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元胞自动机在城市扩展方面的应用综述摘要本文在介绍元胞自动机各要素的基础上，综述了元胞自动机用于城市扩展模拟的历史、元胞自动机用于城市扩展模拟的具体研究方向，即在具体的模型中如何确定模型的结构和参数，并对其未来的发展趋势进行了展望，并指出CA中的转换规则的扩展是在将来的研究中的一个首要问题。
关键字：元胞自动机；城市扩展模拟；转换规则一引言元胞自动机（CA）是一种时间、空间、状态都离散，空间的相互作用及时间上的因果关系皆局部的网格动力学模型，其“自下而上”的研究思路，强大的复杂计算功能、固有的平行计算能力、高度动态以及具有空间概念等特征,使得它在模拟空间复杂系统的时空动态演变方面具有很强的能力。
在城市空间动态变化的模拟研究方面，CA模型已应用到除非洲、南极洲的所有大洲的城市模拟研究当中。
CA模型和GIS的集成,一方面增强GIS的空间模型运算及分析能力，另一方面，GIS提供的强大空间处理能力可以为CA模型准备数据和定义有效的元胞转换规则以及对模拟结果进行可视化。
同时CA模型还可以与神经网络、主成分分析、遗传算法、模糊逻辑以及其他研究方法相结合，以增强其在城市空间变化模拟研究方面的能力。
将CA与MAS技术相结合，建立一个能够模拟多个不同参与因子（自然系统）、不同决策者（人文系统）共同影响下的城市发展模型，以此来模拟与预测城市发展的真实状况，将是CA模型在城市空间变化模拟与预测研究中的未来发展趋势。
国内元胞自动机应用研究起步较晚，受国际研究的推动，20世纪90年代末地理学界才开始类似的尝试研究，主要集中在基于元胞自动机的LUC（和城市增长模拟，罗平从经典地理过程分析的基本理论人手，分析和阐述了CA寸于经典，地理过程分析概念的表达程度的局限性，综合地理系统的几何属性和非几何属性提出了基于地理特征概念的元胞自动机（GeoFeature 一CA）,周成虎等人在Batty和Xie的DUE模型的基础上，构建了面向对象的、随机的、不同构的和两个CA莫型耦合的GeoCA- Urban模型，并成功模拟了深圳特区土地利用动态演化过程。
基于多智能体与元胞自动机的城市生态用地演变研究的开题报告一、研究背景城市化进程中的生态用地不仅对维持生态系统的功能具有重要意义，也对人类社会的持续发展具有深远影响。
同时，城市用地的不断扩张和生态用地的不断缩小也使城市生态环境遭受了严重的破坏。
因此，如何有效地保护城市生态用地，实现城市生态用地的可持续利用，成为了城市化进程中亟待解决的重要问题。
二、研究目的本研究旨在基于多智能体与元胞自动机的方法，探究城市生态用地的演变规律，为制定城市生态保护政策提供科学依据。
三、研究内容1. 建立城市生态用地演变模型在本研究中，将采用多智能体与元胞自动机的方法建立城市生态用地演变模型。
其中，多智能体模型将模拟城市管理部门和居民之间的互动关系，其中部门将通过政策措施来保护生态用地，居民则将在互动过程中逐渐培养主动保护生态的意识。
元胞自动机模型将模拟城市内不同用地类型之间的演变过程，并通过地理信息系统提供空间环境的支持。
2. 分析城市生态用地演变的影响因素在本研究中，将通过统计学方法对城市生态用地演变过程进行分析，以找出影响城市生态用地演变的主要因素。
主要影响因素包括城市化进程、人口增长、工业化进程、自然环境变化等。
3. 设计生态保护政策在本研究中，将设计和优化能够保护城市生态用地并具有可操作性的政策措施，以实现城市内生态用地的可持续利用。
四、研究方法本研究主要采用多智能体模型与元胞自动机模型相结合的方法，建立具有空间和时序性的城市生态用地演变模型，分析城市生态用地演变的影响因素，为设计生态保护政策提供科学依据。
五、研究意义本研究将对城市生态用地的演变规律进行探究，为城市生态保护政策的制定提供科学依据。
同时，本研究所建立的城市生态用地演变模型还可以作为未来城市规划和人口预测的参考。
本研究还为相关领域的研究提供了新的解决方案和思路。
《基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型研究》篇一一、引言随着城市化进程的加速和人口的不断增长，土地资源的合理利用变得尤为重要。
为了更好地理解土地利用的动态变化过程，以及预测未来土地利用的情景，本文提出了一种基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型研究方法。
该方法旨在通过综合两种模型的优点，实现对土地利用变化的深入分析和预测。
二、系统动力学模型与元胞自动机模型概述系统动力学模型（System Dynamics Model，SDM）是一种以系统论为基础，通过计算机仿真技术来研究复杂系统的行为和结构的模型。
该模型能够有效地描述系统内部各要素之间的反馈关系，以及系统随时间变化的动态过程。
元胞自动机模型（Cellular Automaton Model，CAM）是一种空间离散、时间连续的动态模型。
该模型通过模拟空间上相邻元胞的相互作用和变化，来反映空间格局的演变过程。
三、基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型构建本研究将系统动力学模型和元胞自动机模型相结合，构建了土地利用情景模型。
该模型包括以下几个部分：1. 数据层：包括土地利用现状数据、社会经济数据、环境数据等。
这些数据是模型运行的基础。
2. 系统动力学模型层：该层通过建立土地利用系统的因果关系图和存量流量图，描述土地利用系统内部各要素之间的反馈关系。
3. 元胞自动机模型层：该层将土地利用空间划分为若干个元胞，每个元胞代表一定的土地利用类型。
通过模拟元胞之间的相互作用和变化，反映土地利用空间格局的演变。
4. 情景设置层：根据不同的政策和社会经济条件，设置多种土地利用情景。
通过调整模型参数，模拟不同情景下土地利用的变化过程。
四、模型应用与结果分析以某地区为例，应用本研究所构建的土地利用情景模型进行实证分析。
通过调整模型参数，模拟了不同情景下土地利用的变化过程。
结果表明，本模型能够有效地描述土地利用的动态变化过程，以及预测未来土地利用的情景。
元胞自动机在城市土地利用规划中的应用一．研究背景及进展1.1城市土地利用研究背景和进展随着中国社会主义市场经济体制的不断完善，计划导向的土地利用规划也逐步向社会主义市场经济体制下的土地利用规划转变。
借鉴国际上市场经济国家土地利用规划的经验，建立具有中国特色的土地利用规划体系成为必然。
对国际上土地利用规划的对比研究有以下主要观点：美国的土地利用规划更多采用公众参与的方法，参与者包括房屋所有人、社会活动家、房地产开发商、联邦和州政府、规划委员会以及民选官员包括城市议会会员。
同时，美国基于可持续发展的土地利用规划设计了保护生态环境、维持生态平衡、注重新技术的应用、提高土地利用效率和控制人口增长的一系列政策。
联合国粮食与农业组织（FAO）的土地利用规划指南强调土地利用规划作为最佳土地利用的选择，是以土地评价为基础的，而且不仅包括自然的适宜性评价，也包括经济效益的评价和环境效应的检验，这是编制规划方案和方案选择的科学基础。
英国规划的体系由国家级规划、区域性规划、郡级规划、区级规划组成。
国家级规划叫规划政策指南，提出全国性的土地利用方针政策，以白皮文件的形式下发。
地区规划又叫区域规划指南，通过召开区域协调会议制定。
郡级规划也叫结构规划，由每一个郡级的规划机关在土地测量基础上，与相关委员会协商后提出本郡土地利用的方针、政策及发展的框架结构。
区级规划也叫地方规划，是一种详细的发展和实施规划。
科学发展观对土地利用规划的科学性提出了较高的要求，土地利用规划的应用基础研究尤为重要。
从2002年国土资源部启动12个县级规划试点工作，2003年又启动14个地（市）级规划修编试点，2004年土地利用规划修编的重新开始，到2005年关于土地利用规划前期研究工作的国办[32]文的颁布，新一轮土地利用规划稳步开展。
相应的土地利用规划相关研究也日益深入，但与城市规划相比，与作为中国空间规划重要组成部分的地位要求还有一定差距。
但这些研究的广泛开展标志着中国土地利用规划逐渐走上了新的轨道，是提高中国土地利用规划科学性的重要基础。
城市总体规划和土地利用规划同属空间规划，受空间规划理论和方法的指导。
从发展历程而言，两者都经历了开发、发展、控制和保护的不同阶段，或者是物质规划、生态规划、社会规划、文化规划等不同的阶段；就指导理论而言，更具有大体一致的内容；而就实体理论而言，由于规划具体内容的不同而有所差别。
但在具体的技术和方法上，都是针对空间问题进行分析、预测和布局的，因而具有相似的方法。
两个规划在理论和方法上的一致成为未来两个规划走向一体化的基础[1]。
1.2元胞自动机的研究背景及进展元胞自动机即Cellular Automata，称作单元自动机，简称CA。
起源于20世纪40年代，“现代计算机之父”冯.诺伊曼设计可自我复制的自动机时，参照了生物现象的自繁殖原理，提出了元胞自动机的概念和模型。
它是一时间和空间都离散的动力系统，散步在规则格网中的每一元胞取有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确定的局部规则同步更新，大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化，不同于一般的动力学模型，元胞自动机不是由严格定义的物理方程定义的物理方程或函数确定，而是用一系列模型构造的规则构成。
凡是满足这些规则的模型都可以算作是元胞自动机模型[2]。
20世纪70年代，Conway编制的“生命游戏”是最著名的元胞自动机模型，显示了元胞自动机在模拟复杂性系统的无穷潜力。
引起了物理、数学、生物、计算机、地理等领域专家的兴趣，“生命游戏”被认为是元胞自动机研究的真正开始。
20世纪80年代是元胞自动机理论的大发展时期。
沃夫曼从动力学的角度对元胞自动机进行了分析，并将计算机理论应用于元胞自动机的研究。
20世纪90年代元胞自动机在各个领域得到了广泛的应用。
此后元胞自动机主要应用在计算机图形学、生物学、复杂的社会经济现象如城市发展模拟与预测，热扩散，并行计算等领域。
1.3文献综述福建师范大学地理科学学院的杨陈照在介绍元胞自动各要素的基础上，通过与经典CA “生命游戏”的对比，综述了近年来城市元胞自动机在邻居、元胞状态和转换规则的扩展等三方面取得的研究成果。
最后指出“影响因素权重应该随着模型的执行保持动态的变化”在未来研究中的重要意义[3]。
2007年，武汉大学资源与环境科学学院的杨小雄等分析了我国当前土地利用规划布局的不足，对标准的元胞自动机模型的元胞涵义、规则定义等进行了扩展，探讨了元胞自动机模型在政策及相关规划约束、邻域耦合、适宜性约束、继承性约束及土地利用规划指标约束下的土地利用规划布局的元胞自动机模型。
以广西东兴市为例进行了模型的仿真运行和结果分析[4]。
北京师范大学资源学院的何春阳、史培军等综合自上而下的系统动力学模型和自下而上的元胞自动机模型，从宏观用地总量需求和微观土地供给相平衡的角度，充分利用系统动力学模型在情景模拟和宏观驱动因素反映上的优势与元胞自动机模型在微观土地利用空间格局反映上的优势，发展了土地利用情景变化动力学LUSD(Land Use Scenarios Dynamics model)模型[5]。
安徽工业大学机械工程学院的王璐、岑豫皖等人针对传统元胞自动机模型中栅格式规则空间模拟复杂地理元素精度不高的问题，提出一种基于土地区块特征的非规则空间元胞自动机模型，以地理单元实质不规则实体形状作为元胞空间单元，进行土地利用变化的仿真模拟，运用MapInfo建立非规则空间元胞自动机模型的应用软件[6]。
中山大学地理科学与规划学院的杨青生以珠江三角洲城市快速发展的东莞市为例，运用元胞自动机(CA)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)从历史数据中建立城市空间扩展的CA，将土地资源节约利用程度与城市用地空间聚集程度相结合，在评价城市用地空间聚集程度的基础上，通过不断增加离市中心距离权重和离公路距离权重，调整CA的参数，模拟节约土地资源，城市用地在空间上紧凑布局的城市形态，并以调整参数的模型模拟结果为基础，分析了实现城市用地空间上紧凑发展，土地资源节约利用的政策[7]。
二．CA思想概述及其特点元胞自动机的基本思想就是将系统分解为多个元胞，根据任何系统中各相邻单元之间存在一定的交互作用关系，而每个单元的状态都是整个系统在一些简单的规则作用下不断进化的结果。
只要通过一些方法找到这些规则，那么，复杂的系统就可以使用这些规则来预测系统将来的发展情况，而这些规则本身确实十分简单的，并且可以通过对简单系统的研究得到。
可以说，CA就是一种结构很简单的模型，可以让大量的简单单元在某些简单的本地规则作用下产生各种复杂的系统状态。
CA的特点主要表现在以下个方面[8]：（1）空间上的相互作用是局部的，演化规则是局部的，而动力学行为则是全局的。
每一个元胞下一步的演化状态取决于周围元胞的状态。
（2）演化过程是同步、并行的。
模拟过程具有隐含并行性。
（3）时间上的因果关系具有局部性。
（4）整体离散性。
CA不仅时间离散、空间离散，甚至在函数取值也离散化。
三．CA的应用方法CA方法是一种用来分析一个静态或动态系统的方法，它主要通过对一个系统的抽象化，模型化来定义一个系统的状态，而在此过程中，它不象一般的数学物理方法那样死板的描述或仿真一个系统，因此，在分析一个较为复杂的系统时，那将是十分困难的，甚至是不可能的。
CA方法采用了一些新的思想来简化分析过程，同时又可以达到较好的仿真效果，同时它又更为稳定和可靠。
CA方法分析一个系统包括以下几个方面内容：3.1确定要研究的对象系统的性质1．此系统是否一个自组织系统(Self-Organization)因为对于一个系统：是否自组织系统是决定在分析系统过程中如何划分模块和简化数学模型的重要参照依据之一，因此在用CA 方法分析系统时，若此系统是自组织系统，即在系统内部只有本地交互因素，而无外界相关因素。
那么，此系统将表现出一种相对稳定性(Robust)。
这样将有利于整个系统的综合分析，而实际上，系统因存在混沌吸引子(Attractors)而呈现一种混沌状态。
2．此系统是一个静态系统还是一个动态系统：因为要确定系统是动态还是静态是涉及到确定后来的算法的重要因素，因为静态系统和动态系统的建模是完全不同的，静态系统的内部结构是稳定的，而动态系统是不稳定的，但可能系统特性是收敛的。
3．此系统是一维、二维系统还是三维或多维系统：因为系统的状态与系统的维数关系密切，同时维数不同CA方法的应用也不同，而且还可能包括线性维和非线性维。
3.2确定系统规则系统规则的确定是整个系统CA分析的核心。
CA在处理系统时，总是将系统细分为可以建模的单元，这些单元的分析是较为简单的，我们将一个建模单元的各种状态在外界条件下的变化情况确定下来，然后通过一些方法确定整个系统的各个单元状态来预测其他单元以至整个系统各个单元的状态，故规则的确定及完善情况也关系到将来系统状态预测的结果。
3.3系统结构的规划系统结构的确定是整个系统CA分析中也是相当重要的。
CA在够建过程中，总是考虑到系统的结构。
系统在确定了状态迁移之后，就可以确定系统的逻辑结构，将这些结构进行综合和优化之后，就可以将模块化的结构投入使用。
四．CA在城市土地利用规划建模中的应用4.1城市土地利用规划元胞自动机由前述，CA的核心思想是“系统的复杂性源于规则”即利用简单的规则构造出纷繁复杂的系统在这个复杂的系统中分散着无数个适应简单规则的个体。
将这一简单规则用一定的函数式或方程式等数学模型表达出来即为模型。
将模型应用于土地利用规划中，分散的每一地块即为的单元地块的土地利用类型则为单元所处的状态，相邻地块间的集散效应便可理解为的邻域作用，而其转移规则表现在不同土地利用类型之间的转换。
主要是利用简单的局部规则和离散的数据处理方法通过构造一定的模型结构将目标状态量化来描述复杂的、全局的和连续的系统。
城市空间结构演变受诸多因素影响，包括区域的社会经济条件、人口状况等；离市中心的距离、离道路的距离等空间变量也对城市的发展有重要的影响；另外，邻近范围的影响是CA模型的主要考虑因素。
城市空间结构演变和空间变量之间的关系，可以利用城市经济学中投标地租理论来说明。
按照单一中心城市投标地租理论，城市土地利用变化的主要因素是离市中心的距离。
随着离市中心距离的增加，可进入性降低而交通费用在增加。
不同的土地利用者按照土地利用的方式会支付不同的地租，这种支付的地租就是投标地租。
土地交易中，支付最高地租的用户就可以得到这块土地，从而使土地利用类型发生转化。
当然，实际的土地转换非常复杂，不仅受到土地元胞本身的属性、所处的区位、交通条件和地理条件、邻近范围土地利用类型等的作用，政府规划因子、保护区等对城市发展的空间结构有重要的影响。
