城市模拟模型（UrbanSim）简介与可视化分析

费姝苏

（河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243031）

0 引言

地理信息系统可以采集、管理、分析和输出多种城市空间实体信息；以城市模型方法为手段，利用地理信息系统可以对城市进行空间分析、多要素综合分析和动态预测。Python 语言作为地理信息系统软件中空间建模的开发语言，如何在地理信息系统软件中充分利用该语言来进行空间分析与空间建模已成为地理信息系统开发热点之一。本文以地理信息系统可视化方式出发，对城市模拟模型中的模型进行可视化分析展示，对后续研究有一定引导作用。

1 UrbanSim 模型简介

城市模拟模型最大的特点就是它以城市发展过程中的主要部门（住户、商业、开发者、政府等）为研究对象，以年为单位，既可以模拟单一用地或交通项目的影响，也可以对一系列规划项目按实施计划逐年地进行动态模拟。用于城市土地利用、交通需求和城市政策等综合作用模拟分析。

1.1 城市模拟模型主要模型

在城市模拟模型中，通常每个模型每一次操作就模拟一年的数据流，数据存储中包含系统中所有对象的当前状态，仅有个别类型数据可以按需求归类，或按照用户要求的文件而处理到外部工具系统中。城市模拟模型的主模型组成就是经济和人口的过渡模型、家庭就业迁移模型、可达性模型、家庭和就业选址模型，房地产发展模型和土地价格模型。UrbanSim 在对模型进行模拟后，可将模拟结果以用户需要的文件格式写入输出模块，以便进一步地分析和处理。

1.2 主要模型介绍

1.2.1 可达性模型

可达性对城市空间有很重要的影响，在城市模拟模型中扮演了重要的角色。几乎所有的城市模拟模型都考虑到了可达性的影响。在城市模拟模型中用总体架构的方式来考虑可达性，将工作地点的选择看做外部因素，并且使用到达城市中或预定工作地点的可达性来选择居住地点。总体架构是总结从每个图斑区到达各个活动区的可能性，这个可达性在家庭和就业选址模型中是非常重要的考虑因素。

1.2.2 选址模型

主要包含两大类：就业选址模型和家庭选址模型。

在就业选址模型中，预测这样事件的概率：一份工作，要么是新的（来自经济迁移模型），或已迁往该地区内的（来自就业迁移模型），并将此概率定位在一个特定的地点。网格作为分析中使用的基本的地理单元，其中含有工作占领空间变量数量。可用的工作地点在一个网格单元中的数量将主要取决于细胞中非住宅楼地段的面积，以及空间使用密度（每平方英尺雇员密度）。

家庭选址模型是为现在没有居住地的家庭进行选址。对于这样的家庭，它们是随机从空置的房屋中选择居住样例的。每个家庭出于各自的意愿来评价各个样例选择，而这些意愿是通过多项log 离散选择模型基于已有的观测数据所做出的。

1.3 土地价格模型

城市模拟模型的土地价格模型中使用了Hedonic 回归模型，土地价格模型模拟了每个栅格单元随着土地特征改变的土地价格。土地价格的变动主要依据城市经济学理论而来，该理论将土地价值转变为资本置于土地价格中。该回归模型考虑了地址、临近地点、可达性、土地价格政策等因素。同时，它也综合了本区域和区域间空置率对于总体土地价格短期波动的影响。

1.4 房地产发展模型

房地产发展模型通过新发展的建筑数据或是已存建筑的转变模拟新房地产建筑。其中的数据采用格网单元数据，以150×150 为单位。图层数据的预处理包含图层与网格单元的叠交，从而在构建出每个单元中房地产开发的综合面貌。房地产发展模型的内在自变量参数有很多，可分为四类：城市设计范围、区域、城市的土地闲置率。

2 可视化分析

2.1 基于GIS 的模型可视化系统设计

随着地理信息系统在各个领域的广泛深入应用，人们对数据的可视化已经不再满足于二维表现形式。城市模拟模型软件最新版本虽然能够对数据进行简单的二维可视化（地图或表单），但是因为表现形式过于单一已经不能满足研究对数据可视化的需要。因此需要借助地理信息系统软件对模拟结果进行可视化。

图1 尤金洲工作数量分布图

图2 尤金洲工作数量分布图

图3 尤金住房和就业对比图

城市模拟模型与地理信息系统软件的松散耦合去做可视化集成效率很低。可以到处制作漂亮的地图数据，但是在探索工作上太费时间。而且动态地图也是需要思考的问题。需要采取综合的空间分析，可以用Python 的数字图像处理软件包进行快速空间查询。若要解决以上问题，使城市模拟模型的可视化能够灵活自如，必须采用紧密集成的方法。

2.2 尤金应用案例可视化系统分析

俄勒冈州的尤金网格工程是两个可用的原始样例工程之一。该工程完全依赖于政府提供的数据，和1980 年尤金-斯普林菲尔德条件相似——俄勒冈州的大都市区。这个工程是城市模拟模型应用的第一代案例，把150 米×150 米的网格作为地理单元。在1996 至1998 年间，这些模型发展成为城市模拟模型的原始模型。在那之后很多模型都做了大量修改，比如基于图斑的西雅图工程。

尤金的基于网格数据工程可以加载到图形用户界面，并可以用模型运行基准仿真。但是模型的规范模式不能加载，因此模型不能轻易重新指定或者估计。

下面以尤金为例，简单探讨一下城市模拟模型的可视化分析。

如果要可视化尤金工作数量分布，最直观的方法自然是用地图表示。所以主要的问题就是填充地图的颜色选择。第一种方案是选择几种不同的颜色，这里选择了九种，来表现数量级，如图1。第二种是选用渐变色，如图2。

图3 描绘了住房和就业的对比，使用271 交通区域分析为依据作比较。该图显示比例根据住户和就业人数分别的观测值和模拟值从1980 年至1994 年的变化。例如，负500 或以下的类别表明，从1980 至1994 年家庭或工作变动被该模型低估至少500。

可以清楚看出，如要表现两种因素的对比，柱状图是最好表现方式。

3 结论

研究表明：地理信息系统软件提供强大可视化展示平台，可以通过脚本语言在多种系统上交叉运行使用。应用Python 语言编程在地理信息系统软件平台中嵌入城市模拟模型功能，以实现城市模拟模型数据管理，数据输入输出可视化表达方法切实可行。但由于城市模拟模型子模型种类较多，如何将地理信息系统软件的更多功能用于城市动态模拟，实现数据无缝对接，并对模拟结果进行更加精细分析应用仍是需要解决的问题。

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