一種面向土地利用與交通多尺度模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于城市規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種城市土地利用與交通一體化規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002] (1)模型簡(jiǎn)介
[0003] 城市土地利用與交通整合模型的研宄由來已久。從上世紀(jì)50年代中期，一些學(xué)者 就開始進(jìn)行基于區(qū)位特征分析的土地模型的理論研宄，包括芝加哥學(xué)派提出的同心圓理論 (Central Place Theory)、扇形理論（Sector Model)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)與推廣，土 地利用與交通整合理論的模型開始真正地進(jìn)入規(guī)劃實(shí)踐層面，大量的整合模型涌現(xiàn)出來。 按照模型所依據(jù)的原理可以把這些模型分為以下三種類型：①基于空間作用/重力模型的 土地利用與交通模型；②基于經(jīng)濟(jì)學(xué)的模型；③基于微觀模擬的模型。
[0004] 基于空間作用/重力模型的土地利用與交通模型的研發(fā)最早可追溯到1964年，其 中Lowry模型是第一個(gè)具有標(biāo)志性意義的模型。Lowry模型利用古典經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，模擬城 市的基本行為包括基礎(chǔ)部門就業(yè)、服務(wù)部門就業(yè)和家庭部門行為的空間分布，從定量的角 度表達(dá)土地利用間的相互作用。這類模型具有較強(qiáng)的綜合性，將所有城市行為劃分為三大 類，獲取并校正數(shù)據(jù)較為容易。但模型只是對(duì)城市行為的簡(jiǎn)單描述，缺乏理論依據(jù)；而且模 型是靜態(tài)模型，不能模擬城市的動(dòng)態(tài)演變。針對(duì)該模型的缺陷，一些學(xué)者在之后的幾十年中 對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和發(fā)展。其中具有代表性的包括：Wegener提出的IRPUD模型，Putman提出 的ITLUP模型，Mackett開發(fā)的LILT模型，Pfaffenbichler提出的MARS模型。其中MARS 模型較為特殊，該模型利用Vensim進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的建模，通過簡(jiǎn)單明了的系統(tǒng)因 果關(guān)系圖和流圖，幫助決策者進(jìn)行快速地建模和使用。因此，MARS適合于更加集計(jì)和戰(zhàn)略 性的土地利用與交通整合理論分析。
[0005] 隨著隨機(jī)效用理論、離散選擇理論等經(jīng)濟(jì)學(xué)模型的出現(xiàn)，一些城市規(guī)劃以及交通 規(guī)劃的研宄者開始研宄基于經(jīng)濟(jì)學(xué)的模型來模擬離散的區(qū)位分布與出行行為?；诮?jīng)濟(jì)學(xué) 的土地利用與交通整合模型可以細(xì)分為兩類：區(qū)域經(jīng)濟(jì)模型和土地市場(chǎng)模型。其中TRANUS 作為區(qū)域經(jīng)濟(jì)模型的代表之一在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，該模型以隨機(jī)效用理論、 競(jìng)租理論和空間投入產(chǎn)出模型為理論基礎(chǔ)，包括了活動(dòng)選址、出行產(chǎn)生、交通分布、方式劃 分以及交通分配五個(gè)子模型。模型的一大特點(diǎn)是相對(duì)先進(jìn)的多式聯(lián)運(yùn)路徑的選擇和分配， 這大大優(yōu)于傳統(tǒng)的私人/公共交通工具的均衡分配。除了 TRANUS模型外，區(qū)域經(jīng)濟(jì)模型還 包括MEPLAN，PECAS等。土地市場(chǎng)模型區(qū)別于大多數(shù)基于經(jīng)濟(jì)計(jì)量理論的土地利用與交通 整合模型，它將住宅、商業(yè)和房地產(chǎn)等核心市場(chǎng)與交通模型連接成一個(gè)整體模型結(jié)構(gòu)，包括 DELTA，METR0SM，MUSSA 等。
[0006] 微觀模型是近期發(fā)展較快的研宄領(lǐng)域，這類系統(tǒng)利用元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata，CA)、基于活動(dòng)出行（Activity-based)、多智能體（Multi-Agent System，MAS)等 微觀理論與方法，可以有效地模擬土地利用與交通系統(tǒng)中決策個(gè)體的微觀行為。其中應(yīng)用 較為廣泛的有MASTER、SLEUTH、CLUE-S等，MASTER是英國(guó)Mackett開發(fā)的考慮人口增長(zhǎng)和 家庭結(jié)構(gòu)變化的模型。SLEUTH是一種利用元胞自動(dòng)機(jī)原理模擬城市變迀的模型，它可以仿 真非城市土地利用（農(nóng)田，森林）轉(zhuǎn)變成城市土地利用（城市居民住宅，商業(yè)，工業(yè)用地） 的過程。
[0007] 其中典型的土地利用與交通整合模型的基本信息及特征見表1。
[0008] 表1 土地利用與交通整合模型研宄成果概要
[0010]
[0011]
[0012] (2)模型發(fā)展綜述
[0013] 分析相關(guān)模型發(fā)展的歷史脈絡(luò)可知（見圖1)，基于空間作用/重力模型的土地 交通模型缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，無法從更加科學(xué)的角度說明城市土地與交通演變的內(nèi)部機(jī) 理，因此該類模型主要的發(fā)展時(shí)期在1960年一 1980年左右。在引入經(jīng)濟(jì)理論后，研宄人員 們嘗試著開發(fā)基于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)原理的模型來全面地模擬城市運(yùn)行。這類模型較前一類模型更 加科學(xué)，但仍然是宏觀的靜態(tài)模型，無法模擬微觀的個(gè)體出行行為和土地分配。同時(shí)，土地 利用與交通之間的關(guān)系本身是很復(fù)雜，僅僅以目前的經(jīng)濟(jì)理論還遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市系統(tǒng) 的真實(shí)模擬。近年來，自下而上的微觀模型發(fā)展迅速，這些精細(xì)化的模型能夠動(dòng)態(tài)地描述土 地利用與交通系統(tǒng)中決策個(gè)體的微觀行為。
[0014] (3)模型未來發(fā)展趨勢(shì)
[0015] 通過對(duì)現(xiàn)階段土地利用與交通整合模型的綜合分析研宄，未來土地利用與交通整 合模型的研宄趨勢(shì)可能將主要集中在以下幾個(gè)方面：
[0016] 1)宏觀模擬與微觀模擬結(jié)合的多尺度模型。宏觀和微觀模型分別從不同尺度對(duì)城 市土地與城市交通兩大系統(tǒng)進(jìn)行分析和研宄，自上而下的宏觀模型更加注重從戰(zhàn)略性方面 對(duì)不同方案與政策進(jìn)行模擬，而自下而上的微觀模型主要從地塊和個(gè)體尺度的角度出發(fā)。 因此，將宏觀模型生成的集計(jì)結(jié)果用于微觀模型的分配之中，構(gòu)建兼具系統(tǒng)角度與個(gè)體角 度、宏觀與微觀特征的模型更加符合城市的一般發(fā)展規(guī)律和以人為本的城市規(guī)劃思想。
[0017] 2)基于特定的演變規(guī)則構(gòu)建模型。由于城市土地利用與交通系統(tǒng)互動(dòng)關(guān)系和外界 環(huán)境的復(fù)雜性，要構(gòu)建能完全模擬城市運(yùn)行的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)模型在現(xiàn)階段是較為困難的?？紤] 到城市發(fā)展政策是對(duì)我國(guó)的規(guī)劃編制和城市發(fā)展影響最大的因素，因此構(gòu)建基于規(guī)則的模 型，對(duì)不同的情景規(guī)劃進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種城市土地利用與交通一體化模擬方法， 從宏觀與微觀兩個(gè)層面進(jìn)行城市土地利用與交通的規(guī)劃，提高規(guī)劃的有效性、科學(xué)性、全面 性。
[0019] 本發(fā)明的基本內(nèi)容是針對(duì)土地利用與交通互動(dòng)預(yù)測(cè)的要求構(gòu)造一種宏觀與微觀 耦合的模型見圖2。模型中，宏觀模型采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型理論，微觀模型采用不規(guī)則元胞 自動(dòng)機(jī)模型與交通四階段需求模型集成結(jié)構(gòu)。
[0020] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0021] 一種面向土地利用與交通多尺度模擬方法，步驟如下：
[0022] 步驟1 :構(gòu)建城市土地需求系統(tǒng)宏觀模型，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建城市土地需求系 統(tǒng)宏觀模型；城市土地需求系統(tǒng)宏觀模型包括人口、經(jīng)濟(jì)和土地三個(gè)子系統(tǒng)，城市土地需求 系統(tǒng)宏觀模型的輸入變量包括：城市人口增長(zhǎng)量、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率和人均土地用量；宏觀模型 輸出到微觀模型的變量包括：住宅用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地、公園、教育用地和醫(yī)療用地總 量，上述變量作為微觀模型模擬的初始變量，具體模型見圖3。
[0023] 步驟2 :構(gòu)建微觀模型的土地模型（DynaCity)，土地分配模型采用不規(guī)則元胞自 動(dòng)機(jī)模型，微觀模型的土地模型分為住宅、工業(yè)、商業(yè)、教育、醫(yī)療、公園6類模塊；
[0024] (1)住宅分配模塊
[0025] 住宅分配模塊分為兩大部分。住宅用地的發(fā)展總是受鄰域范圍內(nèi)的其他地塊所影 響；
[0026] 第一部分：計(jì)算研宄區(qū)域內(nèi)所有未開發(fā)的住宅地塊（注：土地性質(zhì)是根據(jù)城市規(guī) 劃方案確定的）的吸引分?jǐn)?shù)Dm所謂的吸引分?jǐn)?shù)是指該地塊被開發(fā)的可能性大小，它是基 于地塊的鄰域內(nèi)不同性質(zhì)土地的權(quán)重指標(biāo)，其權(quán)重指標(biāo)大小由規(guī)劃師制定。因此鄰域評(píng)估 函數(shù)方程見公式1和圖4。
[0028] Pm是指土地性質(zhì)m地塊的權(quán)重，Score m是指土地性質(zhì)m地塊的分?jǐn)?shù)。DynaCity模 型是將可達(dá)性作為關(guān)鍵指標(biāo)的土地利用與交通整合模型，吸引分?jǐn)?shù)所計(jì)算的是未開發(fā)的住 宅地塊到最近的已開發(fā)的性質(zhì)m地塊的可達(dá)性。基于對(duì)可達(dá)性的評(píng)價(jià)，分為三級(jí)。
[0029] 其中計(jì)算住宅、工業(yè)、商業(yè)、教育、醫(yī)療和公園分?jǐn)?shù)的規(guī)則見圖4,規(guī)則：如果未開 發(fā)的地塊i到已開發(fā)的地塊的最大可達(dá)性大于一級(jí)可達(dá)性，那么未開發(fā)的地塊i的分?jǐn)?shù)為 一級(jí)可達(dá)性分?jǐn)?shù)；如果未開發(fā)的地塊i到已開發(fā)的地塊的最大可達(dá)性小于一級(jí)可達(dá)性并且 大于二級(jí)可達(dá)性，那么地塊i的分?jǐn)?shù)為二級(jí)可達(dá)性分?jǐn)?shù)；否則地塊i的吸引分?jǐn)?shù)為三級(jí)可達(dá) 性分?jǐn)?shù)。
[0030] 第二部分：未開發(fā)的住宅地塊根據(jù)總分?jǐn)?shù)進(jìn)行開發(fā)選擇。在DynaCity模型中，未 開發(fā)的住宅地塊分為三類，包括優(yōu)先開發(fā)地塊、允許開發(fā)地塊、限制開發(fā)地塊。根據(jù)總土地 需求量，優(yōu)先開發(fā)地塊首先開發(fā)，再根據(jù)第一部分得到的吸引分?jǐn)?shù)的高低確定允許開發(fā)地 塊的開發(fā)順序；地塊轉(zhuǎn)化規(guī)則見圖5。住宅規(guī)則：選擇所有未開發(fā)的住宅地塊，如果未開發(fā) 地塊i是優(yōu)先開發(fā)并且總土地供應(yīng)量小于總土地需求量，那么地塊i進(jìn)行開發(fā)；如果未開 發(fā)地塊i不是優(yōu)先開發(fā)并且總土地供應(yīng)量小于總土地需求量，那么選擇下一個(gè)地塊進(jìn)行判 斷；如果優(yōu)先開發(fā)地塊開發(fā)完成并且總土地供應(yīng)量小于總土地需求量，對(duì)所有未開發(fā)的地 塊計(jì)算住宅地塊吸引分?jǐn)?shù)。選擇吸引分?jǐn)?shù)最高的地塊，如果地塊i是限制開發(fā)，選擇下一個(gè) 地塊進(jìn)行判斷；如果地塊i不是限制開發(fā)并且總土地供應(yīng)量小于總土地需求量，那么地塊i 進(jìn)行開發(fā)；如果總土地供應(yīng)量等于總土地需求量，本階段地塊開發(fā)結(jié)束。
[0031] (2)商業(yè)、工業(yè)等其他模塊
[0032] 與住宅分配模塊不一樣，其他性質(zhì)地塊的開發(fā)規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單。如果在規(guī)劃師所確 定的鄰域范圍內(nèi)有特定數(shù)量的居民并且該性質(zhì)土地總需求量還未