UrbanSim城市仿真模型在土地利用规划中的应用研究

顾 芳，谭江云,王秀艳，辜寄蓉

UrbanSim城市仿真模型在土地利用规划中的应用研究

顾 芳1，谭江云2,王秀艳1，辜寄蓉1*

UrbanSim是以PaulWeddel研究开发的新兴城市仿真模型，具有广阔的发展前景。从UrbanSim主要的模型入手介绍整个系统的运行方式，并通过对比的方式阐述UrbanSim系统中值得我国土地利用规划借鉴的方面，以及在使用UrbanSim系统进行土地利用规划时如何组织数据。

土地利用规划；UrbanSim；模型

随着社会经济、医疗、教育等事业的快速发展，我国的人口数量和规模都在迅速增长，城市人口不断地增加，随之带来的问题也越来越多，如何利用土地成为一个不可忽视的问题。目前可供人类支配的土地资源越来越少，同时由于人类对土地的不当开发利用，土地污染与生态破坏日趋严重，已威胁着人类的生命财产安全和居住环境。因此，做好土地资源的规划利用意义重大。

土地利用规划在我国的发展经历了不同的阶段，虽然不同学者从各自的研究领域出发提出了不同的规划方法，但这些方法都存在各种问题，例如不能综合地考虑各方面对土地利用规划的影响，也就不能结合各种影响来综合进行土地利用规划。

UrbanSim[1](城市仿真系统)是大尺度的城市模型，在进行城市规划和城市仿真模拟方面已有一些实际应用，能够较好地考虑到各学科、领域对土地利用规划的影响。本研究通过对模型系统的整体把握，探讨如何将其应用于小尺度的土地利用规划研究中，以做出更合理、科学的土地利用规划。

1 UrbanSim简介

20世纪90年代中期，美国华盛顿大学城市规划与设计系的Paul Weddel博士率先从事UrbanSim研究，并于1994年在美国俄勒冈州进行了应用。该系统是基于Agent和动态离散分析的研究方法，此方法充分考虑了每个单元中个体的差异性，主要用于都市的土地利用和交通需求、房屋可支付性、保护开放空间和环境敏感区，以及基础设施成本等方面综合作用的模拟分析，旨在协调土地利用规划、交通运输规划和环境保护三者之间的关系，为政策决定提供依据。

1.1 研究现状

国外UrbanSim的研究已经基本趋于成熟，并且在尤金、西雅图和圣安东尼奥等地区得以实施。国内也有学者进行了不同程度的研究和应用。但由于UrbanSim系统需要庞大数据支撑，对数据的组织也有一定的规范和要求，因此目前只在有限的几个城市得以实现。如何能够使UrbanSim得到更广泛的应用，仍是目前面临的重大问题。

OPUS(Open Platform for Urban Simulation)是一个基于UrbanSim模型开发的开源信息系统，使用Python编程语言，系统具有良好的可扩展性，同时它也是最早能够支持UrbanSim的系统，为UrbanSim提供了良好的可视化界面。其结构组成采用的是包结构，每一个包都代表了一个模块，每一个模块都可以被系统中其他模块调用，这种结构保证了模块的独立性，其中最主要模块的就是UrbanSim。

1.2 UrbanSim中主要的模型介绍

UrbanSim使用了一系列的技术和方法构成其软件架构模型和一系列实施及交互的模型，结构比较复杂。分析模型通过空间查询的方式，调取研究对象的特征数据，在系统的模型转换/聚合层中进行调整、分析、模拟、集成，并将结果储存在数据库中[2]。

系统包括5个主要模型：人口和经济转型模型、家庭和职业迁移模型、家庭和职业选址模型、地产开发模型、土地价格模型；另外还有建筑模拟和家庭与环境交互作用模型，以及宏观经济分析模型、人口与出行模型等。

1.2.1 人口和经济转型模型

人口转变模型用于模拟家庭人口的出生和死亡。通过外部控制整体目标人群值总量，可以更详细地确定分配收入群体及其年龄、大小、以及存在或缺少儿童，这使得变速人口的分布情况能随着时间的推移建模。迭代方法用来确定每种类型的住户创建或删除了多少，新创建的家庭被添加到家庭住户列表中，但没有被分配到一个特定的房屋单位中，新建家庭的住房将会通过家庭位置选择模型为其分配。需要删除的家庭是随机选择的，以满足控制总量，删除时优先从没有被放置的住户中选择。

经济转型模型中集成了外部预测的部门总就业与UrbanSim的数据，并能计算部门工作总数在这一年中是增长或下降，对部门中工作数减少的将从部门数据集中移除一些工作，对于部门中工作数增加的就为其创建新的工作以满足需要。当工作被移出，它原来占有的空间就可以被其他工作选择。计算新增或移除的工作的数量的方法为[3]：ΔJst=Cst-丨Js(t-1)丨。其中：ΔJst为从第t-1年到第t年s部门的工作数量的变化；Cst为第t年s部门工作数量的外部控制数量；Js(t-1)为第t-1年s部门所有工作的数量。

1.2.2 家庭和就业迁移模型

家庭迁移模型用于模拟家庭是否移动，移动的概率是基于历史数据计算得到的。一个家庭一旦选择移动，它将被放置在空置列表中，以表明它没有当前的位置，它原来占用的空间就可以被使用了。

就业流动模型是根据历史数据预测在某一年中每种工作从它目前的位置搬离或者停留的概率，这一变化可以通过就业、裁员、企业搬迁或者是企业关闭反映出来。与家庭移动模型类似，被移走的工作将会放置在没有工作位置的数据集中，而它原来占有的位置也将被放置到位置为空的数据集中。计算方法为：Mst={j∈Jst丨P(j，t)}。其中：Mst为第t年部门s通过迁移模型得到的迁移的集合；P(j，t)表示使用蒙特卡洛(Monte Carlo)抽样方法决定工作j是否在t年份移动。

1.2.3 家庭和职业选址模型

在这个模型中，预测的数据来源于新建(从家庭、经济转型模式中新创建的)和区域内需要移动(从家庭、就业移动模型中获得)的家庭或职业，我们将预测其被放置在一个特定的位置的可能性，此可能性主要取决于该区域中空置的位置总数，同时还要综合考虑该网格内的其他属性。

家庭位置选择模型用来为那些目前没有位置的家庭选择家庭位置，可以从空置房屋集中任意选择一个，每个可供选择的样本都是用多项逻辑模型评价确定适合该家庭的，最终该家庭会被分配到适合的位置。在计算的过程中要针对每个网格单元综合考虑各种影响因子来计算可能性，计算使用的变量包括：网格单元住房属性(价格，发展类型例如土地利用类型，建筑时间)，街区特征(土地利用结构，密度，平均属性值，本地方便零售)和区域与工作地可达性。

就业地点选择模型用于确定工作的位置。这类工作以空的区域或以居住单位为工作空间的地点作为可能的选择集，地点样本的选择就是从这一数据集中随机选择的。它的变量包括房地产网格单元的特性(价格，发展类型例如土地利用类型、密度)、区域的可达性(人口的可达性和到达中心城区、机场等的时间)、区域尺度(与高速和城市主干道的邻近度)。

1.2.4 地产开发模型

地产开发模型用于模拟开发商选择什么样的项目承接，包括新建筑的类型、数量、区位选择以及老建筑的再开发。在系统中发展的类型划分为7大类25小类，类型的划分考虑到了每个单元中的非居住面积和家庭数目。地产开发模型使用多元逻辑模型计算每个单元发生变化的可能性，如果发生了变化，就用蒙特卡洛模型来确定其发展类型。模型中用到的变量包括网格单元的特征(目前的发展类型、土地利用规划、环境约束条件)，位置特征(靠近公路和主干道、接近现有的开发区、邻近土地使用的类型和属性、周围正在开发的项目)，区域可达性(接近人口和就业)，市场条件(空置率)。

1.2.5 土地价格模型

2 UrbanSim对土地利用规划的借鉴意义

不同国家、不同土地利用规划模式对土地利用规划起着非常重要的作用，我们在借鉴其方法时首先应该考虑我国国情。虽然很多国家都是按层次法进行土地利用规划，但在具体的执行中因国情不同而出现了较大的差异。美国采用宏观调控导向型的土地利用规划体系，其特点是用地区划覆盖全市，按限制性用地号、区划图号、街区号和地块号4个层次组成编号等系列，并在全覆盖的前提下，按不同地理位置和不同开发状况予以区别对待[5]，这一思想与UrbanSim中数据的组织是一致的。而在我国大都以行政区划来划分，不仅忽略了城市之间的影响，而且城市内部中不同区域的差异性也被忽视了。

了解美国土地利用规划的体系有助于更好地理解UrbanSim系统中使用的数据存储方式、数据的空间内容和尺度。然而要想使用该系统进行土地利用规划，就需要按照相同的数据存储方式和数据组织结构进行土地利用规划数据的组织和存储。

2.1 数据的变换

UrbanSim基于微观模拟的大尺度城市模型是建立在个体记录数据库基础上的，而土地利用规划的数据则以汇总的方式存在，我们必须将汇总的数据分别落到个体上才能符合UrbanSim的应用要求。有些数据不能满足要求时需要对其进行合理的处理，例如怎样使人口数据、就业数据落到每个住宅单元，进而分析单元之间的相互影响和差异性。

2.1.1 数据格式

UrbanSim数据主要有3种格式：网格(Grid 或Cell)、图斑(Parcel)和区域(Zone)。UrbanSim 主要使用的是网格数据，150 m × 150 m网格单元，每个网格代表约2.23 hm2(网格大小可以修改)。我国在进行土地利用规划时一般都是直接使用矢量图层，或使用对矢量图层做简单处理后的整个图层，并未划分到网格单元，这样的格式在规划过程中无法分析相邻网格单元之间的相互影响，而UrbanSim的数据格式就非常值得借鉴。土地利用规划不仅宏观考虑一块区域，而且要考虑到该区域中的每个要素与其他要素的差异性、该区域与其他区域的差异性。同时各个区域对周围的影响也是不可忽略的。

2.1.2 数据内容

在UrbanSim中数据的来源主要包括4个方面：税务部门、商业部门的地块文件，人口统计数据，栅格图，由环境、行政区、交通等信息组成的GIS图层。在进行土地利用规划时使用的数据包括：1)现状数据，例如区域国民经济发展规划、人口、各类土地面积等；2)图件数据，地形、行政区、城镇村分布、土地利用现状、土地利用规划；3)图形数据，水利条件、交通条件、地形高度等参数分布[6]。在数据内容方面部分内容是相同的，但是在UrbanSim中很多数据可以和网格单元结合起来，这一点由政府部门的数据管理方式决定。在我国，数据统计并没有与其所在小区域内位置结合，所以一些数据无法落到每个地块中，例如人口数据无法按照家庭的方式进行存储，这些都是由研究区域实际情况决定的，我们在收集数据的时候也要考虑到具体的情况，结合实际采取适合的方法组织、修改数据。

2.1.3 数据存储管理方式

UrbanSim对于研究区内的家庭以每个家庭为单位独立存储，包括的内容有家庭住宅的ID、家庭的收入、人口数目、家长的年龄、家庭中小孩人数、家庭工人人数。而研究区域内每个栅格单元也有自己的信息，例如此栅格单元ID、住宅单元数量、空置住宅数量、土地开发类型、土地价格。而职业信息中包含的信息有此职业所在的栅格ID、职业的ID和部门。通过对数据进行采集、分析，将每个家庭和住宅、工作地点与空间中的位置联系起来，并依据划分好的栅格单元大小，获得每个栅格单元中各类居住和非居住地块的空间数据。而每一地块的价值变化、在其中居住的居民的居住质量、周边环境的正负影响均可以通过数据库中栅格单元信息来分析确定[7]。由于土地利用规划没有网格单元这样的概念，所以并没有按网格单元存储数据。我国在进行土地利用规划时采用的是分层管理的方式，这是由规划专题研究、规划方案编制、以及规划数据库的建设要求决定的，分为土地利用规划要素分层、注记分层、要素属性数据、指标数据结构4种类型，具体操作是将拥有相同土地利用类型的数据存储在同一层中，例如农用地、建设用地、未利用土地，从而构成一个由不同土地利用类型构成的数据库。这样的数据存储和管理方式与UrbanSim的数据存储方式完全不同，存在的问题仍然是忽略了区域内每个个体与其他要素之间的差异性，这样所做出的规划必然有缺陷，与实际有较大的偏差。

2.1.4 数学方法使用

UrbanSim系统采用定量分析，大量使用数学模型和分析方法对数据进行定量分析，提高了整个系统的科学性和可信度，多元逻辑模型计算发生变化的可能性，蒙特卡洛模型通过计算事情发生的变化结果选择，这些数学方法也可以很好地用在规划中。而我国在编制土地利用规划的过程中往往以统计加估计的方法为主，缺乏量化分析，没有科学的预测，对土地容量的控制和环境的承载力缺乏数据分析，凭经验确定用地规模和布局，在科技飞速发展、技术手段不断创新的时代，这样的规划显然已经不能满足需要。我们必须要借助丰富的技术手段为规划提供有力支撑，“3S”技术、虚拟现实技术、强大的海量数据存储技术等已经开始广泛地应用在土地利用规划过程中，还必须使用数学方法对基础数据进行定量的分析，强化规划方案的科学性和可操作性。

综上所述， UrbanSim在数据方面有值得我们在土地利用规划过程中借鉴和改进的部分，且其对如此大量数据处理的效率也值得注意，该系统使用了数学的方法，还引入了经济学的方法及原理，值得借鉴。

2.2 模型设定

UrbanSim系统运用模型对问题进行分析处理，在模型中不仅有各种基础数据，同时包含着所需的变量及其参数值。我们在使用土地利用规划数据进行处理时需要根据实际情况预先定义需要的变量，并说明变量的含义，计算各个变量的参数值，对于一些不适用的参数需要修正或剔除。根据自定义变量以及每个变量的系数值即可得到一个实证模型。最后根据实证模型得到结论，结合实际情况解读模拟结果中传递的信息，作为土地利用战略研究以及编制土地利用规划方案的有力支撑。

3 结语

在进行土地利用规划时常用GIS方法或技术，GIS虽然具有良好的空间分析能力，但是与UrbanSim相比有较大的局限性，难以模拟和解释复杂的空间现象，难以完整分析单个个体之间的相互影响，同时也不能满足清晰表达决策行为的要求，所以尽管UrbanSim主要用于城市规划和仿真模拟方面，但其分析、处理问题的思想仍有很多值得其他行业借鉴之处。

系统中的土地利用模型系统是对交通项目用地的敏感性分析，通过栅格网地块单元数据的动态离散化采集，整合模拟城市规划、土地利用、交通运输和公共政策等多个因素的综合影响，这样的方式能够充分考虑到区域内的生态环境保护以及区域的可持续发展，这一点与土地利用中要求规划区域可持续发展一致，在UrbanSim中除使用了大量的数学方法进行定量的分析外，还引入了经济学原理解决相关的问题，提高了系统的专业性。

[1] SEVCIKOVA H,WANG L,WADDELL P,et al.Agile modeling for urban and environmental systems:the open platform for urban simulation[J].Environmental Modelling and Software,2011：1-38.

[2] 段瑞兰,郑新奇.城市仿真模型(UrbanSim)及其应用[J].现代城市研究,2004(1)：65-68.

[3] WADDELL P.UrbanSim:modeling Urban development for land use,transportation and environmental planning[J].APA Jounal,2002,68(3):297-314.

[4] WADDELL P,BORNING A,NOTH M,et al.Microsimulation of Urban development and location choices: design and implementation of UrbanSim[J].Networks and Spatial Economics, 2003,3(1):43-67.

[5] 黄鹏,卢静.国外城市土地利用规划的启示[J].现代城市研究,2004(8):53-56.

[6] 师学义.基于GIS的县级土地利用规划理论与方法研究[D].南京:南京农业大学,2006.

[7] 吕小彪,王乘,周均清.UrbanSim 城市仿真系统及其对我国数字城市建设的启示[J].智能建筑与城市信息，2005(1):45-49.

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

四川省国土资源厅科技项目“基于GIS与虚拟现实技术的土地整理规划方法研究”(KJ-2012-8)

顾芳(1988- )，女(汉族)，甘肃武威人,在读硕士研究生，研究方向：地图学与地理信息系统。

辜寄蓉(1968- )，女(汉族)，四川成都人，教授，博士，研究方向：地理信息理论与方法，通信作者邮箱：annygu@21cn.com。

(1.四川师范大学 西南土地资源监测与评价教育部重点实验室，成都 610068;2.西藏自治区地质矿产勘查开发局 第六地质大队，拉萨 851400)

F301;TP391

A

2095-5383(2013)04-0018-04