刘明皓等：城市动态模拟研究进展
（4）系统动力学模型
系统动力学SD (System Dynamics)模型是一种研究动态发展、大规模、高阶次、非线性关系的复杂社会、经济环境系统的方法。系统动力学模型SD(System Dynamics)在遵循系统的整体性和层次性原则的前提下，从系统工程的角度来研究、分析问题，着眼于复杂系统内部，重视各个子系统间因果反馈关系的作用，以定性分析为先导，以定量分析为支持，分析研究系统内部结构与其动态行为的关系，寻觅解决问题的关键。
系统动力学(system dynamic，SD)模型能从宏观上反映土地利用系统的结构、功能和行为之间的相互关系，从而考察系统在不同情景下的变化和趋势，多运用于区域时间尺度可持续发展研究中，但是系统动力学也有“先天的不足”，即缺乏空间因素的处理功能，这使得的系统动力学模型可以较好地描述某个因素变量在时间上的动态变化，但无法描述和反映某
[28]
个因素在空间分布上的变化，然而这正是地理学研究的关键。
4 国内外研究动态与趋势
4.1研究动态
自1990年起，国际科学联合会（ICSU）和国际社会联合会（ISS）就开始积极筹划全球性综合研究计划。1999年，IGBP和IHDP发变了《土地利用/土地覆被变化科学研究计划（LUCC）研究实施策略》。提出将土地利用过程分析、土地利用/覆被变化的人类响应、综合的全球和区域模型作为研究的主题。国际上许多学者开展了广发的研究。目前，国内外学者在有关城市动态模拟的研究内容可以概括为以下几个方面：
4.1.1 机理和模拟工具研究
近年来，国外的学者们不断地开发出新型的、更具有代表性的新模型。国内的学者在吸收国外先进模型时，由于构建模型时的出发点和所要解决的问题各不相同，需要对相关模型的机理做深入的研究。邓祥征等在对机理研究的基础上构建了土地系统动态模拟系统（DLS）[2]
。黎夏等建立了整合的模拟优化分析平台 GeoSOS[29]. 针对CA模型的起源并不是针对地理系统，标准CA必须扩展这一现象，周成虎、孙站利等在对国内外相关模型进行了研究和介绍的基础上，提出了地理元胞自动机的概念。随后又提出了面向对象的、随机的、不同构的GeoCA-Urban模型，在元胞自动机中引入空间数据等来模拟和预测城市用地的发展[30]。 4.1.2 模型的改进与完善
模型的改进一方面是从模型的内部机理出发，改进模型的不足[31][32][33] [34]。例如，针对CLUE-S模型采用Logistitc回归分析忽略空间数据自相关的不足，吴桂平，曾永年用AutoLogitstic回归分析改进了CLUE-S，取得了较好的模拟效果[31]。
模型改进的另一方面是整合不同的模型如空间模型与非空间模型的结合和空间模型与空间模型的结合，提高模拟精度和解释能力[35] [36]。当前在空间模型与空间模型的结合方面，主要是将智能体、人工神经网络等相关领域的知识引入到CA中来，实现CA模型和上述模型的优势互补[37]。
将人文因素如规划理念融入模型。增加模型的适用性也是模型研究的一个重要方面。在现有城市动态模拟模型中加入约束性条件，模拟城市增长，将成为未来不同发展情景模式下的城市空间布局模拟的主要方法。部分学者已经开始关注在城市模型中引入约束条件来控制模拟过程即约束性模型[38] 39] 。J. van Vliet et al (2009)主要研究了邻域约束问题[40]。Q. Zhang et al.(2011) 使用Markov chain和CA结合，使用层次分析法AHP，确定约束性参数[41]。而对于已有的城市模型少有考虑约束条件的时空复杂性问题[42]。
4.1.3 模拟过程与结果的可视化表达
一些动态模型如CA具有强大的建模能力，而GIS具有强大空间分析和可视化表达能力。
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将模拟模型与GIS结合一直是学者们努力的方向。目前的耦合方法有2种：一种是选择不同的指标数据在数理模型中进行计算，将结果数据通过地理编码与GIS的空间数据进行连接，实现结果的可视化[43]。一种是利用GIS空间分析的数据进行数理模型的计算，然后再将结果进行可视化。第2种方法是目前的主流耦合方法。
4.2 趋势与展望
综上所述，国内外众多学者对城市动态模拟作了大量的研究，这些成果对我们进一步探讨城市动态变化有着十分重要的借鉴和启示。但是由于国内对城市动态的研究尚处在起步阶段，理论研究尚不成熟；并且城市动态在我国的发展也是日新月异，变化的实践也对我们的理论探讨不断提出新的课题。今后的任务和面临的问题是：
4.2.1 引进新理论与新技术，增强模型解释力
目前土地利用模型在模拟城市内部结构的变化机理过程时仍有一定的局限性。虽然系统动力学、多智能体等研究方法的出现使得研究城市演变的驱动因子有了进一步的改进，但是在描述城市微观结构，城市内部合理的布局时仍显得不尽人意。这给城市规划决策和合理的布局城市结构带来一定的困难。需要进一步加强模型的机理研究，增强模型解释现实的能力。
城市是个复杂系统，首先，决定土地利用及其时空变化是多种因素如人文因素和自然因素共同作用的结果。其次，在复杂的人地关系地域系统中，诸多的社会、经济、技术与自然环境条件之间的相互作用并非一种简单的线形关系。城市土地利用动态模拟的关键在于捕捉影响城市动态变化的主导因素，构建多尺度动态模型，定量、定性、定位、定时地模拟城市动态变化。目前城市动态模拟方面，理论研究不够深入，实际应用性不强，往往缺乏对人文因素的思考和城市动态变化机理的探究，因此，需要加强理论和模型的机理研究，采用更先进的模型定量化的模拟非线性城市动态发展，提高模拟的准确性。土地利用的深入性研究期待人地关系理论的发展和新理论与新技术（如智能计算等）的引进，其突破性的标志应该是具有较强解释能力的可操作性模型的建立。
4.2.2 模拟的精度和模型的适用性研究
提高模拟的精度和适用性一直是城市动态模拟努力的方向。提高模拟的精度和适宜性除了加强城市演变机理研究外，其次是如何处理尺度问题和模型的区域适用性问题。
尺度问题：尺度是任何科学研究都必须考虑的问题。不合理的研究尺度将降低结果的质量，甚至导致错误的结论。尺度有包括时间尺度和空间尺度。
在不同的时间和空间尺度上的土地利用变化，往往具有不同的驱动力，或者说各种影响因子的作用存在着尺度差异。不合理的研究尺度将降低结果的质量，甚至导致错误的结论。今后将进一步增强动态模型对土地利用变化的尺度和层次分析功能。
区域适用性问题：每个研究区都具有不同的区域特征。不同的地形、地貌、气候环境、经济发展阶段、人口数量与质量、经济活动等是推动城市土地利用变化的驱动力。人们在使用具体的模型进行模拟预测时都是做了一定的前提、假设，目前还没有一个适应于不同区域的通用性模型。
4.2.3 可视化表现与计算效率问题
土地利用模型在模拟土地利用动态变化时具有一定的优势，但是在结果可视化表现时，需要借助于ArcGIS等工具，单纯的用地动态模拟模型要么表现形式单一，要么不具有可视化表现的能力。在运用ArcGIS等软件进行可视化展示时，需要进行数据格式的转化，在转化过程中可能会造成数据信息的丢失等问题。
计算机科学的发展和新技术的出现为城市动态模拟提供了新的手段和工具，特别计算机方法为基本科学工具的处理地理信息和分析地理现象的地理计算科学的出现，为地理信息处理与管理、地理数据挖掘、地理过程建模模拟提供了基础。遥感技术的发展使得城市动态模拟有了丰富的数据基础，但由于保密机制的影响，城市动态模拟研究在数据获取方面还存在
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许多瓶颈；其次，定量化研究城市动态发展期待处理、分析和模拟城市地理现象的新的方法和工具的出现，提高计算效率，特别涉及宏观区域研究，更需要数据、计算工具和云平台的共享。
4.2.4 模型的实用性问题
降低模型在使用过程中的专业性要求，使模型利用研究中得以推广，其关键是建立具有较强解释能力的可操作性强的实用模型。另外，传统模型对城市演变的理解、计算工具与计算能力的不足、数据的难以获取性与有效性等成为传统模型的固有缺陷和发展桎梏。城市演进的动力问题，空间数据的分辨率问题，模型的实用性问题，模型现实性问题等都需要进一步的研究[44] [45]。
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作者简介:
刘明皓(1970-)，男，湖南安乡人，博士研究生。主要研究方向为地理信息系统应用研究。E-mail:liumh@cqupt.edu.cn。
cs1cs2@126.com
王耀兴(1987 -)，男，山东人，硕士。主要研究方向为计算机应用研究。