- 新技术
- 文章编号：1009-6000(2004)01-0065-04
- 中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
- 作者简介：段瑞兰，女，山东师范大学硕士研究生，研究方向为土地资源研究与管理；
郑新奇，男，博士，山东师范大学教授，主要从事土地资源评价与规划、遥感与地理信息系统等的开发与应用研究。
- 城市仿真模型（UrbanSim）及其应用
- Urban Simulation Model (UrbanSim) and its Application
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- 段瑞兰; 郑新奇
- DUAN Rui-lan; ZHENG Xin-qi
- 摘要：
UrbanSim是最近几年发展起来的一个新兴的城市仿真模型，目前已应用于美国的三个城市与台北等地区，发展前景广阔。主要从开发设计、结构组成等方面介绍了UrbanSim的优点、功能及可能遇到的困难，并在此基础上提出了在我国城市研究应用中的建议。 - 关键词：
城市仿真模型；UrbanSim；应用建议； - Abstract: UrbanSim is a new urban simulation model software, developed over the past several years, which is now applied in three urban areas in the United States and Taipei area. The prospect of the development of UrbanSim is promising. The objective of this paper is to explore its strongpoint, function and the difficulty that UrbanSim has confronted from the system design and architecture, and propose about the application in the urban in china.
- Key words: urban simulation model; UrbanSim; application
-
城市模型一直是城市研究的一个活跃领域，也是城市研究向纵深发展的一个重要标志。随着系统论、信息论和控制论的出现，计算机技术的发展，尤其是地理信息系统这一崭新领域的进展，城市模型正经历着从检测到仿真的过程[1]。
近年来，城市仿真模型取得了创造性的发展，尤其是在土地潜力分析中，对消费者的住房类型、区位选择倾向进行仿真，综合考虑市场因素的影响，为模拟空间区位对发展类型的具体选择提供了一种新方法。
UrbanSim是最近几年发展起来的城市仿真模型，作为一个发展中的土地利用模拟系统，新兴的行为预测模型，UrbanSim具有许多其他城市仿真模型所不具有的优点，发展前景广阔。本文在简要介绍UrbanSim的基础上，提出了在我国城市研究中的应用建议。
1 UrbanSim简介
UrbanSim是由美国华盛顿大学的Paul Waddel博士领导的课题组开发的原形系统[2]，综合考虑了土地利用、交通运输和政策因素等多个方面，对城市发展进行完整的规划和分析。它以城市发展过程中的主要部门（家庭、商业、开发者、政府等）为研究对象，以年为单位，进行从短期到长期的准动态化仿真。目前UrbanSim已经完成了从实验性阶段到应用阶段的转变，第二代产品应用到美国的俄勒冈州尤金－斯普菲尔德、檀香山、夏威夷和盐湖城以及我国台湾等地（图1给出了UrbanSim build 1589的运行界面及结果）。
1.1 UrbanSim的独特性
与其他城市仿真模型相比，UrbanSim的独特性主要有：
第一，设计上UrbanSim采用了动态的不均衡的方法，以变化的速率进行过程调整。这与DRAM/EMPAL、MEPLAN和TRANUS等模型采用的交叉均衡法存在明显差异。它对均衡理论忽略的个体差异进行分析，将现实中存在的发展阶段处理为一个过程，用调整速率的方法来达到仿真、评估的目的，使仿真过程更接近现实。
第二，UrbanSim采用一种特别的离散方法，对研究对象进行个体仿真。根据研究区域的大小用栅格单元代表选择区域，输入各地的商业建设数据、土地利用和房地产总值，从微观上对家庭和商业个体的年度变化进行仿真，模拟房地产开发商的每次具体行为。从微观的领域进行时间、空间和过程上的研究，是城市仿真领域的一次重大突破，也是城市仿真研究的发展方向。
第三，UrbanSim在专门的软件格式中执行，并可用于Arcinfo/arcview等进行跨平台操作。UrbanSim用Java语言特别设计了不同的模块，用来管理数据，仿真格局演化，支持离散型的空间模拟。作为一项开放性的资源，用户可以自由登陆网站，对其进行修改、完善，这样可以提高模型系统的开放性和透明度，增强系统稳定性，促进新方法的研究。
1.2 结构格式
UrbanSim的结构格式包括四个主要部分：
（1）仿真主体行为（如家庭、开发者）的编码设置及操作对象（地块、建筑）；
（2）数据转换调度模型进行运作和修改的调配器；
（3）数据库，包括属性数据和空间数据；
（4）转换聚合层，通过资源共享实现自动调节数据库和模型中的数据转换（具体格式见图2）。这样可以简化模型，扩展UrbanSim的应用领域（图2）。
2 UrbanSim组成
UrbanSim可以分成几个相互独立又彼此联系的子系统（模块），充分体现了“复杂结构来自于简单子系统的相互作用”这一复杂性科学的精髓[3][4]，而其显化的时空结构特性，使其更加适用于具有复杂时空特征的地理系统的研究，尤其是城市复杂系统行为的动态仿真[1]。下面对各子系统进行简单介绍[2][5]：
2.1 需求模块
UrbanSim的需求模块将家庭和商业分级，通过对不同级别个体的抽样统计来仿真消费者对住房和环境选择的倾向。消费者在选择不同类型的区位时，所需费用（包括住房本身的价格和周围环境区位的潜在价值）是需求分析的基础，可据此从理论上进行定量化的预测。我们所做的就是在统计资料的基础上结合感性判断，进行综合分析。
应用于尤金斯普菲尔德的模型主要包括以下几个变量：
·房型
·到工作地点和购物中心的通达性
·建筑密度、房屋成新度及持有产权比
·居民的平均收入状况和儿童百分比
·土地利用结构
·到商业中心区所需时间
这些变量从城市经济学、城市生态学、城市地理学中引入，是模型的内部函数。其中，“到工作地点和购物中心的通达性”非常重要，可用通达性模型进行仿真。依据出行模型和该区土地利用年变化建立的通达性指标长期有效，但每年都要更新，反映从当年到下一年交通方式在布局上的演变。
仿真结果表明：各类家庭的选择倾向明显不同。高收入家庭对娱乐休闲的需求相对较高，因此，城市拥有发展休闲娱乐业的潜在市场；选取房屋成新度（房屋已建时间）作为衡量指标，还会发现高收入家庭在住房方面倾向于选择新房。个体消费者的选择倾向发生变化，会影响其他消费者的选择行为；消费者构成发生变化，土地市场也会做出响应，比如高收入家庭增多，会有更多家庭选择优等类型，在供应和其他因素不变的情况下，价格会随之上涨，这一过程可以通过模型进行仿真。
商业与住宅在这方面功能相似，这里不再赘述。
2.2 供应模块
供应模块对个体地块的开发和再开发的预期利润进行微观模拟。在动态仿真中除了要更新面积、价格、开发价值、可开发程度、开发时间等公共参数外，针对具体情况还需要用GIS检验各地块的土地利用规划和环境要素（沼泽、洪积平原、坡度、城市增长边界、开发成本），确定开发类型和适用范围，进行环境限制和UGB约束检查。然后进行预期收益的估算和分级。
预期利润与税收的估算紧密相关。可以用各地区中不同开发类型的价值与开发成本的差值来计算。开发成本主要包括土地价格、建设费用、开发的“弹性”费用（用价值形式表示的开发影响）、二次开发费用（包括对已有建筑的改造和破坏的费用），见公式1。
其中：
∏i(lb)：将地区l中的i地块开发为b建筑类型的预期收益；
RlbQib：估算的交易价格；
LiAi：地区i的土地成本（单位面积的土地费用与面积的乘积）；
HbQib：开发的“硬件”费用（成本）；
SlbQib：开发的“软件”费用，包括开发影响费；
IibQib：地块i的二次开发费用；
DibQib：二次开发地块i时对原有地物破坏所折算的费用；
Qib：建设数量，反映评价区的大小和建筑密度。
预期税收以地块1中的建筑类型b的市场价为依据（见公式2）。
当供应与需求不相符，出现矛盾时，可以通过市场价格进行调整。UrbanSim有一个专门的模块对此进行仿真预测。
2.3 市场价格调整及其他
市场机制下，供需平衡是通过价格的波动进行自发调整而达到的一种动态的平衡，它并不是完全意义上的均衡调整（否则需要获得完全的信息，且各地区价格同一，这样会使市场失去作用）。市场分配完成后，价格也就进行了更新。目前，在用户指定的年度变化百分比范围内，用平均状态下空地率的平均值和临界值作为价格调整的量级。
价格调整方程见公式3。
其中：
Plbt：第t年区位l中b建筑类型的土地价格；
Plbt-1：同一区位和建筑类型在上一年的土地价格；
Vlbt：区位1中b建筑类型的实际空地率；
αb：建筑类型b的标准空地率；
β：用于价格调整的定标参数，初始值为l；
γ：区域影响的权重参数。
此外，数据库开发、土地潜力模拟、模型修正也是UrbanSim不可缺少的一部分。数据库是系统的一个重要组成部分，来源于Lane COG计划，可用于ArcInfo1994，包括：土地和开发价值评估、土地利用编码、土地利用名称和地块面积。遵循资源共享原则，数据库可以在各子系统之间随时调用，这样，UrbanSim就能在土地利用规划、环境限制开发成本、城市增长边界、基础设施和预期经济增长的基础上进行土地潜力模拟，综合考虑不同的土地利用类型和运输政策，估测对城市发展的影响和结果。实际运行模型时还存在着许多限制和与现实不相符的过程。比如现实中需要分阶段逐步完成的开发项目、同一地块中存在的多种混合经营的情况、地块数据的空间过程存在的困难等，在上述仿真过程中就没有考虑。因此，在进行与建立模型有关的实际问题和发展趋势及模型有效性的研究时，修正模块必不可少。
3 在我国城市研究中应用的建议
UrbanSim是一个新型的城市仿真模型，目前仅应用于美国的三个城市和台北等少数城市，如果应用于我国城市研究中，必须结合我国具体情况，在应用过程中对UrbanSim进行修正、完善。建议：
（1）中国是经济快速发展的发展中国家，城市研究正在向纵深领域发展，可以将UrbanSim用于进行空间、时间和社会经济等方面的研究（见图3）。城市化最主要的标志是城市的人口规模和建设范围的空前扩大，反映在城市体系上，就是大城市和特大城市迅速增长。除了人口增长、经济总量和用地总量的增长作为表面明显特征外，城市用地的空间模式、增长动力、土地价值等因素的变化则进一步体现了城市增长的深层次含义。在应用UrbanSim的过程中，需要着重注意这些方面。
（2）中国是世界第一人口大国，根据第五次全国人口普查结果，全国人口总数已达12.68亿(不包括台湾省)，占世界总人口约1／5，这是世界上任何国家都不存在的特殊国情，它将决定人口的聚集形态。在世界20个最大的城市群中，中国上海列第5位，北京第8位，天津第15位，但三城市总人口仅占全国人口的2.7％，与美国相比，其首位城市对城市化水平的贡献要小得多（具体数据见表1）。中国人口众多，在城市化进程中，凭借一些超大城市的集中聚集是不现实的，也无助于城市化水平的提高。只有大力发展中、小城市，分散聚集，才是可行之道[6]。用UrbanSim进行城市仿真时，需要考虑这一具体情况，对城市规模进行限制。
（3）将UrbanSim应用于中国城市需要逐步、分阶段的完成。参照UrbanSim在台北等地的应用情况，大致可将其分成五步：
①预处理：主要包括收集数据等准备工作，对原始数据进行初步整理和格式的转换。
②数据处理：指将原始数据转换为UrbanSim数据库的格式（*.bd），对输入的数据进行检查，并及时纠正错误。
③模型评价：用数据库中的数据和外部的统计分析工具对UrbanSim模型的内部系数进行评价。
④模型应用：在具体的政策限制下，用UrbanSim对用户指定时间内的系统行为进行仿真。
⑤分析：对仿真结果进行综合分析。
（4）应用UrbanSim需要注意的问题：
①数据的预处理、处理是整个工作的基础，但同时也是一项非常困难、非常复杂的工作，尤其是需要将多边形结构转换成栅格数据。
②系统有些参数在我国不适用，需要进行修正。如需求模块中通达性公式主要考虑拥有私家车的家庭，这显然不符合我国国情。此外，模型的一些内部参数也需要进行具体调整，满足我国城市仿真的需要，增强模型的现实性和可用性。
③因为数据表的空间离散性，在具体操作中可能会丢失一些有用数据，在这方面系统还有待改进。
模型与GIS实现方法的研究，不仅是中国城市化发展的实际需要，也是城市地理学、城市经济学、区域科学、城市规划、房地产经济学、地球信息科学等学科发展的需要。因此，我国需要加快研究步伐，解决Urban Sim应用过程中出现的实际问题，在城市仿真领域取得进步。
4 结语
UrbanSim需要不断地改进、完善，拓展其应用领域。应用中需要用一种新的方法综合土地监控和土地利用模拟功能，如纵向GIS、因特网分布式数据库的应用、协作决策支持系统等集成系统，现在都是其技术组成的潜在部分。网络、数据库的建立和由仿真到现实的应用等都属于技术上的难题。此外，行政、管理上也存在相当困难，数据独占、体制分裂、资金不足、官僚主义都会限制UrbanSim的发展。因此，我们需要发展具有协作规划系统功能的技术，改革政府体制，推动UrbanSim的继续发展。
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