城市空间演化模拟理论、方法与实践

本书总结了城市空间演化模拟理论、方法，并开展了实践应用研究。全书共11 章，开篇简述了城市、城市化、城市空间等相关概念，以及城市空间演化模拟常用方法；在此基础上着重阐明城市土地利用―交通相互作用（LUTI）模型的原理、起源和发展历程，建立了基于“活动”的LUTI模型，称作ActSim模型，用于预测城市社会经济活动分布格局，并以北京为例开展了应用研究。作为城市模拟工作的拓展，第10章进一步给出了区域模拟框架，该区域模型与城市模型形成完备的模型体系，为后续开展“区域―城市”一体化模拟研究奠定基础。最后，第11章简析了城市空间分析模拟常用工具。本书是对LUTI模型这一国内研究较为薄弱的领域从理论到实践的系统化探索，可为国内学者了解、应用和发展LUTI 模型提供参考。本书可为地理学、城市规划及经济学等相关领域的学者及研究人员提供参考，也可作为高等院校相关学科和专业高年级本科生及研究生的教材或参考书。

牛方曲，安徽淮南人，博士，中国科学院特聘骨干人员，英国利兹大学访问学者。现任中国科学院地理科学与资源研究所副研究员、硕士研究生导师。主要从事城市、区域发展模拟分析研究，旁及交通地理、“一带一路”建设研究，创新性地建立了基于“活动”的城市土地利用―交通相互作用模型，并应用于我国城市。先后主持和参与国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划项目、国家重点研究计划项目、中科院先导专项项目及各类地方规划等10余项。以第一作者或通讯作者身份在Cities、Land Use Policy、Environment and Planning B、Computers, Environment and Urban Systems及《地理学报》《地理研究》《地理科学》等SCI、SSCI及中文核心期刊上发表论文60余篇，开发多款软件。

第1章 绪论 1 1.1 城市及城市空间相关概念 1 1.1.1 城市及其起源 1 1.1.2 城市化 2 1.1.3 城市空间 4 1.1.4 城市空间特性 5 1.1.5 城市空间结构 6 1.2 变化中的中国城市空间 7 1.2.1 城市化产生的影响 7 1.2.2 中国城市空间演化 8 1.2.3 城市空间演化的基本形式 9 1.2.4 城市空间演化的动力 10 1.3 本章小结 11 参考文献 12 第2章 城市空间演化概述 14 2.1 城市空间演化基本概念 14 2.2 城市空间演化的相关理论 16 2.2.1 霍华德的田园城市理论 16 2.2.2 勒?柯布西埃的现代城市理论 17 2.2.3 伯吉斯的同心圆理论 17 2.2.4 霍伊特的扇形理论 18 2.2.5 哈里斯与乌尔曼的多核心理论 18 2.2.6 克里斯泰勒的中心地理论 18 2.2.7 马丘比丘宣言思想理论 19 2.2.8 卫星城及新城建设理论 20 2.2.9 有机疏散理论 20 2.3 城市空间演化影响因素 21 2.3.1 经济因素 21 2.3.2 人口因素 22 2.3.3 社会文化因素 22 2.3.4 城市职能及规模因素 23 2.3.5 自然条件因素 23 2.3.6 技术因素 24 2.3.7 政策和制度因素 25 2.4 城市空间演化阶段与形态 25 2.5 城市空间演化模拟研究意义 26 2.6 本章小结 27 参考文献 28 第3章 城市空间分析与模拟方法 30 3.1 城市空间分析模型 30 3.1.1 城市空间分析模型概述 30 3.1.2 双重差分模型应用――中国高铁站溢出效应及其 空间分异 31 3.1.3 复杂网络分析模型应用――中国铁路网络健壮性分析 45 3.2 城市空间模拟模型 70 3.2.1 城市空间模拟模型概述 70 3.2.2 CA模型 71 3.2.3 土地利用―交通相互作用模型 77 3.3 本章小结 94 参考文献 95 第4章 基于“活动”的LUTI模型――ActSim模型 106 4.1 城市活动分类 106 4.2 城市社会经济活动规模预测 109 4.3 城市家庭和企业（经济活动）区位影响因素 110 4.3.1 房屋供给 111 4.3.2 交通可达性 112 4.3.3 区位成本（房租） 112 4.3.4 其他影响因素 113 4.4 ActSim模型组成 113 4.5 本章小结 115 参考文献 115 第5章 城市房屋开发模拟预测 117 5.1 城市住房开发模拟 117 5.1.1 非限制住房开发总面积预测 118 5.1.2 约束开发面积 119 5.1.3 开发面积空间分布―确定每个区块的开发面积 119 5.1.4 更新建筑总量、调整房租 120 5.2 案例应用：北京住房空间分布模拟 121 5.2.1 数据 121 5.2.2 模型的校准 122 5.2.3 住房空间分布模拟 123 5.3 讨论 126 5.3.1 关于住房开发周期的讨论 126 5.3.2 模型的准确性 127 5.3.3 模型优化 127 5.3.4 城市土地市场模拟 128 5.4 本章小结 128 参考文献 129 第6章 城市区位成本评价 130 6.1 家庭区位成本评价――消费效用 130 6.1.1 家庭区位成本评价概述 130 6.1.2 家庭消费效用评价方法 131 6.1.3 案例应用：北京家庭消费效用评价 132 6.2 企业区位成本评价 134 6.3 本章小结 135 参考文献 135 第7章 城市交通可达性评价 136 7.1 交通可达性定义 136 7.2 交通可达性原理与评价方法 138 7.3 多模式城市交通状况评价 140 7.4 基于“活动”的交通可达性评价 142 7.4.1 分“活动”类型的交通可达性 142 7.4.2 主动可达性与被动可达性 143 7.5 案例应用 144 7.5.1 研究区域与数据 144 7.5.2 主动可达性应用―基于家庭区位需求城市住房价格 模拟 145 7.5.3 被动可达性 155 7.6 本章小结 158 参考文献 158 第8章 城市活动区位模拟 160 8.1 城市活动区位模型 160 8.1.1 区位评价 160 8.1.2 城市活动区位模型构建 161 8.2 城市空间演化过程模拟 163 8.2.1 城市空间演化模拟算法 163 8.2.2 循环结束条件及其收敛性 165 8.2.3 土地利用模型与交通模型的作用频率 165 8.2.4 模型的时空尺度 166 8.3 本章小结 167 参考文献 168 第9章 ActSim模型应用与讨论 169 9.1 案例区及数据 169 9.2 案例应用1：土地利用政策情景检验 171 9.2.1 政策情景设置 171 9.2.2 预测结果 172 9.3 案例应用2：交通政策情景检验 176 9.3.1 政策情景设置 176 9.3.2 预测结果 177 9.4 ActSim模型讨论 178 9.4.1 模型准确性及应用 178 9.4.2 模型的限制性与改进 179 9.4.3 交通模型的优化扩展 179 9.4.4 城市活动总量变化及其区位模拟 180 9.5 本章小结 180 参考文献 180 第10章 区域模拟框架 182 10.1 区域经济模型 183 10.1.1 交通评价―交通模型 184 10.1.2 城市产能评价 185 10.1.3 总需求评价 185 10.1.4 产品生产价格评价 186 10.1.5 城际经济联系模拟 186 10.1.6 城际物流模型 187 10.2 人口迁移模型 188 10.2.1 城市推力和引力评价 188 10.2.2 距离阻抗 189 10.2.3 城际人口迁移模拟 189 10.2.4 区域与外界的人口迁移 190 10.2.5 模型作用 190 10.3 本章小结 191 参考文献 191 第11章 常用工具及数学模型简析 192 11.1 开发语言 192 11.1.1 MATLAB 192 11.1.2 Mathematica 193 11.1.3 Maple 193 11.1.4 其他常用语言 194 11.2 分析软件 195 11.2.1 Excel 195 11.2.2 ArcGIS 195 11.2.3 SPSS 196 11.2.4 GeoDa 196 11.2.5 ENVI 197 11.2.6 AMOS 197 11.2.7 UCINET 198 11.3 模拟软件 198 11.3.1 Vensim 198 11.3.2 NetLogo 199 11.3.3 UrbanSim 199 11.3.4 MEPLAN 200 11.4 常用模型简析 200 11.4.1 协调度分析模型 200 11.4.2 离散选择模型 201 11.4.3 熵值法 204 11.4.4 主成分分析法 206 11.4.5 Cobb-Douglas函数 206 11.4.6 探索性时空数据分析 207 11.4.7 多尺度地理加权回归 210 参考文献 210 后记 212