规划问道
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项目基本信息
项目名称：面向多层次城市规划的矢量元胞自动机建模与模拟研究
项目负责人：孙毅中
依托单位：南京师范大学
项目参与人：
王芙蓉 教授级高级工程师 南京市城市规划编制研究中心
朱杰 助教 南京师范大学
毛燕翎 教授级高级工程师 南京市城市规划编制研究中心
杨静 南京师范大学
迟有忠 高级工程师 南京市城市规划编制研究中心
尚博文 南京师范大学
杨晟南 京师范大学
宋书颖 南京师范大学
薛宁南 京师范大学
项目结题摘要
城市规划对土地利用变化起着重要的引导作用，矢量元胞自动机以不规则的地理实体作为基本单元，可以更逼真地表达客观复杂的城市用地空间结构，然而，当顾及具有层次协同性、内涵关联性、空间引导性等特征的城市规划对土地利用变化影响时，其多层次元胞体系构建、层次协同的元胞邻域计算，以及元胞的转换规则获取等关键问题逐渐凸显出来。本课题拟在解决具有多层次结构的城市用地空间矢量元胞体系构建、多级矢量元胞协同机制与邻域构造、以及多层次协同的矢量元胞转换规则获取等科学与关键技术问题。通过四年的资助研究，①发展了面向土地利用变化的多层次矢量元胞自动机建模方法；②形成了顾及空间异质性的邻域效应模式构建与影响力计算模式；③实现了顾及空间突变特征的多中心城市边缘区提取; ④建立了顾及多层次协同的矢量元胞相互作用机制；⑤实现了多层次协同下的矢量元胞转换规则获取。研究成果不仅对于嵌入多层次国土空间规划的矢量CA模型构建方法有着科学意义与实际价值，也对于面向人类作用方式的多层次矢量CA的建模具有理论与实际意义，项目成果在南京、宁波、扬州、丽水、江阴、张家港等多个城市得到应用。.在四年的资助期间，发表科研论文11篇：其中SCI/SSCI检索8篇、EI检索2篇（其中一级学报1篇）、核心期刊1篇，获得发明专利授权1项、申请发明专利2项、获得软件著作权7项；获得省部级科技进步二等奖2项；会议报告1次，参加国内外会议8次（线上6次、线下2次）；培养博士生3人（毕业2人）、硕士研究生8人（毕业6人）。
项目结题成果报告
以下研究成果内容摘自项目结题成果报告。该项目报告共计23页，关注城市数据派微信号，在对话框中输入 24524，即可获得报告全文PDF的下载方式：
(1)主要研究内容
①城市用地空间多层次矢量元胞体系建立。针对多层次嵌套特征，主要解决具有层次结构、连通性和聚合性的矢量元胞体系的构建。
②)多层次协同的矢量元胞邻域构造方法。解决矢量元胞间和层次间的空间相互作用效应的度量。
③顾及多层次协同的矢量元胞相互作用机制。揭示元胞横向平面间和竖向层次间的相互作用机制，进而建立相应量度指标体系。
④顾及几何与属性变化的用地状态转换规则。主要目的是获取元胞状态的几何与属性转换规则。
⑤模拟结果验证评价与对比分析。研究全局点对点分析(Kappa系数)和变化差异对比(FoM指标)的两种验证分析方法，便于对模拟结果的动态变化过程进行精度评价。
(2)取得的主要研究进展、重要结果、关键数据等及其科学意义或应用前景。
①多层次矢量元胞自动机的建模方法
针对现有单一层次矢量CA建模不足，如图1和图2所示，通过构建具有层次结构的矢量元胞体系，既考虑横向平面元胞间，又兼顾了竖向规划层次间的相互作用机制，从地理空间的综合性和整体性认知出发，将用地空间优化中的元胞单元和城市规划管控要素看作是彼此联系、共同依存的整体，各类要素有着自身的空间格局、演化过程且要素间存在着复杂的相互作用关系，要素的空间分布遵循地理学空间相似、空间分异和图形拓扑结构，形成了将“自上而下”具有层次协同、要素关联、逐级传导的管控要素与“自下而上”具有空间异质、单元嵌套的CA有机结合的建模方法。
如图3所示，模拟结果与实际的用地空间格局非常相似,说明耦合了规划用地管控与传导协同机制的多层次矢量CA模型,更适用于面向多层次规划的用地变化模拟和未来城市发展的情景模拟,这不仅进一步丰富了地理元胞自动机理论与方法，也促进了CA在城市土地利用变化模拟方面更加“空间层次化”。
② 多层次协同下矢量元胞的传递机制元胞的传递内容和传递方式对于传递机制起着关键作用。因此,针对层次间元胞空间状态的异质性,研究了层次间传递内容的自上而下传递方法,以及自下而上的约束规则更新方式;针对空间管控内容及其粒度的差异性,探讨了定量刻画元胞的空间要素在不同层次的转换规则与转换速率,形成了既考虑横向平面元胞间，又兼顾了竖向规划层次间的相互作用机制。如图4所示，横向上，具有空间和属性相似性的同一层次元胞通过邻接关系进行相互作用进行传递;纵向上，具有嵌套关系的元胞之间通过层次连接关系进行跨层次信息传递。
③顾及空间异质性的矢量CA邻域效应度量
邻域计算问题是矢量CA邻域研究的难点。现有CA模型通过一致的规则定义元胞的邻近关系和邻域范围,并基于同类型用地的自相关作用计算邻域影响具有局限性。面向空间异质性，从邻域复杂的用地交互出发，顾及用地空间分布复杂性和空间相互作用差异性探索CA的邻域定义及其规则。针对用地交互空间差异性，结合空间度量指标和距离衰减函数构建序列数据集，通过基于DTW(DynamicTimeWarping)相似性的序列数据聚类算法从历史数据中获取多样化的邻域效应模式，以邻域效应模式库的方式表达邻域空间情景影响下的转换概率，实现了顾及空间异质性的邻域效应模式构建与影响力计算(如图5所示)。
⑤ 多层次协同下的矢量元胞转换规则获取
课题分为两个步骤展开多层次矢量CA转换规则计算方面研究工作。第一步，矢量CA转换规则:主要研究在元胞状态和几何形态改变,矢量地块的几何形变规则是多层次协同矢量元胞实现的难点。第二步，如图6所示，从邻域影响力变化规律的角度出发，拟采用分段函数的数学拟合方法构造内部影响力函数和外部影响力函数，以此控制控制矢量地块动态几何形状的动态改变过程。
图6 不同邻域影响力函数的转换概率
⑥基于空间突变特征的城市边缘区提取方法
如图7所示，以城市边缘区的空间突变特征为切入点，基于格网尺度评价构建基于多源数据的城市边缘区特征识别指标，然后采用小波变换检测进行特征值突变点群的识别，并利用基于Delaunay的自动边长阈值的边界提取算法识别突变点群内外边界，从而实现了一种基于空间突变特征的城市边缘区提取方法，有力支撑了城市不同功能区土地利用变化模拟。
图7 基于突变特征的城市边缘区识别
……
还有更多成果内容，详见项目结题成果报告。该项目报告共计23页，关注城市数据派微信公众号，在公众号对话框中输入 24524 ，即可获得报告全文PDF的下载方式。
原文始发于微信公众号（城市数据派）：面向多层次城市规划的矢量元胞自动机建模与模拟研究丨城市数据派
