大数据时代的城市模型研究及其机遇

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1、 1 大数据时代的城市模型研究及其机遇 龙瀛，北京市城市规划设计研究院，北京 100045 （ 时空行为研究前沿章节，修改稿，应编者北京大学柴彦威教授约稿提交） 1、城市模型发展历程城市模型发展历程 纵观城市科学的发展历史，从对城市现象的记载、描述，到对其进行归纳、总结，再到对城市事物之间的关系描述， 最后发展到用系统的观点看待城市， 其发展历程经历了一个从定性到定量的过程。现阶段，定量化程度已经越来越成为衡量该学科发展程度的标志。城市模型”（Urban Model）是在对城市系统进行抽象和概化的基础上，对城市空间现象与过程的抽象数学表达，是理解城市空间现象变化、对城市系统进行科学管理和规划的

2、重要工具，可以为城市政策的执行及城市规划方案的制定和评估提供可行的技术支持。 城市模型研究始于 20 世纪初期，20 世纪初到 50 年代中期是城市模型发展的初级阶段，主要经历了一般概念模型、数学（或分析）模型和计算机模拟模型等几个阶段（图 1） 。从1990 年代开始，随着计算机硬件技术和 GIS 技术的日益成熟，GIS 在城市模型研究中的应用及其与城市模型的集成已经成为侧重于计算机模拟的城市模型发展的重要趋势。 根据城市模型是否具有时间维， 可以把城市模型分为静态模型和动态模型两大类。 静态城市模型不考虑时间维，主要分为两类，一是城市统计模型，二是空间相互作用模型（如劳瑞模型） 。从建模方

3、法看， 应该分为自上而下和自下而上两种建模方法， 前者主要是以系统动力学 （System Dynamics）为代表的城市模型，一般是基于微分方程的形式，往往从宏观的空间尺度出发，研究对象也往往是对城市居住区、商业区等的机械划分及其相互作用，或区位选择，无法反映造成城市动态性、 自组织性和突变性等城市微观结构和理性人的个体行为； 后者是以离散动力学 （Discrete Dynamics） 如元胞自动机 （Cellular Automata， CA） 、 多主体系统 （Multi-agent Systems） 、分形理论（Fractal）和自组织理论（Self-organization）等为代表的

4、城市模型。目前 MAS 为代表的动态城市模型是研究的重点和近期的趋势。 2 图 1 城市模型发展历程一览1 2、城市模型城市模型的基本的基本分类分类 动态城市模型从不同角度可以有不同的分类。 从建模的方法看从建模的方法看，常用的方法有基于空间相互作用理论（Spatial Interaction）的重力模型2（Gravity Model） 、最大熵理论模型（Entropy Maximizing） ，来自经济学的Alonso/Mills/Muth 地租理论（Rent Models） 、离散选择模型（Discrete Choice Model） 、空间投入产出模型（Spatial Input-out

5、put Model） 、回归分析（Regression） ，来自复杂科学的元胞自动机 （CA） 、 基于个体建模 （Agent-based Modelling， ABM）3， 以及微观模拟 （Microsimulation Model，MSM）和地理信息系统（GIS）等技术(Pagliara 和 Wilson, 2010)。 从模型应用的具体领域看从模型应用的具体领域看，有区域模型、城市土地模型、土地使用与交通模型、土地使用交通环境模型等(郑思齐等, 2010)。值得一提的是土地使用与交通模型，它是从城市交通模型发展而来的， 在大城市遇到交通导致的严重的城市问题背景下， 研究者开始着手研究交通

6、对土地使用的反作用机理，从而开始了土地使用与交通模型的研究（如 Cube Land） ，基于传统的交通模型新增的土地模型研究内容一般包括居住区位选择、企业选址、房地产开发和土地开发等。 目前， 土地使用与交通模型是动态城市模型的主要存在形式之一，近几年，部分西方国家的代表城市或区域完成了一些用于实践的土地使用与交通整合模型。 从模型的空间尺度上看从模型的空间尺度上看，又可分为宏观模型4和微观模型，宏观模型（或分区模型）1 本图参考了 Paul Waddell 关于 UrbanSim 的介绍材料（Dynamic Microsimulation: UrbanSim, Webinar 5 of 8-

7、part TMIP, Webinar series on land use forecasting methods）。 2 或劳瑞模型。 3 也有研究将 ABM 模型称为多主体系统或多智能体系统（Multi-agent System，MAS），本文沿用 ABM 的说法。 4 或集计模型（Aggregated Models）。 3 的研究尺度是地理网格5（Grid）或小区（Zone） ，一般小区可以是交通分析小区（Traffic Analysis Zone，TAZ） ，也可以是统计小区（Census Tract） ，在这种情况下，城市活动主体一般选用小区内的居民、家庭或企业的统计特征，即以一类活

8、动主体作为分析对象，而不是个体。而微观模型，一般基本空间单元较小，如街区、地块或建筑，相应的，城市活动主体一般对应居民、家庭和企业的个体，其原理与方法更加清晰直观。 3、典型城市模型典型城市模型及其基本情况及其基本情况 目前典型的城市模型基本信息如表 1 所示。这些模型研究城市土地使用为主，部分结合了交通模块形成了土地使用与交通模型（“名称”列中粗体的） 。模拟的基本空间单元多为小区和网格，仅有 UrbanSim、ILUTE 和 Agent iCity 属于微观模型，其中 UrbanSim 可以用于多尺度的模拟。据项目组了解，目前 Alex Anas 的研究组正在洛杉矶区域使用 Relu-Tr

9、an建立公共政策分析的虚拟实验室 （Virtual Co-Laboratory for Policy Analysis in the Greater L.A. Region） ，属于分区尺度。MEPLAN 模型目前由英国 WSP 公司在很多城市开展了实践应用。 表 1 典型城市模型一览 序序 号号 名称名称 6 所在所在 国家国家 研究研究 尺度尺度7 开发开发 年份年份 代表性开发代表性开发 人员人员/机构机构 主要主要 方法方法 时间时间 基础基础 代表性代表性 文献文献 1 POLIS 美国 小区 1960 年代 旧金山湾区 政府协会 空 间 相 互 作用、离散选择 静态 Associa

10、tion of Bay Area Governments. 2009 2 DRAM/EMPAL 美国 小区 1970 年代 Stephen H.Putman 空 间 相 互 作用、离散选择 静态平衡 普特曼 （Putman） , 1995 3 TRANUS 委内瑞拉 小区 1982 年 Modelistica 空 间 投 入 产出 动态平衡 莫 得 利 斯 特 卡Modelistica, 1995 4 MEPLAN 英国 小区 1984 年 Marcial Echenique 空 间 投 入 产出 动态平衡 埃切尼克等 （Echenique等）, 1990 5 TLUMIP 8 美国 小区 1

11、990 年代 Tara Weidner 空 间 投 入 产出 动态平衡 韦德纳等 （Weidner等） , 2007 6 IRPUD 德国 小区 1994 年 Michael Wegener 离散选择 动态 韦格纳（Wegener）, 1996 7 CUF 美国 DLU9 1994 年 John Landis 基 于 规 则 建模 动态 兰迪斯（Landis）, 1994 8 DELTA 英国 小区 1995 年 David Simmonds Consultancy 离散选择 动态 西蒙兹（Simmonds）, 1996 9 Metrosim 美国 小区 1995 年 Alex Anas 离散

12、选择 动态平衡 阿纳斯（Anas）, 1994 10 UrbanSim 美国 多尺度多尺度10 1996 年 Paul Waddell 离散选择、微观模拟、基于动态 沃 德 尔 （ Waddell ） , 2002 5 或元胞（Cell）。 6 粗体表示该模型也属于土地使用与交通模型。 7 该表统一以小区（Discrete Zone）代表分区模型的研究尺度。 8 该模型是在 TRANUS 和 UrbanSim 基础上实现的。 9 DLU（Developable Land Unit），可开发用地单元，为非规则多边形，类似地块（矢量格式）。 10 空间单元可以是小区、网格或地块，城市活动主体可以是

13、类别（Categorical）层次，也可以是个体（Individual）层次。 4 序序 号号 名称名称 6 所在所在 国家国家 研究研究 尺度尺度7 开发开发 年份年份 代表性开发代表性开发 人员人员/机构机构 主要主要 方法方法 时间时间 基础基础 代表性代表性 文献文献 个体建模 11 SLEUTH 美国 网格 1997 年 Keith C. Clarke 元胞自动机 动态 克拉克等（Clark 等）, 1997 12 CUF-2 美国 网格 1998 年 John Landis和Ming Zhang 基 于 规 则 建模 动态 兰迪斯和张（Landis 和Zhang）, 1998ab

14、13 ILUTE 加拿大 地块、居地块、居民、家庭民、家庭 2004 年 Eric J. Miller 微观模拟、基于个体建模 动态 米 勒 等 （ Miller 等 , 2004） 14 Relu-Tran 美国 小区 2007 年 Alex Anas 离散选择 动态平衡 阿纳斯和刘（Anas 和Liu）, 2007 15 PECAS 加拿大 小区 2005 年 John Douglas Hunt 和 John E. Abraham 空 间 相 互 作用、空间投入产出 动态 亨特和亚伯拉罕（Hunt和 Abraham）, 2005 16 BUDEM 中国 500m网格 2009 年 龙瀛 元

15、胞自动机 动态 龙等（Long 等）, 2009 17 MUSSA II 11 智利 小区 1996 年 Francisco Martinez 离散选择 动态平衡 马丁内斯（Martinez）, 1996 18 GeoSOS 中国 多尺度多尺度 2011 年 黎夏 元胞自动机、基 于 个 体 建模 动态 李等（Li 等）, 2011 19 Agent iCity 加拿大 地块、居地块、居民、家庭民、家庭 2012 年 Suzana Dragicevic 基 于 个 体 建模 动态 朱 巴 和 德 吉 塞 维 克（Jjumba和Dragicevic）, 2012 20 BLUTI 12 中国 小

16、区 2012 张宇 离散选择 静态平衡 张宇等, 2012 4、传统城市模型传统城市模型遇到的遇到的发展趋势发展趋势 基于上述对城市模型发展历程的分析可以看出， 基于离散动力学的动态城市模型是目前的研究热点和未来的发展方向； 国际上典型的城市模型多为宏观尺度， 以地理网格或小区作为基本研究单元，将城市活动主体进行分类，这方面理论和实证都有较多研究；随着研究尺度的需要和微观数据可获得性的增强， 近年来国际上微观模型发展迅速， 但在真实城市中全面应用的案例仍然有限； 在国内， 土地使用和交通模型和侧重于城市扩张模拟的城市模型都有一定研究，都属于宏观模型范畴，微观模型的研究较少。 根据上述对城市模型发展趋势和已有典型模型的分析，精细化的城市模拟（动态的、基于离散动力学的、 微观的城市空间模型） 将成为未来的研究热点。 其中， 精细化 （Fine Scale）对应模拟尺度，一方面，在物理空间，分析和模拟的基本空间单元是地块，对应城市总体规划重点地区和城市详细规划的工作尺度。 另一方面在社会空间， 分析和模拟的基本单元是居民、家庭和企业个体等。“精细化”作为模拟尺度，是相对