻畫(huà),加強(qiáng)城市擴(kuò)展CA對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的表達(dá),實(shí)現(xiàn)與城市演變過(guò)程的深入融合等[34,112]。

2.3 高性能并行元胞自動(dòng)機(jī)

高性能地理元胞并行計(jì)算技術(shù),可為城市擴(kuò)展CA計(jì)算提供高效工具,以滿足大尺度和精細(xì)化城市CA模型在大數(shù)據(jù)量處理方面的要求。隨著城市擴(kuò)展模擬研究趨向大地理尺度和精細(xì)化單元發(fā)展,城市CA的數(shù)據(jù)量和計(jì)算時(shí)間將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),在實(shí)際應(yīng)用中難以滿足高效快速運(yùn)算的要求,迫切需要開(kāi)展城市擴(kuò)展CA高性能計(jì)算。在現(xiàn)代高性能計(jì)算技術(shù)框架的支撐下,設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出高效率的CA并行運(yùn)算算法,可解決原有串行計(jì)算模式面臨的速度瓶頸問(wèn)題,從而達(dá)到高性能空間計(jì)算的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)基于高分辨率數(shù)據(jù)的城市群、國(guó)家乃至全球范圍的城市擴(kuò)展模擬。目前圖形處理器(Graphic Processing Unit,GPU)具有先天的并行計(jì)算特性,在處理大數(shù)據(jù)量的簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算中具有CPU不能及的優(yōu)勢(shì)[113,114]。結(jié)合GPU通用計(jì)算技術(shù)與地理元胞自動(dòng)機(jī)構(gòu)建GPU-CA模型,可在保證模擬結(jié)果有效性的基礎(chǔ)上大大提高計(jì)算效率[12]。在現(xiàn)有的CPU/ GPU異構(gòu)高性能計(jì)算平臺(tái)下,使用MPI、OpenMP或MPI/OpenMP混合模型以耦合GPU集群與CA模型,可更有效地提高計(jì)算性能和擴(kuò)大數(shù)據(jù)處理規(guī)模。云計(jì)算是以分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算等虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)的一種新興的超級(jí)計(jì)算模式,具有靈活、高效、低成本等特征,用戶不需要購(gòu)置大量的基礎(chǔ)設(shè)施就可享受超級(jí)計(jì)算機(jī)的處理能力[115]。結(jié)合已有的城市擴(kuò)展CA并行運(yùn)算算法,設(shè)計(jì)云環(huán)境下的城市CA高性能處理和分析構(gòu)架,可滿足大尺度和精細(xì)化城市擴(kuò)展模擬對(duì)海量地理時(shí)空數(shù)據(jù)快速處理的需求。

2.4 城市擴(kuò)展CA可靠性研究

開(kāi)展城市擴(kuò)展CA可靠性研究,可識(shí)別地理時(shí)空數(shù)據(jù)及CA模型在城市模擬過(guò)程中的誤差傳遞和不確定性,為大尺度和精細(xì)化模擬提供結(jié)果驗(yàn)證和可靠性評(píng)價(jià)?？煽啃缘母拍钤从趯?duì)產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間和條件下完成規(guī)定功能的描述[116]。在地理數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用及風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避意識(shí)日漸增強(qiáng)的背景下,史文中等結(jié)合工程和生命科學(xué)中的可靠性概念及地理信息科學(xué)的特點(diǎn),首次提出可靠性空間分析的理論框架及關(guān)鍵技術(shù),促進(jìn)不確定性空間分析向可靠性研究發(fā)展,并將其應(yīng)用于地理國(guó)情信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制中[117]。城市CA模型越來(lái)越多地被用來(lái)模擬復(fù)雜城市系統(tǒng),但模型的可靠性和不確定性分析卻呈現(xiàn)明顯的不足和滯后[61]。有必要探討城市擴(kuò)展CA模擬研究中的誤差源及其傳播機(jī)理,旨在減少不確定性,提高城市擴(kuò)展模擬過(guò)程及結(jié)果的可靠性。城市擴(kuò)展模擬通常需要使用大量的地理數(shù)據(jù),其模擬過(guò)程與結(jié)果受數(shù)據(jù)源誤差、研究方法及模型結(jié)構(gòu)不確定性的影響。城市擴(kuò)展CA可靠性分析就是對(duì)城市擴(kuò)展過(guò)程的演變機(jī)理構(gòu)建可靠性分析和質(zhì)量控制理論與方法,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界更為準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模擬、預(yù)測(cè)及評(píng)估,以獲取更高質(zhì)量的信息和知識(shí)來(lái)有效輔助規(guī)劃決策。

3 結(jié)論

元胞自動(dòng)機(jī)作為一種強(qiáng)有力的時(shí)空動(dòng)態(tài)模擬工具,被廣泛應(yīng)用于城市擴(kuò)展等具有復(fù)雜空間特征的系統(tǒng)模擬研究中。隨著全球一體化的推進(jìn)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái),以單一城市為對(duì)象的孤立城市系統(tǒng)研究已難以反映區(qū)域網(wǎng)絡(luò)格局下真實(shí)的城市發(fā)展?fàn)顩r,基于地塊或更細(xì)小的地理單元對(duì)城市群及更大空間尺度上的城市聯(lián)合擴(kuò)展進(jìn)行模擬,已成為未來(lái)城市CA研究的重要趨勢(shì)。本文得出以下結(jié)論:1)耦合CA模型與城市空間相互作用模型,可彌補(bǔ)城市擴(kuò)展CA在表達(dá)城市網(wǎng)絡(luò)空間聯(lián)系與交互作用上的不足;2)大數(shù)據(jù)可提供豐富的帶有地理位置信息的空間數(shù)據(jù),為開(kāi)展大尺度和精細(xì)化城市擴(kuò)展模擬研究創(chuàng)造前所未有的機(jī)遇;3)設(shè)計(jì)高性能地理元胞并行技術(shù),可大幅度提高城市擴(kuò)展CA的運(yùn)算效率,為大尺度和精細(xì)化城市CA計(jì)算提供高效工具;4)有必要探究地理時(shí)空數(shù)據(jù)和地理模擬過(guò)程的可靠性,以規(guī)避系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差對(duì)模擬結(jié)果的影響。

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Theoretical and Methodological Perspectives of Fine-Scale Urban Expansion Cellular Automata for the Large Regions

WANG Hai-jun1,2,XIA Chang1,LIU Xiao-ping3,ZHANG An-qi1,4,ZHU Jue-ran1,WANG Hui-xia1
(1.School of Resource and Environmental Science,Wuhan University,Wuhan 430079; 2.Key Laboratory of Geographic Inf ormation Systems,Ministry of Education,Wuhan University,Wuhan 430079; 3.School of Geography and Planning,Sun Yat-Sen University,Guangzhou510275; 4.School ofUrban Planning and Design,Peking University,Shenzhen518055,China)

There are two inexorable trends in researches on urban model:that is research unit shifting from rough towards finescale unit,and the field of study ranging from a single city,to city clusters,the entire nation,and even the world as a whole. However,great difficulty remains in the establishment of fine-scale urban simulation models designed for large geographic areas.T he scale of large geography and basic spatial unit need to be taken into consideration,which sets new requirements for the computing power,data quality,statistics and methodology of geological simulation.Under this background,this paper summarizes major breakthroughs and new features in cellular automata of urban expansion in recent years from aspects of theory,methods and application research.It also proposes developing the key technology of refining city model with large scale and the main urgent questions,in order to meet the requirements of future city model in big data and high-accuracy.The paper draws the following conclusions:1)integrating urban spatial interaction model and geographical cellular automata could cover the shortage of urban expansion cellular automata in showing the space connection and interaction of urban network;2)abundant geographic spatiotemporal data provides unprecedented opportunities for simulation research in fine-scale urban expansion with large scale; 3)high-performance parallel computing technology of geographical cellular automata could serve as efficient computing tool for refining urban expansion with large scale;4)exploring the reliability of geographic spatiotemporal data and geographical simulation process is necessary to achieve more accurately simulating and predicting the real world.

urban expansion simulation;cellular automata;large regions;fine-scale unit

F291;T P301

A

1672-0504(2016)05-0001-08

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.05.001

2016-07-15;

2016-08-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571384)

王海軍(1972-),男,博士,教授,主要從事地理模擬、土地利用規(guī)劃和土地資源評(píng)價(jià)等方面的研究。*通訊作者E-mail:liux p3@mail.sysu.edu.cn