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《中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)》 2007年
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基于多智能体与GIS的城市人口分布预测研究

景楠  
【摘要】: 在世界各地,城市增长导致了各种环境和社会问题,比如大气污染,水域、绿地脆弱,越来越严重的交通拥挤和不良健康状况。为缓解这些问题,城市规划者在制定策略和规划时使用了大量的工具,最常用的传统工具如GIS、CAD软件等。传统工具有共同的弱点,那就是几乎没有预测能力。 自然、社会、经济三者在人的驱动下相互作用形成了城市系统。复杂适应系统理论强调“个体之间和它们与环境之间的相互作用是系统演化和进化的主要动力”,对城市实际发展的仿真应以理性人为基本智能体,模拟智能体之间及智能体与环境的交互作用演变过程,也就是按客观世界的构架和相互作用关系来描述客观世界。 城市的发展是需要空间过程模型与空间数据模型集成才能更好表达的空间-时间过程。GIS数据模型的核心在于空间性,基本上是静态的,因此GIS工具只能有限的处理过程知识。与GIS相反,过程模型细致表现时间和行为,在处理空间知识方面明显受限。因此,将GIS和基于智能体模型紧密耦合,能够更准确的表达城市发展。面向对象方法在空间数据和空间过程模型中的应用促进了二者的集成。本文选择Java编程,集成多智能体平台Repast与面向对象GIS,具有代码简洁、平台独立等特点。 近年来人口迁移研究在人文地理学的范畴中越来越受关注。本项研究模拟城市人口动态,集成多智能体、GIS、元胞自动机,自下而上建模,为城市发展、建设、管理和规划提供决策支持。在仿真中,以Repast和Openmap为工具,真正构建一系列异类的独立智能体,它们通过离散事件在以大气质量、绿地、商业服务、房价、交通、教育、医疗七层元胞自动机作为背景的世界中进行信息交互,模拟客观世界中的城市演化过程。生态足迹分析方法用于各级水平各种规模的可持续发展评价,目前在与多智能体、GIS相关的城市模型中还没有过应用。本文将生态足迹理念和研究方法引入智能体行为规则中,希望用这种尝试探讨可持续发展的相关问题。本项研究构建的城市人口仿真模型,能够针对不同政策因素输入模拟城市的复杂动态变化,以便对实际城市发展进程进行有效的预测,从而为政府的指导性建设计划的决策提供参考。 本文以北京为例,对奥运经济中的城市发展关键问题进行了仿真,并且对奥运经济包含的外生因素的作用和效果进行了分析。因为承办2008年奥运会,北京市的城市建设步伐明显加快。通过仿真可以看到2010年城市人口的分布更加有规律性,人口集中在四环到五环之间,城区中除东城区人口保持一定的数量,其他三区人口都有所衰减。城市的发展方向将同时具有中心聚集性和周边环状分布性两个发展方向。政府通过地铁线路的铺设和绿化隔离区的规划建设等控制手段,克服了城市的无序扩张和中心衰退。既降低了市中心的人口密度,提高环境质量,又防止了城市空心化的发生,说明政府的宏观调控手段是有效的。 国内外学者多使用CA模型模拟城市土地利用变化,目前已发展到利用多智能体或结合GIS与多智能体构建土地利用模型的阶段。其它城市发展预测模型多通过模拟不同类智能体的相互作用预测城市动态。以人口智能体为中心,结合GIS利用多层城市环境数据,模拟人口迁移预测城市发展的综合研究,这在国内外城市发展预测模型中都未曾尝试过,是本文的创新点。通过城市人口分布预测模型构建,本文验证了多智能体模型与GIS相结合的方法在城市发展建模仿真预测中的有效性。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:C922

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