CN110503243B - 空间战略规划的约束性元胞自动机耦合建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间战略规划的约束性元胞自动机耦合建模方法，包括如下步骤：数据输入，基于约束性元胞自动机的城市增长模拟，家庭能源消耗和废弃物排放核算，家庭能源消耗和废弃物排放：在HI‑TAC模型中，家庭之间的相互作用基于如下假设：所有家庭已达成合作共识来遵守有关能源消耗和废弃物排放的总量控制；根据不同土地利用类型，为智能体设定家庭能源消耗和废弃物排放的初始值；核算家庭能源消耗和废弃物排放的量。数据输出与展示。本发明在考虑较宏观及统一的转换规则基础上，考虑了微观个体的特殊转换机制，使得城市扩张模拟结果更接近实际。

Description

空间战略规划的约束性元胞自动机耦合建模方法

【技术领域】

本发明涉及一种空间战略规划的约束性元胞自动机耦合建模方法。

【背景技术】

当前存在政府各部门间各自为政的现象，这使得可持续发展的城市规划带来的综合影响难以得到有效的预测和评估。

现有的以约束性元胞自动机模拟城市扩张的模型考虑到了自然环境、社会经济、规划政策等约束条件，能较真实得模拟多条件约束下的城市扩张过程，但用地转换规则往往较为宏观和统一，很少考虑微观用地单元的特殊转换机制。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种面向空间战略规划决策模拟的约束性元胞自动机耦合建模方法，该方法使得城市扩张模拟结果更接近实际。

本发明是这样实现的：

空间战略规划的约束性元胞自动机耦合建模方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤001：数据输入：此时研究区域的空间格局、地表信息和初始开发区必须从GIS数据库导入，以模拟城市增长；

步骤002：基于约束性元胞自动机的城市增长模拟：即首先根据邻域约束、宏观社会经济条件约束、制度条件约束及空间约束计算用地单元的土地利用适宜性；在此基础上，将土地利用适宜性计算单元的建设用地转换概率，与建设用地转换的概率阈值进行比较，以判定用地单元是否转换为建设用地；

当p_ij ^t≥p_threshold(p_ij ^t，Developmentstage^t+1)S^t+1(ij)＝Developed

否则S^t+1(ij)＝UnDeveloped

S_ij ^t表示在t时刻单元(i，j)的土地利用适宜性；x₀，s₀为常数；

S^t+1(ij)表示单元(i，j)在t+1时刻的状态；x_k是反映除邻域规则之外的制度政策的参数集；x_n为反映邻域影响的参数；a_n用于表示邻域的空间特征；a_k表示除了邻域之外的空间特征；p_g ^t表示国际上t时刻的转换概率；

表示每步中最大国际t时刻转换概率；a表示在1至10范围内浮动的扩散系数；p_ij ^t表示最终概率；

p_threshold(p_ij ^t，Developmentstage^t+1)是根据单元数量和发展速度控制而确定的邻域类型，且为了使得在t+1时刻阶段的发展速度与设置相符，能根据p_ij ^t和Developmentstage^t+1进行调整；

步骤003：家庭能源消耗和废弃物排放核算

(1)家庭增长模拟

N_c，N_r，N_h分别代表商业区、居住区和所有发达区域的家庭数量；

D_rn和D_cn分别代表居住区和商业区的人口密度；

ε表示误差项是随机值，平均值为1，标准差为0.5，以便生成每个区域的人口密度；S表示每类不同用地类型的面积；S_cell表示现实中每个单元的面积；∑NumCell代表每类用地类型中发达单元总数；

(2)家庭能源消耗和废弃物排放

在HI-TAC模型中，家庭之间的相互作用基于如下假设：所有家庭已达成合作共识来遵守有关能源消耗和废弃物排放的总量控制；模拟流程如下：

首先，根据不同土地利用类型，为智能体设定家庭能源消耗和废弃物排放的初始值；

其次，核算家庭能源消耗和废弃物排放的量；

当能量消耗和废弃物排放总量超过阈值时，每户家庭将进行调整；

能源消耗核算：

当E^t≥E_threshold

否则

E^t _r表示在第t步时居住区的家庭能源消耗；E^t _c表示在第t步时商业区的家庭能源消耗；E^t表示在第t步时家庭能源消耗总量；E^t _initial表示能源消耗的初始标准；E^t+1 _initial代表基于总量控制政策的智能体减少能耗的新标准；E_threshold代表总量控制值；

废弃物排放核算：

当W^t≥W_threshold

否则

W_r ^t表示在第t步时居住区的家庭废弃物排放；W_c ^t表示在第t步时商业区的家庭废弃物排放；W^t表示在第t步时家庭废弃物排放总量；W_initial ^t表示家庭废弃物排放的初始标准；W_initial ⁱ⁺¹代表基于废弃物排放总量控制协定的智能体减排的新标准；W_threshold代表总量控制值；

步骤004：数据输出与展示：使用者能看到系统平台上所展示的结果，由于模拟结果的发展历程根据空间战略规划的投资可分为初期、中期和后期，因而模拟结果为三个阶段的家庭数量、家庭能源消耗量和废弃物排放量，以折线图的形式展示。

本发明的优点在于：在考虑较宏观及统一的转换规则基础上，考虑了微观个体的特殊转换机制，使得城市扩张模拟结果更接近实际。此外，整合了约束性元胞自动机和多智能体模型，并在Netlogo平台上实现，能够模拟空间战略规划实施下的城市扩张过程，且不同情景下的模拟结果能够反映城市发展的规划控制及政策实施的有效性。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的基于HI-TAC模型的家庭能源消耗或废弃物排放核算流程图。

图2是本发明的空间战略规划支持系统框架示意图。

图3是本发明的城市扩张模拟流程图。

【具体实施方式】

基于约束性元胞自动机模型和基于总量控制、家庭相互作用的多智能体模型的空间战略规划支持系统，包括如下步骤：

步骤001：数据输入：此时研究区域的空间格局、地表信息和初始开发区必须从GIS数据库导入，以模拟城市增长；

步骤002：基于约束性元胞自动机的城市增长模拟：即首先根据邻域约束、宏观社会经济条件约束、制度条件约束及空间约束计算用地单元的土地利用适宜性；在此基础上，将土地利用适宜性计算单元的建设用地转换概率，与建设用地转换的概率阈值进行比较，以判定用地单元是否转换为建设用地；

当p_ij ^t≥p_threshold(p_jj ^t，Developmentstage^t+1)S^t+1(ij)＝Developed

否则S^t+1(ij)＝UnDeveloped

S_ij ^t表示在t时刻单元(i，j)的土地利用适宜性；x₀，s₀为常数；

S^t+1(ij)表示单元(i，j)在t+1时刻的状态；x_k是反映除邻域规则之外的制度政策的参数集；x_n为反映邻域影响的参数；a_n用于表示邻域的空间特征；a_k表示除了邻域之外的空间特征；p_g ^t表示国际上t时刻的转换概率；

表示每步中最大国际t时刻转换概率；a表示在1至10范围内浮动的扩散系数；p_ij ^t表示最终概率；

p_threshold(p_ij ^t，Developmentstage^t+1)是根据单元数量和发展速度控制而确定的邻域类型，且为了使得在t+1时刻阶段的发展速度与设置相符，能根据p_ij ^t和Developmentstage^t+1进行调整；

步骤003：家庭能源消耗和废弃物排放核算

(1)家庭增长模拟

N_c，N_r，N_h分别代表商业区、居住区和所有发达区域的家庭数量；

D_rn和D_cn分别代表居住区和商业区的人口密度；

ε表示误差项是随机值，平均值为1，标准差为0.5，以便生成每个区域的人口密度；S表示每类不同用地类型的面积；S_cell表示现实中每个单元的面积；∑NumCell代表每类用地类型中发达单元总数；

(2)家庭能源消耗和废弃物排放

在HI-TAC模型中，家庭之间的相互作用基于如下假设：所有家庭已达成合作共识来遵守有关能源消耗和废弃物排放的总量控制；模拟流程如图1所示：

首先，根据不同土地利用类型，为智能体设定家庭能源消耗和废弃物排放的初始值；

其次，核算家庭能源消耗和废弃物排放的量；

当能量消耗和废弃物排放总量超过阈值时，每户家庭将进行调整；

能源消耗核算：

当E^t≥E_threshold

否则

E^t _r表示在第t步时居住区的家庭能源消耗；E^t _c表示在第t步时商业区的家庭能源消耗；E^t表示在第t步时家庭能源消耗总量；E^t _initial表示能源消耗的初始标准；E^t+1 _initial代表基于总量控制政策的智能体减少能耗的新标准；E_threshold代表总量控制值；

废弃物排放核算：

当W^t≥W_threshold

否则

W_r ^t表示在第t步时居住区的家庭废弃物排放；W_c ^t表示在第t步时商业区的家庭废弃物排放；W^t表示在第t步时家庭废弃物排放总量；W_initial ^t表示家庭废弃物排放的初始标准；W_initial ⁱ⁺¹代表基于废弃物排放总量控制协定的智能体减排的新标准；W_threshold代表总量控制值；

步骤004：数据输出与展示：使用者能看到系统平台上所展示的结果，由于模拟结果的发展历程根据空间战略规划的投资可分为初期、中期和后期，因而模拟结果为三个阶段的家庭数量、家庭能源消耗量和废弃物排放量，以折线图的形式展示。如图2所示。

本发明首先利用约束性元胞自动机模型来模拟空间战略规划推动的研究区域城市增长过程。将投资项目位置作为城市增长模拟的初始区域，同时将城市规划确定的土地利用类型、人口密度和景观因素作为制约因素，将不同部门提出的多种规划工作整合到空间战略规划支持系统中。最后，根据城市增长的模拟结果，通过HI-TAC模型计算家庭能源消耗和废弃物排放总量。由于模拟城市增长和相关家庭能源消耗和废弃物排放的核算能够反映空间战略规划的实施影响，有助于支持地方政府的空间战略规划决策。

以流程图的形式(如图3所示)对本建模方法进行了总结，首先，在“开始”步骤中，输入空间模式、地表面和初始发展区域的数据。其次，在“城市扩张”步骤中，通过约束性元胞自动机模型对城市扩张进行模拟，成熟的用地单元吸引了更多的家庭入住。在“家庭能源”步骤中，通过HI-TAC模型，模拟家庭能量消耗和废弃物排放。当地环保部门应确定家庭能源消耗和废弃物排放的阈值。最终，在“展示统计数据”这一步中，对模拟结果进行保存并输出。

本发明整合了城市规划、土地利用适宜性评价、当地社会经济发展规划、环境承载力和能源供应能力。因此，不同部门提出的规划工作在空间战略规划支持系统平台上得以整合，旨在展示可能的城市扩张情景和响应空间战略规划中当地政府的决策。

Claims (1)

1.空间战略规划的约束性元胞自动机耦合建模方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤001：数据输入：此时研究区域的空间格局、地形信息和初始开发区必须从GIS数据库导入，以模拟城市增长；

步骤002：基于约束性元胞自动机的城市增长模拟：即首先根据邻域约束、宏观社会经济条件约束、制度条件约束及空间约束计算用地单元的土地利用适宜性；在此基础上，将土地利用适宜性计算用地单元的建设用地开发概率，与建设用地开发的概率阈值进行比较，以判定用地单元是否转换为建设用地；

当p_ij ^t≥p_threshold(p_ij ^t，Developmentstage^t+1)S^t+1(ij)＝Developed否则S^t+1(ij)＝UnDeveloped

S_ij ^t表示在t时刻用地单元(i，j)的土地利用适宜性；x₀，s₀为常数；

S^t+1(ij)表示用地单元(i，j)在t+1时刻的状态；x_k是反映除邻域规则之外的制度政策的参数集；x_n为反映邻域影响的参数；a_n ^t用于表示邻域在t时刻的空间特征；a_k表示除了邻域之外的空间特征；p_g ^t表示所有用地单元在t时刻表现出的开发概率；p_g ^t _max表示t时刻所有用地单元中开发概率的最大值；α表示在1至10范围内浮动的扩散系数；p_ij ^t表示t时刻用地单元(i，j)的最终开发概率；

p_threshold(p_ij ^t，Developmentstage^t+1)是根据用地单元数量和发展速度控制而确定的用地单元开发的概率阈值，且为了使得在t+1时刻的发展阶段Developmentage^t+1相符，能根据p_ij ^t和Developmentstage^t+1进行调整；

步骤003：家庭能源消耗和废弃物排放核算

(1)家庭增长模拟

N_c,N_r,N_h分别代表商业区、居住区和所有开发区域的家庭数量；

D_rn和D_cn分别代表居住区和商业区的人口密度；

ε_rn和ε_cn分别表示居住区和商业区的人口密度的误差，它是随机值，平均值为1，标准差为0.5，以便生成每个区域的人口密度；S_cell表示每个用地单元的面积；∑NumCell_r和∑NumCell_c分别代表居住区和商业区用地类型中已开发用地单元的总数；

(2)家庭能源消耗和废弃物排放

在HI-TAC模型中，家庭之间的相互作用基于如下假设：所有家庭已达成合作共识来遵守有关家庭能源消耗和废弃物排放的总量控制；模拟流程如下:

首先，根据不同土地利用类型，为智能体设定家庭能源消耗和废弃物排放的初始值；

其次，核算家庭能源消耗和废弃物排放的总量；

当能量消耗和废弃物排放总量超过阈值时，每户家庭将进行调整；

能源消耗核算：

当E^t≥E_threshold

此处，

否则

E^t _r表示在第t时刻时居住区的家庭能源消耗；E^t _c表示在第t时刻商业区的家庭能源消耗；E^t表示在第t时刻时家庭能源消耗总量；E^t _initial表示能源消耗在t时刻的初始标准；

代表基于总量控制政策的智能体减少能耗后在t+1时刻产生的家庭能源消耗的新标准；E_threshold代表家庭能源消耗总量的控制阈值；

废弃物排放核算：

当W^t≥W_threshold

此处，

否则

W_r ^t表示在第t时刻居住区的家庭废弃物排放；W_c ^t表示在第t时刻商业区的家庭废弃物排放；W^t表示在第t时刻时家庭废弃物排放总量，W^t+1表示在第t+1时刻家庭废弃物排放总量；

表示在t时刻家庭废弃物排放的初始标准；

代表基于总量控制政策的智能体减少废弃物排放后在t+1时刻产生的家庭废弃物排放的新标准；W_threshold代表废弃物排放总量控制的阈值；

步骤004：数据输出与展示：使用者能看到系统平台上所展示的结果，由于模拟结果的发展历程根据空间战略规划的投资分为初期、中期和后期，因而模拟结果为三个阶段的家庭数量、家庭能源消耗量和废弃物排放量，以折线图的形式展示。

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