（人文地理学专业论文）基于细胞自动机的城市空间结构动态预测.pdf

山东师范大学硕士学位论文 摘要 城市是人类聚集的高级形式，它往往是一定地域范围内的经济核心和政治文化中 心。全球经济一体化对我国城市发展的影响日益显著，我国的土地制度和住房制度改 革使城市开发模式发生了根本性的变化，城市物质环境成为各种资本的重要投资领 域，城市发展进入了一个空前活跃的时期。 目前我国正处于城市化的快速发展阶段，城市空间发展中面临诸多新问题，如城 市土地利用空间结构变化、城市外部地域扩展、城市社会经济空间结构优化调整等尤 为突出，这迫切需要获取城市地域深层次的决策支持信息。为了解决这个问题，本文 把细胞自动机( c a ) 模型应用到城市系统的研究当中。在分析城市空间结构演化规 律的基础上，构建了预测人口空间分布动态变化的c a - a r 模型和模拟城市化地区演 化的模糊逻辑细胞自动机模型，对济南城市空间结构的动态演化进行了模拟。根据模 拟结果，分析了济南市城市空间结构演化的动力机制，并提出了优化措施。 论文从五个部分进行论述。 第一部分绪论。介绍本文的研究背景及意义，理解城市空间结构的概念表达，分 别阐述了西方和中国城市空间结构理论研究发展，并对细胞自动机( c a ) 在城市空 问结构研究中的应用现状进行了分析。最后，通过研究内容和研究框架介绍本文的研 究思路。 第二部分城市空间结构演化及其模式。从城市空间结构的演化理论入手，分析城 市空间结构演化的一般特征，辨识城市空间结构演化的影响因素，利用白组织理论分 析城市空间结构演化的动力机制。最后总结城市空间的外部形态模式、扩展模式和社 会经济空间结构模式。 第三部分城市空间结构模拟的c a 概念模型。在阐述细胞自动机基础理论的基础 上，对细胞自动机进行扩展，使其符合地理现象的发展规律，并且能够模拟城市复杂 系统的演化过程，并详细介绍了城市空间结构c a 概念模型的构建路线。 第四部分济南市城市空间结构实证研究。简要分析了市区的人口空间变动情况和 城市空间结构现状。从市区人口空间分布和城市化地区的演变两方面分析城市空间结 构的演化过程。人口空间分布动态预测采用c a a r k 模型；城市化地区的演化采用模 糊逻辑细胞自动机模型。在模拟结果的基础上，分析济南市市区城市空间结构演化的 动力机制，提出城市空间结构发展的优化措施。 第五部分结论与建议。简要总结论文的主要结论和今后有待于进步改进的方面 山东师范大学硕上学位论文 及对未来研究的一些相关展望。 关键词：细胞自动机；城市空间结构；动态预测；济南 分类号：t u 9 8 4 山东师范大学硕士学位论文 d y n a m i cp r e d l c t l 0 no fu r b a ns p a t l a ls t r u c t u r eb a s e d0 n c e l l u l a r a u t o m a t a a b s t r a c t a tp r e s e n to u rc o u n t r yi sl o c a t i n gt h ef a s td e v e l o p m e n tp h a s eo fu r b a n i z a t i o na n dt h e r ea r e m a n yp r o b l e m si nu r b a ns p a c ed e v e l o p m e n tu pa g a i n s t ，s u c ha st h eu r b a nl a n du s es p a t i a l s t r u c t u r ec h a n g e ，t h eu r b a ne x t e n s i o n ，a n do p t i m i z a t i o na d j u s t m e n to ft h eu r b a ns o c i a l e c o n o m ys p a t i a ls t r u c t u r ea n ds oo n i ti su r g e n tt og a i np o l i c y - m a k i n gs u p p o r ti n f o r m a t i o n i nu r b a ns p a c ed e v e l o p m e n t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，c e l l u l a ra u t o m a t am o d e lw a s a p p l i e dt ot h er e s e a r c ho fu r b a ns y s t e m t h ee v o l u t i o nr u l eo fu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ew a s a n a l y z e d c a a ra n df u z z yl o 百cc am o d e lw e r ec o n s t r u c t e df o rp r e d i c t i o no f p o p u l a t i o n s p a t i a ld i s t r i b u t i o nd y n a m i cc h a n g ea n du r b a n i z a t i o ne v o l u t i o n t h em o d e l sw e r ea p p l i e d t os i m u l a t ed y n a m i ce v o l u t i o no fu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ei nj i n a n a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t ，t h em e c h a n i s mo fu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ee v o l u t i o nw a sa n a l y z e da n dt h e o p t i m i z a t i o np l a na n dt h em e a s u r e sw e r ep r o p o s e d t h i sp a p e rw a sd i s c u s s e df r o mf i v ep a r t s f i r s tp a r tw a si n t r o d u c t i o n t h eb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c ew e r ei n t r o d u c e d t h e c o n c e p te x p r e s s i o no f u r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ew a su n d e r s t o o da n dt h er e s e a r c hd e v e l o p m e n t o fw e s t e r na n dc h i n e s eu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r et h e o r yw a se l a b o r a t e ds e p a r a t e l y i tw a s i n t r o d u c e dt h er e s e a r c hs i t u a t i o no fc e l l u l a ra u t o m a t aa p p l i c a t i o nt ou r b a ns p a t i a ls t r u c t u r e r e s e a r c h f i n a l l yt h er e s e a r c hm e n t a l i t yw a si n t r o d u c e dt h r o u g hr e s e a r c hs t r u c t u r ea n d r e s e a r c hc o n t e n t t h es e c o n dp a r tw a st h eu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ee v o l u t i o na n dp a t t e r n s b a s e do nt h e u r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ee v o l u t i o nt h e o r y , t h eg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i cw a sa n a l y z e di nu r b a n s p a t i a ls t r u c t u r ee v o l u t i o na n dt h ei n f l u e n c ef a c t o ro f u r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ew a si d e n t i f i e d i tw a st oa n a l y z et h em e c h a n i s mo fu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ee v o l u t i o na c c o r d i n gt o s e l f - o r g a n i z a t i o n f i n a l l y , t h e e x t e r i o rp a t t e r n ，t h ee x p a n s i o np m t e ma n dt h es o c i a l e c o n o m ys p a t i a ls t r u c t u r ep a t t e r no fu r b a ns p a c ew e r es u m m a r i z e d t h et h i r dp a r tw a st h ec a c o n c e p t u a lm o d e lo f u r b a ns p a t i a ls t r u c t u r es i m u l a t i o n t h e c aw a se x t e n d e db a s eo nc e l l u l a ra u t o m a t o nb a s i ct h e o r ya n dw a sm o r ea p p r o p r i a t ew i t h 山东师范大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n tr u l eo fg e o g r a p h yp h e n o m e n o n ，a n dc a ns i m u l a t et h ee v o l u t i o n a r yp r o c e s so f u r b a nc o m p l e xs y s t e m t h ec o u r s eo fu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ec ac o n c e p t u a lm o d e lw a s i n t r o d u c e di nd e t a i l ， f o u r t hp a r tw a sd e m o n s t r a t i o nr e s e a r c ho fu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ei nj i n a n i tw a s b r i e f l yt oa n a l y z ec h a n g es i t u a t i o no fp o p u l a t i o ns p a c ea n dt h eu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ei n j i n a n i tw a st oa n a l y z et h ee v o l u t i o n a r yp r o c e s so fu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ei nj i n a nf r o m t h eu r b a np o p u l a t i o ns p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt h eu r b a n i z a t i o n c a - a rm o d e lw a su s e dt o p r e d i c tt h ep o p u l a t i o ns p a t i a ld i s t r i b u t i o na n df u z z yl o g i cc a m o d e lw a su s e dt os i m u l a t e t h eu r b a n i z a t i o n t h em e c h a n i s mo fu r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ee v o l u t i o nw a sa n a l y z e db a s e d o nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o np l a no f u r b a ns p a t i a ls t r u c t u r ep a t t e r nw a s p r o p o s e d f i n a l l y , t h em a j o rc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sw a ss u m m e du pb r i e f l ya n ds o m ea d v i s e a n da s s u m ew a sg i v e ni nf u t u r e k e yw o r d s ：c e l l u l a r - a u t o m a t a ；u r b a ns p a t i a ls t r u c t u r e ；d y n a m i cp r e d i c t i o n ；j i n a n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：夕浅泓。 导师签字 学位论文版权使用授权书 疡醚 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乃弋f 雇侈岳、 导师签字 签字日期：2 0 0 t 年4 月p 日 签字日期：2 0 04 年厶月沙日 山东师范大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 城市是有一定人口规模，并以非农业人口为主的居民集居地，是聚落的一种特殊 形态【1j 。城市是人类聚集的高级形式，它往往是一定地域范围内的经济核心和政治文 化中心【2 】。空间上的集聚正是它区别于农村的本质所在，有学者检索了2 0 年来国内 外主要人文地理学期刊后发现，城市空间结构始终是国内外城市地理学的研究热点 口】。我国的改革开放在各个领域都产生了广泛和深远的影响，城市发展也不例外。全 球经济一体化对我国城市发展的影响日益显著，我国的土地制度和住房制度改革使城 市开发模式发生了根本性的变化，城市物质环境成为各种资本的重要投资领域，城市 发展进入了一个空前活跃的时期。我国城市空间结构演化呈现出前所未有的新机制和 新特征，已经成为城市研究的一个重要领域。主要表现为城市建成区向外扩展，以及 与此同时发生的城市内部空间的重新组合 4 1 。传统的城市地理学在研究城市空间结构 时，主要是静态的研究城市地域形态和城市土地利用结构，或称功能分区；现代城市 地理学除了对城市进行静态的描述外，还利用各种技术和方法对城市地域形态和城市 土地利用结构演化进行动态模拟，特别是把研究领域拓展到城市内部的经济空间结 构、社会空间结构和感应空间等。 随着城市化进程的加快，城市人口规模和用地规模不断扩大，城市土地利用结构 也发生了很大的变化，从而引起了城市地域结构的重组和城市经济空间结构、社会空 间结构等的深刻变化。城市空间结构的演替是科技不断进步，社会结构、经济结构、 政治结构不断变革的生动写照。对于一个城市来说，不同的社会发展阶段、不同的历 史时期，城市空间结构也会表现出较大的差异性。城市空间结构的模式是否合理，不 仅影响城市内部各要素的配置效益，而且关系到城市内部的集聚效益和对城市腹地的 吸引力和辐射力。因此，通过研究城市空间结构的变化特点和演变规律，选择适应城 市自身的空问结构模式，对解决城市发展中产生的城市问题具有很重要的意义。 城市是一个典型的复杂非线性系绀5 1 ，其空间结构的演化既受自然因素，又受社 会经济因素的影响，作为一种景观，与城市发展形成互动关系，必然表现出复杂性【6 】。 这种复杂系统很难用传统的方法和模型来模拟，如静态的、线性的、“自上而下”的 简单系统理论。所以为了更好的模拟复杂城市系统，必须运用动态的、非线性的、“自 下而上”的方法和模型【7 1 。在城市地理学研究中，如分形、人工神经网络、细胞自动 山东师范大学硕士学位论文 机、遗传算法、小波分析等非线性方法的引入越来越频繁，并且取得了不错的效果。 特别是细胞自动机，它本身就是一个自相似、自组织系统，为城市空间结构演化的动 态模拟提供了一种全新的工具。因此从城市系统的自相似、自组织特征出发，运用细 胞自动机模拟城市空间结构演化具有重要的理论意义和实践价值。 1 2 城市空间结构研究的发展 1 2 1 城市空间结构的定义 “城市空间结构( u r b a ns p a t i a ls t r u c t u r e ) ”，又被称之为“城市内部空间结构( u r b a n i n t e r n a ls p a t i a ls t r u c t u r e ) ”或“城市空间( u r b a ns p a c e ) 。城市现象相当复杂，既有社 会方面的又有空间方面的，各个因素交织在一起，并且相互作用。城市空间结构又是 一个跨学科的研究对象，不同的学科其研究的角度及依据不同，对城市空间结构的理 解也不同，很难形成一个共同的概念框架，尽管如此许多学者还是对于城市空间结构 的概念进行了多方面的探讨【8 】。 f o l e y 和w e b b e r 是试图构建城市空间结构概念框架的早期学者之一。根据f o l e y 的观点，城市空间结构的概念框架应该是多层面的。首先，城市空间结构包括文化价 值、功能活动和物质环境三种要素：第二，城市空间结构包括空间和非空间两种属性； 第三，城市空间结构包括形式和过程两个方面。在f o l e y 的概念框架基础上，w e b b e r 在形式和过程两个方面对城市空间结构进行了论述。w e b b e r 认为城市空间结构的形 式是指物质要素和活动要素的空间分布模式，过程则是指要素之间的相互作用，表现 为各种交流。把城市空间划分为“静态活动空间”和“动态活动空间”。 c h a p i n 和k a i s e r 从土地利用规划的角度出发，认为城市空间结构涉及城市的物 质要素、土地使用的秩序与关系，城市空间结构是三种主要体系之间的相互作用，即 活动体系、土地开发体系等在时空中的持续。 b o u r n e 用系统论的词汇对城市系统的三个核心概念进行描述。他认为城市形态 是城市地域内个体城市要素( 如建筑、土地利用、社会群体、经济活动、公众机构等) 的空间形式和安排；城市要素的相互作用是城市要素之间的相互关系，将土地利用、 社会群体、经济活动等要素整合成一个功能实体；城市空间结构是城市要素的空间分 布和相互作用的内在机制，使各个子系统整合成为城市系统。b o u r n e 从系统论的角 度出发，不仅强调城市空间结构的构成要素，同时又强调各要素之间的相互作用。 h a r v e y 认为任何城市理论必须研究空间形态和作为其内在机制的社会过程之间 山东师范大学硕士学位论文 的相互关系，传统的社会学科的城市研究仅强调社会过程，而地理学科的城市研究只 注重空间形态，城市研究的跨学科框架就是在社会学科的方法和地理学科的方法之间 建立“交互界面”。 根据国内学者的理解，胡俊 9 】对城市空间结构的定义为：从其表征上看，是城市 各组成物质要素平面和立体的形式、风格、布局等有形的表现，是多种建筑形态的空 间组合格局；从其实质内涵上看，是一种复杂的人类经济、社会和文化活动的历史发 展过程中的物化形态，是在特定的地理环境条件下，人类各种活动和自然因素作用的 综合反映，是城市功能组织方式在空间上的具体表征。顾朝林 1 0 】等认为城市空间结 构是特定社会的各种经济、文化因素作用在城市地域上的空间反映，是城市地理学研 究的主要内容之一。柴彦威【1 1 】认为，城市空间结构是各种人类活动与功能组织在城市 地域上的空间投影，是城市地域内部各种空间的组合形态。吴启焰【1 2 】认为城市空间 结构是城市的各要素在空间的分布形式，依据地理学的观点，可以按城市的外部 ( p h y s i c a l ) 形态和人文( h u m a n ) 形态来考察。 综合以上学者的观点，城市空间结构不仅包括城市的物质设施、土地利用、城市 交通、空间形态等显性结构，同时还包括城市社会文化、经济水平、科学技术、政治 政策等隐性结构。城市的显性结构与隐性结构虽然是城市结构的两个层面，但它们并 非孤立地混杂在一起，城市显性的结构往往是城市社会、经济、文化等隐性结构的某 种映射，而前者的改变对后者来说也存在某种反向的牵引机制，它们相互作用而形成 城市空间结构的整体。本论文的研究涉及城市空间结构的演化过程和机制，因此将城 市空间结构分为两部分：从城市空间的显性结构看，城市的空间结构主要表现为土地 利用的空间结构和空间分布形态；从城市空间的隐性结构看，城市空间结构包括城市 人口空间结构、城市社会空间结构、城市经济空间结构等。 1 2 2 城市空间结构理论研究的发展 1 2 2 1 西方城市空间结构理论研究进展 城市空间结构自城市形成以来就是人类研究的问题，其研究的方向和重点随着城 市的发展而不断的变化，在各个历史时期形成了不同的研究体系和特，征【1 2 】【”】。 西方对城市空间结构的研究萌芽于公元前5 世纪，以神权为依托，强调宗祠、王 府、市场等为核心的空问结构布局及规整化、理想化的静态结构形态。这一时期城市 空间结构研究主要侧重于城市表面形态的揭示，把城市空间结构同发展过程分离开来 山东师范大学硕士学位论文 论述其特性，并且从文化、技术、经济等角度论述了城市空间结构演化的过程与机制。 例如公元前5 世纪，古希腊建筑师h i p p o d a m u s 的棋盘式路网骨架的城市空间布局、 公元前l 世纪古罗马v i t r u v i u s 在建筑十书中设想的蛛网式八角型城市结构。 工业革命以后，工业经济瓦解了以个体经济为主的城市空间结构模式，促使城市 由分散向集中发展。城市空间结构的研究开始了系统化、理论化的探索。空想社会主 义者欧文、傅立叶提出了独立自足的“新协和村”式的市镇模式，奥斯曼、本汉姆的 巴黎、旧金山、芝加哥等城市治理规划，以及建筑师西特提出的城市空间的视觉艺术 原则等都是对工业化以后城市空间结构的有益探索。 2 0 世纪初至5 0 年代，城市空问新的结构变形，促使人们逐渐放弃传统的形态布 局偏好而转向对城市功能空问的研究。y m a t a 的带型城市，e h o w a r d 的田园城市， t g a m i e 的工业城市可看作是这一时期最具创造性的、最有突破性的新的城市空间结 构模式；其后，p g e d d e s 进一步将城市功能结构的研究引向深人；r u n w i n 的卫星城 市模式和大伦敦方案，e s a a r i n e n 的有机疏散理论及大赫尔辛基规划；g f f l i n 的堪培 拉生态城市方案；a m i i n t i n 的带状城市结构与斯大林格勒方案，将理论研究与规划 设计实践引向新的境界。与此同时，宏观区域结构以及微观社区结构的研究也有了发 展，w c h r i s t a u e r 的中心地理论，巴罗报告的城市与区域的一体化模式，c p e r r y 的邻 里单位，c s t e i n 的雷德朋街坊模式等，也将城市空间结构的功能化研究推向前进。 2 0 世纪6 0 年代9 0 年代，城市空间结构的研究重点逐渐转人信息化对人类聚居 行为、生态环境可能的影响方面，在文化价值、生态藕合及人类体验等更深层次上关 注城市文脉的连续以及空间结构的梳理。其中著名的有k l y n e h 的城市意象感知， v j a c o b s 的城市交织功能；c a l e x a n d e r 的半网络城市；d o x i a d i s 的动态城市：l m c h a r g 的自然生态城市；c r o w e 的拼贴城市；a p o p o r t i 的多元文化城市等，均反映了他们 对后现代社会，高科技发展对城市空间的冲击可能造成的诸如悄感真空、环境破坏、 文化缺失断层等可怕后果的关注和优虑。 9 0 年代后，城市空间结构进一步向区域化、信息网络化的研究方向发展。一些学 者从人类居住形式的演变过程研究人手，提出了2 1 世纪城市空间结构的演化必然体 现人类对自然资源最大限度集约使用的要求，并针对日益显著的大都市带现象，提出 了世界连绵城市( f c u m n n o p o l i s ) 结构理论，代表人物有d o x i a d i s 、g o t t a n m a n 、 r f i s h m a n 、阿部和俊、高桥伸夫等。 总之，西方城市空间结构理论研究虽然取得很大的发展，但还没有形成一种完整 山东师范大学硕士学位论文 的理论体系，各个学派对城市空间结构的研究还有很大的差异。一方面需要用新的理 论体系来协调以前各种学派的研究体系，另一方面则需要引入更多的新技术和新方 法。 1 2 2 2 中国城市空间结构理论研究进展 国内城市空间结构研究起步较晚，上个世纪5 0 年代以前，除一些归国留学生介 绍过西方的研究成果外，国内真正的研究还很少。解放后，虽然我国的城市发展迅速， 但是城市空间结构的研究并未展开。8 0 年代以后，我国的学者才开始对城市空间结 构进行研究，并在城市空间结构演变及其模式方面进展较快。8 0 年代以来国内对城 市空间结构的研究大致可分为3 个阶段： 2 0 世纪8 0 年代初至8 0 年代末的介绍阶段。主要是在一些城市地理学或人文地理 学教材中，对国外的概念及相关研究进行介绍：同时，商业空间结构的研究在个别城 市得以开展。 2 0 世纪8 0 年代末至1 9 9 5 年的研究起步阶段。城市商业空间结构和社会空间结构 的研究有一定进展，城市形态和城市用地空间扩展的研究开始起步。 1 9 9 6 年以来，研究不断增多、热点不断出现的研究加速阶段。城市社会空间结构 研究成为热点，城市内部经济空间结构中的部分领域也出现热点，对西方个别热点问 题有所涉及。 从总体上看，我国城市空间结构研究水平和国外的相比还有一定的差距，在有些 方面仍然很薄弱。理论研究多是对西方研究理论的总结性介绍，实证研究大部分是采 用国外的研究方法，自我创新还不够。 1 2 3 细胞自动机( c a ) 在城市空间结构研究中的应用 现代城市是城市自组织和人为规划相结合的产物，“人为规划”即人们根据自身 经济社会发展目标的需要而制定的一些相关政策法规和措施，既具有强制性，又具有 诱导性，从这个角度看城市空间结构是难以预测的。同时，现代城市又是一个自然、 社会、经济因素相互作用的复杂的非线性空间动力学系统，具有开放性、非线性、综 合性、动态性等复杂性特征，因此城市空间结构存在自身发展规律，这是人们不能改 变的。所以找到一种综合考虑各方面限制的系统模拟模型尤为重要。细胞自动机作为 一种通用的时空动态模型，自产生以来就被广泛应用到社会、经济和科学研究的各个 领域。细胞自动机在城市空间结构演化中的应用，相对于其他方法建立的模型更为简 山东师范大学硕士学位论文 单，而且它是基于空间的相互作用机制，更能反映空间结构变化以及由此带来的一系 列反馈作用。在细胞自动机模型中，细胞空间可以划分的非常小，因此它能够在更小 的尺度上表现城市空间结构的变化。在细胞自动机应用于地理科学的诸多领域中，城 市化进程中的土地利用结构变化模拟方面的研究和应用工作是最早的。h e l e n c o u c l e l i s 【”1 作为细胞自动机在城市发展研究领域的奠基人，近年来对细胞自动机在 城市发展中的应用理论以及细胞自动机与地理信息系统的集成作了进一步的研究。她 认为，与地理信息系统技术的结合促使基于细胞自动机的城市区域模型发展为具有应 用潜力的定量预测模型；同时在两者结合发展的过程中也出现了一些新问题，包括原 始细胞自动机理论框架完整性的逐步丧失，以及综合模型日趋复杂化而难于理解和应 用。基于c a 的城市空间结构模型研究在我国起步比较晚，受国际研究的推动，近几 年国内地理学界才开始类似的研究尝试，比较有影响的有周成虎、黎夏、史培军等人。 周成虎【5 1 等人在b a t t y 和m e 的c a 模型的基础上，构建了面向对象的、随机的、不 同构的和两个c a 模型耦合的g e o c a - u r b a n 模型，提出了地理元胞自动机( g e o c a ) 的概念。黎夏16 】【1 7 】 1 8 1 等人通过构建约束性单元自动演化c a 模型，结合主成分分析 和神经网络等技术成功地对东莞市的城市用地扩展进行了模拟，其在研究中从影响因 素空间作用范围的角度把约束因素分为局部、区域和全局性三类，使模型的构建更加 自然和真实。史培军 1 9 】等在进行深圳土地利用覆盖变化模拟时，利用m o n t e c a r l o 方法来确定各种影响因素权重，具有一定的借鉴意义。张显峰利用c a 对城市扩展进 行了动态模拟，成功地预测了未来城市扩展的格局 2 0 1 。 1 3 研究内容和主要创新 1 3 1 研究的框架和主要内容 第一章，绪论。指出本文的研究背景及意义，在对“城市空间结构”概念表达的 基础上，阐述了西方城市空间结构理论研究进展和中国在城市空间结构理论研究的发 展，并对细胞自动机( c a ) 在城市空间结构研究中的应用现状进行了分析。 第二章，对城市空间结构的构成和演化规律进行了深入的分析。从城市空间结构 的构成要素入手，分析城市空间结构的特征以及相关的演化理论。辨识城市空间结构 的影响因素，利用自组织理论分析了城市空间结构演化的动力机制。最后总结了城市 空间结构的模式。 第三章，城市空间结构c a 概念模型的构建。在阐述细胞自动机基础理论的基础 山东师范大学硕士学位论文 上，对细胞自动机进行了扩展，使其能够模拟城市复杂系统的演化过程，并详细介绍 了城市空间结构c a 概念模型的构建路线。 第四章，济南市城市空间结构的实证研究。简要分析了市区的人口空间变动情况 和城市空间结构现状。从市区人口空间分布和城市化地区的演变两方面分析城市空间 结构的演化过程。人口空间分布动态预测采用了c a a r 模型；人口密度分布与城市 化地区的演化采用了模糊逻辑细胞自动机模型。在模拟结果的基础上，分析了济南市 市区城市空间结构演化的动力机制，提出了城市空间结构发展的优化措施。 l 研究背景及意义f l 城市空间结构研究的发展li 第一章 l l 研究框架和主要内容l 城市空间结构演化 演影自模 回 化响组式 规因 织 律素机 制 l 城市空间结构c a 概念模型构建ii 第三章i i 济南市城市空间结构实证研究l 人人 口口 空密 间度 分 分 布布 困 动与 态 城 预 市 测化 i 演变机制分析与优化对策i 结论与建议 l 第五章 图1 i 本文研究的框架结构图 7 山东师范大学硕士学位论文 1 3 2 主要创新 首先是方法的创新。在细胞自动机的基础上，对其进行扩展。引入数据挖掘的思 想，从历史数据中提取状态转化规则，建立c a a r 模型。集成模糊集和细胞自动机， 建立城市化地区演化的模糊逻辑细胞自动机模型。 其次是理论的创新。从城市空间的自相似性和自组织特征出发，分析城市空间结 构的演化规律和影响因素，以及城市空间结构演化的动力机制和模式。 最后是技术的创新。充分利用非线性理论和方法，综合运用各种工具软件，力图 改变以往研究中模型技术使用单一的弊端。 山东师范大学硕士学位论文 2 城市空间结构演化及其模式 2 1 城市空间结构演化理论 城市空间结构演化是一个动态的复杂过程，这个过程不仅受到城市空间结构组成 要素的制约，同样也受制于社会、经济、政治等外部因素。城市空问结构的形成和变 化是城市内部、外部各种社会力量相互作用的物质空间反映。 2 1 1 经济学的解释 ( 1 ) 土地经济学理论。在城市中的土地，由于地理位置不同，地租就存在差异， 从而导致城市土地的价值差异。在经济发展过程中，城市土地的价值决定了城市土地 的配置，影响城市空间结构的现状和未来发展的趋势2 1 1 。新古典主义经济学派倾向 于讨论理想状态下的土地配置模型，即按自由市场条件下，根据供需关系决定地价， 能支付最高地价的用途占用地价最高的地区，其目的是提出在“理性条件下”经济地 利用土地的“最佳”用地模式，以供规划土地配置时作指导。土地经济学中的结构学 派则认为，不应抽去现实生活中的政治因素讨论抽象的地价问题，因而引入了政治经 济学的内容【2 2 1 。 ( 2 ) 集聚效益理论。集聚效益是经济活动的客观规律之一。由于集聚效益的存 在，在不同的区位进行相同的投资会产生不同的效益，从而影响企业和个人根据自身 利益决定其投资的区位，形成不同的城市空间格局2 3 】 2 4 1 。集聚效益使相同功能的用 地有集聚的倾向，分散的工业用地逐渐迁入工业园区中，商业用地在城市的c b d 集 聚。在城市空间结构中表现为城市商业、工业、服务业的集聚，影响到城市空间结构 的重组。 ( 3 ) 经济活动的投入产出理论。在经济活动中，要求以最少的投资得到最大的 产出，土地成本、交通运输成本是决策的重要因素。无论是工业用地选址还是购买住 房，土地成本和交通成本都是决策的重要依据【4 】。当土地成本低于交通运输成本时， 投资者倾向于往市中一i i , 投资；当交通运输成本低于土地成本时，投资者更倾向于土地 成本更低的郊区，郊区化就会出现。这种对经济效益的追求最终会体现在城市的经济 空间结构上。 ( 4 ) 经济基础决定理论。一切经济活动都需要有一定的经济基础作为支撑。城 市扩展和结构调整是一个大规模的经济活动，需要更大的经济基础作为支撑。“始显 点理论”提出人均g d p 要在3 0 0 0 美元以上，才可能出现城市的郊区化，主要依据即 山东师范大学硕士学位论文 是城市扩展所需要的经济基础【25 1 。虽然城市居民都追求更好居住环境，但是由于经 济条件的限制妨碍了其迁向更好的住宅。城市基础设施的建设、开发区的建设和城市 居住条件的改善，都受到经济基础的制约，从而决定城市的扩展和城市空间结构的调 整。 2 1 2 社会学的解释 ( 1 ) 新马克思主义理论。城市空间结构是城市中各利益集团其阶级地位在城市 空间上的表现，城市空间结构的重组就是这些利益集团阶级关系变动的结剁26 1 。占 统治地位的阶级占有最优良的土地，而市政府作为统治阶级的代表，以提供不同的土 地配置方法。不同的阶层在城市发展中起着不同的作用，导致城市空间结构的不断变 化，是城市各阶级利益变动的物质体现。 ( 2 ) 族裔迁移理论。种族居住空间的分离是美国城市空间结构的一个基本形态。 不同的种族更倾向于和社会属性相同的群体聚居，这种城市内部人口的集聚和迁移形 成了城市空间结构的分离和重组27 1 。在中国大城市，外来打工人员占城市居民的比 例正在上升。外来打工人员的居住分布已明显反映出外来者省籍、职业等社会属性的 影响。作为群体，外来人员往往集中在城市外围边缘及城乡结合部地区，和城市原住 人口分离。 ( 3 ) 新政治文化理论。这个理论的基础是文化价值观，城市空间结构是建立在 市民的相同或相近的价值观念上。具有这样价值观的群体聚居在一起，推选出具有这 种价值观的政治代表来管理城市，并按照这个价值观建筑和改造城市2 8 1 。 2 1 3 政治经济学的解释 该理论从政治经济学的角度出发，认为政府、市场、社会及其相互的关系是影响 城市空间结构构筑与变化的力量。城市空间结构的变化是政体变迁的物质反映。如果 商业、零售业及投资于市中心的开发商和市政府结盟，则市中心改造会成为市政府关 心的重点2 9 1 。在总投资有限的情况下，城市空间变化会表现出市中心更新、而一般 社区面貌不变或衰退的状况。根据三者力量的不同，市政府就代表不同的阶级利益， 采用促进增长的战略、管理城市发展的战略、维持现状的战略和激进的战略等不同的 发展战略，对城市空间结构的变化产生不同的影响。 2 2 城市空间结构演化的一般特征 作为城市各要素在空间实体上的反映，城市空间结构的演化是一个动态的过程。 1 0 山东师范大学硕士学位论文 这种演化过程是在社会经济因素的影响下，随着城市功能的变化而变化的。在城市空 间结构的发展过程中，社会经济的发展，尤其是城市的经济发展水平和产业结构，在 很大程度上决定了城市空间结构发展的阶段性3 0 】。人类的社会经济发展大致经历了 三个阶段；前工业化时代、工业化时代和后工业化时代。相应地，各个发展时期城市 空间结构和城市形态也具有阶段性的特征和规律p 1 1 。 2 2 1 前工业化时代 1 8 世纪中叶以前，一般认为是前工业化时代。这一时期经济活动以第一产业 农业为主，生产力水平低下，社会分工和商品生产不发达，城市产生和发展缓慢，城 市数目少、规模小。人为控制城市空间结构的情况尤其突出，城市空间的自发生长居 于次要地位，但由于生产力的限制，城市空间在很大程度上仍然受到地理条件的制约， 呈现出以下明显特征： 第一，城市空间结构受人为控制，与城市的政治功能一致。在这时期，人们往 往把宗教、美学、伦理、天文和城市空间结构联系起来，相对稳定的政治制度、宗教 思想和不变的社会生产方式，使城市空间结构处于一种相对稳定的发展状态。 第二，城市空间形态较多受地理条件的限制。早期由于技术水平的限制，从城市 选址到城市建设都受到地理条件的限制，以至于对城市空间结构的人为控制只有建立 在城市地理环境的基础上。 第三，城市空间结构演变缓慢，具有明显的封闭性。早期城市的兴起大多是由于 其特殊的政治地位或军事地理优势，城市的一切发展都服从于其政治功能，出于军事 防御和政治统治的需要，早期的城市戒备深严，有驻兵守卫，控制人们的自由出入。 第四，城市发展独立，彼此联系较少。由于地理和交通的限制，城市的发展基本 是独立的，相互之间联系较少。因此就区域范围而言，城市分布以点状为主，区域城 市的等级规模或尚未形成，或尚未完善：在不同的地区、不同的文化下发展的城市各 自有着自己鲜明的特点和风格，呈现出较大的地域差异和文化差异。 2 2 2 工业化时代 工业化时代，即1 8 世纪中叶至2 0 世纪初，经济活动逐渐由家庭转向企业化生产， 生产力快速发展，社会分工、生产的专业化和协作日益加强，产业革命导致的大工业 和人口在地域上的集中，引起了城市规模和数量急剧扩大。产业革命为城市发展提供 了极为广阔的空间，工业化时代城市发展的速度和规模都是前工业化时代无法比拟 山东师范大学硕士学位论文 的，城市的空间结构也呈现出诸多新的特征： 第一，城市功能区出现，并形成了中央商务区( c b d ) 。工业化时代客观自发生 长因素( 主要是经济规律) 取代主观的人为因素成为影响城市空间结构的决定性因素。 由于地价的出现，城市内部的各种活动在城市一定的空间集聚形成特殊的区域，并从 区域配置中获得最大的利益。 第二，工业化后期，出现郊区化的发展趋势，中央商务区的功能随之转变。随着 工业化时代机械化程度增强和资本与劳动力比的提高，制造业产量提高不再依靠劳动 力的增长，其他部门如服务业等在提供劳动力就业机会方面相当重要。同时由于工业 化向城市中心的聚集，导致城市环境污染、交通拥挤、社会治安等城市病日益恶化。 交通网的完善使城市外迁成为可能，日益膨胀的中产阶级和高收入的蓝领工人纷纷落 户郊区，大型生产部门和商业也迁往城市边缘地区，城市发展呈现出郊区化发展趋势， 出现了经济空心化和市区人口负增长的现象，从而导致传统城市功能的变化，城市服 务功能日益突出。中心商务区在市中心的地位被知识密集型公司所取代，城市中心区 的功能逐渐由产品加工和低层次服务向信息处理和高层服务方面过渡。 第三，出现了居住分离局面。随着社会阶层的分化和社会结构的演变，城市居民 按不同阶层、不同种族、不同经济收入水平和文化水平聚集在某一特定空间。随着城 市的极度膨胀，城市病的日益严重，城市中心区的居住环境日益恶化。随着郊区化的 发展，交通的进一步发展极大地扩大了城市居民的活动空间和流动频率，中产阶级和 经济收入较好的蓝领阶层逐渐外迁到新兴的郊区。 第四，区域经济不平衡出现。城市空间产生一定经济梯度，聚集程度不断加强， 相应的城市体系点轴状态开始出现，首位性城市和克氏中心地等级特征逐渐表现出 来。 2 2 3 后工业化时代 后工业化时代，随着科学技术上的突破，新兴电子行业和信息产业逐渐取代传统 工业而成为支柱产业。由于知识和人力资本的水平成为经济发展持续的源泉与动力。 知识经济和网络时代的到来，彻底改变了城市面貌和城市空