SLEUTH模型介绍

1基于元胞自动机的城市生长模型——SLEUTH模型介绍汇报人：北京地理所2大纲城市模型发展史•背景•四个阶段城市CA研究概况•国外•国内SLEUTH模型•背景•原理•应用3产生：城市化浪潮起始于19世纪，研究城市现象和城市过程的城市模型则产生于20世纪初。发展：由于城市模型往往包含大量的数据和数据计算，因此直到1945年，第一台计算机产生后，城市模型的研究，尤其是模型的应用才得到迅速的发展。应用：有学者认为真正实质性的模型应用于城市系统则是在60年代以后。城市模型发展史_背景4综合国内外研究，城市模型发展可以划分为以下四个阶段（周成虎等，1999）城市模型发展史_四个阶段以中心地为代表的城市形态和结构模型以空间相互作用模型为代表的静态城市模型以系统动力学和劳利模型为代表的动态城市模型以元胞自动机和多主体模型为代表的动态城市模型5（1）以中心地为代表的城市形态和结构模型在计算机产生以前，城市模型研究主要集中在对城市土地利用的空间分布、以及城市空间结构和形态的模式研究。（2）以空间相互作用模型为代表的静态城市模型本世纪50年代，计算机的产生以及北美地区汽车工业和交通的发展，极大地推动了城市模型发展。其中，以空间相互作用模型最为引人注目，包括空间扩散模型、距离衰减规律、引力模式和潜力模式等。这些模型基本上都是静态模型，是基于机械的牛顿力学的“物理”模型，描述和反映了空间实体的分布、实体间的相互作用等特征和机制，而不能反映城市组织结构的形成过程和动态发展变化。城市模型发展史_四个阶段6（3）以系统动力学和劳利模型为代表的动态城市模型从60年代末开始，构建动态城市模型成为地理学家的主要研究目标之一。在这一阶段主要存在两种代表方向：一种是基于微分方程的动力学模型，另一种则是基于CA和主体等概念的离散动力学模型。（4）以元胞自动机和多主体模型为代表的动态城市模型与上述动态模型相对，基于微观个体行为的动力学模型，如CA、DLA模型、逾渗模型、多主体模型(MAM)等离散动力学模型则代表了另外一种全新的思路。城市模型发展史_四个阶段7比较经典的CA模型有：城市模型发展史_经典CA模型模型名称研究者时间DUEM模型Batty&Xie1994,1999SLEUTH模型Clarke1998高分辨率St.Lucia模型White&Engelen1997ANN-CALi&Yeh2001UrbanSim模型Waddell2002LEAM模型Deal等20058比较经典的CA模型有：模型名称研究者时间DUEM模型Batty&Xie1994,1999SLEUTH模型Clarke1998高分辨率St.Lucia模型White&Engelen1997ANN-CALi&Yeh2001UrbanSim模型Waddell2002LEAM模型Deal等2005城市模型发展史_经典CA模型9国外城市CA应用研究进展根据应用目的与功能的不同，大体可为以下三种类型（叶嘉安，2006）基于CA模型的城市演化理论探讨基于CA模型的真实城市系统演化模拟基于CA模型的城市发展方案和辅助城市规划10国外城市CA应用研究进展（1）基于CA模型的城市演化理论探讨（虚拟城市研究）特点：不涉及任何具体的城市，类似于中心地理论等的纯理论研究。假设城市的发展是没有限制的，所被模拟的空间是均质的，针对城市发展的不同“游戏规则”，模拟城市发展的行为和过程，以探讨虚拟城市发展的一般规律。实例：Webster和WU(1999)运用CA模型对自由市场影响和规划制约下两种不同类型的城市进行模拟，很好的反映了发展商业理论追求和社区福利追求两种不同的行为。WU(1998)还提出由若干随机因子与一系列局部因子之间的相互作用可以模拟出城市副中心的形成过程。此外，White&Engelen(1997)从理论上对应用CA技术模拟分形和双分形的城市土地利用结构进行了探讨;Torrens(2003，2006)提出SpawlSim模型，用于虚拟大都市的扩展研究及城市理论与假设的验证。11国外城市CA应用研究进展（2）基于CA模型的真实城市系统演化模拟特点：目前城市CA模型应用最广泛、研究最深入的领域。其目的是探讨在真实地理环境中城市的真实演化过程，试图通过模拟历史发展趋势来预测未来发展演化趋势。实例：DUEM模型SLEUTH模型St.Lucia模型UrbanSim模型12国外城市CA应用研究进展（3）基于CA模型的城市发展方案和辅助城市规划特点：将是一个颇具潜力的应用领域。其转换规则是根据规划目标和准则来设定，而不是仅仅依靠过去的经验数据来推测将来。由不同的规划目标和准则可以模拟出不同的方案，城市规划工作者在多种方案中选择最优的发展方案，评价发展带来的影响，安排对未来发展所必需的基础设施。可以作为规划支持系统，根据不同可能条件提供解决方案。能从以往城市发展所存在的问题中吸取教训，减少将来同类问题发生的可能性。实例：Ward等(2000)运用约束性CA模型对澳大利亚东海岸处于快速城市化的黄金海岸地区进行了城市发展的模拟与规划；Deal等(2005)提出了LEAM模型，用于区域规划、土地利用规划、流域规划、历史文化遗产规划及军事规划等。13国内城市CA应用研究进展起步较晚，受国际研究的推动，20世纪90年代末才开始类似的尝试研究。主要集中在基于CA的真实城市系统模拟，比较有代表性的有周成虎、黎夏、张显峰、罗平、何春阳和王春峰等人。对模拟城市发展方案和辅助城市规划有所涉及，但研究成果较少，黎夏、徐建刚、王桂新和郑新奇等做了尝试研究。对城市元胞自动机的理论研究方面基本没有涉及。研究的尺度主要集中在区域尺度上，研究所用数据的空间分辨率较粗，城市内部土地利用的精细尺度研究很少涉及，将是今后城市CA应用研究的一个重点。14SLEUTH模型_理论背景以中心地为代表的城市形态和结构模型以空间相互作用模型为代表的静态城市模型以系统动力学和劳利模型为代表的动态城市模型以元胞自动机和多主体模型为代表的动态城市模型按周成虎划分的四个阶段，处于第四阶段15SLEUTH模型_理论背景基于CA模型的城市演化理论探讨基于CA模型的真实城市系统演化模拟基于CA模型的城市发展方案和辅助城市规划按叶嘉安划分的三个类型，属于第二种类型16SLEUTH模型概述背景：SLEUTH模型是Clarke的基于元胞自动机的城市增长模型(UGM)和土地利用/土地覆盖Deltatron模型(DLM)的集成，由Clarke和Gaydos等人(1997)提出。这两个子模型可以相互独立运行，也可以一起运行，只有模型中包含土地利用数据时，Deltatron模型才被激活。前提假设：未来现象可以由过去真实演化趋势模拟得到，同时假设历史增长趋势是持续的。17SLEUTH模型概述_三个模块测试模块确保模型正确编译和运行，用于城市增长的历史重建;校准和预测模块是模型的主体，也是最复杂、耗时最多的部分，用于预测城市增长。SLEUTH模型包含三个模块:测试模块、校准模块和预测模块。18SLEUTH模型概述_增长环增长环是SLEUTH模型运行的基本单位。首先进行各系数初始化，其次应用各增长规则，再次比较各增长规则的城市增长率总和与增长速度的临界值，如果增长率超出最高临界值或未达到最小临界值，自修改规则自动调整系数值模拟城市的繁荣和萧条状态，最后再反馈给模型开始新一轮的增长模拟。复杂的模拟由初始条件和一系列增长环组成，从第一个历史时期的增长环开始到最后时期的增长环结束。19SLEUTH模型原理_六种输入数据SLEUTH模型至少需要五种栅格地理数据类型来校准和预测城市增长，如果要激活Deltatron模型，需要增加土地利用数据层。输入数据是灰度Gif图像格式，同时要求所有输入数据具有相同的投影、范围和分辨率和统一的命名格式命名。SLEUTHSlope坡度Landuse土地利用Excluded排除层Urban城市范围Transportation交通Hillshade阴影20l、坡度地形是城市发展的最基本条件。平坦、宽阔的区域适宜发展城市。该模型定义临界坡度为CRITICAL_SLOPE，用百分比坡度值表示，范围为0-100，通常从数字高程模块(DEM)中计算生成。在城市建设中，当坡度增加时，建设成本上升，并有一个临界坡度，即超过该坡度，一般限制其发展。不同国家、地区或城市，其限制发展的临界坡度有所不同，在我国城市规划中一般界定为：平原地区为20%，山区或丘陵地区为25%。2、土地利用土地利用编码采用整型编码，每个像元值代表一种唯一的土地利用类型，像元值取值范围为O-255。SLEUTH模型原理_六种输入数据213、排除层该层用来定义限制城市化区域的控制层，通过调整排除层，SLEUTH模型可以整合一些区域宏观因素，取值域范围为0-255，0表示该区域可以完全城市化，任何大于100的值都表示该区域不能城市化。如水体和公园等通常都是不可城市化的土地利用类型。对于政策、城市规划等划定的某些区域，如不受保护的湿地、受保护的耕地或菜地等，根据实际情况可以给这些区域可以赋一个0-100之间的值，代表这些区域具有一定的可城市化的机会。该值越趋向于0，可城市化的概率越高:越趋向100，可城市化的概率越低。4、城市范围(UrbanExtent)城市范围用一个二进制分类表示，取值范围为0一255，O表示非城市区域，可以用任何一个大于O小于255的整数值表示城市区域。城市范围的确定主要通过数字化历史时期的土地利用现状图和遥感影像(航片、TM、Quickbird或IKONOS)获得，该模型的运行至少需要4个时期的城市范围数据。SLEUTH模型原理_六种输入数据225、交通(Transporrtation)交通在形成城市结构中起重要作用，城市倾向于从城市核心沿着交通线的方式增长，随着道路扩大，基础设施扩张。为了在校准过程中包含交通的动态效应，需要不同时期的道路数据。SLEUTH模型从早期的道路层初始化，随着发展循环或者时间递进，达到一个距离现在更近的道路层。道路不一定是二制形式，可以用相对权重值来表示，如(0，l，2，4)、(0，25，50，100)或用道路的相对可达性来表示(high，medium，fow，none)。取值范围为0-255，0表示非道路，其他值分别代表不同的相对道路可达性。6、阴影层(Hillshade)为了使模拟的城市空间扩展过程具有更好的空间视觉效果，阴影层作为一个背景层嵌入，但不参与模型的运算。该层也通常从DEM中提取，如果研究区域有较大面积的水体，为更好的显示该区域特征，水体区域应赋值为0叠加进阴影层。SLEUTH模型原理_六种输入数据23SLEUTH模型原理_增长系数SLEUTH模型包含五个增长系数，通过对模拟结果与历史年份数据的比较进行校准获得。五个系数的取值范围都在0-100之间。散布系数(DispersionCoefficient)繁殖系数(BreedCoefficient)扩展系数(SpreadCoefficient)道路重力系数(RoadGravityCoefficient)坡度系数(SlopeCoefficient)24SLEUTH模型原理_增长系数l、散布系数(DispersionCoefficient)用于自发增长(SpontaneousGrowth)：控制被随机选择成为城市化像元的个数。用于道路影响增长(RoadInfluencedGrowth)：控制沿着道路随机移动的像元数。2、繁殖系数(BreedCoefficient)用于自发增长：数决定一个自发增长形成的新城市化像元变成一个新的扩展中心的可能性。用于道路影响增长：决定一个元胞在道路上移动的次数。3、扩展系数(SpreadCoefficient)用于边界增长(EdgeGrowth)，决定一个扩散中心（在3x3邻居构形中，城市像元数大于2个）周围任一像元变成另外一个城市像元的可能性。25SLEUTH模型原理_增长系数4、道路重力系数(RoadGravityCoefficient)在道路影响增长过程中，决定一定的图像维数的比例，进