基于地理实体的城市扩展元胞自动机模型

基于地理实体的城市扩展元胞自动机模型

一、网络模型的增强城市是一个复杂的动态系统，具有复杂的自组织现象。自然因素和社会经济因素在不同的时间、空间尺度上相互作用、相互影响，共同作用于城市系统的演变，使演变具有很大的不确定性，无法使用数学公式进行表达和模拟。CA（元胞自动机）模型具有高度的灵活性、开放性，强大的复杂性计算能力、时空离散特征和“自下而上”的构模方式，成为城市空间复杂系统演化动态模拟的主要方法。其网格化的数据结构，易与RS、GIS等空间技术融合，便于充分利用RS快速数据获取能力和GIS的空间分析和可视化能力来增强CA的动态模拟能力，并可将城市空间的分异性引进到CA模型中。Batty等使用地理化扩展的CA模型（GeoCA）进行了Buffalo市的扩展模拟。本文提出基于地理实体的城市CA模型———GeoObjectCA-Urban模型，将城市地理实体影射为元胞对象，考虑实体间的作用，研究元胞的拓扑关系、转换规则和实现方法，借以探讨城市空间结构的演变和动态模拟。二、geoobgac-u型1.要素层和控制因素层GeoObjectCA-Urban模型将城市空间实体（如土地利用类型、城市街区等）作为元胞空间的基本要素，结合面向对象的空间分析方法进行城市扩展的动态演化分析。考虑到城市空间系统的组成特点并进行合理的简化，模型要素由三部分构成：土地利用类型层、交通层、其他控制因素层。不同的要素层类似于GIS的多个栅格数据层，各层通过叠加分析以实现城市演变模拟。土地利用类型层是模型的核心要素，不同土地利用单元的相互作用和动态变化是城市扩展的主要动力。交通层面具有双重性：一方面，它的可达性可作为土地单元变化的影响因素和控制因素来控制土地利用元胞的行为；另一方面，它自身又是一个发展变化的动态CA模型，模拟交通网络的发展变化，这时土地利用类型又作为交通层的影响和控制因素。因此，GeoObjectCA-Urban是交通与土地利用两个CA模型相互耦合、相互作用的复合型CA模型。控制因素层是具有不同特征的空间区域构成的层，它作为元胞模型的一个外部环境，影响和控制土地利用和交通单元的行为。影响土地利用和交通元胞行为的因素很多，如地形地貌、城市规划、政策法规等自然、社会、经济要素。控制因素层是一个综合性控制层，是由若干控制要素层经过空间叠置等空间运算得到的综合结果，控制层集中反映了城市增长的适宜性，是一个静态的图层。2.geocbpca-c模型的内涵GeoObjectCA-Urban模型将外部的宏观地理学模型与微观的CA模型集成在一起，是一个微观到宏观统一的模型，其模拟城市扩展的适应性得到极大提高。GeoObjectCA-Urban模型在数据结构上表示为GeoObjectCA-Urban={O,L,T,C}其中，O代表空间对象；L代表城市土地利用类型；T代表交通层面；C代表控制因素。GeoObjectCA-Urban模型是对GeoCA模型扩展而提出的一个专业应用模型。它是一个基于地理实体的异构元胞自动机模型，元胞状态采用从单一状态变量到多状态变量再到空间实体对象的扩展思想，借助Agent的概念将不同类型土地利用单元、交通单元等视为不同的空间实体类，而赋予其不同的状态变量和行为规则。模型引入控制因素层作为元胞变化的外部环境，每个元胞因所处外界环境的不同，其行为规则也会随之有所不同。同时GeoObjectCA-Urban采用面向对象的方法对元胞进行了分类封装，即不同的元胞拥有各自不同的邻居和转换规则，而且作为土地单元，各个元胞因产生时间的不同，而处于不同的发展阶段，从而执行不同的发展规则。GeoObjectCA-Urban规则随空间、时间的变化反映了城市在不同区域不同时间发展的特殊性。GeoObjectCA-Urban模型在空间上的不同构形保证了在实际应用中的真实性。模型还具有随机性，使元胞状态的转换具有不确定性，从而和真实的城市扩展相匹配。3.基于抽象结构的geiobpca城市系统的空间特征可以抽象为三类基本类型：一系列的点，描述单个城市地理实体的社会、经济等属性；一系列的线，描述城市内的相互作用的线状地理实体；一系列的范围（面），表示城市的面状实体。这种抽象结构与GIS的点、线、面的数据结构一致，便于使用GIS工具结合CA模型进行城市扩展的模拟。为使GeoObjectCA-Urban模型真实地模拟现实世界,不仅要考虑元胞的拓扑邻接关系,还要考虑元胞对象的空间邻近和复杂相离关系。GeoObjectCA-Urban模型为体现这种复杂相离关系,以面向对象的GIS数据结构为基础,在元胞对象属性表中增加了NeighborInforma-tion,Belongcellular,IncludeCellular三个字段来记录元胞周围邻居的属性信息、该元胞属于哪些元胞的邻居、该元胞包含的邻居等。元胞实体的结构如下表1所示。三、构建元胞学习规则GeoObjectCA-Urban模型的构建步骤如下所述：(1)元胞对象及元胞空间的确立。根据研究目的确定地理实体对象及空间范围,将地理实体与研究目的相关信息输入并存储到GIS中,并自动修改数据结构,添加NeighborInformation、BelongCellular、IncludeCellular三个属性字段,并赋空值。(2)邻居规则定义。明确哪些元胞属于某个元胞的邻居，在有利于研究目的的原则下，仔细研究地理实体所有信息，根据对元胞下一个状态影响程度最大原则确立元胞邻居，并以此原则从GIS元胞信息数据库中提取相关信息（用以进行空间分析时查询邻居所需要的元胞数据信息），为元胞邻居关系建立准备数据，输入NeighborInformation记录项值。(3）查询邻居和邻居空间关系确立。首先根据邻居规则对邻居信息元数据进行处理，常用的空间分析有距离判别法、缓冲区分析、空间统计分析和距离系统聚类分析等。然后进行邻居标识，确定各元胞对象属于哪些元胞的邻居，并自动在BelongCellular项进行标识，最后确立邻居空间关系，根据元胞所属关系进行IncludeCellular项赋值。(4）确定元胞规则并进行元胞状态计算获得下一个元胞状态。(5）规则调控。根据真实状况判断邻居规则和元胞转换规则是否需要重新定义，若需要修改，则邻居信息元数据记录项和转换规则需修改，若不需修改，则直接进行步骤（1），进行元胞下一次状态的模拟。四、模型构建方法1.土地利用影响因子(1）简化土地利用类型。土地利用类型有三个影响因子：土地本身的内在质量；邻域土地利用行为的影响；特殊行为对土地的总体需求。土地利用类型变化是一系列不同类型土地利用单元变化的结果L=L1+L2+L3+…其中，L是土地利用类型总的变化；L1,L2,L3是不同土地利用类型的变化。这个因子序列可以根据具体应用进行调整、合并与简化，如将城市土地利用类型简单地分为两类：城市用地和农村用地，以此来研究城市边缘扩展而不研究城市内部结构的变化。每一种土地利用类型变化是多种因素相互作用的结果[10,11,12,13,14,15,16]，即L1=F(x1,x2,x3，…)其中，L1是某一土地利用类型的变化；x1,x2,x3，…是影响因子，如人口增长、经济增长、政策因素等；F表示L与多因子的函数关系。这些因子相互影响、相互作用推动着整个土地利用格局演化过程的进行。假定每个因子相互独立，则(2）影响因子到土地利用需求的转换。将土地利用影响因子转化为对土地利用的需求，即土地利用因果关系的定量化，即函数因子序列f(x1）,f(x2）,f(x3），…的赋值。假定仅研究居民地的变化，而且人口增长是研究区中居民地变化的主要原因。这里只考虑永久性居民，因此可以根据人口增长率算出人口数据，并且引入修整项c，则公式F(x1,x2,x3，…）=f(x1）+f(x2）+f(x3）+…c变为F(x1,x2,x3，…）=f(x1）+c亦即L1=f(x1）+cF(x1,x2,x3，…）仅是居民地的函数，f(x1）的变化也仅与参数x1（人口增长）有关，根据历年统计数据算出人口增长，进而由已知的人口数据推算下一年的人口数据。人口分为城市人口和农村人口，且这两种类型的人口对土地的需求不同，则有这里，u表示城市人口增长；r表示农村人口增长；u、r从统计数据中获取。返回到公式L=L1+L2+L3+，…，L2表示其他类型的土地利用，这里取为农业用地L2=G(x1,y1,y2，…）x1仍然表示人口增长，其他参数表示诸如地区政策，可用劳动力等经济因素，这些因素也是相互影响。为了简化，假定G(x1,y1,y2，…）仅和近几十年的产品趋势有关。则G(x1,y1,y2…)=f(p）+c1其中，p代表产品趋势，c1是修改项。于是根据研究需要，依据上述方法对各种土地利用类型进行简化分析，构建所需模型。2.土地利用类型的元胞状态转换引入约束元胞自动机，确定元胞的变化。从理论上讲元胞演化过程中邻近原则作用较明显，而现实中研究区域中的单元空间是属性各异的不规则多边形，作用规则、邻居关系相当复杂，而且元胞表示地理对象，不同的地理对象转化规则是不相同的，因此，可以根据实际定义不同时空尺度的元胞（多变量元胞）。根据研究将CA概念模型抽象地表示为4个要素的集合CA=（U,S,N,T)其中，U表示元胞空间；S表示可能的元胞状态组合；N表示元胞的邻居；T表示转换规则。元胞在t+1时刻的状态是在t时刻状态的函数St+1=f(U,St,N,T)这里，St是t时刻的元胞状态。研究中元胞空间是固定不变的，且引入邻域的概念。元胞代表地理对象，除了具有地理属性，还有社会经济属性。土地利用类型看做元胞的状态，理论上任何元胞都具有状态特征，而且可以具有多种状态。为简化,设定一个元胞只具有唯一状态,另外由于政策因素和水体等使一些特殊元胞的状态不受转换规则限制。采用MCE(MultiCritericaEvaluation）模型确定元胞的状态转换，因为MCE模型简单易用，且有许多成功的案例可以借鉴。借助MCE对候选的可以转化的元胞进行打分，求出局部因子、区域因子和全局因子影响的总分数。根据总分确定各元胞的转换状态（新的土地利用类型）。总分Sc是由土地适宜性分数Su和邻居影响分数N两部分构成，表示为Sc=Su+NSu的计算：Su可简化表示为内在的元胞的地理自然属性和离城市中心与道路的距离属性两部分之和，即用下列公式计算适宜性分数其中，wi为对应于影响因子fi的权重。N值的计算：计算邻居影响必须考虑以下三个因素：邻居的尺寸、邻居的形状、元胞本身的性质。邻居的尺寸不宜过大，否则局部因子将不起作用。元胞邻居取元胞周围的所有邻居，形状为不规则网格。影响程度计算可取为线性函数。根据元胞单元计算欧氏距离。取距离的倒数并和周围元胞状态进行计算，求出邻居影响分数为假定只考虑城市用地（Urban）和农村用地（非城市用地Rural）两种土地利用类型，研究城市边缘扩展，根据上述方法，计算两种土地利用类型的得分，确定元胞状态的转化其中，Sc(u）表示城市用地；Sc(r）表示农村用地。实际上，土地利用类型种类繁多，影响因子多且相互关系复杂，要根据实际研究需要，简化研究对象，形成属性单一的元胞对象，确定影响因子，按上述方法进行模型构建，然后将多种模型进行耦合，得到综合的结果。模型构建过程数据流如图3所示。五、基于arcgis的城市扩展模拟GeoObjectCA-Urban模型的数据结构和GIS具有同质性，这是使用GIS工具结合本模型进行城市扩展分析的基础。使用GIS空间分析工具，结合模型的计算方法，综合分析城市土地利用类型、交通以及各种控制因素，进行元胞空间的划分，根据各个元胞的初始状态和邻域元胞状态的影响，根据距离倒数算法模型计算元胞变化贡献值，从而判定相邻元胞是否发生变化，如何变化。在.net平台下，引入ArcObjects组件库，综合上述方法开发了城市扩展动态