基于城市CA模型的空間擴展淺析

范環(huán)宇，徐惠民，夏濤（.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連609；.國家海洋局第一海洋研究所，青島6606）

基于城市CA模型的空間擴展淺析

范環(huán)宇1，徐惠民1，夏濤2
（1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連116029；2.國家海洋局第一海洋研究所，青島266061）

綜合國內(nèi)外40多年專家學(xué)者對城市演變格局中轉(zhuǎn)換規(guī)則、控制因子、模擬精度的研究實例，得出結(jié)論：（1）CA模型在城市擴展預(yù)測中，仍需要加深對地理現(xiàn)象演變過程的機理研究和模擬；（2）城市模型的適用性有待進一步提升；（3）眾多實例中有少部分精度在90％以上的情況，證明精度模擬水平仍可通過此類系統(tǒng)分析提升。城市擴展的時空演變研究應(yīng)從實際解決快速城市化問題的視角，發(fā)掘CA模型對城市時空變化格局的正面影響，探索CA模型應(yīng)對城市擴展的主動策略。

元胞自動機；城市擴展模擬；復(fù)雜系統(tǒng)

Urban growth simulation；Complex system

自Tobler［1］將元胞自動機模型（Cellular Automata，CA）應(yīng)用城市空間模擬開始，元胞自動機以高維數(shù)、局部性、空間性、離散性、同步性的特征［2-4］，以及能夠在計算機上自由模擬和再現(xiàn)各種城市擴展復(fù)雜現(xiàn)象的優(yōu)點，得到了眾多地理學(xué)家的重視，迅速在城市空間擴展研究中得到應(yīng)用。城市是一個以集聚效益為目的的時空動態(tài)系統(tǒng)，在自然地勢地貌基礎(chǔ)上，主要受人口、交通、經(jīng)濟以及國家宏觀調(diào)控（社會經(jīng)濟管理活動）等因素影響和制約。

本文在總結(jié)國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，歸納眾多專家學(xué)者對此進行的研究與應(yīng)用，總結(jié)CA模型在城市空間動態(tài)演化模擬中的影響城市擴展的主要因素，從而為高效的開展城市規(guī)劃、城市管理提供理論和方法支撐，繼而實現(xiàn)城市合理擴展。

1　CA方法在城市擴展中的熱點研究領(lǐng)域

CA模型應(yīng)用模擬城市起源于20世紀70年代，Toble利用元胞空間模型模擬底特律地區(qū)城市的發(fā)展［1］。研究初期更側(cè)重于城市CA模型研究理論的完善，如：1976年英國Michael Batty等地理學(xué)家研究個體智能原則對城市空間系統(tǒng)增長的影響［5］；20世紀80年代Couceleis將CA模型在地理學(xué)應(yīng)用中的理論框架運用到模擬城市擴展的實驗中，為后續(xù)城市空間動態(tài)演化模擬產(chǎn)生一定的影響［6，7］。隨著計算機科學(xué)的日益完善，城市CA模型也逐漸成熟，專家或?qū)W者將城市擴展研究重點轉(zhuǎn)為從不同方面提高CA模型的可用價值。

1.1提高對復(fù)雜系統(tǒng)的擬合度

K.C.Clarke等（1997）運用參數(shù)隨環(huán)境自動調(diào)整的CA模型模擬了舊金山灣區(qū)，改善了傳統(tǒng)CA模擬對城市增長速度按指數(shù)曲線或線性變化與現(xiàn)實情況不符的問題［8］。20世紀末黎夏等將灰度概念引入基于約束性CA模型［9］。周成虎（1999）運用多年積累的研究經(jīng)驗開發(fā)了Geourban［10］。Clarke（2002）在NASA和HLLT項目的支持下，其研究方向更關(guān)注元胞內(nèi)部的相互作用，模擬城市空間擴張和未來城市擴展［11］。Silva （2002）多次應(yīng)用蒙特卡洛迭代模擬城市擴展過程，其模擬效果并不隨迭代的次數(shù)增多而優(yōu)化［12］。楊青生（2006）采用CA非線性轉(zhuǎn)換規(guī)則對深圳1988-2010年采用SVM－CA模型模擬，結(jié)果比CEM模型的模擬結(jié)果更接近于現(xiàn)實、模擬精度更高［13］。黎夏（2007）研究CA模型在模擬城市擴展不確定性、誤差傳遞一般集中在邊緣地區(qū)，而在可利用地區(qū)逐漸減少的情況下，不確定性也隨之減少［14］。

1.2克服數(shù)據(jù)不足

R.Sietchiping（2005）采用GIS-CA模型相結(jié)合，以柰比特地區(qū)進行研究。為解決城市擴展研究中研究區(qū)域未實施過規(guī)劃、有非正常外來人口的問題，SuneetaSrinivasan利用CA與馬爾科夫鏈的結(jié)合，成功的模擬印度首都德里地區(qū)的快速城市化的情況［15］。

1.3CA模型與其他模型結(jié)合

何春陽等（2002）成功利用CEM模擬北京城市發(fā)展過程，該項成果反映CA模型已經(jīng)在我國發(fā)達地區(qū)成功應(yīng)用，并能在一定程度上展示大都市發(fā)展的規(guī)律［16］。Fu-long Wu等（2002）利用限制性CA模型對廣州進行預(yù)測［17］。韓玲玲等（2003）利用GIS-CA模型集成四川德陽進行城市增長模擬［18］。吳曉軍等（2005）利用CA求解加權(quán)Voronoi圖對陜西省10個地級市影響區(qū)進行研究［19］。楊青生等（2006）采用粗集理論提取CA轉(zhuǎn)換規(guī)則形成的RS－CA模型對深圳1988-2004年城市化進行模擬［20］。ZHAO Yao-long（2007）結(jié)合限制性CA-Logistic回歸模擬日本東京空間擴展的演化［21］。邱炳文等（2008）運用多目標(biāo)決策CA模型對龍海地區(qū)進行模擬［22］。桂預(yù)風(fēng)等（2014）將Matlab-GIS結(jié)合，化簡原本復(fù)雜的接口組合工作，運用此模型得出2018年城市擴展的預(yù)測圖，對于開發(fā)新模型具有重要意義［23］。

2　CA方法在城市擴展研究中的關(guān)鍵問題

城市是一個具有隨機性、非線性、不確定性、開放性、自組織性等特性的復(fù)雜系統(tǒng)，CA在揭示城市擴展的內(nèi)在演變規(guī)律方向具有特有的優(yōu)勢：CA模型再現(xiàn)真實的城市擴展情況，較少參數(shù)、簡單結(jié)構(gòu)可以高效的在計算機上實現(xiàn)，有較高的應(yīng)用價值。

2.1轉(zhuǎn)換規(guī)則

城市CA模型研究轉(zhuǎn)換規(guī)則是CA城市擴展的最重要部分。主要轉(zhuǎn)換規(guī)則表1以及非線性方程、概率模型等，這些單純CA模型對轉(zhuǎn)換規(guī)則的應(yīng)用探索必然是專家學(xué)者熱衷的研究方向。但是應(yīng)用時往往將兩種或幾種方法集成，如基于案例推理的CA模型與傳統(tǒng)基于Logistics的CA模型對比，其模擬城市擴展結(jié)果更趨近于現(xiàn)實；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與CA結(jié)合的模型，可以從不同時相遙感數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)城市擴展的演變規(guī)律方便自動形成轉(zhuǎn)換規(guī)則；MAS與CA相結(jié)合，CA模型的模擬過程更側(cè)重于自然環(huán)境因素，無法考慮人文因素以及復(fù)雜的決策行為，而MAS是一種從計算機科學(xué)中研究出來的分布式計算機，兩者相結(jié)合使經(jīng)濟、社會等屬性引入多智能體中再現(xiàn)城市擴展的人文因素；多因子評價模型（MCE）與CA模型結(jié)合，可以實現(xiàn)用戶統(tǒng)一集成MCE、GIS、CA模型經(jīng)濟、社會等因素耦合。CA模型自身存在缺陷性，通過以上結(jié)合方法實現(xiàn)城市擴展的精確模擬。

2.2影響因子

表1　城市擴展模擬中使用的CA轉(zhuǎn)換規(guī)則

國內(nèi)外開發(fā)較為成熟的CA模型，一般都是綜合考慮轉(zhuǎn)換規(guī)則和各種控制因素為前提，采用反復(fù)迭代空間與非空間分析模擬城市擴展。因此，分析影響因子也是研究城市CA模型的另一方向，其要點是調(diào)節(jié)控制因子以滿足實際擴展的需求，如基于分區(qū)域的城市CA模型是通過分劃全局影響因素重要性的子區(qū)域，計算各個類型區(qū)域中各控制因素對城市擴展的影響強度，進而得到全區(qū)域的轉(zhuǎn)換規(guī)則。CA模型的影響因子指研究區(qū)域的控制因素，控制因素包括宏觀因素、微觀因素等，模型引入的控制因素越多對研究區(qū)域的模擬越趨近于實際情況［28-56］。元胞受到局部空間因素的影響往往需要考慮多種目標(biāo)因素，由于規(guī)劃限制和自然條件等因素，不可能開發(fā)為城市用地的地塊很多，因此在元胞規(guī)則中應(yīng)考慮限制因素，且在不同目標(biāo)下影響不同（表2）。在研究城市CA模型中沒有很好引入決策行為，是城市擴展模擬的瓶頸，降低城市擴展模擬精度，因此影響因子在今后城市演變研究中仍是關(guān)鍵問題。

2.3模擬精度

表2　城市擴展模擬中使用的CA影響因子

表3　CA城市擴展模擬的總體精度

通過引入上述新思路、算法等轉(zhuǎn)換規(guī)則以及相關(guān)技術(shù)、模型改進的城市CA模型，可以使研究精度得到進一步提高，部分案例總體精度最大值如表3?？傮w精度是評估將一些能夠表達空間格局的指數(shù)與模擬結(jié)果相比較，對同一地區(qū)同一時期針對不同方法測定精度結(jié)果不同，如Lefteris Mantelas對Mesogia地區(qū)的城市擴展研究［30］，用Kappa指數(shù)測定的總體精度為80.00％，但用K-simulation指數(shù)測定總體精度45.00％。對于同一地區(qū)采用同樣的計算精度方法，不同的時期其測定精度的結(jié)果也不同，如張亦漢對東莞市1997、2001、2005年總體模擬精度分別為87.7％、76.9％、64.0％［57］。

3　CA城市擴展研究的結(jié)論

縱觀國內(nèi)外在CA城市擴展中已有的研究儼然是一個熱點。分析各國地理學(xué)家40多年的深入研究，基于CA城市擴展模型日趨完善，這些模型能夠清楚的模擬城市擴展的格局和形態(tài)，使此類模型成為規(guī)劃決策者判斷城市擴展的有效工具。在理論上論文取得的主要成果：（1）總體精度主要分布在75％-85％內(nèi)并明顯集中，且精度達90％以上的情況少量存在，理性分析城市發(fā)展特征規(guī)律模擬精度會進一步提升；（2）模擬是否成功的關(guān)鍵在于計算方法的確定，但CA對地理現(xiàn)象發(fā)展的內(nèi)在機制和成因理解不足。CA在城市擴展預(yù)測中，需要加深對地理現(xiàn)象演變過程的機理研究，充分發(fā)揮完善計算方法和CA模型理論體系的潛在優(yōu)勢。（3）城市擴展的研究從發(fā)達地區(qū)到偏遠地區(qū)，從內(nèi)陸地區(qū)到沿海地區(qū)，其研究精度基本上都達到可供規(guī)劃決策者使用的程度。需要考慮影響因子在CA模型的循環(huán)累積方面的作用，形成一套相對全面完整普適的影響因子體系。由于城市空間系統(tǒng)具有自組織性、混沌性、不確定性，城市CA建模仍存在基礎(chǔ)研究不足、方式方法不多、科學(xué)融合不夠等基本問題，仍需要重視具體問題的細致研究。

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（2015-12-16收稿M編輯）

Study development on Dynamic Simulation of Urban Growth Based on CA Model

FAN Huan-yu et al
（City and Environment College，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China）

Through the analysis research platform，the research model，both in China and abroad，over the years the experts or scholars of urban evolution pattern transformation rules and characteristics，control factor，the simulation accuracy of the case study，the tight land faced by China's rapid urbanization，traffic congestion，environmental pollution serious serious problem.The paper draws the following conclusions:（1）CA model in urban expansion prediction，simulation is successful or not depends on the calculation method of determining，but still need to deepen in the evolution of the mechanism research and Simulation of geographic phenomena；（2）city model applicability remains to be further enhance；（3）many examples in overall accuracy range general between the 75％-85％，but there are still reach an accuracy of more than 90％of the proved on the simulation accuracy level can still improve.Spatial and temporal evolution of urban expansion of the research on it should solve the actual problems of rapid urbanization perspective，to explore the CA model positive impact on the urban spatial and temporal changes in patterns of explore CA model to deal with urban expansion of proactive strategy.

Cellular automata；

P208；F290

A

1003-7853（2016）01-0021-05

中國工程院咨詢研究項目（2014-06-XY-003）

范環(huán)宇（1990-），女，遼寧鐵嶺人，碩士，研究方向為地理信息系統(tǒng)應(yīng)用，在導(dǎo)師指導(dǎo)下做第三產(chǎn)業(yè)增加值研究。