文献综述
1.国外研究概况
城市空间形态的研究可追溯到19世纪西方地理学者对单个城市形态的研究，奥托·施吕特尔将文化景观的形态作为文化地理的研究对象。早期城市形态研究是以聚落形态及其历史变化的静态描述为主，随后研究深入到了城市内部结构与社会、经济方式和功能的关系。因此在20世纪，城市形态出现了很多理论研究。如1923年美国芝加哥大学的伯吉斯提出了同心圆模式；1939年，美国经济学家霍伊特提出了扇形模式；1945年,美国学者哈里斯-乌尔曼提出了城市空间多核心模式。从伯吉斯的同心圆理论到霍伊特的扇形理论，直至哈里斯-乌尔曼的多核心理论，由于受地理环境，历史文化传统，以及社会经济、政治等诸多因素的影响，在实际的城市发展中，上述几种模式往往是交织、交叠在一起的，从而引起结构形态上各种各样的变异和异化，到了现如今城市空间形态研究进入了动态研究。
城市形态分析研究需要借助定量的数学方法，其有助于解释地理空间复杂性的发生和演化机制，分形是研究城市形态的有效工具之一。最早在20世纪40年代由John Von Neumann提出了元胞自动机的概念,元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)是一种将离散动态系统概念和应用建模方法结合于一体的方法。元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散的，具有模拟复杂时空演化过程的研究。[1]
在城市动态模型研究中，CA在城市增长、扩散和土地利用演化的模拟方面研究最早，最为深入，同时也是当前CA 应用的热点[2]。近年来，CA模型在城市动态模拟中的运用得到了广泛开展[3]。CA 模型中最为经典和最著名的 Keith Clarke教授等利用城市发展的历史数据，根据城市的交通、地形条件等设定适当的参数，建立了与 GIS 松散集成的SLEUTH 模型[4]，并据此先后对旧金山和华盛顿都市区进行了成功模拟和长期预测。这个模型之所以叫做 SLEUTH，是因为模型是基于以下影响因素：坡度（S），土地利用图(L)，非城市区域(E)，城市区域（U），交通图（T），山坡区域(H)。有5 个因素控制系统的行为：分散因素；繁殖系数；扩展系数；坡度；道路引力。而GIS的迅速发展大大推动了CA 技术在城市模拟中的应用，GIS为CA的规则制定提供了重要的数据源[5]。国外学者在20世纪70年代以来在这方面做了很多工作，如美国密西根大学沃尔多·托勃勒( Waldo Tobler)在20世纪70年代首次利用元胞空间模型模拟底特律地区城市的发展[6]，到80年代，美国圣巴巴拉加州大学地理系的Helen Couclelis对CA模型在地理学中，尤其是在城市发展动态模拟中，进行了开创性的研究工作[7]，进入90年代以后,White和Engelen等众多学者将元胞自动机应用到了城市的土地利用演化中[8]。R.White与G.Engeen等人成功地在地理信息系统中集成了CA模型,进行了土地利用变化的模拟[9]。 20 世纪 90 年代 Batty 利用分形中的凝聚扩散模型模拟了城市的增长，1994年白迪(M. Batty)，朗雷(P. A. Longley)合著了《分形城市》，研究了加的夫市从 1886－1922 年的城市边界，成功地证明了自相似原理的存在，是城市分形的总结和里程碑。CA模型的数据结构和地理信息系统的栅格数据结构一致,因此,CA易于与GIS集成,并且GIS为CA的规则制定提供了重要的数据源。比如 Batty等采用面向对象的方法，建立了 CA与GIS紧密结合的系统来进行城市模拟[13]。CA与GIS相结合,使二者在城市发展的实际运用中更具生命力,CA能很好的改善GIS中所缺乏的模型处理功能,而利用GIS的数据存储和处理优势可以对CA所需要的各项约束性指标提供数据支持和分析处理,也可以利用GIS的图层叠加分析手段来对CA模拟出来的不同结果进行评估和比较[11][12]。总的看来，随着研究的深入，CA与GIS的结合将更加紧密，对城市的模拟也将更加有效。
2.国内研究概况
关于城市空间扩展动态模型的研究,何春阳等人做了比较深入和成功的工作。他们从宏观外部约束性因素和局部城市单元自身扩展能力变化共同作用影响城市发展演化的角度出发,将“自上而下”的经济学Totenberg模型和“自下而上”的CA模型相结合发展了一个大都市区城市扩展动态空间模型(City Expanding model in the metropolitan area, CEM)模拟重建了北京地区1975-1997年的城市,预测了在不同选择下1998-2015年的城市发展格局的情景[7]。实验表明,该模型在利用自适应Monte-Carlo新方法多次模拟确定最佳影响权重和对各种影响因素进行严格标准化的基础上,可以在一定程度上反映城市甚至是大都市区城市发展演变的特征和规律,该模型对大都市区城市扩展空间动态过程的具有一定的模拟能力。王红与间国年等对南京市城市增长、武晓波等人对海口市的城市发展[18]，柳青生等人针对樟木头市的土地利用变化模拟,将智能体(Agent)的概念引入了CA模型,均是CA对城市模拟及预测应用的成功案例。此外，黄焕春等通过对logistic-CA模型的改进（将灰色不等时距预测模型嵌入），对天津滨海新区城市扩张的模拟精度的检验分析得到较为准确的预测精度[1]。其研究的核心是：嵌入灰色不等时距预测模型，准确模拟预测城市扩张的空间与数量；根据城市发展驱动力改进逻辑模型回归系数，从而能模拟不同情境下的城市形态扩展。
3.小结
由此可见,基于以原理的城市土地利用模型研究国外较为成熟,国内的研究时间虽然不如国外久远，但是我国学者对于城市形态扩展模拟的孜孜研究，出现了一大批敢于创新，敢于思考的城市规划研究者。不断探索出真正做到运用城市形态变化的规律，从现实出发，科学的预测其变化，协调城市扩展与生态服务功能，根据城市形态演化阶段性特征提出规划方案措施，以便对城市形态发展上的合理性、城市功能与经济合理性做出比较正确的估计。
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