顾及城市扩展模式的不规则矢量元胞自动机和多主体模型研究

Urban spatial development models are important tools to understand the dynamic changes of urban spatial phenomenon, and to support the scientific management and planning for urban system. Cellular automata and multi-agent models have become the important methods of urban spatial development models. In view of the research situation that previous studies relatively ignored the irregular vector-based cellular automata and multi-agent models, this study proposes to combine with the hierarchical, regional and phased characteristics of urban expansion, and build the irregular vector-based cellular automata and multi-agent models. The main research includes four aspects: the multi-level irregular discrete expression of urban space, research on the transition rules of the irregular vector-based cellular automata and multi-agent models, the simulation and evaluation of the proposed models, as well as the sensitivity and uncertainty analysis of the constructed models. By synthesizing multiple perspectives of micro and macro, qualitative and quantitative, individual and overall, static and dynamic, model and prototype, this study attempts to analyse the characteristics, patterns, and driving mechanisms of urban expansion, and research the approaches to build the irregular vector-based cellular automata and multi-agent models by considering the urban expansion patterns. By taking the urban expansion of Nanjing city as the case study, this study tries to solve the key technical problems of the adaptive mapping mechanism of urban space discretization, the transition rules of city blocks under different urban expansion patterns, and the evaluation system of the irregular vector-based cellular automata and multi-agent models. The aim of this study is to deepen the geographic research of the irregular vector-based cellular automata and multi-agent models. It is desirable to achieve new breakthroughs in the construction methods of the irregular vector-based cellular automata and multi-agent models.

城市空间发展模型是理解城市空间现象变化、对城市系统进行科学管理和规划的重要工具。元胞自动机和多主体系统已经成为城市空间发展模型的重要方法。针对以往研究相对忽略不规则矢量元胞自动机和多主体模型的研究现状，本课题拟结合城市扩展的等级性、区域性和阶段性特征，分别从城市空间的多层次不规则离散表达、不规则矢量元胞自动机和多主体模型的转换规则研究、模型模拟与验证评价，以及模型敏感性和不确定性分析四个方面，综合微观与宏观、定性与定量、个体与整体、静态与动态、模型与原型的多重视角，研究顾及城市扩展模式的不规则矢量元胞自动机和多主体模型构建方法。本研究以南京市城市空间扩展为研究案例，拟解决城市空间离散的自适应映射机制、不同扩展模式下城市地块的转换规则，以及模型评价体系等关键技术问题，进一步深化不规则矢量元胞自动机和多主体模型的“地理化”研究，期望在不规则矢量元胞自动机和多主体模型的构建方法上取得新的突破。

城市空间发展模型是在对城市系统进行抽象和概化的基础上，对城市空间现象与过程的抽象数学表达，是理解城市空间现象变化、对城市系统进行科学管理和规划的重要工具。本课题应用元胞自动机（Cellular Automata, CA）建模方法，以南京市城市空间扩展为研究案例，研究顾及城市空间扩展模式的不规则元胞自动机模型构建方法，进一步深化元胞自动机模型的“地理化”研究。本课题主要结论如下：.（1）在统计分析各类土地面积、各年土地利用结构比例的基础上，计算研究时段的土地利用转移矩阵，反映各土地利用类型的转移变化情况；景观指数结果表明，研究区域整体景观聚集度在降低，分离度呈增加趋势，景观整体破碎化程度增强；由扇形分析结果可见南京市城镇建设用地扩张呈现一定的集中集聚特征，其向北和东南方向发展趋势明显。同心圆分析结果表明，南京市建设用地扩张呈现一定的圈层结构特征。.（2）结合凸壳分析、公共边缘分析和综合矩阵分析，将城市扩展模式分为填充型、扩展型和飞地型三种类型，提出了一种考虑城市扩展模式的城市扩展CA模型(简称UEP-CA)。模拟结果表明，不同类型城市扩展模式的演化过程存在显著差异，该模型能较好地反映不同扩张模式下城市增长的演化过程和机制。.（3）探索了一种基于灰狼优化算法（GWO）的CA转换规则智能获取方法（GWO-CA）。研究了GWO-CA算法的数学模型、整体框架、具体算子，设计并实现了GWO-CA方法的转换规则获取工具，进行了南京市城市扩展模拟应用，并与决策树、Logistic回归方法进行对比验证分析，结果证明了CA转换规则灰狼智能获取方法的正确性和可行性。.（4）元胞自动机模型的敏感性分析一直是模型研究的重要方面，本研究重点对元胞邻域定义的敏感性进行了分析，探讨CA模型中邻居元胞对中心元胞的影响力范围。邻域敏感性分析实验划分为邻域选取与计算，模型训练及模拟，结果输出与精度计算三个阶段。邻域敏感性分析实验对比分析对不同邻域半径下的模拟结果，确定模型在不同邻域下的精度变化，得出敏感性分析的结果。