细胞自动机1

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 空闲地和其它用地； 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。

南京市是具有2466年历史的故都，在现今 经济快速发展过程中，城市的内源式改造 和向外扩散同时进行，故在城市土地利用 类型归并时，把除了工业、居住、商业用 地以及几十年上百年不变高等院校、科研 机构和公园用地外其余都设置为空地，并 不是此处是空闲用地，而是处于经常变换 的用地。通过模型的修改，使之更适合南 京市的发展特点。
存在问题及展望


利用CA—Urban系统与GIS系统的松散耦合， 在各种空间数据和统计数据的支持下，对南 京市三个开发区和跨江发展的动态发展的过 程进行了动态模拟和预测，取得了一些探索 性的结果，但也发现模型还存在不少值得商 讨和完善的地方： (1)在模型中，不同的区域采用不同的规则， 不同发展阶段也采用不同的规则，具体方法 是：一是人为干预和调整，模型运行一段时 间后，修改采用新规则继续运行，二是外来 数据控制，引入城市规划数据层，根据它调 整不




跨江城市的发展从其形成机制来看是其自身的内力和区域施加的 外力共同作用的结果，它们共同决定了城市跨江发展的过程，其 中跨江桥梁是跨越门槛的关键一步，是城市跨江发展的前奏 本模型中，由于长江的阻挡，即使有了一桥、二桥或三桥，在一 定的参数设置下，各种类型用地的发展不可能突破长江界限扩展 到江北，高新区的生长靠人工布设种子点在一定的控制因素条件 下沿道路生长，这相当于政府的重点扶持。同时我们注意到高新 区沿着长江二桥连接线伸展(如图2)，通过绕江公路与大厂区联 结，二桥连接线连接着高新区和二桥，与主城的联系更为便捷。 港开发区发展向北受到长江的限制，向南和向东受到生态绿地的 限制，向西又受到绕城公路两侧100m绿化带的限制，所以局限 在乌龙山风景保护区的南北两侧生长。江宁开发区在百家湖周围 及东侧以发展居住地为主，一直东联江宁的东山镇；湖西侧、南 侧以工业用地为主(图2)。 由于江宁开发区交通便利，不用过长江大桥，特别是它地处江宁 县，地价便宜，故吸引了一大批外资，有部分是从浦口高新区转 移而来的，发展的势头较快。目前河海大学、南京航空航天大学 新校区进驻此区，而且房地产业发展迅速，吸引了不少南京市民 前去落户居住，未来将成为居住和高新技术产业基地。
预测结果

南京高新技术开发区与市区隔着长江，没有居住 建筑，大量职工过江上下班，交通不便；缺乏娱 乐、休闲设施和商业用地。对规划中提出的建立 高尚的生活社区，人们提出了疑问，是不是要把 开发区搞成一个统一的模式，融科、研、居住和 消费于一体?能否吸引南京一流的科研人才来高新 区?是不是都要实现产业化?浦口港的运营能力能 否承受原料和产品的运输?南京长江二桥虽然能缓 解一桥的部分流量，便于高新区的交通，但是能 否解决根本Cellular AutoⅡlata 简称CA
细胞自动机及在南京城市演化预测 中的应用

细胞自动机是空间、时间和状态都离散的 动力系统。细胞自动机在空间上是由一维、 二维或三维的规则结构组成，每个细胞根 据局部的、相同的规则进行同步更新。细 胞自身的状态由其本身和其邻居的状态共 同决定。
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 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。
研究实例：南京市三个开发区和跨 江发展的预测





数据的收集及处理 (1)利用GIS把收集到的1978年和1990年南京市土 地利用图和1990年、1997年及规划的2000年交通用地建 库； (2)把所有的土地利用类型归并为居住地、商业、工 业、空地和其它用地五种土地类型； (3)把这1978、1990年南京市土地利用数据统一到同 一空间范围； (4)利用删INF0软件把数据编辑、转换为 *．nt的栅格格式，栅格单元为30×30m大小；



同区域内细胞的发展规则。原则上是可行的，但在实际操作中， 整体和局部还存在矛盾，比如说，整个南京市的居住用地扩展 最迅速，面积增加最多，所以在政策上给予较高的值，而工业 用地则相反，但是在城市的局部区域，比如工业区，土地利用 以工业为主，即使用了适合工业用地控制层，但由于整体的政 策给予工业发展的系数较小，模型结果和实际情况还存在差异。 (2)CA-Urban模型的进一步完善。虽然在CA-Urban中，通过控 制因素的引入，在一定程度上增加了模型的实用性和真实性， 但是如何提炼更加合理的微观规律，以构建模型中的转换规则， 来客观反映空间现象的宏观规律? (3)把城市当作一个生命有机体，应用CA、神经网络、遗传算法 等生命型模型，在GIS和虚拟现实等可视化仿真技术手段支持 下模拟城市的发展、演化，可实时、动态修改规则，实现转换 规则和虚拟城市的互操作，成立类似于专家系统的规则库。而 完善的转换规则又进一步促进了城市动态演化模型的发展。
模型的构建



(1)确立种子点：种子点是城市发展的初始状态，城市的 增长是基于种子点的，种子点就是城市的增长点。把整 个1978年的土地利用单元作为种子点，其活力状态设置 为“青年”，使模型运行至同1990年的居住用地、工业 用地和商业用地的数量基本相等时停止。然后这套参数 沿用。对于交通层，本模型把道路只作为土地单元发展 的重要影响因素，本身并不增长，但可暂停模型，增加 新的道路层后继续运行。 (2)确定控制因素层：控制因素层一般由地形地貌图、土 地利用图和城市规划图等因素综合分析得出。根据规划 目标，我们在江宁开发区设置了百家湖为不可城市化用 地、其周围及东侧为适宜居住用地、其北侧、南侧和西 侧适宜工业用地的控制因素层；浦口高新区和新港开发 区适宜工业用地的控制因素层，具体见图1。 (3)调整和确立模型参数：模型参数对于模拟和预测结果 具有决定性的作用。因此，确定一套合适的模型参数是 保证模拟效果的关键。具体步骤是：以1978年土地利用 数据作为种子点，以1990年的土地利用数据作为模型验 证数据，不断训练模型，调整参数。最终的参数设置如
京市城市扩展控制因素层
南京三个开发区概况


南京现有三个开发区，由于隶属关系不同，政策差异，至今 在其功能定位上有不少差异。 南京高新技术产业开发区川创建于1988年，在电子信息、 机电一体化、生物医药、航天航空及新材料领域积极发展高 新技术产业。南京经济技术开发区于1992年成立，紧邻远 东内河第一大港一南京港新生圩外贸港区，由于南京长江大 桥的限制，万吨级以上的轮船无法通过，使得新生圩港成为 最佳的中转地，其地位日益显著。从开发区到市区5．3l锄， 并与312国道、104、205、328国道及南京长江二桥相连， 交通便利。 南京江宁经济技术开发区诞生于1992年，地处南京南郊， 距市区7公里。104国道、新机场专用高速公路穿区而过， 与开发区周围的沪宁高速公路、312国道、宁杭国道相连， 离绕城公路只有l公里。正在规划设计中的沪宁高速铁路、 南京地铁南站邻近开发区，区位优势得天独厚。
CA的基本原理


一个CA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 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)。