（地图学与地理信息系统专业论文）地理元胞自动机转换规则与城市空间形态模拟.pdf

地理元胞自动机转换规则与城市空间形态模拟 专业：地图学与地理信息系统 博士生：杨青生 指导教师：黎夏教授 摘要 城市是人类改造自然环境最显著的产物之一，城市土地利用变化是典型的人 地相互作用的结果。从历史数据中获取城市土地利用变化的规律，建立能够重现 和模拟城市土地利用发展变化的模型，预测不同条件下的未来城市土地利用变 化，寻找资源保护和环境友好的理想城市形态，最大限度地降低城市土地利用变 化中的资源浪费和环境破坏，已经成为了土地利用，覆盖变化研究的前沿和热点 问题之一。本文以珠江三角洲地区的广州市、深圳市、东莞市和中山市等城市群 为例，运用地理元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a , 简称c a ) ，建立区域城市群土地 利用变化模型，研究区域城市群土地利用变化的发展过程，在此基础上探索了节 约土地资源的紧凑城市形态的模型参数。本研究有助于认识和理解区域城市群土 地利用变化的基本规律，推动城市土地利用变化的模型研究，可以为区域可持续 发展提供科学的决策依据。 首先介绍了地理元胞自动机的基本概念和特征，深入分析了国内外相关研究 进展，明确了用地理元胞自动机( c a ) 建立城市模型，需要进一步研究的主要问题： c a 线性转换规则的优化以及模型中阙值的自动确定；c a 非线性转换规则；c a 空间非统一转换规则和优化城市形态的c a 模型。以解决这些问题为基本目标， 确定了主要研究内容和框架。并介绍了研究区域的自然地理环境和社会经济发展 概况，获取了用c a 模拟城市时需要的主要数据。 利用遗传算法研究了优化c a 线性转换规则和阅值自动确定的方法。将c a 参数迸行染色体编码，设置适应度函数和遗传算子以及模型终止的条件，获取优 化的c a 参数并自动获取模型的阈值。利用遗传算法优化的c a ，模型参数的权 重能定量地反映空间变量对城市格局的影响，从而寻找出城市发展的规律。而且 利用遗传算法可以自动搜索模型的阈值，为阈值的确定提供了一种有效的方法。 将该方法运用在东莞市城市模拟的研究结果表明，该方法比多准则判断( m u l t i c r i t e r i ae v a l u a t i o n ，简称m c e ) 校正的c a 模型有更高的模拟精度 利用贝叶斯分类方法和非线性分类支持向量机分别研究了获取c a 非线性 转换规则的方法。运用朴素贝叶斯分类器，通过对模拟城市系统的主要特征变量 进行数据变换，借助高斯密度函数和离散模型，获取城市元胞自动机的非线性转 换规则，建立n b c - - c a 模型。模型中高斯密度函数的i 参数可解释在空间变量 中山大学博士学位论文：地理元胞自动机转换规则与城市宅问形态模拟 作用下，新发展城市集中的区域，仃参数可解释空间变量对城市发展的影响范围。 对比不同空间变量的口、牙参数，可体现不同时期城市发展的主要模式和特征。 运用非线性支持向量分类机，通过结构风险最小化和最大距离间隔原理从训练数 据中获取支持向量，依靠核函数，构造最优分割超平面，采用构造最优超平面的 决策函数定义c a 的非线性转换规则，与传统的基于经验风险最小原理优化训练 参数的神经网络方法相比，该超平面可以达到全局最优结果。非线性转换规则的 c a 运用在深圳市城市模拟的研究结果表明，非线性转换规则c a 模拟精度比传 统的m c e 方法模拟精度高，能反映城市系统的非线性特征。 利用遗传算法、租集、时空约束条件分别研究了c a 模型空间非统一转换规 则。将整个研究区按行政区分为广州市、深圳市、东莞市、中山市、增城市、从 化市六个子区，在每个子区内，用遗传算法获取模型参数，形成分区的空间非统 一转换规则，不同子区的模型参数可以反映不同的城市发展模式和特征。利用粗 集定义的转换规则对c a 模型的变量参数进行了特征选择，生成的决策规则用分 类比例表达规则的不确定性程度，而且转换规则是可理解的和随地理环境的变化 而变化的；基于粗集的c a 模型通过特征选择反映城市系统的不确定性，不同空 间位置规则的差异性反映了空间的复杂关系，体现了转换规则的空间非统一性。 时空约束的城市c a 模型引入了城市用地总量作为子区城市发展的约束条件，约 束条件参数可以表示城市用地增长的时空变化特征，反映转换规则的空间差异 性：分析时空子区城市发展的特点，有助于掌握研究区城市发展的时空差异性， 可以为城市发展的调控和政策的制定提供科学的决策依据。 通过动态调整模型参数，研究了节约土地资源的紧凑城市形态c a 模型。在 分区的非统一转换规则模型的基础上，以城市用地“紧凑度”为标准，对不同区 域模拟的结果进行评价，改进紧凑度低的转换规则参数，模拟节约土地资源的紧 凑城市形态，并以珠江三角洲的城市群发展为例，模拟了优化的区域城市空间演 变。 最后，总结了研究的主要结论及论文的创新之处，分析了论文的不足和需要 进一步深入研究的主要问题。 关键词：元胞自动机；转换规则：城市模拟；珠江三角洲 i i g e o g r a p h i cc e l l u l a ra u t o m a t at r a n s i t i o nr u l e sa n d u r b a ns p a t i a lf o r ms i m u l a t i o n m | j o r ：c a r t o g r a p h ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s n a m e ： q i n g s h e n gy a n g s u p e r v i s o r ：d r x i al i , p r o f e s s o r a b s t r a c t u r b a nd e v e l o p m e n ti sas i g n i f i c a n t # o b e lp h e n o m e n o n u r b a nl a n du s ec h a r i g e h a sb c o o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t u d ys c o p e si nl u c c 7 i og r a s pu r b a n d e v e l o p m e n tr e g u l a t i o n sf r o me m p i r i c a lo b s e r v a t i o n s , t h es i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o n o fu r b a nd e v e l o p m e n ta r et h eo d r co fu r b a nr e s e a r c h b a s e do nu r b a nd e v e l o p m e n t m o d e l ，i t sn e c e s s a r yt os t u d ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tu r b a nf o r m sf o rr e s e r v a t i o n l a n dr 嘲吣e n dp r o t e c t i o ne n v i r o n m e n t 1 1 i i sp a p e rd e v e l o p sc e l l u l a ra u t o m a t a ( c a ) m o d e l sf o rs i m u l a t i n gu r b a nd e v e l o l n n e n ti np e a r lr i v fi ) e l t 以m o “幻吼t h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tu r b a nf o r mi ss i m u l a t e df o rr e d u c i n gl a n dr e s o l l r c e c o n s u m p t i o na n dp r o t e c t i n ge c o l o g ye n v i r o n m e n tb ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so f u r b a nm o d e l f i r s t , t h ec o n c e p to fc e l l u l a ra u t o m a t aa n du r b a nc e l l u l a ra u t o m a t aa r ei n t r o d u c e d t h e n , a c c o r d i n gt ot h er e v i e wo ft h et e l a t i v er e s e a r c hp r o g r e s s e sa b o u tu r b a nc e l l u l a r a u t o m a t a , 璺f f l n ek e yp o i n t so fu r b a nc e l l u l a ra u t o m a t a , s u c ha s , o p t i m i z a t i o no f t r a n s i t i o nr u l e sa n dt h r e s h o l do f u r b a nc a , d e f i n i t i o no f n o n l i n e a rt r a n s i t i o nm l c sa n d s p a t i a l l yh e t e r o g e n e n n st r a n s i t i o nr u l e sa l ep u tf o r w a r d t os t u d yi nt h i sp a p e r g e n e d ca l g o r i t h m sa r eu s e dl of i n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e rv a l u e sa n dt h e t h r e s h o l ds ot h a tc am o d e l sc a ns i m u l a t eu r b a ne x p a n s i o ni nam o r er e a l i s t i cw a y a f t e re n c o d i n gt h ec h r o m o s o m e s , s e t t i n ge v o l u t i o ns t r a t e g ya n ds t o pc o n d i t i o n s ，t h e o p t i m a lp m e t e r v a l u e sa n dt h r e s h o l da r ea u t o m a t i c a l l yf o u n db yt h ee v o l u t i o n a r y a p p r o a c h t l l i sm e t h o d i sa p p l i e dt ot h e s i m u l a t i o no f u r b a ne x p a n s i o ni nd o n g g u a n , a f a s td e v e l o p i n gc i t yi nt h ep e a r lr i v e rd e l t a 1 1 1 ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e d m o d e le a np r o d u c eb e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l t st h a n ( m u l t ic r i t e r i ae v a l u a t i o n , m c e ) m c e - b a s e dc am o d e l s m o r e o v e r , g e n c t i ca l g o r i t h mc a nf i n dt h et h r e s h o l di nc a m o d e la u t o m a t i c a l l y ac am o d e lb a s e do nn a i v eb a y e s i a nc l a s s i f i c a t i o nm b e ) i sd e v e l o p e df o r d e f i n i n gn o n l i n e a rt r a n s i t i o nr u l e s 1 r i 峙n b c c ar o o d e lc a nb ea p p l i e dt ot h e s i m u l a t i o no fu r b a nd e v e l o p m e n t c o m p l e xg l o b a lp a t t e r n sc a nb eg e n e r a t e df r o m l o c a li n t e r a c t i o n sw i t ht h en b c c am o d e l m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t s d a t i a lv a r i 曲l e st ou r b a nd e v e l o p m e n t 啪b eo b t a i n e df r o mt h ep a r a m e t e r so ft h e m o d e l i l l 中山大学博士学位论文：地理元瞻自动机转换规则与城市空间形态模拟 ac am o d e lh a s e do ns u p p o r tv e e t 【o rm a c h i n e ( s v m ) i sd e v e l o p e df o rd e f i m n g n o u l i n e a lt r a n s i t i o nr u l e s t h es v mm e t h o di su s e dt ot r a n s f o r mt h ed a t af r o m n o n l i n e a rb o u n d a r i e si nt h eo r i g i n a ls p a c et ol i n c a rb o u n d a r i e si nt h eh i l b e r ts p a c c 田地n o n l i n e a r t r a n s i t i o n r u l e sc a n t h e n b e d e f i n e d b y u s i n g t h e f u n c t i o n s o f s v m 1 1 l e s v m c am o d e le a nb ea p p l i e dt ot h es i m u l a t i o no fu r b a nd e v e l o p m e n t n e s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h ep r o p o s e dm o d e lc a no v e r c o m es o m eo ft h e s h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gc a m o d e l si ns i m u l a t i n gc o m p l e xu r b a ns y s t e m sb yu s i n g t h en o n l i n e a rt r a n s i t i o nr u l e s t h em o d e lh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h e s i m u l a t i o no f u r b a nd e v e l o p m e n ti ns h e n z h e nc i t yo f t h ep e a r lr i v e td e l t a r o u g hs e t s ( r s ) a r ou s e d t o d e v e l o pac am o d e lf o rd e f i n i n gs p a t i a l l y h e t e r o g e n e o u st r a n s i t i o nr u l e s t h er o u g hs e tm e t h o di su s e dt oo b t a i nt h eu n c e r t a i n t y a n ds p a t i a ln o n u n i v e r s a l i t yt r a n s i t i o nr u l e s d i f f e r e n tt r a n s i t i o nr u l e sc a nb es e l e c t e d t od i f f e r e n tc o n d i t i o nc e l l sf o rd e t e r m i n i n gu r b a nd e v e l o p m e n tp r o b 曲l i t yb yr o u g h s e t s n l et r a n s i t i o nr u l e sv a r yi n a n 蝣m o d e lh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o t h es i m u l a t i o no f u r b a nd e v e l o p m e n ti ns b e n z h e nc i t yo f t h ep e a r lr i v e t d e l t a as p a t i a l - t e m p o r a le o u s t r a i n t sc am o d e li sd e v e l o p e df o rd e f i n i n gs p a t i a l l y v a r y i n gt r a n s i t i o nr u l e st o o 1 1 坞c o n s t r a i n t sa l eb a s e do nt h ea m o u n t so fi a n d c o n s u m p t i o nf o rd i f f e r e n ts u b r e g i o n sa n dt i m ep e r i o d s t h e s ea m o u n t so fl a n d c o r k s t n r | 1 p t i o i l sw e r eo b t a i n e db yu s i n gr e m o t es e n s i n gd a t a t m sp r o p o s e dm o d e lw a s u s c dt os i m u l a t et h eu r b a ng r o w t ho ft h es h e n z h e na n dd o n g g u a nc t yf r o m1 9 8 8t o 2 0 0 4 t h ep r e d i c t i o no f u r b a nl a n du s ei n2 0 1 0i sa l s oc a r r i e do u tb yu s i n gt h i sm o d e l b a s e do nt h ed e v e l o p m e n tt r a j e c t o r y t h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h i sm o d e lo a n p r o d u c eb e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l t st h a nt h en o n - c o u s t r a i n e dc a m o d e l g e n e t i ca l g u r i t h m sa l ea l s ou s e dt od e f i n es p a t i a l l yh e t e r o g e n e o u st r a n s i t i o n r u l e sf o rs i m u l a t i o nu r b a nd e v e l o p m e n ti nl a r g ea r e a n 坞s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e s t h a ts o a t i a l l yh e t e r o g e n e o u st r a n s i t i o nr u l e su r b a nc ac a ni m p r o v es i m u l a t i o n a c c u r a c y b a s e do ne v a l u a t i n gu r b a nc o m p a c tf o r m ，t h ep a r a m e t e r so fs p a t i a l l y h e t e r o g e n e o u st r a n s i t i o nr u l e sc a nb ea d j u s t e df o rs i m u l a t i o nc o m p a c tu r b a nf o r m s t h ec o m p a c tu r b a nf o 肌啪r e d u c el a n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n dp r o t e c t e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：c e l l u l a ra u t o m a t a ；t r a n s i t i o nr u l e s ；u r b a ns i m u l a t i o n ；p e a r lr i v e r d d t a 目录 图目录 图! - 1 元胞自动机的构成6 图1 2 元胞自动机的邻近范围 图1 - 3m a r g o l u s 型邻近范围 8 8 图l - 4 生命游戏模型1 0 图l 巧城市c a 模型概念的扩展 图1 6 城市元胞自动机扩展的元胞邻近范围 1 2 1 4 围l - 7s l e u t h 模型模拟城市增长过程。2 0 图i - 8 研究框架 图2 1 研究区位置3 0 图2 - 2 研究区主要经济指标增长图 图2 3 研究区总人口、非农人口和建成区面积增长图 图2 _ 4 研究区1 9 8 8 年城市用地分布图 图2 - 5 研究区1 9 9 3 年城市用地分布图 图2 - 6 研究区1 9 9 7 年城市用地分布图 图2 - 7 研究区2 0 0 4 年城市用地分布图 图2 - 8 初始的元胞邻近3 x 3 范围内已城市化的元胞数 图2 - 9 研究区坡度图 图2 1 0 离市中心的最短距离 图2 - 1 1 离镇中心的最短距离 图2 - 1 2 离公路的最短距离 图2 1 3 离高速公路的最短距离 图2 - 1 4 离铁路的最短距离 图3 1 遗传算法优化问题求解流程图一 图3 - 2 遗传算法寻找c a 模型最佳参数流程图 图3 3g e n e h u n t e a 中c a 模型参数优化的设置 图3 4 遗传算法适应值改善过程 图3 - 5 东莞市1 9 8 8 - 2 0 0 4 年城市模拟对比图 图3 - 6 根据发展趋势模拟的东莞市2 0 1 0 年城市用地发展状况 图4 1 城市模拟中发展为城市用地和朱发展为城市用地的非线性分类边界5 7 图4 - 2 高斯径向基函数的参数变化示意图 6 1 图4 - 3n b c - c a 城市模型6 4 图4 4 不同空间变量城市发展的集中区域及影响范围 图4 5 深圳市1 9 8 8 年- - 2 0 0 4 年实际城市用地( a ) 与模拟城市用地( b ) 对比。6 7 图4 石根据发展趋势模拟的深圳市2 0 1 0 年城市发展状况 图4 7 二维线性可分、非线性可分及映射后的线性可分示意图 图4 8 基于s 、q 啦_ c a 模型模拟城市系统流程图 7 3 7 5 ”弛m弭努弘弘拍” 弘犍瓢咒钳鲐 中山大学博士学位论文：地理元胞自动机转换规则与城市宅问形态模拟 图4 9 深圳市1 9 8 8 g - - 2 0 0 4 年城市发展模拟结果与实际对比 图4 - 1 0 深圳市1 9 8 8 年一1 9 9 3 年城市发展模拟过程图 图4 - 1 1 根据发展趋势模拟的深圳市2 0 1 0 年城市发展状况 图5 - 1 遗传算法搜索分区的非统一规则c a 模型 图5 - 2 为划分子区布置的坡面 图5 - 3 沿不同坡面的城市用地分布与边界的关系 图5 - 4 广州市遗传算法的适应值改善过程 图5 - 5 增城市遗传算法的适应值改善过程 图5 - 6 从化市遗传算法的适应值改善过程 图5 - 7 深圳市遗传算法的适应值改善过程 图5 - 8 东莞市遗传算法的适应值改善过程 图5 - 9 中山市遗传算法的适应值改善过程 图5 一l o 各城市空间变量的权重 图5 1 l 研究区1 9 8 8 - - 2 0 0 4 年城市模拟过程图。 图5 1 2 粗集概念示意图 图5 一1 3 基于粗集的c a 模型 9 l 9 2 9 3 9 5 图5 1 4 转换规则的时间间隔与c a 模型迭代间隔 1 0 3 1 0 4 图5 - 1 5 深圳市1 9 8 8 - - 2 0 0 4 年不同空间位置匹配的c a 转换规则1 0 8 图5 1 6 深圳市1 9 8 8 - - 2 0 0 4 年实际城市用地( a ) 和模拟城市用地分布( b ) 对比1 1 1 图5 - 1 7 根据发展趋势模拟深圳市2 0 1 0 年城市用地 图5 一1 8 时空约束c a 模型 图5 - 1 9 实际城市用地( a ) 和时空约束的c a 模型模拟的城市用地( b ) 图5 - 2 0 根据发展趋势模拟预测的2 0 1 0 年城市发展状况 图5 - 2 1 区域1 9 8 8 - - 1 9 9 3 年城市用地增长分区 图5 - 2 2 区域1 9 9 3 - - 1 9 9 7 年城市用地增长分区 1 1 2 1 1 6 图5 - 2 3 区域1 9 9 7 - - 2 0 0 4 年城市用地增长分区 图6 - l实际参数模拟的1 9 9 3 年城市紧凑度评价 图6 - 2 用广州市参数优化模拟结果 1 2 1 1 2 3 1 2 3 1 2 4 1 2 9 1 3 0 图6 - 3 广州市参数优化模拟与实际获取参数模拟的1 9 9 3 年城市紧凑度。1 3 1 图6 4 权重动态调整过程示意图 图6 - 5 用“市中心一道路”优化参数模拟结果 1 3 2 1 3 3 图6 - 6 按“市中心道路”发展优化模拟与实际模拟1 9 9 3 年城市紧凑度1 3 3 图6 - 7 用“市中心镇中心一道路优化参数模拟 1 3 4 图铀按“市中心镇中心一道路”发展优化参数与实际模拟城市紧凑度1 3 5 图6 - 9 不同优化方案的城市斑块紧凑度对比( 1 9 9 3 年)1 3 6 引缸：8髂眇蚍 目录 表2 1 表3 - 1 表3 - 2 表目录 c a 模型中的主要数据3 3 空间变量及获取方法5 0 遗传算法及逻辑回归c a 模型的参数表5 2 表3 - 3 遗传算法优化模型模拟的混淆矩阵( 1 9 8 8 1 9 9 3 ) 。5 5 表3 4 逻辑回归模型模拟的混淆矩阵( 1 9 8 8 1 9 9 3 ) 5 6 表3 - 5 遗传算法优化模型模拟指数对比表5 6 表4 1 空间变量及获取方法。“ 表4 - 2 不同空间变量径向基函数的参数( 1 9 8 8 1 9 9 3 ) 。6 5 表4 3n b c c a 模型模拟的总精度醯 表4 4n 】卜c 模型模拟m o r a ni 指数对比表矾 表销 表粕 部分支持向量及对应的系数。7 7 基于s v l 眦a 的典型数据分类结果。7 9 表4 7s 、飞l - c a 模型精度评价混淆矩阵8 2 表锚 表 s v l 蚺c a 模型精度评价混淆矩阵8 2 m o r a ni 指数对比表8 3 表4 - 1 0 基于m c e 的逻辑回归模型精度评价混淆矩阵8 3 表5 1 空间变量及获取方法。8 7 表5 - 2 珠江三角洲各城市空间变量参数。9 0 表5 _ 3 非统一转换规则c a 模拟精度的混淆矩阵9 6 表5 4 表5 - 5 统一转换规则c a 型模拟精度的混淆矩阵。卯 离散化的决策表9 9 表5 - 6 决策表( 5 - 5 ) 的分辨矩阵。1 0 1 表5 - 7 约简后的决策表之一1 0 2 表5 - 8 空间变量及获取方法1 0 5 表5 - 9 从训练数据中获取的约简后的部分规则1 0 7 表5 1 0 深圳市1 9 8 8 - - 2 0 1 0 年城市c a 模拟的基本参数。1 0 8 表5 1 l 深圳市1 9 8 8 - - 2 0 0 4 年r s - c a 模型模拟的误差评价1 1 0 表5 1 2 深圳市1 9 8 8 - - 2 0 0 4 年r s - c a 模型的m o r a ni 指数和实际对比1 1 2 表5 1 3 模型的变量及获取方法1 1 6 表5 1 4 城市c a 参数( 1 9 8 8 1 9 9 3 ) 1 1 7 表5 1 5 时空约束条件参数1 1 8 表5 1 6 时空约束的城市c a 模型模拟的总精度1 2 1 表5 1 7 时空约束的城市c a 模拟m o r a ni 指数对比表1 2 2 表6 - l 实际获取参数模拟的1 9 9 3 年城市紧凑度评价表1 2 9 表6 - 2 广州市参数优化模拟的1 9 9 3 年城市紧凑度评价表1 3 0 表6 - 3 表“ 表6 - 5 表“ 按“市中心一道路”发展的优化参数1 3 1 按“市中心一道路”发展参数优化模拟与实际模拟的1 9 9 3 年城市紧凑度1 3 3 按“市中心一镇中心道路”发展的优化参数1 3 4 “市中心镇中心一道路”发展优化模拟与实际模拟1 9 9 3 年城市紧凑度1 3 5 表6 - 7 不同优化方案的城市斑块紧凑度对比( 1 9 9 3 年) 1 3 5 第1 章绪论 1 1 研究背景及选题意义 第1 章绪论 土地利用和土地覆被变化( l a n dl 娣a n dl a n dc o v e rc h a n g e , l u c c ) 的研究是 上世纪末以来地理学研究的核心问题之一口咖1 9 9 4 ；v i t o u s e ke ta 1 ，1 9 9 7 ) 。早 在1 9 9 5 年“国际地圈生物圈计划”( i g b p ) 和“全球环境变化人文计划”( m d p ) 就联合提出了。土地利用和土地覆被变化”研究计划，该计划试图通过探讨“驱 动力土地利用土地覆被变化全球变化一区域响应”之间相互作用的机制， 建立起能够预测未来土地利用覆被变化，并为土地资源的可持续发展提供科学 依据的决策支持模型( t u r n e r , 1 9 9 7 ；t u r n e ra n dm e r y e r , 1 9 9 1 ；t u r n e re ta l , 1 9 9 3 ； 1 9 9 5 ；1 9 9 7 ；i g b p ，2 0 0 1 ；l a m b i ne ta l ，1 9 9 9 ；2 0 0 0 ；2 0 0 1 ；李秀彬，1 9 9 6 ；陈百明， 1 9 9 7 ：李德仁，2 0 0 1 ) 。l u c c 的研究主要集中于三个热点问题( 李秀彬，1 9 9 6 ) ： 一是土地利用的变化机制。通过区域性个例的比较研究，分析影响土地使用者或 管理者改变土地利用和管理方式的自然和社会经济方面的主要驱动因子。建立区 域性的土地利用土地覆被变化经验模型；二是土地覆被的变化机制。主要通过 遥感图像分析，了解过去2 0 年内土地覆被的空间变化过程，并将其与驱动因子 联合起来，建立解释土地覆被时空变化和推断未来1 0 - 2 0 年的土地覆被变化的经 验性诊断模型；三是区域和全球模型。建立宏观尺度的，包括与土地利用有关的 各经济部门在内的土地利用土地覆被变化动态模型，根据驱动因子的变化来推 断土地覆被未来5 0 - 1 0 0 年的变化趋势，为制定相应对策和全球环境变化的研究 服务。其中，土地利用的动态变化机制的研究可以深入了解不同区域土地利用动 态变化的过程及其特征，促进区域和全球土地利用动态变化模型的建立。通过历 史数据建立的模型可以反映土地覆被变化与土地利用政策的空间差异性。联合国 环境规划署于1 9 9 4 年启动了“土地覆盖评价和模拟”( l c a m ) 项目，采用美国 宇航局高分辨率雷达影像调查研究了东南亚地区土地覆盖的现状与变化，为区域 的可持续发展提供了科学的决策依据( 李秀彬，1 9 9 6 ) 。国际应用系统研究所也于 1 9 9 5 年启动了“欧洲和北亚土地利用覆盖变化模拟”项目，通过分析区域土地 利用，覆盖变化的空间特征、时间特征和环境效应，预测了未来5 0 年的土地覆被 变化趋势( 李秀彬，1 9 9 6 ) 。 区域土地利用覆被动态变化模型的研究是从不同时相的区域地理数据库中 发现区域土地利用覆被的动态变化，建立起能够模拟和预测区域土地利用，覆被 动态变化的模型，它对研究区域土地利用覆被动态变化的机理、掌握土地利用 覆被变化的规律具有非常重要的作用( 摆万奇、赵世洞，1 9 9 7 ；蔡运龙，2 0 0 l ： 顾朝林，1 9 9 9 ) 。同时，对区域土地利用覆被动态变化过程的研究，有助于深 中山大学博士学位论文；地理元胞自动机转换规则与城市空间形态模拟 入理解和检验地理学研究中有关区域发展和土地利用的假设和理论。并且，在许 多全球资源、环境和大气的模拟和预测中，都涉及到区域发展空间格局演变过程 的信息输 l ( a d e b a y o 。1 9 8 7 ；e m i l i oa n dm o r a n , 2 0 0 3 ；y a n g , 2 0 0 0 ；1 刘慧平，1 9 9 9 ) 。 对区域土地利用，覆被动态变化过程的模拟和预测研究，可以为这些信息输入提 供科学模拟数据。 此外，区域土地利用覆被动态变化过程的模拟研究也是政府制定有关土地 政策的主要依据之一。由于城市化、经济发展和人口不断增长，经济活动和人类 需求给土地资源带来了越来越大的压力，土地利用的矛盾日益突出，研究区域土 地的可持续发展模型，可以为缓解这些压力、解决这些矛盾提供科学的决策依据， 具有重要的应用意义( 史培军等，2 0 0 2 ：v e l d l m m pa n dl a m b i n , 2 0 0 1 ) 。 据估计，到2 0 2 5 年，地球上8 0 的人口都将居住在城市( u 岬f ， 1 9 9 9 ) ， 许多国家都将经历快速的城市化过程。城市是人地关系相互作用的主要场所，也 是人类改造自然环境的主要成果( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。在各种土地利用覆盖变化 中，城市化过程中形成的土地利用覆被变化最为引人注目( 史培军等，2 0 0 0 a ； 2 0 0 0 b ；何春阳，2 0 0 2 ，宁越敏，1 9 9 8 ) ，区域城市( 群) 的土地利用覆被变化 研究也成为了区域土地利用覆被动态变化的核心之一。 我国正在经历着快速的城市化过程，预计2 l 世纪，中国人口将由1 2 亿增长 到1 6 亿，伴随着人口的持续增长和经济的快速发展，中国的城市化过程将呈现 出进一步加速的趋势( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。随着我国城市化进程的加剧，长江三角 洲城市群、珠江三角洲城市群和环渤海湾等城市群将成为非常受人关注的地区。 因此，研究区域城市( 群) 土地利用覆被动态变化的模型，模拟和预测不同条 件下的城市发展形态，研究优化城市格局，既可以加深理解和科学验证地理学研 究中有关区域发展和土地利用的假设和理论，也可以在实践中为我国的土地利 用、城市建设和区域可持续发展提供科学的决策依据，具有重要的理论意义和现 实意义。 基于以上研究背景，本文以建立区域城市土地利用动态变化模型为基本目 标，以珠江三角洲的广州市、深圳市、东莞市等城市群为案例，详细研究了地理 元胞自动机动态模拟城市系统的转换规则，以及城市优化发展的元胞自动机转换 规则。 1 2 城市系统动态演变模型国内外研究现状 国外对城市系统动态演变的初期研究，主要是通过生态学原理描述和解释城 市空间格局的形成及其形成原因。城市生态学模型是这类模型的代表之一，是由 芝加哥社会学派( p a r ka n db u r g e s s ，1 9 2 5 ) 的研究者提出。该学派将生态学原理 应用于城市研究，以竞争、淘汰、演替等生态学原理解释城市空间格局的形成原 2 第l 章绪论 因。城市生态学模型仅仅是对城市人文过程描述性的归纳，只从宏观上定性地解 释了城市空阃格局的演变过程，然而，对城市与区域决策者更为关注的城市系统 演变的时空特征和规律，城市系统的模拟与仿真却并未涉及。描述性的归纳模型 在城市系统研究早期的确起到了非常重要的作用，但是它很难用于定量地分析各 种社会、经济活动及其空间行为等因素对城市系统演变的影响( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。 2 0 世纪7 0 年代，随着数学在地理学应用中的不断发展，使得运用定量数学 方法研究城市系统的动态演变成为可能。其中，城市系统社会物理学模型在这类 模型中具有代表性作用。城市系统社会物理学模型通过严密的数学演绎而获得， 它具有定量模拟和预测能力。由于城市系统是复杂的巨系统，很难用一个社会物 理学模型模拟复杂的城市系统，这样就出现了较多的城市系统社会物理模型，不 同的模型模拟某一特定的城市子系统，如l e s l i e 的人文模型( l e s l i e , 1 9 4 5 ) 。早 期的社会物理学模型主要是一种基于统计理论的模型。1 9 6 4 年建立的l o w r y 模 型( l o w r y , 1 9 6 4 ) 则是一个综合模型，它综合考虑了人1 ：3 、就业、土地利用、房 地产供应等因素，力求模拟城市系统各要素的相互作用和反馈机制。l o w r y 模型 的建立，使城市系统模型由基于统计理论的模型向机制演绎模型发展，在城市系 统的模拟研究中具有划时代的意义。但是，l o w r y 模型的重点集中在整体行为方 式上，反映的是平均人的行为特点。该模型完全属于决定论性质，仅仅依赖于简 单的机械过程，而忽视了个体的不同品质、不同动机以不同方式对不同环境特征 作出反应的事实。并且，该模型忽视了个体行为在空间格局演变中的作用，难以 研究个体认知行为和决策过程，而这恰好是影响城市系统演变的重要因素。因此， 空间认识及空间决策过程的研究对城市系统演变的模拟研究具有重要的意义( 陈 述彭，1 9 9 9 ) 。 为了在城市系统演变模型中考虑个体的微观经济行为，很多学者提出和发展 了城市经济模型。h e r b c r t - s t e r e n s 就是一个典型的城市经济模型( w i l s o n , 1 9 7 7 ) ， 它以居住系统需求供应和市场的相互作用机制为基础，在供应( 房产) 及需求( 职 工) 约束，以及在供求平衡约束下，求得总的纯收益达到最大的人口分布，其本 质是线性规划模型。城市经济模型考虑了人的微观经济行为，引入了功效函数和 出价曲线，并且考虑了房产供应、需求和市场的相互作用机制。经济模型可以有 效地解释城市居住的空间格局，认为城市空间格局是城市居住、工业和商