城市三维空间扩展元胞自动机模型的构建与动态模拟研究

我国已经进入一个工业化和城市化快速发展时期，大中城市向垂直维度扩展迅速，带来了城市交通、环境和公共安全等方面的问题，成为当前研究的热点。本研究以构建城市三维空间扩展元胞自动机模型为重点，将三维元胞空间、状态、邻域和转换规则等关键因子与城市三维空间扩展紧密结合，提出离散立方网格模型建立元胞空间与城市空间的映射机理和关键参量的组合机制，在此基础上定义三维元胞转换状态，分维度和分区域分析并提取元胞状态转换驱动因子，再利用粒子群算法优化这些驱动因子的权重，制定体现城市空间差异特征的元胞状态转换规则。选择北京市北部地区为应用示范，利用积累的该地区多时序0.4米分辨率航空遥感数据集和机载激光雷达数据，实验并优化模型与参量，实现城市三维空间扩展模拟。研究结果将为城市三维空间扩展产生的问题提供新的认知，在优化城市有限的空间分配、提高城市管理和运作效率等方面具有很好的应用潜力。

我国已经进入一个工业化和城市化快速发展时期，大中城市向垂直维度扩展迅速，带来了城市交通、环境和公共安全等方面的问题，成为当前研究的热点。本研究以构建城市三维空间扩展元胞自动机模型为重点，将三维元胞空间、状态、邻域和转换规则等关键因子与城市三维空间扩展紧密结合，提出离散立方网格模型建立元胞空间与城市空间的映射机理和关键参量的组合机制，在此基础上定义三维元胞转换状态，分维度和分区域分析并提取元胞状态转换驱动因子，并优化这些驱动因子的权重，制定体现城市空间差异特征的元胞状态转换规则。选择北京市北部地区为应用示范，利用积累的该地区多时序0.4 米分辨率航空遥感数据集和机载激光雷达数据，实验并优化模型与参量，实现城市三维空间扩展模拟。建立三维城市空间扩展元胞自动机模型，实现三维可视化下城市三维空间扩展模拟，初步梳理了影响城市高度扩展的主要因子，并对城市三维形态对城市交通、大气污染和局部热环境的影响进行了初步的机理性探讨。研究结果表明：（1）北京市的城市三维形态总体以天安门广场为中心向外辐射，二环路内较为低，向外至三环路逐渐增高向外过渡至四环路，向外超出五环路后逐渐降低；（2）城市三维扩展受城市规划和交通可达性因子影响最大，同时受水体分布、植被、地形地貌、历史文化景观保护、人口分布等方面影响;（3）时序城市三维空间数据的空间和时间分辨率直接决定城市三维元胞自动机模型的模拟精度，同时由于不同城市功能区的规划造成城市三维扩展模型具有明显的空间差异性，需要采用不同的规则来实现模拟模型。（4）城市空间的三维形态对城市的交通和环境有密切关联，可以通过合理规划城市空间三维形态来环境交通和部分环境问题。研究结果将为城市三维空间扩展产生的问题提供新的认知，在优化城市有限的空间分配、提高城市管理和运作效率等方面具有很好的应用潜力。