基于元胞自动机模型的城市历史文化街区的仿真

文章编号: 1673 9965(2009)01 079 05基于元胞自动机模型的城市历史文化街区的仿真*杨大伟1,2,黄薇3,段汉明4(1.西安工业大学建筑工程系,西安710032;2.西安建筑科技大学建筑学院,西安710055;3.陕西师范大学历史文化学院,西安710061;4.西北大学城市与资源学系,西安710069)摘 要: 为了探讨当前城市规划中远期预测的科学性和准确性问题,将自组织理论与元胞自动机模型结合,在一定的时空区域,构建了一个城市增长仿真模型.将元胞自动机模型应用于西安市最具历史文化特色的区域中,形成自下而上的规划模型.元胞自动机模型对于西安回民区的空间发展城市历史文化特色街区的模拟具有一定的原真性和时效性,在时空中能反应当前的空间格局.元胞自动机在城市规划的预测中具有图式与范式结合的特点,在中长期的预测中形成符合城市规划发展战略的空间格局.关键词: 元胞自动机;自组织;历史文化特色街区;空间演化中图号: T U984 文献标志码: A自组织理论是当前城市复杂性研究的主要研究方向之一.自组织是相对他组织而言,即自我、本身自主地组织化、有机化,意味着一种自动的、自发性的行为,一种自下而上、由内至外的发展方式.其主要涵义可以简单概括:在大多数情况下,作用于系统的外部力量并不能直接对系统的行为产生作用,而是作为一种诱因,即引入序参量引发系统内部发生相变,系统通过这一系列的变化自发地组织起来,最终大量微观个体的随机过程表现出宏观有序的现象[1].20世纪40年代U lam提出元胞自动机模型(Cellular Autom at o n M odel,CA),V on N eu m ann将其用于研究自复制系统的逻辑特性,且很快用于研究自组织系统的演变过程,其中对城市系统自组织过程的模拟是焦点问题[2 9].CA是定义在一个具有离散状态的单元(细胞)组成的离散空间上,按一定的局部规则在离散时间维演化的动力学系统.一个CA模型通常包括单元、状态、邻近范围和转换规则4要素[9],单元是其最小单位,而状态则是单元的主要属性.根据转换规则,单元可以从一个状态转换为另外一个状态,转换规则通过多重控制函数来实现.自组织理论的提出,对于解释相对封闭,具有自身演化规律的复杂适应系统中的复杂现象和问题具有重要意义和应用前景.而CA 自下而上的研究思路,强大的复杂计算功能、固有的并行计算能力、高度动态特征以及具有空间概念等特征,使其在模拟空间复杂系统的时空演变方面具有很强的能力,在城市学研究中具有天然优势[9 15].本文将自组织理论引入CA模型,并将该模型首次应用于西安回民区这一复杂的相对独立的历史街区中,就是为了得出其在自组织的作用下,未来20年空间发展的变化模型,为城市规划的制定做出科学的预测.下面对西安回民区做一简单介绍.西安回民区位于西安旧城中心的中西地段,东接西安历史文化遗产钟楼和北大街,西接洒金桥,南到西大街,北到莲湖路,面积约为93.4公顷,人口约为77600人,在此居住的居民中有43.6%以第29卷第1期 西 安 工 业 大 学 学 报 V o l.29No.1 2009年02月 Jo urnal o f Xi!an T echnolo g ical U niver sity Feb.2009*收稿日期:2008 06 04基金资助:国家自然科学基金(50678149)作者简介:杨大伟(1981 ),男,西安工业大学助教,西安建筑科技大学博士研究生,主要研究方向为城市空间复杂性.E mail:yangdaw ei@.上为穆斯林居民.该地区包含的街道有北院门、化觉巷、麦苋街、大(小)皮院、西羊市、北广济街、庙后街、大(小)学习巷、大麦市街、洒金桥、早慈巷、香米园、红埠街、劳武巷、光明巷、西仓、东举院巷、新寺巷、东寺巷、教场门等,并分布着十个清真寺,其中百年以上的古寺有七座,即在18世纪末,已形成了 七寺十三坊的格局.因而这里是西安穆斯林最集中、最古老的区域.同时也是最具有历史文化特色和城市空间复杂性的区域.1 CA城市仿真模型架构1.1 CA理论及数据准备CA是定义在一个具有离散状态的单元(细胞)组成的离散空间上,按一定的局部规则在离散时间维演化的动力学系统.CA具有空间离散性、时间离散性、状态离散性、规则局部性、全局一致性、演化性、无后效性、高维数等特点.从动态系统的观点看,每个细胞都是一个变量,而细胞空间中的单元可能成千上万,所以CA是高维的.从这个角度来看,细胞自动机是一类无穷维动力系统.根据CA理论的核心内容,将其运用到城市当中,具有得天独厚的优势,因其 自下而上的建模方式以及具有时空特色的动力机制,很适合具有自组织特性的城市空间的研究,因此我们采用CA模型来对本研究区域进行建模和研究.本部分所采用的图形数据是西安回民区的用地现状图.其他相关资料的收集与处理主要包括:1)西安回民区的行政区划图;2)经过实地调研收集该地区用地现状统计数据,了解、熟悉城市空间结构发展动态;3)收集∀西安市总体规划(2008 2020)#、∀唐皇城复兴规划#等相关资料,了解和掌握城市规划状况.1.2 确立模型演化的规则由于西安回民区自身的特性,在此区域内重要是以C类和R类用地为最活跃的主导因素,因此,在模型的建立中,也是以这两个因素作为主要的演化对象,而将在此区域内的属性不易改变的用地(如军事用地、主要道路用地、大型公园绿地等)作为吸引因子,而自身不参与城市空间结构的动态演化.将区域内用地单元的行为过程利用集合符号记为L t l={A l,N l,F lk,N k,C k}式中:L t l为从t到t+1时刻,l位置所处土地单元的行为;A l为土地单元的活力值的确定;N l为检查该处土地单元周围邻居单元的构形;F lk为产生新的土地单元位置和土地利用类型的方法过程;N k为表示检查新生土地单元的邻居构形件;C k为表示检查新生土地单元k处的控制因素层.根据CA模型 时空一体化及 自下而上的特点,规则的制定主要分为4个步骤:1)确定土地单元活力值根据土地单元的活力,将每个土地单元分为 青年、 中年和 老年三个阶段.其相应的函数为A(t)={A i(t),A m(t),A d(t)}式中:A i(t)为青年土地单元;A m(t)为中年土地单元;A d(t)为老年土地单元.2)检查邻居定义及邻居条件在模型中,统一采用了扩展的摩尔邻居类型,给定半径r,其邻居的集合为一个正方形,其函数表现为N m={v i=(v is,v iy|v ix-v ox|+|v iy-v oy|∃r, v(v ix,v iy)%Z2}式中:N m为细胞所影响的范围;|V ix-V ox|+|V iy -V oy|∃r为细胞与周边的向量距离.对于二维的四方网格划分的CA模型,一个元胞的邻居个数(除去中心元胞)为(2r+1)2-1.如给定邻居半径r=2,则邻居集合为以当前元胞为中心的5&5方块.3)产生新生土地单元当一个土地单元活力值为青年,且满足了邻居条件后,它作为一个 母体,就可以产生一个新生的土地单元,即它的 子单元.这一新单元产生过程包含了两个独立的部分,一是新生单元类型的确定;二是新生单元位置的确定.∋新生单元类型的确定在西安回民区的CA模型中,定义P为状态转移矩阵为P=hh hi h cih ii icch ci cc式中: hh为居民地单元产生居民地单元的概率; hi 为居民地单元产生工业单元的概率((.它们满80 西 安 工 业 大 学 学 报 第29卷足条件的函数为) h = hh + hi + hc =1,) i = ih + ii + ic =1,) c=ch + ci + cc =1.∗新生单元位置的确定新生土地单元的绝对位置由该单元相对母体单元的相对位置来确定,相对坐标是一个以母体为极点的坐标系来确定,它的坐标包括离开母体单元的距离,即:P kl =f (d kl )式中:P kl 为新生单元k 相对与母体单元l 的相对位置;d kl 为新生单元k 相对与母体单元l 的距离;f (x )为距离与相对位置的函数关系.在模型中,针对不同类型的用地属性单元,设定其产生新单元的最大距离为D max ,那么新生单元到母体单元的距离d jk 则可取区间[1,D max ]内的任意整数值,在这个区间内,d jk 在各个距离值上都有相应的概率,而且概率是一个随距离增长而衰减的分布,即认为新生单元最有可能产生于母体单元的附近.为了更加清晰的说明距离对于CA 模型的意义,采取了线性衰减函数来计算d jk 的对应概率,线性衰减函数可表达为+d jk =D max -d jk +1)D max d jk=1d jk=2(D max -d jk +1)D max (D max +1)4)新生单元生存条件检查与控制在新生单元的位置和类型确定后,还需要经过一系列的检查条件,才能最终完成新生单元的生成.任何一个条件得不到满足,整个过程就告失败.具体讲,新生单元还要经历四个方面的检查.∋检查新生单元的所在位置是否已被占用;∗检查新生单元在土地单元层面上的邻居状况;,检查新生单元在交通层面上的邻居状况;−检查在控制层面上,该位置的控制条件.由于一般概率都在0~1.0之间,因此,在模型中,添加了一个比较函数R,其函数为R =f (r 1,r 2,r 3)式中:r 1,r 2,r 3分别为居住用地、商业用地、其它用地单元的产生概率.在确定规则的基础上,采用VB 语言来编写运行规则的程序,通过程序调用,在Arc GIS 软件上实现仿真模拟.2 演化结果及分析2.1 CA 模型演化结果根据CA 模型的演化规则,在A rc GIS 软件中对每一个栅格输入属性,确定不同的活力值.在当前城市空间用地状况(如图1所示)的基础上,确定了时空演化的时间间隔从而分别得到该区域10年和20年的演化模式如图2,3所示.图1 当前城市空间用地状况图F ig.1 Cur rent city land application图2 10年后城市空间用地状况图F ig.2 City land applicatio n 10y ea rslater图3 20年后城市空间用地状况图F ig.3 City land applicatio n 20y ea rs later2.2 演化结果分析利用 自下而上 的CA 模型,对西安回民区进81第1期 杨大伟等:基于元胞自动机模型的城市历史文化街区的仿真行中远期的模拟,从模拟结果来看,符合穆斯林 围寺而居的空间形态,也充分体现出来本区域城市空间结构的自组织性和复杂性,由此看来,利用CA模型对这种联系态时空一体化结构进行模拟是可行的.在本区域中,主要考虑了居住用地和商业用地的空间演化,其演化有各自不同的模式.在居住用地的演化过程中,主要有两种倾向:一种是围绕清真寺周边的居住用地,其在自身的基础上进行演化,即新居住用地单元的产生是在原有居住用地单元的基础上进行的,这和实际中穆斯林在自己房子老化以后,采取翻新、重建的方法保持居住用地的属性一致.另一种倾向是在某些大面积的空地上新建住宅,如在北大街西华门至钟楼段的大面积的空地上建设,还有在目前市政府的用地上建设.当然,市政府用地在搬迁后的用途不得而知,但是根据元胞自动机的演化在其位置形成居住区也说明这是一种选择,可作为市政府决策的参考.在商业用地的演化中,主要体现了 不动与 动.在北大街和西大街这些基本修建完毕的城市商业带,在本模型中也体现出 不动的特色,即其属性和位置未发生变化,而在莲湖路上的商业用地数量却大大增加,说明道路对商业用地的支持作用比较明显,也从一个侧面反映出本模型符合现实.2.3 规划建议空间结构的优化是基于复杂性研究的基础上,因此,对西安回民区提出的有关发展的策略,其必然具备混沌与秩序并存的特征,因此,在用城市规划手段引导城市空间结构的发展中,必然也要考虑到复杂性的问题,不能采用简单粗暴的手法对城市空间进行割裂(而目前的城市规划恰恰是这样做的).对于回民区的规划建议,可以分为宏观和微观两个部分.1)宏观建议∋在 围寺而居空间结构的基础上控制本区域住宅供应总量,降低改造开发强度.本区域住宅高度密集,在一定程度上阻碍了基础设施的更新改造和城市的现代化.为保证城市功能的发挥,适应城市发展的要求,必须解决区域住宅过密的问题.控制区域内住宅供应总量,一方面可作为城市环境建设、公共设施建设的用地及备用地;另一方面也为城市未来发展留有余地.减少了住宅总量的提供,控制了居住人口总量,人口密度将随着旧城改造的推进而逐步减少,将从根本上提高的整体环境质量.∗加强区域内基础设施建设,实现穆斯林区与周边区域联动发展的搭桥政策.从城市空间结构演化图中我们可以看到,穆斯林聚居区成为复杂性指数最高的区域,其指数由内往外递减.而在调研过程中,却发现基础设施的建设是由外往内递减.可以这么说,复杂性最高的区域,恰恰是各种基础设施薄弱、空间环境恶劣、没有景观、绿地等其它服务设施的区域.在进行空间结构的优化过程中,应该加强区域内基础设施的建设,将穆斯林聚居区与周边区域的设施联动,共同创造优美的景观环境.,将保护历史文化特色与商业布局结合起来,提高空间结构的整合度.历史文化特色是回民区最重要的吸引因子,是此区域空间结构的核心所在.此区域的商业布局是最活跃的影响因子,其空间结构呈现单线型模式.因此,将这两种因子加以结合,可以在空间结构中催生出新的增长因子,同时也能更好的保护历史文化特色,也是对空间结构更好的优化.2)微观建议∋严格控制容积率和建筑高度,保护回民区的历史文化特色.在回民区中,存在乱搭乱建的现象,其正逐步失去历史文化特色,而成为穆斯林聚集的 城中村.根据模型显示,如不采取合理的措施,回民区内建筑破碎度会越来越高,说明各种随意修建的建筑会越来越多.因此,为了有效避免人居环境的恶化,必须分区、分片的控制容积率和建筑高度,以保证主要景观区的环境和特色,以及人们舒适的生活状态.∗未来20年,应将莲湖路的开发作为重点.莲湖路作为城市的一条主要干道,其存在较大的商业价值.根据模型的显示,20年后,莲湖路两侧的商业会发生较大的变化,围绕莲湖公园出现多处商业集散.因此,规划应未雨绸缪,及早开发此区域.3 结论城市空间结构复杂性理论目前在国内还处于发展阶段.随着对其研究的不断拓宽和深化,将会有越来越多的复杂性规律被挖掘出来,从而对城市82 西 安 工 业 大 学 学 报 第29卷发展和城市规划的制定提供更多的科学依据.本文通过建立CA模型,并将其在西安历史文化街区的空间结构进行仿真,从而得到历史文化街区当前及未来空间发展模式.从仿真结果看,西安回民区的空间结构呈现破碎化、分离化的倾向、穆斯林聚居区的 围寺而居现象明显.在两个时间段的演化过程中,越接近清真寺的区域,自组织性能越高,空间越破碎;越远离清真寺的区域,自组织越低,空间越积聚.另外,本文只是初探西安市最具有历史文化特色的城市空间结构演变的特征和规律,如何在城市发展过程中更加深入地分析具有不同空间结构特征的变化趋势,将是今后研究的重要课题之一.参考文献:[1] 段汉明.城市学基础[M].西安:陕西科学技术出版社,2000.DU A N Han ming.T he Base o f Cities[M].Xi!an:T he P ress o f Shaanx i Science and T echnolog y,2000.(in Chinese)[2] 何春阳,陈晋,史培军.基于CA的城市空间动态模型研究[J].地球科学进展,2002,17(2):188.HE Chun yang,CH EN Jin,SHI Pei jun.Study on T he Spat ial D ynamic City M o del Based on CA(Cellular A uto mata)M o del[J].A dvances in Ear th Sciences,2002,17(2):188.(in Chinese)[3] BAT T YM,X IE Y.F rom Cells 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the feature o f diversity.T o find a sim ple,practical and beautiful w ay to pro duce dig ital m aps is a urg ent problem to be solved in the pro duction of electro nic m ap.By employing the data of the g eneral land use planning of ZiChang co unty, this paper discusses the key techniques and methods in the environment of SuperM ap Deskpro.T he study prov es that GIS based computer aided mapping production techno logy not only broadens the scope of application of electronic m aps,but also makes the electronic m aps more convenient to produce and more clear to ex press.Key words: electronic map;digital map;desig n sy stem o f electr onic m aps;g eog raphic inform ations sy stem(GIS)(责任编辑、校对 苗静) (上接第83页)Simulating Urban Historical Block Using Cellular AutomataYAN G Da w ei1,2,H UAN G Wei3,D UAN H an ming4(1.Depar tment o f Const ruct ion,X i!an T echno lo gical U niver sity,Xi!an710032,China;2.Co llege o f Ar chitectur e,Xi!an U niver sity o f A rchitectur e and T echno lo gy,Xi!an710055,China;3.Colleg e o f H istor y&Civilization,Shaanx i N ormal U niver sity,Xi!an710062,China;4.Department of U r ban and R eso ur ce Science,N or thwest U niver sity,Xi!an710069,China)Abstract: In order to study the accuracy of the scientific nature of lo ng term fo recast fo r urban planning,a simulatio n model o f urban gr ow th w as built for a certain spatial and tem po ral reg ions w ith the combination o f self org anization theo ry and the cellular auto maton mo del.T he cellular auto mato n model w as applied fo r the region w ith the most historical and cultural characteristics in Xi!an to form a bo ttom up planning model.The simulations w ith cellular automaton model for the development o f urban histo rical blocks have a certain authenticity and timeliness,and reflect the curr ent spatial pattem in tim e and space.With the assist o f cellular auto mata,w hich has the featur es of co mbinatio n o f schemata and paradig m,a time and space pattern conform ed w ith development str ategy is for med in long ter m forecast of urban planning.Key words: cellular automata;self or ganization;historical block;evolv em ent(责任编辑、校对 张立新)。