城市模擬模型（UrbanSim）簡介與可視化分析

費姝蘇

（河海大學文天學院，安徽 馬鞍山 243031）

0 引言

地理信息系統可以采集、管理、分析和輸出多種城市空間實體信息；以城市模型方法為手段，利用地理信息系統可以對城市進行空間分析、多要素綜合分析和動態預測。Python 語言作為地理信息系統軟件中空間建模的開發語言，如何在地理信息系統軟件中充分利用該語言來進行空間分析與空間建模已成為地理信息系統開發熱點之一。本文以地理信息系統可視化方式出發，對城市模擬模型中的模型進行可視化分析展示，對后續研究有一定引導作用。

1 UrbanSim 模型簡介

城市模擬模型最大的特點就是它以城市發展過程中的主要部門（住戶、商業、開發者、政府等）為研究對象，以年為單位，既可以模擬單一用地或交通項目的影響，也可以對一系列規劃項目按實施計劃逐年地進行動態模擬。用于城市土地利用、交通需求和城市政策等綜合作用模擬分析。

1.1 城市模擬模型主要模型

在城市模擬模型中，通常每個模型每一次操作就模擬一年的數據流，數據存儲中包含系統中所有對象的當前狀態，僅有個別類型數據可以按需求歸類，或按照用戶要求的文件而處理到外部工具系統中。城市模擬模型的主模型組成就是經濟和人口的過渡模型、家庭就業遷移模型、可達性模型、家庭和就業選址模型，房地產發展模型和土地價格模型。UrbanSim 在對模型進行模擬后，可將模擬結果以用戶需要的文件格式寫入輸出模塊，以便進一步地分析和處理。

1.2 主要模型介紹

1.2.1 可達性模型

可達性對城市空間有很重要的影響，在城市模擬模型中扮演了重要的角色。幾乎所有的城市模擬模型都考慮到了可達性的影響。在城市模擬模型中用總體架構的方式來考慮可達性，將工作地點的選擇看做外部因素，并且使用到達城市中或預定工作地點的可達性來選擇居住地點。總體架構是總結從每個圖斑區到達各個活動區的可能性，這個可達性在家庭和就業選址模型中是非常重要的考慮因素。

1.2.2 選址模型

主要包含兩大類：就業選址模型和家庭選址模型。

在就業選址模型中，預測這樣事件的概率：一份工作，要么是新的（來自經濟遷移模型），或已遷往該地區內的（來自就業遷移模型），并將此概率定位在一個特定的地點。網格作為分析中使用的基本的地理單元，其中含有工作占領空間變量數量。可用的工作地點在一個網格單元中的數量將主要取決于細胞中非住宅樓地段的面積，以及空間使用密度（每平方英尺雇員密度）。

家庭選址模型是為現在沒有居住地的家庭進行選址。對于這樣的家庭，它們是隨機從空置的房屋中選擇居住樣例的。每個家庭出于各自的意愿來評價各個樣例選擇，而這些意愿是通過多項log 離散選擇模型基于已有的觀測數據所做出的。

1.3 土地價格模型

城市模擬模型的土地價格模型中使用了Hedonic 回歸模型，土地價格模型模擬了每個柵格單元隨著土地特征改變的土地價格。土地價格的變動主要依據城市經濟學理論而來，該理論將土地價值轉變為資本置于土地價格中。該回歸模型考慮了地址、臨近地點、可達性、土地價格政策等因素。同時，它也綜合了本區域和區域間空置率對于總體土地價格短期波動的影響。

1.4 房地產發展模型

房地產發展模型通過新發展的建筑數據或是已存建筑的轉變模擬新房地產建筑。其中的數據采用格網單元數據，以150×150 為單位。圖層數據的預處理包含圖層與網格單元的疊交，從而在構建出每個單元中房地產開發的綜合面貌。房地產發展模型的內在自變量參數有很多，可分為四類：城市設計范圍、區域、城市的土地閑置率。

2 可視化分析

2.1 基于GIS 的模型可視化系統設計

隨著地理信息系統在各個領域的廣泛深入應用，人們對數據的可視化已經不再滿足于二維表現形式。城市模擬模型軟件最新版本雖然能夠對數據進行簡單的二維可視化（地圖或表單），但是因為表現形式過于單一已經不能滿足研究對數據可視化的需要。因此需要借助地理信息系統軟件對模擬結果進行可視化。

圖1 尤金洲工作數量分布圖

圖2 尤金洲工作數量分布圖

圖3 尤金住房和就業對比圖

城市模擬模型與地理信息系統軟件的松散耦合去做可視化集成效率很低。可以到處制作漂亮的地圖數據，但是在探索工作上太費時間。而且動態地圖也是需要思考的問題。需要采取綜合的空間分析，可以用Python 的數字圖像處理軟件包進行快速空間查詢。若要解決以上問題，使城市模擬模型的可視化能夠靈活自如，必須采用緊密集成的方法。

2.2 尤金應用案例可視化系統分析

俄勒岡州的尤金網格工程是兩個可用的原始樣例工程之一。該工程完全依賴于政府提供的數據，和1980 年尤金-斯普林菲爾德條件相似——俄勒岡州的大都市區。這個工程是城市模擬模型應用的第一代案例，把150 米×150 米的網格作為地理單元。在1996 至1998 年間，這些模型發展成為城市模擬模型的原始模型。在那之后很多模型都做了大量修改，比如基于圖斑的西雅圖工程。

尤金的基于網格數據工程可以加載到圖形用戶界面，并可以用模型運行基準仿真。但是模型的規范模式不能加載，因此模型不能輕易重新指定或者估計。

下面以尤金為例，簡單探討一下城市模擬模型的可視化分析。

如果要可視化尤金工作數量分布，最直觀的方法自然是用地圖表示。所以主要的問題就是填充地圖的顏色選擇。第一種方案是選擇幾種不同的顏色，這里選擇了九種，來表現數量級，如圖1。第二種是選用漸變色，如圖2。

圖3 描繪了住房和就業的對比，使用271 交通區域分析為依據作比較。該圖顯示比例根據住戶和就業人數分別的觀測值和模擬值從1980 年至1994 年的變化。例如，負500 或以下的類別表明，從1980 至1994 年家庭或工作變動被該模型低估至少500。

可以清楚看出，如要表現兩種因素的對比，柱狀圖是最好表現方式。

3 結論

研究表明：地理信息系統軟件提供強大可視化展示平臺，可以通過腳本語言在多種系統上交叉運行使用。應用Python 語言編程在地理信息系統軟件平臺中嵌入城市模擬模型功能，以實現城市模擬模型數據管理，數據輸入輸出可視化表達方法切實可行。但由于城市模擬模型子模型種類較多，如何將地理信息系統軟件的更多功能用于城市動態模擬，實現數據無縫對接，并對模擬結果進行更加精細分析應用仍是需要解決的問題。

［1］郭仁忠.空間分析[M].武漢測繪科技大學出版社，1997.

［2］Paul Waddell.OPUS：AN OPEN PALTFORM FOR URBAN SIMULATION[D].University of Washington，2009.

［3］鄭思齊，等.北京寫字樓市場空間一體化模型研究[J].城市發展研究，2012，2(19):116-124.

［4］史進，童昕，等.新城轉型中的土地利用與能耗變化——UrbanSim 應用探索[J].城市發展研究，2012，2(19):98-107.