1、96基于CA模型的城市空间扩展研究_义乌市为例第34卷第3期2009年5月；测绘科学ScienceofSurveyingan；基于CA 模型的城市空间扩展研究； 义乌市为例；杨亮洁,王录仓,牟乃夏；(西北师范大学地理与环境科学学院,兰州7300；1引言；模拟城市空间演化的模型很多,如Logistic方；2城市空间扩展的研究；211CA 的基本原理CA是在20 世纪40年代由U ；【】本文引入地理信第 34 卷第 3 期 2009 年 5 月测绘科学 Science of Surveying and M app ing基于 CA 模型的城市空间扩展研究 义乌市为例杨亮洁 , 王录仓 , 牟乃夏
2、( 西北师范大学地理与环境科学学院 ,兰州 730070; 山 东科技大学 地球信息科学与工程学院 , 山东青岛 266510)1 引言模拟城市空间演化的模型很多 , 如 Logistic 方程 、A llen 模型 、W eidich 模型 、分形几何模型和 DLA (D iffusion lim it2 ed Aggregation) 模型等 。在这些模型中 , 除了极少数模型外 (如 DLA 模型 ) , 其他模型多属于基于大量平衡条件下建立 的静态的微分偏微分方程模型 , 不能反映城市空间演化的 时空动态变化 。Batty 等研究认为 , 城市是个自组织动力系 统 , 应该被认为是一个
3、由下至上活动 ( down2to Pactivity) 的 结果 , 而不是由上至下活动 ( top 2down activity) 的结果 。细 胞自动机 ( Cellular Automata , 简称 CA ) 正是模拟局部行为 所导致的全局后果的理论 。本文引入 CA 模型 , 简单阐述 CA 模型的基本原理 , 在此基础上深入分析城市动力学模型 ( GeoCA 2 rban )的构成和原理及其动态模拟过程 , 并以义乌 U 市为例进行实证 研究 。在实际模拟 研究过程中 , 模型采用 不规则网格数据结构 , 并将模型以紧密耦合 方 式 集 成到 A rcGIS平台中 , 充分 结合
4、CA 模型的 动态模拟功能和 GIS 强大的空间分析 、可 视化表达功能 , 使用 A rcGIS 内置的 VBA 开发语言 , 运行 A rcObjects模型 库 , 构建了城市扩展 动态模拟系统 , 直观 、真实地再现城市空间演化过程 。2 城市空间扩展的研究211 CA 的基本原理 CA 是在 20 世纪 40 年代由 U lam 首先提出 , 后被 Von 1 Neumann用来研究自组织系统的演变过程 。细胞自动机 是时间 、空间 、状态都离散 , 空间的相互作用及时间的因 果关系皆局部的网格动力学模型 。其最主要的特点是复杂 的系统可以由一些很简单的局部规则来产生 。一个 CA
5、系 统通常包括了 4 个要素 : 细胞 、细胞空间 、邻居和转换规 则 。细胞是 CA 的最小单位 , 而细胞空 间是细胞的主要属 性 。根据转换规则 , 细胞可以从一个状 态转换为另一个状 态 。转换规则是基于邻近函数来实现的 。可用数学符号表 示一个标准细胞自动机的四元组 2 : A = ( L d , S , N , f ) , 这里 A 代表一个细胞自动机 系统 ; L 表示细胞空间 , d 是一正整数 , 表示细胞自动机内【 】本文引入地理信息系统 ( GIS) 和元胞自动机的有机集成而构筑的 GeoCA 2 U rban 模型模拟义乌市城市 摘 要 空间扩展的动态演化过程 。结果表
6、明 : 从发 展速度分析 , 义乌市城市发展经历了一个起步 缓慢发展 爆炸发展 的过程 , 而且爆炸式发 展还在继续 , 从发展的空间布局上分析 , 义乌市在交通 (主要是浙 赣铁路和主要公路 ) 、水 系 (义乌江 )和城市中心 辐射作用下 , 经历了带状 (东北西南向 ) 椭圆 圆形的发展过程 。通过设置转换规则 、参 数 , 真实直观地再现展示了城市空间系统的演化过程 , 为城市规划等提供了辅助决策 。 【 关键词 】 城市空间扩展 ; GIS; 元胞自 动机 城市地理元胞自 动机 ; 义乌市 【 中图分类号 】 P208 【 文献标识码 】A 【 文章编号 】 1009 2 2307
7、( 2009 ) 03 2 0142 2 04作者简介 : 杨亮洁 ( 1977 2) , 女 , 甘肃 静宁人 , 中国地质大学硕士 , 西北师 范大学讲师 , 主要研究方向 : 城市地 理和资源遥感与城市地理信息系统集 成技术与应用 。 E2 mail : yanglj_yangg 1631 com 收稿日期 : 2007 2 2 11 16细胞空间的维数 ; S 是细胞的有限的 、离散的状态集合 ; N 表示一个所有邻 域内细胞的组合 (包括中心细胞 ) 。 212 城市动态模型概述 由于 CA 具有模拟二维空间演化过程的能力 , 该方法被 广泛应用于土地利用变化和城市发展的模拟中 3
8、。基于 CA 的城市动态模型可把上述的表达式具体理解为 : A 城 市系统 ; L 城市空 间范围 , 用大小相等的栅格单元表示 , d 表示城市空间的维数 ; S 城市用地的类型 ; N 中心城市 单元及其邻居组合 ; f 城市用地类型转换时各种规则 、参 数的如何确定 。城市 动态模型可分为 三部分 , 第一部分是 土地利用类型层面 , 包括居民区用地 、商业用地 、工业用 地 、农用地或空闲地和其他用地 ; 第二部分是交通 层面 , 包 括街道和道路两部分 ; 第三部分是控制因素层面 , 用来控制 和影响上述的土地利用和交通用地层 。它们通过统一空间 分辨率的栅格结构相互联系在一起 。孙
9、战利等人利用该模 型对美国的 Ann A rbor 市的城市增长进行了动态模拟与预 测 , 取得了较为满意的结果 4 。3 义乌市城市空间增长的动态模拟与预测311 义乌 市概况 1 ) 自然条件 义乌市位于浙江省中部 , 金衢盆地东段 , 是浙江的地 理中心 。东邻东阳 , 南接永康 、武义 , 西与金东 、兰溪相 连 , 北和浦江 、诸暨交界 。东经 119 120 北纬 49 17 , 29 29 市 域 东 西 宽 44141 km , 南 北 长 02 13 33 40 , 2 58118 km , 总面积 1105148 km , 占全省面 积的 112% 。 义乌市以低山丘陵为主
10、 , 市域北 、东 、南三面 环山 , 沿义乌 江两岸为沙质平原 , 地形由东北向西南缓降 , 构成 一狭长走廊式盆地 , 俗称 “ 义乌盆地 ” 。义乌 市区地处义乌 江畔缓坡平原上 , 标高在 5910 7516 m 之间 。市区及附近 地区地貌类型多为河漫滩 、丘陵缓坡 、剥蚀残丘等 。义乌 市河流属钱塘江水系 , 主要有东阳江和大陈江 。此外 , 尚 有浦阳江支流洪巡溪 。图 1 GeoCA 2Urban 的框架模型Vol134 No13 M ay3 期 第 杨亮洁等 基于 CA 模型的城市空间扩展研究 义乌市为例 义乌属亚热带季风气候区 , 有明 显的盆地气候特点 , 四季分明 ,
11、光照充足 , 空气湿润 。多年平均气温 1711 , 相对湿度 82 93% 。春雨及梅雨季节降水集中 , 常形成洪 涝灾害 。 7 8 月受副 热带高压控制 , 晴热少雨 , 蒸发量大 , 导致干旱 。多年平均降雨量为 1388128mm , 降雨量年际年 内变幅较大 , 时空分布不均 。 2 ) 经济与社会发展状况 义乌市位于浙江中腹 , 区位优势明显 , 北连上海经济 区 , 东邻 “ 东方大港 宁波港 ” 。改革开放以来 , 通过实施 “ 兴商建市 ”战略 , 以小商品城启动 , 城市经济和社会各项 事业取得了历史性成就 , 是全国闻名的商贸城 , 在全省 , 尤 其在浙中地区经济发展
12、居领先地位 , 被誉为 “ 华夏第一市 ” 。 自 1998 年以来 , 义乌市城市发展迅速 , 呈现出爆炸式 的扩展 。义乌的经济发 展 , 是浙 江 及 全 国发 展 最 快 的县 (市 ) , 七十年代的义乌是浙江省的十大贫困县之一 , 到八 十年代初 , 人均国民生产总值还居浙江省后五位 , 而现在 的义乌在第四届百强县中排名在浙江省居第四 , 全国第二 十名 。 2003 年的国民生 产总值是七十年代底的一千倍 。义 乌市交通条件优越 , 浙赣铁路从北向贯穿义乌境内 , 义乌 机场于 1991 年开通 , 现已开通广州 、汕头 、西安 、北京等 地的航线 。 03 省道杭金线 、 3
13、7 省道嵊东义线 、 20 省道蒋义 线构成了公路交通的主骨架 , 稠城至佛堂 、稠城至廿三里 、 稠城至义亭公路 组成公路网主干线 , 城东公路 、城南公路 、 城西公路构成公路网的内环线 , 通往各乡镇 。研究区包括 义乌市城市实体以及城市周围的其他景观 (包括农田 、 道路 、 水域等 ) ( 如图 2 ) 。 图 2 研究区区位 图 5, 6143312 义乌市发展模式的特征 义乌的城市化模式可概括为以商品市场发展为龙头 , 产业集聚为基础 、以市 场经济为主导 , 产业集聚与城市化 良性互动 、以点 线 面的加速度推 进方式为特征的从小 城市迈向大中城市的一种模式 。 1 ) 加速度
14、的推进方式 从 20 世纪 70 年代末至今 , 义乌的城市化是以加速度 方式推进的 , 这是由城市聚集效应的累积方式膨胀模式所 决定的 。大致经历了初步发展期 ( 1978 年至 1988 年 ) 劲 升期 ( 1988 年至 1998 年 ) 爆炸期 ( 1998 年至今 ) 这样一 个过程 。 2 ) 由点 线 面的布局方式推进 义乌的城市发展首先是城区的城市化 。 20 世纪 80 年代 初以小商品为主的商业中心形成 , 引起城区的 产业集聚 。 邻近的乡镇受到城区经济的辐射 , 同心 圆城市得以成形 。 城区及周边的点式布局完成 。在城区发展的带动下 , 义乌 城区经济辐射力增强 ,
15、 加之交通设施的改善 , 交通对城市 空间发展的吸引力和导向作用加强 , 20 世纪 80 年代中期至 90 年代中期 , 城市空间发展呈现出带 状延伸 , 城市化形成 了线式布局 。 20 世纪 90 年代末以来 , 义乌市内交通 、通讯 更为便捷 , 出现城乡经济一体化趋势 。到 21 世纪初 , 义乌 城市建设与城市化正完成点到线的扩张 , 并迅速走向面的 扩张 。 3 ) 城市化与产业集聚的良性互动 产业集聚是城市化的基础 , 而城市化又促进了产业进 一步集聚 。义乌城市化与产业集聚发展的紧密性极其明显 , 两者互促互动 , 形成良性循环 。 义乌市的城市化与产业聚集呈现出老城区集聚效
16、应带动市场与商贸业集聚 2 业在城区集聚 , 带动同心圆城市形 商 成 中心城市引起产业向外辐射与再集聚 , 中心镇出现 同心圆城市的形成促使进一步集聚经济效应 , 城区面积不 断扩展 , 城市化水平迅速提高这样的良性循环模式 。 4 ) 产业集聚的鲜明特点 义乌市的产业聚集具有由小商品市场启动 , 先通过横 向集聚再以纵向集聚方式进行 , 在空间上按城区 周边乡 镇 全市乡镇 工业园区的线路进 行的鲜明特点 。 另外 , 义乌市是一个学习型城市 , 城市精神的培育不 断加强 、城市文化不断积淀 、市民素质逐步提高 , 义乌市 发展也体现出了分散化和信息化特征 。 313 义乌市城市空间增长的
17、动态模拟与预测 31311 动态模拟的方法框架 根据城市空间发展特征及实际的数据条件 , 设计制定 了 CA 2 rban模型进行城市动态模拟的基本框架 , 如图 3。 U(图中 A 表示本文未获得此数据 , B 表示未引入研究 。 )框架包括四个部分 : 数据 、 GIS系统 、社会经济模型和 CA 2 rban模型 。各种空间数据和统计数据是城市空间发展 U 演化模拟的基本条件 , CA 2 rban 是框架核心 , 用来模拟城 U 市空 间扩 展变化 。社会经济模型与 CA 2 rban 模型结合 , 用 U 来调整模型的参数 。 GIS与 CA 2 rban 集成 , 可视化的再现 U
18、 城市空间演化的过程 , 而且 GIS系 统还用来完成大量的数 据处理 (数据输入准备 ) 、分析及模拟结果的输出工作 , 确 保每年的顺利进行 。 31312 数据准备 1) 数据准备 我们能够 获 得 的 义 乌 市 地 理 数 据 主 要 有 : 4 个 时 相 (1986 年 、 1991 年 、 1997 年 、 2002 年 ) 的 T 遥感数据 , M 空间 分辨率 30m (如图 4 ) , 1970 年现状图 , 2010 年规划图 以及义乌市统计年鉴等资料 。根据这些资料无法准确判断 具体的土地利用类型 , 依靠遥感图像和规划图我们将城市 用地分为已发展区 、待发展区和不可
19、城市化区 , 在此三种 土地类型基础上进行城市空间发展模拟 。这些数据对进行 模拟城市增长扩展不够完备 , 限于目前条件我们只能使用 这些数据对城市空间扩展 (确切的说是城市 边缘扩展 ) 进行 简单的模拟 。 2) 数据处理 依据城市规划图和遥感图像进行不规则网格的划分 , 首先将规划图和遥感图像进行统一坐标系的配准 , 然后利 用 ARCGIS软件对遥感图像进行特征信息提取 。使用国家 地形图系列标准的高斯 克吕格投影 , 依据已知地面控制 点进行配准 。在遥感图像上采集 1986、 1991、 1997 和 2002 年的城区地图边界 , 和规划图叠加作为元胞划分中种子点 的依据 。 31313 模型构建 基于不规则网格的 CA 城市扩展模型 , 在不规则网格的 划分 、种子点的确定 、元胞发展的方向和速度 、道路和河 流对元胞发展的影响 、元胞转换规则的确定等方面均存在图 3 利用 CA 2Urban 模型 动态模拟与预测 城市增长的方法框架144测绘科学 34 卷 第 换规则界定原则 、城市动力学 、城市地理学 、经济地理学 等各种知识综合判断确定元胞状态的转换 (根据现有数据及 研究目的 ,元胞状态只区分城市和非三亿文库包含各类专业文献、生活休闲娱乐、行业资料、幼儿教育、小学教育、高等教育、各类资格考试、应用写作文书、文学作品欣赏、外语学习资料、中学教育等内容。
