顧 芳,譚江云,王秀艷,辜寄蓉
UrbanSim城市仿真模型在土地利用規(guī)劃中的應(yīng)用研究
顧 芳1,譚江云2,王秀艷1,辜寄蓉1*
UrbanSim是以PaulWeddel研究開發(fā)的新興城市仿真模型,具有廣闊的發(fā)展前景。從UrbanSim主要的模型入手介紹整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行方式,并通過對比的方式闡述UrbanSim系統(tǒng)中值得我國土地利用規(guī)劃借鑒的方面,以及在使用UrbanSim系統(tǒng)進(jìn)行土地利用規(guī)劃時(shí)如何組織數(shù)據(jù)。
土地利用規(guī)劃;UrbanSim;模型
隨著社會經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療、教育等事業(yè)的快速發(fā)展,我國的人口數(shù)量和規(guī)模都在迅速增長,城市人口不斷地增加,隨之帶來的問題也越來越多,如何利用土地成為一個(gè)不可忽視的問題。目前可供人類支配的土地資源越來越少,同時(shí)由于人類對土地的不當(dāng)開發(fā)利用,土地污染與生態(tài)破壞日趨嚴(yán)重,已威脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)安全和居住環(huán)境。因此,做好土地資源的規(guī)劃利用意義重大。
土地利用規(guī)劃在我國的發(fā)展經(jīng)歷了不同的階段,雖然不同學(xué)者從各自的研究領(lǐng)域出發(fā)提出了不同的規(guī)劃方法,但這些方法都存在各種問題,例如不能綜合地考慮各方面對土地利用規(guī)劃的影響,也就不能結(jié)合各種影響來綜合進(jìn)行土地利用規(guī)劃。
UrbanSim[1](城市仿真系統(tǒng))是大尺度的城市模型,在進(jìn)行城市規(guī)劃和城市仿真模擬方面已有一些實(shí)際應(yīng)用,能夠較好地考慮到各學(xué)科、領(lǐng)域?qū)ν恋乩靡?guī)劃的影響。本研究通過對模型系統(tǒng)的整體把握,探討如何將其應(yīng)用于小尺度的土地利用規(guī)劃研究中,以做出更合理、科學(xué)的土地利用規(guī)劃。
20世紀(jì)90年代中期,美國華盛頓大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)系的Paul Weddel博士率先從事UrbanSim研究,并于1994年在美國俄勒岡州進(jìn)行了應(yīng)用。該系統(tǒng)是基于Agent和動態(tài)離散分析的研究方法,此方法充分考慮了每個(gè)單元中個(gè)體的差異性,主要用于都市的土地利用和交通需求、房屋可支付性、保護(hù)開放空間和環(huán)境敏感區(qū),以及基礎(chǔ)設(shè)施成本等方面綜合作用的模擬分析,旨在協(xié)調(diào)土地利用規(guī)劃、交通運(yùn)輸規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)三者之間的關(guān)系,為政策決定提供依據(jù)。
1.1 研究現(xiàn)狀
國外UrbanSim的研究已經(jīng)基本趨于成熟,并且在尤金、西雅圖和圣安東尼奧等地區(qū)得以實(shí)施。國內(nèi)也有學(xué)者進(jìn)行了不同程度的研究和應(yīng)用。但由于UrbanSim系統(tǒng)需要龐大數(shù)據(jù)支撐,對數(shù)據(jù)的組織也有一定的規(guī)范和要求,因此目前只在有限的幾個(gè)城市得以實(shí)現(xiàn)。如何能夠使UrbanSim得到更廣泛的應(yīng)用,仍是目前面臨的重大問題。
OPUS(Open Platform for Urban Simulation)是一個(gè)基于UrbanSim模型開發(fā)的開源信息系統(tǒng),使用Python編程語言,系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性,同時(shí)它也是最早能夠支持UrbanSim的系統(tǒng),為UrbanSim提供了良好的可視化界面。其結(jié)構(gòu)組成采用的是包結(jié)構(gòu),每一個(gè)包都代表了一個(gè)模塊,每一個(gè)模塊都可以被系統(tǒng)中其他模塊調(diào)用,這種結(jié)構(gòu)保證了模塊的獨(dú)立性,其中最主要模塊的就是UrbanSim。
1.2 UrbanSim中主要的模型介紹
UrbanSim使用了一系列的技術(shù)和方法構(gòu)成其軟件架構(gòu)模型和一系列實(shí)施及交互的模型,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。分析模型通過空間查詢的方式,調(diào)取研究對象的特征數(shù)據(jù),在系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換/聚合層中進(jìn)行調(diào)整、分析、模擬、集成,并將結(jié)果儲存在數(shù)據(jù)庫中[2]。
系統(tǒng)包括5個(gè)主要模型:人口和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型模型、家庭和職業(yè)遷移模型、家庭和職業(yè)選址模型、地產(chǎn)開發(fā)模型、土地價(jià)格模型;另外還有建筑模擬和家庭與環(huán)境交互作用模型,以及宏觀經(jīng)濟(jì)分析模型、人口與出行模型等。
1.2.1 人口和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型模型
人口轉(zhuǎn)變模型用于模擬家庭人口的出生和死亡。通過外部控制整體目標(biāo)人群值總量,可以更詳細(xì)地確定分配收入群體及其年齡、大小、以及存在或缺少兒童,這使得變速人口的分布情況能隨著時(shí)間的推移建模。迭代方法用來確定每種類型的住戶創(chuàng)建或刪除了多少,新創(chuàng)建的家庭被添加到家庭住戶列表中,但沒有被分配到一個(gè)特定的房屋單位中,新建家庭的住房將會通過家庭位置選擇模型為其分配。需要刪除的家庭是隨機(jī)選擇的,以滿足控制總量,刪除時(shí)優(yōu)先從沒有被放置的住戶中選擇。
經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型模型中集成了外部預(yù)測的部門總就業(yè)與UrbanSim的數(shù)據(jù),并能計(jì)算部門工作總數(shù)在這一年中是增長或下降,對部門中工作數(shù)減少的將從部門數(shù)據(jù)集中移除一些工作,對于部門中工作數(shù)增加的就為其創(chuàng)建新的工作以滿足需要。當(dāng)工作被移出,它原來占有的空間就可以被其他工作選擇。計(jì)算新增或移除的工作的數(shù)量的方法為[3]:ΔJst=Cst-丨Js(t-1)丨。其中:ΔJst為從第t-1年到第t年s部門的工作數(shù)量的變化;Cst為第t年s部門工作數(shù)量的外部控制數(shù)量;Js(t-1)為第t-1年s部門所有工作的數(shù)量。
1.2.2 家庭和就業(yè)遷移模型
家庭遷移模型用于模擬家庭是否移動,移動的概率是基于歷史數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。一個(gè)家庭一旦選擇移動,它將被放置在空置列表中,以表明它沒有當(dāng)前的位置,它原來占用的空間就可以被使用了。
就業(yè)流動模型是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測在某一年中每種工作從它目前的位置搬離或者停留的概率,這一變化可以通過就業(yè)、裁員、企業(yè)搬遷或者是企業(yè)關(guān)閉反映出來。與家庭移動模型類似,被移走的工作將會放置在沒有工作位置的數(shù)據(jù)集中,而它原來占有的位置也將被放置到位置為空的數(shù)據(jù)集中。計(jì)算方法為:Mst={j∈Jst丨P(j,t)}。其中:Mst為第t年部門s通過遷移模型得到的遷移的集合;P(j,t)表示使用蒙特卡洛(Monte Carlo)抽樣方法決定工作j是否在t年份移動。
1.2.3 家庭和職業(yè)選址模型
在這個(gè)模型中,預(yù)測的數(shù)據(jù)來源于新建(從家庭、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型模式中新創(chuàng)建的)和區(qū)域內(nèi)需要移動(從家庭、就業(yè)移動模型中獲得)的家庭或職業(yè),我們將預(yù)測其被放置在一個(gè)特定的位置的可能性,此可能性主要取決于該區(qū)域中空置的位置總數(shù),同時(shí)還要綜合考慮該網(wǎng)格內(nèi)的其他屬性。
家庭位置選擇模型用來為那些目前沒有位置的家庭選擇家庭位置,可以從空置房屋集中任意選擇一個(gè),每個(gè)可供選擇的樣本都是用多項(xiàng)邏輯模型評價(jià)確定適合該家庭的,最終該家庭會被分配到適合的位置。在計(jì)算的過程中要針對每個(gè)網(wǎng)格單元綜合考慮各種影響因子來計(jì)算可能性,計(jì)算使用的變量包括:網(wǎng)格單元住房屬性(價(jià)格,發(fā)展類型例如土地利用類型,建筑時(shí)間),街區(qū)特征(土地利用結(jié)構(gòu),密度,平均屬性值,本地方便零售)和區(qū)域與工作地可達(dá)性。
就業(yè)地點(diǎn)選擇模型用于確定工作的位置。這類工作以空的區(qū)域或以居住單位為工作空間的地點(diǎn)作為可能的選擇集,地點(diǎn)樣本的選擇就是從這一數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇的。它的變量包括房地產(chǎn)網(wǎng)格單元的特性(價(jià)格,發(fā)展類型例如土地利用類型、密度)、區(qū)域的可達(dá)性(人口的可達(dá)性和到達(dá)中心城區(qū)、機(jī)場等的時(shí)間)、區(qū)域尺度(與高速和城市主干道的鄰近度)。
1.2.4 地產(chǎn)開發(fā)模型
地產(chǎn)開發(fā)模型用于模擬開發(fā)商選擇什么樣的項(xiàng)目承接,包括新建筑的類型、數(shù)量、區(qū)位選擇以及老建筑的再開發(fā)。在系統(tǒng)中發(fā)展的類型劃分為7大類25小類,類型的劃分考慮到了每個(gè)單元中的非居住面積和家庭數(shù)目。地產(chǎn)開發(fā)模型使用多元邏輯模型計(jì)算每個(gè)單元發(fā)生變化的可能性,如果發(fā)生了變化,就用蒙特卡洛模型來確定其發(fā)展類型。模型中用到的變量包括網(wǎng)格單元的特征(目前的發(fā)展類型、土地利用規(guī)劃、環(huán)境約束條件),位置特征(靠近公路和主干道、接近現(xiàn)有的開發(fā)區(qū)、鄰近土地使用的類型和屬性、周圍正在開發(fā)的項(xiàng)目),區(qū)域可達(dá)性(接近人口和就業(yè)),市場條件(空置率)。
1.2.5 土地價(jià)格模型
不同國家、不同土地利用規(guī)劃模式對土地利用規(guī)劃起著非常重要的作用,我們在借鑒其方法時(shí)首先應(yīng)該考慮我國國情。雖然很多國家都是按層次法進(jìn)行土地利用規(guī)劃,但在具體的執(zhí)行中因國情不同而出現(xiàn)了較大的差異。美國采用宏觀調(diào)控導(dǎo)向型的土地利用規(guī)劃體系,其特點(diǎn)是用地區(qū)劃覆蓋全市,按限制性用地號、區(qū)劃圖號、街區(qū)號和地塊號4個(gè)層次組成編號等系列,并在全覆蓋的前提下,按不同地理位置和不同開發(fā)狀況予以區(qū)別對待[5],這一思想與UrbanSim中數(shù)據(jù)的組織是一致的。而在我國大都以行政區(qū)劃來劃分,不僅忽略了城市之間的影響,而且城市內(nèi)部中不同區(qū)域的差異性也被忽視了。
了解美國土地利用規(guī)劃的體系有助于更好地理解UrbanSim系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)存儲方式、數(shù)據(jù)的空間內(nèi)容和尺度。然而要想使用該系統(tǒng)進(jìn)行土地利用規(guī)劃,就需要按照相同的數(shù)據(jù)存儲方式和數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)的組織和存儲。
2.1 數(shù)據(jù)的變換
UrbanSim基于微觀模擬的大尺度城市模型是建立在個(gè)體記錄數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的,而土地利用規(guī)劃的數(shù)據(jù)則以匯總的方式存在,我們必須將匯總的數(shù)據(jù)分別落到個(gè)體上才能符合UrbanSim的應(yīng)用要求。有些數(shù)據(jù)不能滿足要求時(shí)需要對其進(jìn)行合理的處理,例如怎樣使人口數(shù)據(jù)、就業(yè)數(shù)據(jù)落到每個(gè)住宅單元,進(jìn)而分析單元之間的相互影響和差異性。
2.1.1 數(shù)據(jù)格式
UrbanSim數(shù)據(jù)主要有3種格式:網(wǎng)格(Grid 或Cell)、圖斑(Parcel)和區(qū)域(Zone)。UrbanSim 主要使用的是網(wǎng)格數(shù)據(jù),150 m × 150 m網(wǎng)格單元,每個(gè)網(wǎng)格代表約2.23 hm2(網(wǎng)格大小可以修改)。我國在進(jìn)行土地利用規(guī)劃時(shí)一般都是直接使用矢量圖層,或使用對矢量圖層做簡單處理后的整個(gè)圖層,并未劃分到網(wǎng)格單元,這樣的格式在規(guī)劃過程中無法分析相鄰網(wǎng)格單元之間的相互影響,而UrbanSim的數(shù)據(jù)格式就非常值得借鑒。土地利用規(guī)劃不僅宏觀考慮一塊區(qū)域,而且要考慮到該區(qū)域中的每個(gè)要素與其他要素的差異性、該區(qū)域與其他區(qū)域的差異性。同時(shí)各個(gè)區(qū)域?qū)χ車挠绊懸彩遣豢珊雎缘摹?/p>
2.1.2 數(shù)據(jù)內(nèi)容
在UrbanSim中數(shù)據(jù)的來源主要包括4個(gè)方面:稅務(wù)部門、商業(yè)部門的地塊文件,人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),柵格圖,由環(huán)境、行政區(qū)、交通等信息組成的GIS圖層。在進(jìn)行土地利用規(guī)劃時(shí)使用的數(shù)據(jù)包括:1)現(xiàn)狀數(shù)據(jù),例如區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、人口、各類土地面積等;2)圖件數(shù)據(jù),地形、行政區(qū)、城鎮(zhèn)村分布、土地利用現(xiàn)狀、土地利用規(guī)劃;3)圖形數(shù)據(jù),水利條件、交通條件、地形高度等參數(shù)分布[6]。在數(shù)據(jù)內(nèi)容方面部分內(nèi)容是相同的,但是在UrbanSim中很多數(shù)據(jù)可以和網(wǎng)格單元結(jié)合起來,這一點(diǎn)由政府部門的數(shù)據(jù)管理方式?jīng)Q定。在我國,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并沒有與其所在小區(qū)域內(nèi)位置結(jié)合,所以一些數(shù)據(jù)無法落到每個(gè)地塊中,例如人口數(shù)據(jù)無法按照家庭的方式進(jìn)行存儲,這些都是由研究區(qū)域?qū)嶋H情況決定的,我們在收集數(shù)據(jù)的時(shí)候也要考慮到具體的情況,結(jié)合實(shí)際采取適合的方法組織、修改數(shù)據(jù)。
2.1.3 數(shù)據(jù)存儲管理方式
UrbanSim對于研究區(qū)內(nèi)的家庭以每個(gè)家庭為單位獨(dú)立存儲,包括的內(nèi)容有家庭住宅的ID、家庭的收入、人口數(shù)目、家長的年齡、家庭中小孩人數(shù)、家庭工人人數(shù)。而研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)柵格單元也有自己的信息,例如此柵格單元ID、住宅單元數(shù)量、空置住宅數(shù)量、土地開發(fā)類型、土地價(jià)格。而職業(yè)信息中包含的信息有此職業(yè)所在的柵格ID、職業(yè)的ID和部門。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析,將每個(gè)家庭和住宅、工作地點(diǎn)與空間中的位置聯(lián)系起來,并依據(jù)劃分好的柵格單元大小,獲得每個(gè)柵格單元中各類居住和非居住地塊的空間數(shù)據(jù)。而每一地塊的價(jià)值變化、在其中居住的居民的居住質(zhì)量、周邊環(huán)境的正負(fù)影響均可以通過數(shù)據(jù)庫中柵格單元信息來分析確定[7]。由于土地利用規(guī)劃沒有網(wǎng)格單元這樣的概念,所以并沒有按網(wǎng)格單元存儲數(shù)據(jù)。我國在進(jìn)行土地利用規(guī)劃時(shí)采用的是分層管理的方式,這是由規(guī)劃專題研究、規(guī)劃方案編制、以及規(guī)劃數(shù)據(jù)庫的建設(shè)要求決定的,分為土地利用規(guī)劃要素分層、注記分層、要素屬性數(shù)據(jù)、指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4種類型,具體操作是將擁有相同土地利用類型的數(shù)據(jù)存儲在同一層中,例如農(nóng)用地、建設(shè)用地、未利用土地,從而構(gòu)成一個(gè)由不同土地利用類型構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫。這樣的數(shù)據(jù)存儲和管理方式與UrbanSim的數(shù)據(jù)存儲方式完全不同,存在的問題仍然是忽略了區(qū)域內(nèi)每個(gè)個(gè)體與其他要素之間的差異性,這樣所做出的規(guī)劃必然有缺陷,與實(shí)際有較大的偏差。
2.1.4 數(shù)學(xué)方法使用
UrbanSim系統(tǒng)采用定量分析,大量使用數(shù)學(xué)模型和分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析,提高了整個(gè)系統(tǒng)的科學(xué)性和可信度,多元邏輯模型計(jì)算發(fā)生變化的可能性,蒙特卡洛模型通過計(jì)算事情發(fā)生的變化結(jié)果選擇,這些數(shù)學(xué)方法也可以很好地用在規(guī)劃中。而我國在編制土地利用規(guī)劃的過程中往往以統(tǒng)計(jì)加估計(jì)的方法為主,缺乏量化分析,沒有科學(xué)的預(yù)測,對土地容量的控制和環(huán)境的承載力缺乏數(shù)據(jù)分析,憑經(jīng)驗(yàn)確定用地規(guī)模和布局,在科技飛速發(fā)展、技術(shù)手段不斷創(chuàng)新的時(shí)代,這樣的規(guī)劃顯然已經(jīng)不能滿足需要。我們必須要借助豐富的技術(shù)手段為規(guī)劃提供有力支撐,“3S”技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、強(qiáng)大的海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等已經(jīng)開始廣泛地應(yīng)用在土地利用規(guī)劃過程中,還必須使用數(shù)學(xué)方法對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的分析,強(qiáng)化規(guī)劃方案的科學(xué)性和可操作性。
綜上所述, UrbanSim在數(shù)據(jù)方面有值得我們在土地利用規(guī)劃過程中借鑒和改進(jìn)的部分,且其對如此大量數(shù)據(jù)處理的效率也值得注意,該系統(tǒng)使用了數(shù)學(xué)的方法,還引入了經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法及原理,值得借鑒。
2.2 模型設(shè)定
UrbanSim系統(tǒng)運(yùn)用模型對問題進(jìn)行分析處理,在模型中不僅有各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)包含著所需的變量及其參數(shù)值。我們在使用土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況預(yù)先定義需要的變量,并說明變量的含義,計(jì)算各個(gè)變量的參數(shù)值,對于一些不適用的參數(shù)需要修正或剔除。根據(jù)自定義變量以及每個(gè)變量的系數(shù)值即可得到一個(gè)實(shí)證模型。最后根據(jù)實(shí)證模型得到結(jié)論,結(jié)合實(shí)際情況解讀模擬結(jié)果中傳遞的信息,作為土地利用戰(zhàn)略研究以及編制土地利用規(guī)劃方案的有力支撐。
在進(jìn)行土地利用規(guī)劃時(shí)常用GIS方法或技術(shù),GIS雖然具有良好的空間分析能力,但是與UrbanSim相比有較大的局限性,難以模擬和解釋復(fù)雜的空間現(xiàn)象,難以完整分析單個(gè)個(gè)體之間的相互影響,同時(shí)也不能滿足清晰表達(dá)決策行為的要求,所以盡管UrbanSim主要用于城市規(guī)劃和仿真模擬方面,但其分析、處理問題的思想仍有很多值得其他行業(yè)借鑒之處。
系統(tǒng)中的土地利用模型系統(tǒng)是對交通項(xiàng)目用地的敏感性分析,通過柵格網(wǎng)地塊單元數(shù)據(jù)的動態(tài)離散化采集,整合模擬城市規(guī)劃、土地利用、交通運(yùn)輸和公共政策等多個(gè)因素的綜合影響,這樣的方式能夠充分考慮到區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展,這一點(diǎn)與土地利用中要求規(guī)劃區(qū)域可持續(xù)發(fā)展一致,在UrbanSim中除使用了大量的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量的分析外,還引入了經(jīng)濟(jì)學(xué)原理解決相關(guān)的問題,提高了系統(tǒng)的專業(yè)性。
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ApplicationofSoftwareUrbanSiminLandUsePlanning
GUFang1,TANJiangyun2,WANGXiuyan1,GUJirong1*
(1. The Ministry of Education Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest ,Sichuan Normal University,Chengdu 610068,China; 2. Six Geological Team,Tibet Autonomous Region Bureau of Geo-exploration and Mineral Development ,Lasa 851400,China)
UrbanSim is researched and developed by Dr. Paul Weddel, it is a new urban simulation model and has broad development prospects.This paper begins with the main model of UrbanSim and then introduces the operation mode of the whole system, by means of comparing with UrbanSim system elaborated what is worthy of reference for land use planning in our country, and how to organize the data when we use UrbanSim system to do land use planning.
land use planning;UrbanSim;Model
2013-10-28
四川省國土資源廳科技項(xiàng)目“基于GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的土地整理規(guī)劃方法研究”(KJ-2012-8)
顧芳(1988- ),女(漢族),甘肅武威人,在讀碩士研究生,研究方向:地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。
辜寄蓉(1968- ),女(漢族),四川成都人,教授,博士,研究方向:地理信息理論與方法,通信作者郵箱:annygu@21cn.com。
(1.四川師范大學(xué) 西南土地資源監(jiān)測與評價(jià)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610068;2.西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第六地質(zhì)大隊(duì),拉薩 851400)
F301;TP391
A
2095-5383(2013)04-0018-04