基于GeoSOS的城市扩展模拟——以连云港地区为例

论文总字数：9606字

摘 要

通过对城镇用地分布情况进行模拟，可以为连云港市未来的社会经济发展和有效保护生态环境提供出实际的参考。本文通过GeoSOS对连云港地区进行城市扩展模拟，采用人工神经网络结合元胞自动机模型模拟城市空间格局，挖掘城市驱动力因素。结果表明，连云港的城市扩展很快，城市面积扩展迅速，同时，在不同的空间位置上城市扩展的速度和规模有较大的差异。城市扩展主要依靠对周边的优质农田的侵占。连云港市快速的经济发展以及临海的地理位置决定着城市扩展的空间方位和速度，是城市扩展主要的驱动力。

关键词：地理模拟系统，元胞自动机，人工神经网络，城市扩展模拟

Abstract：Simulating the distribution of urban land in Lianyungang City,which can provide the practical reference for social and economic development and the effective protection policies of the ecological environment of Lianyungang City in future.This paper proposed to do a research about urban expansion simulations of Lianyungang area through GeoSOS,which provides the artificial neural network with a cellular automata model to simulate urban spatial pattern,GeoSOS could get the urban driving force factors.The result shows that Lianyungang City has been expanding quickly,the urban area has been extending rapidly and urban expansion of the speed and scale are also very different in different spatial locations.Urban expansion mainly depends on the occupation on the high-quality farmlands.The coastal geographical positions and the rapid economic development of Lianyungang are the main driving forces of the urban expansion,also,they have determined the spatial orientations and speeds of the urban expansions.

Keywords：GeoSOS, CA, ANN, Urban Expansion Simulation

目 录

1 前 言 3

2 研究方法 3

2.1 地理模拟优化系统（GeoSOS） 3

2.2 ANN-CA模型 4

3 研究区概况和数据来源 5

3.1 研究区概况 5

3.2 数据来源 6

4 数据处理 6

4.1 数据源处理 6

4.2 研究过程 7

5 空间约束条件 8

5.1 空间距离约束条件 9

5.2 全局限制约束条件 9

6 结果分析 9

6.1 城市扩展及空间驱动力分析 9

6.2 误差分析 10

结 论 12

参 考 文 献 13

致 谢 14

1 前 言

进入21世纪以来，我国城市迎来了蓬勃的发展势头，城市面积不断扩张，城市经济与社会发展水平表现出了持续的上升势头。然而，随着城市化进程不断加快，城市外延式盲目扩张、耕地大量占用等问题影响了城市社会、经济和环境的发展。如何采取合理措施应对急剧变化的城市土地利用情况，明确城市未来的发展方向并且实现城市化的可持续发展，受到越来越多的关注^[1]。国内外许多学者通过不同方法对城市扩张进行研究，主要利用GIS空间分析技术、RS与元胞自动机（Cellular Automata，CA）模型等。元胞自动机具备很强的空间运算能力，故而常用于自组织系统演变过程的研究。它是一种时间、空间与状态均离散的网格动力学模型，具有十分强大的空间建模和计算能力，因此可以通过局部转换规则来模拟具有时空特征的复杂动态系统^[2]。近年来，黎夏等人提出地理模拟优化系统（Geographical Simulation and Optimization System，GeoSOS）的概念、研究内容和实现方法，从而提供一种地理过程分析与空间探索的有效工具^[3]。该系统在同一环境中对多个常用的CA模型加以整合，包括Logistic-CA、ANN-CA、DecisionTree-CA等。黎夏等运用该系统对农田保护区进行基于耦合地理模拟优化系统GeoSOS的预警等，均有较好的应用效果^[4]。本文基于GeoSOS研究连云港市的城市空间形态演变，采用人工神经网络结合元胞自动机模型作为理论模型，将市中心、镇中心、铁路和主要公路等的距离作为区位因素空间距离约束条件，将地形因子如坡度和禁止城市化区域作为区位因素全局限制约束条件，对连云港市2003-2009年城市空间扩张进行精确模拟，并展开精度验证及成果分析（图1），从而为城市规划提供决策支持。

图1 ANN-CA城市扩张模拟流程

2 研究方法

2.1 地理模拟优化系统（GeoSOS）

本文选用地理模拟优化系统（GeoSOS）为主要工作平台，研究了连云港地区的城市扩展模拟。黎夏、刘小平等人提出了地理模拟系统的理论框架，可弥补常规GIS在动态过程模拟分析方面的不足^[5]，并将多智能体系统 (Multi-agentSystems, MAS)、元胞自动机 (Cellular Automata, CA) 和群集智能 (Swarm Intelligence, SI)集成为地理模拟和空间优化系统GeoSOS (http://www.geosimulation.cn)^[6]。

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