基于元胞自动机模型的城市发展的可视化方法

基于元胞自动机模型的城市发展的可视化方法

张　军　周玉红

【摘要】元胞自动机模型对城市现象建模，特别是对于城市扩张研究有很多优势。但是对于城市扩张的表达和探索和可视化方法并不成体系。本文首先对现有的方法进行描述和回顾，为了有一个全面的见解，提出了可视化方法的框架和可视化类型的概念，最后得出结论，当前的方法是十分有限的，不完全的，对于达到可视化探索的目标还有一段长远的距离。

【关键词】城市发展　元胞自动机　可视化　地理信息系统

1.绪　　论

城市是一个非常复杂的系统，由许多非常复杂的子系统组成，比如社会、经济、环境、空间等。在一个城市体系里，城市扩张作为城市发展现象的一个主要类型，从本质上来讲在时间和空间上都是一个动态的过程。从土地使用性质的变化观点上讲，城市扩张导致了非城市用地(主要是空置的农业用地)向城市用地(居住、工业、交通、公共绿地等)的转换。然而，在经济、社会、空间土地等各方面都存在着不同程度的制约和影响因素，同时也导致了城市扩张的复杂性。一个科学的城市规划要求最大限度地考虑到城市扩张进程以及复杂性。一个能帮助人们研究城市扩张的行之有效的方法就是建模。

回顾城市建模的历史，它依赖系统科学、计算机科学技术、信息科学技术等诸多复杂科学领域的发展，经历了两次大的发展进步。从静态的或者描述性模型，比如伯吉斯同心圆地域模型，到定量的全面化的模型，比如Lowry模型、威尔逊空间交感模型、Leontief输入、输出模型等。建模方法变得越来越具备可操作性，并且在应用程序上结合了其他学科的知识。可是，那些常规的方法都已经不再满足复杂的、动态的、非线性的城市体系建模的需要。人们正在开发一些新的更好的方法，比如ANN(人造神经中枢网)、MA(多元代理)、CA(元胞自动机)等，用来帮助分析和探索城市体系以及城市扩张。

元胞自动机，被普遍认为是一个强大的建模方式，已经在很多学科得以应用。由于它自下而上的建模特性，非常适合研究复杂理论以及动态过程模拟，和地理信息系统、遥感数据有着密切关系，并且易于显现结果，它在城市学科领域的理论及其实践研究方面也都是一个焦点。不管城市用地模型是否改变，基于元胞自动机进行城市动态模拟还是研究城市本身的发展，很多有关城市扩张进程的理论成果已经完成。

在城市规划的编制过程中，可视化的思考和交流是非常重要和有必要的。直到现在，计算方法在城市扩张的构筑模型中都扮演着统治性的角色。但是由于可视化的方法弥补了计算方法的不足，并且有很多未知的不确定信息隐藏在城市扩张进程中，分析和探索的可视化将对在时间和空间上阐明城市扩张进程有很大的帮助。

这篇论文旨在描述当前基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程的可视化方法。在说明了元胞自动机模型的要素、特性、类别以及城市元胞自动机的特征后，本论文为基于城市元胞自动机城市扩张进程的可视化构筑了一个框架，不仅强调了可视化的模拟结果，同时也强调了整个建模的过程方法。通过回顾有关元胞自动机和城市扩张进程模型的文献著作，确定了四种类别的用来模拟城市扩张进程的城市元胞自动机可视化模型，有的涉及地理信息系统环境有的不涉及，有的紧密结合有的不紧密结合。然后列举了几个典型的例子，本论文着重描述了在不同水准上预先确定的可视化框架的每一种可视化方法。并且对一些方法的优缺点进行了评价。论文对有关探索和系统的前景进行了深层次的讨论。首先，由于当前基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程的可视化方法还不完整，它需要巩固肉眼观察以不同的元胞自动机模型和元胞自动机转换规则为基础的城市扩张模拟对照比较方法。其次，在可视化探索的目的下，当前的可视化技术并不能完全满足城市扩张进程研究的需要。最后，论文得出结论，当前的方法是有限的，很多领域都在进行研究，基于城市元胞自动机的城市扩张进程的可视化会得到进一步发展。

2.元胞自动机的基本概念

元胞自动机是一个动态的不连续的时空系统，细胞在其中分布在不同的空间位置通过简单的转移规则经历着时间的变化演变。基本的元胞自动机由五要素组成，细胞空间、细胞形态、时间步骤、临近区域和转移规则。它们的具体描述如下:

细胞空间:空间由单个细胞组成。虽然理论上细胞可以呈现出任意的形状，考虑到简单的细胞模拟细胞空间在元胞自动机中通常被定义为规则的栅格。一些规则的和不规则的形状被用来描述细胞空间。

细胞形态:细胞在反复过程中能获得形态。在基本元胞自动机模型中，细胞呈现出0或1的形态，任何空间变量都能用来评价细胞形态。要特别指出的是，在城市研究中，不同的土地使用性质都是共同的细胞形态。

时间步骤:包括两个概念，时间和步骤。时间在元胞自动机模型中是不连续的，或长或短。细胞依据转移规则在两个连续的时间步骤间隔间保持或者改变形态。

临近细胞:一个在中间被检测细胞的环绕位置。临近区域的形状为扁平长方形或正方形(圆形或环形不常用)，公认的临近细胞数量为2个、4个或者8个。

转移规则:元胞自动机的关键要素，它驱使细胞发展进化，并且在确定的时间步骤后决定了细胞的媒介和最终形态。这些规则一般能作简洁的陈述表达，比如“如果”、“然后”、“另外”等，依赖于从临近模板中的引入来评价它的结论。转移规则与传统的数学函数很相似，但反映了真实系统的操作运转。虽然简单，它们演绎出了各种各样动态的复杂过程。

与其他现代建模方法相比较，元胞自动机的独特特性让它在城市建模中占据了显著的优势:1)简单并结合了微观和宏观的方法(由下至上的方法);2)便于复杂事物的模拟;3)动态及可视化;4)空间性和地理信息通信与遥感技术密切相关;5)相对有更强的透明性和交互能力。

城市的元胞自动机模型是元胞自动机模型的一个实例，在五要素的关系意义上有了详细说明和改良。细胞空间在城市元胞自动机模型中是一个由一定数量的规则栅格组成的二维平面。除了农村形态，大多数细胞形态都是和城市土地使用性质相关的，比如居住用地、工业用地、商业用地等。在城市元胞自动机模型中，时间在城市发展等级上从一个月到一年有着各种各样的意义。更多的细胞(5×5，7×7)和更多的形状(圆形临近区域)能被包含在临近区域里。定义转移规则的变化是最多的。与城市空间发展进程相比特殊的转移规则被制定，导致城市元胞自动机模型是可识别的。对城市元胞自动机模型的应用可以分为两类:理论模型(支持探索复杂的地理信息系统理论，或者显示假定的城市理论实验)和实际模型(应用于纯经验化的预测和基于个案研究的决策)。两种不同的城市元胞自动机模型都和元胞自动机模型以及可视化方法的应用相符合。

3.基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程的可视化框架

“可视化”在被运用到基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程中时至少有两层含义:使城市增长过程和元胞自动机模型建模过程可视化，并在文章中生成图表呈现。

元胞自动机模型模拟城市增长过程的方法(如图1所示)非常复杂并且很不容易实现，并且模拟的效果和校准对模拟结果会产生影响，随之影响对城市增长过程的理解程度。基于以上考虑，在图1中提出了可视化框架。在这框架中，不仅可视化模拟结果很重要，而且城市元胞自动机模型模拟过程的可视化也被增强了。至于后一方面，可视化在初始阶段参与到元胞自动机模型单元中，在最后阶段参与到校准中。

图1　基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程的可视化和城市元胞自动机模型的框架

不管在实际应用城市元胞自动机模型模拟城市增长中可视化被定义在哪个范畴，对可视化理论的讨论都在这个框架中进行。

4.可视化的类别以及可视化方法的描述

有很多关于在城市扩张中运用CA模型的成果，而这正是本文的基础。在综述文献中，认为可视化环境将影响方法的选择、使用和效率。由于CA与光栅GIS有很多共同之处，但同时在很多GIS不足的领域也有优越之处(Wagner，1997)，于是很多研究基于运用目的将CA建模系统和GIS联系起来也就可以理解了。基于CA和GIS可以联合的可能性，将可视化根据理论的使用主要划分为两类。一类指的是与GIS环境相关的可视化。另一类是在为CA建模单独开发环境中的可视化。根据CA和GIS的不同结合策略，包括松耦合，密耦合和CA植入，GIS相关等，可视化可进一步细化成四个子类型。

现在对基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程可视化的真正关注在下文和本部分最后给出的摘要表格(图3)中进行讨论。

(1)GIS相关的松耦合可视化。

在松耦合策略中，CA和GIS是相互独立并且平行运行的，它们分别保存各自的结构和用户接口。它们之间数据的相互通信由中间交换文件和读写标准保证。Clarke和Gaydos(1998)采用了这种策略来模拟和预测美国旧金山区域和华盛顿/巴尔的摩走廊的城市发展。除了同一个策略的选择之外，Chen(2003)提到了这个策略可以提高CA仿真在友好接口消耗方面的计算效率。

从有限的文献中，无法得到CA模拟过程的可视化线索，这个模拟过程是在分离的接口中完成的。但至少可以知道模拟结果在GIS软件(如ArcView)里以一系列静态地图呈现，甚至一些地图可以用特别的动画模块扩展成GIF动画。

这种可视化环境的缺点是在实时计算可视化和在任意时间段对城市扩张模式进行观测时具有一定难度。在两个系统间的频繁切换会降低转移准则校准的效率，消耗大量时间并且消磨观测者的耐性。这种方法只限制在非常基础和简单的最终结果显示上，而无法满足探索甚至是分析显示的需求。

(2)GIS相关的密耦合可视化。

GIS的密耦合可视化环境广泛被CA模拟者们采用。这种策略利用了CA和GIS的相关性并且将GIS在数据输入、数据库管理、可视化和数据输出方面的优点发挥到了极致。CA模型是在宏语言和脚本语言中被建立起来的，这些语言被称作二次程序语言，由GIS软件平台支持。F.Wu(1998)和Y.Xie(1996)分别选择了基于ARC/INFO GRID和ArcView的AML和ArcView方法来实现CA模型以帮助城市扩张和动态模拟。

拿F.Wu的一个研究(F.Wu，1998)作为例子来讨论可视化方法。在细胞迭代过程开始之前，作者提出了4种城市发展情景并且设置时间不为10次、20次、30次、40次迭代。在每一次迭代执行时，用户可以看到过渡的结果，每一次的一步，只是展示成果的确切时间，步骤设置并存，为确定土地利用类型转换的空间/相对分布。对于每一个情景，一系列4张地图顺次排列。并且这种显示结果的安排方法有利于对各种场景的比较。使用过可视化方法的一个明显特点是用于显示陆地波动/平坦表面样式和趋向的3维可视化。绘图变量值和阴影技术增强了3维可视化的效果。

由于GIS中可视化环境的原因，可视化方法的优点和缺点同时发生。一方面，商业GIS软件拥有为用户定制的基本显示功能(缩放、平面、旋转、转换)和工具，这些都融入了绘图知识(数据分类功能，默认符号产品)(Connie A.Blok，Barend Kobben等人，1999)。这个推动了CA仿真结果的主题可视化。另一方面，动态分析和GIS中显示的缺陷，限制了城市扩张过程的本质可视化。例如，在Wu的例子中，没有工具能控制迭代/改变速度。显示时间，实际上由算法的复杂度和计算速度决定，与世界时间并没有联系。转移准则的启示被编入程序中，没有可视化接口来控制参数的改变和进行及时校准。

另外，Wu的研究已经包括了很多统计绘图，这些绘图是从CA仿真过程分离出来的。另一个不易克服的缺点是CA模型编写的复杂性，这些程序需要经验丰富的程序员和技术。

(3)将元胞自动机模型深入到地理信息系统中的可视化。

与第(2)种相似，这是一个简化版本。可是，它强调将元胞自动机模型深入到地理信息系统中，就像所有的空间分析工具一样。只有元胞自动机建模专家和地理信息系统开发者的合作，才能做到逼真。由于缺乏最新研究成果，这种可视化方式不能被考虑。因为这种可视化方式最大化了地理信息系统的作用，无疑也有和第(2)种方法相似的缺点。

(4)将地理信息系统深入到元胞自动机模型的可视化。

和前面三种类型不同，元胞自动机系统本身在将地理信息系统深入到元胞自动机模型的可视化中是占主要地位的。这个系统完全独立于地理信息系统，依赖于程序设计语言(比如/C++，Pascal语言等)，地理信息系统的必要功能被DLL、OCX/ActiveX等技术编入了系统中，以此协助元胞自动机模型的运转。一个成功的元胞自动机模型软件中写入了VC++语言，说明可能实现这个策略。软件界面(图2)提供了一连串的下拉菜单和三种窗口类型，以助于在不同等级上模拟不同的城市形式(长期或短期的，紧凑的或分散的，建筑和街道的发展，村庄、城镇和田园)。

图2　元胞自动机模型系统界面

软件解决可视化的方式是多种多样的。除了基本的可视化工具，使用者可以适当利用动画，选择适当的播放频率和速度。根据和规则启发了元胞自动机模型的基础，规则启发了可视性，和其他三种方法有很大的区别。主窗口展示了样品，城市发展时间T，四个图解窗口(住宅、商业、工业和总用地)在同一界面，同时反映了重复时的变化。

在这个软件中可视化方法的缺点是缺乏空间交替，在对不同城市形式模拟的对照上不能充分发挥作用。虽然存在图解用户界面，也需要扩充使它更方便说明参数值。不难想象由巨资引进的先进软件产生好的可视化效用是显而易见的(如表1所示)。

表1　当前基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程的可视化方法

5.有关探索和系统化前景的讨论

现有的基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程的可视化方法是不完善的，只是致力于研究对象本身和发展过程。通过使用不同的元胞自动机模型和不同的元胞自动机转换规则来对照不同的城市扩张模拟是一个亟待解决的问题。这样的对照不仅仅帮助区别不同元胞自动机模型在有效性和适用性上的差异，同时能更好地启发城市扩张理论。

基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程的可视化本质上是可视化的探索。可是，基于上述方法的分析，只有少数几种方法有探索可视化的局部特征。在将元胞自动机模型深入到地理信息系统中的可视化方法中，地图和图解窗口属于多样化动态连接观点。绘图功能在那些软件中并不擅长。显然，很多已知的普遍探索功能并没有在可视化中应用。在和地理信息系统联系不紧密的可视化方法中，最终结果可以以动画的方式显示，对于描绘动态过程是一个强有力的工具。但是这样的动态可变交感设计并不充分。虽然从城市扩张建模的广义上来说，由专业的动画软件制作人员设计的实例是有的，可是和元胞自动机模型相结合并不是一个简单的工作。

6.结论和建议

以基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程可视化方法的系统的看法为基础，通过和地理信息系统以及元胞自动机系统的联系进行分类，现有的方法延伸出了四种可视化方法。这些用于环境可视化的方法在地理信息系统中是非常基本和简单的，包括静态地图系列，三维界面地图、动画和统计图表，在UGP-UCAM模拟结论中也是普通的方法，但它们并不是受特殊软件约束的。在环境可视化的发展中特别是对于元胞自动机模型系统还有很多可视化的方法和工具，包含了模拟过程和模拟结果演示。可是，可视化的应用取决于复杂系统的发展。概括地说，不管在什么领域这些方法都是有限的。

此外，当前的可视化方法只满足了分析和探索范例的需要，它们缺乏帮助对照不同城市扩张模拟的方法，虽然一些方法和可视化方法的探索有很多相似之处，应该补充探索更多的功能在探索之路上来放大基于城市元胞自动机模型的城市扩张进程可视化的作用。在这些领域深层次的研究将促进对城市扩张进程和元胞自动机技术发展的理解。

【参考文献】

［1］Anuj Kumar Singh，2003.Modelling Land Use Cover Changes Using Cellular Automata in a Geo-Spatial Environment.Enschede，ITC:pp.45-46

［2］Cheng Jianquan，2003.Modelling Spatial and Temporal Urban Growth.Utrecht，Universiteit Utrecht:pp.175-176

［3］Clarke，K.C.and L.J.Gaydos，1998.Loose-coupling a cellular automaton model and GIS:long-term urban growth prediction forSan Francisco andWashington/Baltimore.Geographical Information Science 12(7):pp.699-714

［4］Connie A.Blok，Barend Kobben，et al.，1999.Visualization of Relationship Between Spatial Patterns in Time by Cartographic Animation.Cartography and Geographic Information Science 26(2):pp.139-151

［5］F.Wu，1998.Simulating urban encroachment on rural land with fuzzy-logic-controlled cellular automata in a geographical information system.Journal of Environment Management53，pp.293-308

［6］Y.Xie，1996.A Generalized Model for Cellular Urban Dynamics.Geographical Analysis，28(4):pp.350-373

［7］Jiao Junfeng，2003.Transition Rule Elicitation for Urban Cellular Automata Models(Case study:Wuhan，China.Enschede，ITC:pp.114-115

［8］Menno-Jan Kraak and Ferjan Ormeling，1996.Cartography:Visualization of spatial data.Longman Singapore Publishers，Singapore.

［9］Michael Batty，Helen Couclelis，et al.，1997.Modeling urban dynamics through GIS-based cellular automata.London，Pion.

［10］Wagner，D.F.，1997.Cellular automata and geographic information systems.Environment and Planning B:Planning and Design 24，pp.219-234