面向数字城市规划的城市规划模型研究

第２８卷第４期２００６年８月

重庆建筑大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｖ０１．２８Ｎｏ．４

Ａｕｇ．２００６

面向数字城市规划的城市规划模型研究＋

覃驭楚１，一，

学交通与运输学院，北京１０００４４）

牛铮１，林文鹏１，芮小平３，

王长耀１

（１．中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京１００１０１；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９；３．北京交通大

摘要：作为面向数字城市规划的关键技术，地理信息系统技术、遥感技术支撑下的城市规划模型的研究已经成为城市规划领域的热点问题之一。根据规划模型研究的对象和目的的不同，提出将城市规划模型分为综合规划模型和工程专项规划模型，按照这种分类方式这两种模型的研究进展进行了简要的介绍，并对其研究趋势与研究对策进行了分析。关键词：数字城市规划；模型；地理信息系统；遥感

中图分类号：ＴＵ９８４

Ｓｔｕｄｙ

ｏｎ

文献标识码：Ａ文章编号：１００６—７３２９（２００６）０４—０１３８—０４

ＤｉｇｉｔａｌＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇ——ｏｒｉｅｎｔｅｄＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇ

Ｍｏｄｅｌ

Ｃｈａｎｇ—ｙａ０１

ＱＩＮ

（１．Ｓｔａｔｅ

Ｓｃｈｏｏｌｏｆ

Ｙｕ—ｃｈｕｌ”，ＮＩＵＺｈｅｎ９１，ＬＩＮＷｅｎ—ｐｅｎ９１，ＲＵＩＸｉａｏ—ｐｉｎ９３，ＷＡＮＧ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ

１００１０１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ

ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎ９１０００３９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ

ｏｆＴｒａｆｆｉｃａｎｄ

Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）

ｏｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｄｉｇｉｔａｌｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇ，ｒｅｓｅａｒｃｈｓｅｎｓｉｎｇｂｅｃｏｍｅ

ｏｎｅ

ｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇｍｏｄｅｌｓｓｕｐｐｏｓｅｄｂｙＧＩＳａｎｄｒｅｍｏｔｅ

ｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｂｊｅｃｔｓａｎｄａｉｍｓｏｆｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｇ—

ｒｅ－

ｇｅｔｓｔｏｓｅｐａｒａｔｅｔｈｅｍｏｄｅｌｓｉｎｔｏｔｗｏｋｉｎｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｐｌａｎｎｉｎｇｍｏｄｅｌｓａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｒｉｅｎｔｅｄｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎ

ｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｓｅｍｏｄｅｌｓ

ａｓ

ｗｅｌｌ

ａｓ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｒｅｎｄｓａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｓｒｅｓｅａｒｃｈ

ａｒｅ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇ；ｍｏｄｅｌ；ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ

（长期以来城市规划主要依靠定性分析，根据规划人员的经验处理问题，）城市规划是一项系统工程，涉及到城市的社会、经济、文化等众多方面，因而在规划过程中就需要建立一定的评价方法，综合考虑各个

方面的因素，对众多的规划方案进行评价，选择最优的

划的核心领域结合起来产生实质性的科学规划成

果‘２，３｜。

对城市发展过程中一些基本规律利用模型的方式

进行量化的描述，这一直是城市科学工作者追求的目

标，但是城市的产生、发展过程都是在一定的空间区域

规划方案。４长期以来由于缺乏合适的方法和模型，城市规划决策中对方案的选择主要依靠规划人员的经验处理问题，这样就导致城市规划的主观性太强、过分追求物质空间的规划，忽视了规划的科学性，脱离了社会

现实，因此要适应目前城市发展和城市规划的要求，就

上发生，而且受很多复杂因素的影响，因此传统的分析方法无法实现对城市的建模。面向数字城市规划就是利用现有的信息获取和处理技术，结合城市研究的相关理论，对城市发展过程中的经济、社会、环境现象进行模拟，为城市规划提供定量的分析手段和决策支持。它在城市研究与规划中的应用是当代城市科学发展水

平的标志＂１。

１

需要建立科学的城市规划体系，对规划区域做出科学

的、全局性的和可持续的规划决策…。

数字城市作为数字地球战略的重要组成部分，从２０世纪末期提出以来得到了广泛的关注，我国部分城市也利用地理信息系统技术、遥感和网络技术建立了规划信息系统，希望在此基础上实施数字城市规划的战略，然而这些规划信息系统的功能仅仅体现在对城市规划的各种数据的管理和可视化上，并未与城市规

｝收稿日期：２００６一Ｏｌ一１６

城市规划模型的理论与技术支撑

城市规划模型是以城市科学、地理学、经济学等学

科作为理论基础，以计算技术、地理信息系统、遥感和虚拟现实技术作为技术支撑建立的反映城市与区域发

展规律的模型。

基金项目：国家高技术研究发展计划（２００３ＡＡｌ３１１７０），中科院知识创新工程重大项目（ＫＺＣＸｌ一ＳＷ一０１－０２）作者简介：覃驭楚（１９８２一），男，湖北宜昌人，博士生，主要从事遥感和地理信息系统研究。

城市规划模型的核心是城市发展过程中的基本规律。城市是人类重要的聚居地，也是现代文明的摇篮，因此对城市产生、发展规律的研究也是各个学科关注的焦点，然而城市是一个复杂的巨系统，它不仅体现出自然属性，而且体现出强烈的社会属性，不是某一个学科就能全面认识城市的，因此需要探讨融合包括社会科学、自然科学等各方面的研究成果，以此作为理论基础实现城市发展的动态建模∞。Ｊ。

以地理信息系统、遥感和全球定位系统为核心的空间信息技术从上个世纪中叶以来得到了极大的发展，人们对空间数据的获取、分发与分析处理能力大大增强，在高性能计算环境下建立以海量数据驱动的城市规划模型成为可能。虚拟现实等信息可视化的手段为各种数据和规划成果的集成表达提供了基本的平台。规划人员可以充分利用这些模型和技术手段提供科学的城市规划决策¨３＇１４Ｊ。

观概率转换模型的基本假设。

元胞自动机方法是继景观类型概率转换方法之后的又一重要研究方向，它将连续空间网格化，根据空间各类型单元的演变规则和规律，对区域单元网格的变化进行模拟达到对城市整体格局演变模拟的目的。采用元胞自动机方法可以处理具有相互作用的空间单元的关联性变化，是城市演变模拟研究的重要方向，但这种方法关注对特定城市的结构变化规则的提取，建立通用的模型研究较为困难。

随着城市演化模型研究的深入，研究人员逐渐关注城市演化过程中包括自然、人文方面的驱动因子对

城市发展的影响，对城市演化过程中复杂的机理进行

研究。各传统学科逐渐摆脱以往仅仅从单一角度进行研究的模式，探讨多学科交叉的城市研究。取得了一系列的研究成果，并且从不同角度开发了面向不同决策应用的的通用原型系统¨５’１６１（见表１）。

表１

模型名称

２城市规划模型的分类及其研究进展

（城市规划包括城市的长期发展战略规划、总体布局规划以及城市内部具体的工程规划以及场地设计等）城市规划涉及到多学科的专业知识，对不同的规划目的，就需要利用相应的专业知识来规划建模。根据规划的对象和目的可将规划模型分为面向城市布局的综合规划模型和面向工程专项规划模型来探讨。

２．１综合规划模型

ＩＮＤＥＸ

部分城市演化模型及其特点

使用方式

主要特点

开发机构华盛顿大学加州大学圣

ＵｒｂａｎＳｉｍ

共享研究从微观上模拟城市部门的行为

达到城市未来格局模拟的目的共享研究主要考虑城市发展过程中自然

环境影响，基础设施驱动对城市演化模拟

ＳＬＥＵＴＨ

巴巴拉分校

ＤＥＬＴＡ

Ｄａｖｉｄ

ＣｏｎｓｕｈａｎｃｙＣｒｉｔｅｒｉｏｎ

Ｓｉｍｍｏｎｄｓ咨询模型交通条件驱动，模拟居民区演

变、人１３迁移、城市开发情况Ｐｌａｎｎｅｒｓ商业系统城市设计方案与土地利用规划

对居住区内人的影响预测、评价

／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ

综合规划模型主要是指面向城市布局规划和城市土地利用规划方面的模型，城市规划中的这类决策涉及到区域的自然环境、社会、经济等各个方面，因此需要根据不同的规划目的和规划价值取向，考虑诸多因素影响，对不同的规划方案作出合理的评估、对城市的发展格局进行预测。这类模型主要指城市演化模型，由于在城市土地利用供求分析、土里利用评价（土地利用评价）、城市格局预测中的广泛应用使其成为规划模型研究的热点。它也是目前城市规划模型中发展

较为成熟的一种模型。

其中ＵｒｂａｎＳｉｍ模型是华盛顿大学城市模拟与政策分析中心在美国国家自然基金的资助下研究开发的通用城市演化模拟模型。该模型以城市发展过程中的主要部门如家庭、商业机构、房地产开发机构、政府等为研究对象以年为单位进行仿真模拟，它主要由人口与经济迁移模型、居民区与劳动力选址模型、房地产开发模型、地价模型等核心模块组成，从微观上模拟城市发展中各部门的行为选择，从而达到对城市规划方案可能形成的未来城市格局进行预测，以达到对规划方案进行评估的目的ｏ１７Ａ８］。

该系统采用开放的软件体系结构，并且以开放源代码的方式进行软件的免费发布，供城市研究人员和规划开发使用，因此成为目前城市模拟与规划决策支持研究中一个重要的模型。

从２０世纪中叶以来我国科研人员也对城市演化模型进行了一定的研究，包括利用景观概率转换的方式对城市景观进行预测和元胞自动机方法对城市扩展进行模拟，其中周成虎、黎夏、叶嘉安等人利用元胞自动机模型模拟城市扩张，对城市扩张模拟中的细胞状态转换规则进行了深入的研究一’１０Ｊ，在对具体的城市

城市演化模型最初主要是在城市地理学中对城市扩张模式的研究，后来在景观生态学领域也有研究人员对城市景观演化格局预测进行研究＂』，其基本假设

是历史的景观演化与将来的演化趋势一致，依据以往

地面景观演变的历史数据来计算各种景观类型转换的概率，然后根据研究区域演变的统计规律来预测未来地表景观格局。在很多情况下，基于景观类型转换概率的模型并不能反应真实的城市的演化过程，其根本原因是因为城市的演化受政策变化影响较大，而在实际的规划政策的连续性并不能保证，因此满足不了景

区域演化预测方面取得了一定的成果，但由于缺乏多学科交叉的综合研究，对城市扩张机理研究不足，因而无法真正在城市规划中推广应用。２．２工程专项规划模型

计算机辅助设计技术、地理信息系统技术的发展对城市规划设计与管理手段的提高起到了很大的推动

作用，特别表现在规划方案的快速成图与可视化表达、规划历史数据的管理与分发等方面。但是这些技术本

身并未与城市规划的核心领域有机结合取得令人信服的成果，通用的辅助设计平台并不能完全满足各种专业性很强的设计的需求，造成了辅助设计的技术与设计需求之间的鸿沟，这种现象在城市规划中的工程规划中表现的尤为突出。要解决这种矛盾，就需要利用地理信息系统和计算机辅助设计技术等与规划的空间框架相吻合的技术支撑平台，根据规划设计的对象和目标，建立专业领域的应用模型。

城市工程规划作为城市规划建设实施的过程中重

要的环节，主要包括城市交通规划、城市管线规划、绿

地规划、场地设计等方面¨１Ｉ。各个工程专项规划的差

异很大，因此工程规划模型也是按照专业的不同，利用

地理信息系统技术和计算机辅助设计技术提供的支撑平台建立起来的。目前国内外的研究人员在这方面做了大量的研究，并且在一些领域取得了一定的研究成果，产生了一些应用模型（见表２）。其中ＣｉｔｙＧｒｅｅｎ模

型是由美国ＡＭＥＲＩＣＡＮＦＯＲＥＳＴ开发的应用于城市绿地系统规划的模型¨９｜。

表２部分工程专项规划模型

模型名称

应用领域主要特点

ＣｉｔｙＧｒｅｅｎ

城市绿地规划

依靠遥感等信息来源，在地理信息系统分析手段支持下对城市绿地的生态效益进行估算，对绿地规划方案进行评估ＴｒａｎｓＣＡＤ交通规划

整合ＧＩＳ平台，实现交通设计、相关信息与数据管理、显示及分析，对交通状况进行仿真

ＡｕｔｏＰＩＰＥ

城市管线实现城市管线的多维建模、显示，对管线设计与规划系统进行分析计算以及动态仿真ＭｘＳＩＴＥ

场地设计

ＧＩＳ平台支持下设计场景的多维建模、无缝集成多源数据进行空间分析、统计计算与可视化表达

城市绿地系统建设是城市生态环境建设的重要组

ＣｉｔｙＧｒｅｅｎ模型从生态学的角度出发，根据城市绿

以后的绿地建设，也可以在城市绿地规划的过程中对不同的规划方案进行生态效益评估，为城市绿地规划和管理提供科学的决策支持。目前该模型已经在美国２００多个城市的绿地系统规划、环境控制规划与生活

环境评估方面得到应用。

我国研究人员在遥感、地理信息系统等技术的支持下对ＣｉｔｙＧｒｅｅｎ模型进行研究，探讨该模型在城市绿

地的生态效益评价中的应用¨２｜。取得了一定的研究

成果，但是这些研究成果还未能推广到城市绿地系统

规划的实践中去。

３研究趋势

３．１

多学科交叉的城市发展机理研究

城市是一个复杂的系统，城市科学的研究涉及到社会、经济、自然环境等各个方面，要对城市发展过程中的各种现象进行较为准确的建模，就必须进一步综合各个学科的知识，探索城市发展的规律。目前华盛顿大学城市模拟与政策分析中心已经形成了由城市规划、计算机、心理学、生态学、统计学等多个专业领域研究人员组成的研究团队，对城市发展的机理进行研究，进一步研究城市发展的机理及其建模。

３．２基于遥感数据驱动的城市规划模型

大多数城市规划模型基于反映城市历史或者现状的空间数据驱动，而利用常规的手段收集模型所需的

数据存在着周期长、代价昂贵等问题，从而导致城市地

面基础数据缺乏，严重影响城市规划模型在城市规划辅助决策实践中的应用。

快速发展的遥感技术提供了多平台的高空间分辨率、高光谱分辨率的多源影像数据，而基于遥感成像机理的研究以及高性能计算技术的发展为城市地面空间信息的遥感提取和空间分析成为现实，因此利用遥感为城市规划模型提供基本的信息，建立基于多源遥感

数据驱动的模型也就成为城市规划模型走向工程实践的重要解决途径。

三维建模技术为城市规划方案的可视化表现提供

了快捷、直观的方式，成为城市规划与设计不可或缺的辅助设计工具。目前虚拟现实技术作为城市三维仿真

的重要技术支撑平台得到了广泛应用。然而这些只是

虚拟现实技术和城市规划模型对城市规划方案可能产生的城市格局及影响的进行动态的三维可视化仿真，

３．３虚拟现实技术与规划方案的动态可视化

成部分，但是在城市绿地的规划布局中，规划区域到底需要多大的绿地、需要什么样的绿地并没有统一衡量的标准，在这种情况下就无法对城市绿地在城市中发

在停留在对规划方案静态的表现上，而目前的城市规划模型却都停留在二维的平面表现的水平，因此结合

挥的生态功能进行评估，因此导致城市绿地系统规划缺乏科学的规划依据，在规划决策过程中盲目性较大。

地的面积、种类的不同，计算出在城市绿地的综合生态效益，这样既可以对城市现存绿地进行效益评估，指导

使得城市规划人员、城市规划决策者更加直观地分析、

理解规划方案，同时也能增强公众对城市规划的关注

与评价，提高城市规划中的公众参与程度。

３．４

多源数据同化的理论与方法研究

面向数字城市规划的规划模型在研究与应用都要以数据为驱动，然而在城市规划的实际过程中的数据

来自不同的单位和不同的领域，这些数据的格式、精度

与数据的关注的内容也不一样，要在具体的规划模型中使用这些数据，就需要探讨对这些数据进行融合，将

不同来源的数据同化到同一个规划模型中进行应用的理论与方法，从而解决规划模型实际应用中的数据缺乏问题。

城市规划模型作为城市规划中的新技术，它利用只能综合多种因素影响对不同方案进行定量的评估，目前我国已经有一些研究机构对规划模型的研究

的开发与应用，但是总体来说我国还是处于很落后的

要提高我国城市规划模型研究和应用的水平，提

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ｏｎ

Ｌａｎｄ—Ｕｓｅ

Ｐａｔｔｅｒｎｓ［Ｒ］．Ｕ．Ｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ

Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ

Ａｇｅｎｃｙ，ＯｆｆｉｃｅｏｆＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，

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Ｕｒｂａｎ

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｏｒ

Ｌａｎｄ

Ｕｓｅ，ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｌａｎｎｉｎｇ［Ｊ］．

Ｐｒｅｐｒｉｎｔｏｆａｎ

ａｒｔｉｃｌｅｔｈａｔａｐｐｅａｒｅｄｉｎｔｈｅ

ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＡ—

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［１８］ＰａｕｌＷａｄｄｅｌｌ，Ｂｅｔｗｅｅｎ

Ｐｏｌｉｔｉｃｓ

ａｎｄＰｌａｎｎｉｎｇ：ＵｒｂａｎＳｉｍ

ａｓ

ａ

Ｄｅｃｉｓｉｏｎ

ＳｕｐｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍ

ｆｏｒＭｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎＰｌａｎｎｉｎｇ，ｉｎ

Ｂｕｉｌｄｉｎｇｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｓ：ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｉｎｆｏｒ—ｍａｔｉｏｎ，ｍｏｄｅｌｓ，ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎＫｌｏｓｔｅｒｍａｎ，Ｒ

ａｎｄ

Ｒ．Ｂｒａｉｌ

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ａｍｅｎｉｔｉｅｓ：Ａｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｉｎｇｅｎｔｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ

［Ｊ］．Ｌａｎｄｓｃａｐｅ

Ｕｒｂａｎ

Ｐｌａｎ，１９９８，４３：１０５—１１８．

４总结与讨论

人们对城市发展机理的认识和各种技术手段，采取定量的分析模型，为城市规划实践提供科学的决策支持。然而城市是一个复杂的巨系统，人类的认识水平还无

法使用定量的模型对城市的发展做出准确的模拟，而且城市规划本身具有强烈的艺术色彩和主观性，这些

是无法使用定量模型来描述的，因此城市规划模型并不能代替规划人员和规划决策者最终的决策行为，而最终的方案确定还是需要由决策者来做出。

和应用展开了研究，包括对城市发展机理的研究、模型状态。城市规划人员和规划决策者在规划实践中缺乏足够的综合分析手段和决策支持工具，这样使得规划

过程中规划方案的选择受决策者的主观意识影响太

大，容易造成规划决策的失误。

高城市规划决策的科学性，就需要从我国的实际出发，

针对我国目前城市规划的需求和规划模型研究的现

状，有计划的引进国外成熟的模型，通过模型的本地化

改造，在规划实践中应用推广，以满足规划领域的应用

需求。同时也要集成城市科学各个专业领域的研究成果，加强城市发展机理的研究，建立适合我国实际情况的城市发展理论，为深化城市模型的研究与开发提供理论基础，在现有的城市规划信息系统的支持下，建立适合我国实际情况的规划模型开发与应用模式，为实现数字城市规划、形成科学的城市规划决策体系提供有力的理论与技术支持。

ｆ参考文献：

［１］

面向数字城市规划的城市规划模型研究

作者：作者单位：

覃驭楚， 牛铮， 林文鹏， 芮小平， 王长耀， QIN Yu-chu， NIU Zheng， LIN Wen-peng， RUI Xiao-ping， WANG Chang-yao

覃驭楚,QIN Yu-chu(中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京,100101;中国科学院研究生院,北京,100039)， 牛铮,林文鹏,王长耀,NIU Zheng,LIN Wen-peng,WANGChang-yao(中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京,100101)， 芮小平,RUI Xiao-ping(北京交通大学,交通与运输学院,北京,100044)重庆建筑大学学报

JOURNAL OF CHONGQING JIANZHU UNIVERSITY2006,28(4)3次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

参考文献(19条)

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cqjzdxxb200604035.aspx

第２８卷第４期２００６年８月

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王长耀１

（１．中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京１００１０１；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９；３．北京交通大

摘要：作为面向数字城市规划的关键技术，地理信息系统技术、遥感技术支撑下的城市规划模型的研究已经成为城市规划领域的热点问题之一。根据规划模型研究的对象和目的的不同，提出将城市规划模型分为综合规划模型和工程专项规划模型，按照这种分类方式这两种模型的研究进展进行了简要的介绍，并对其研究趋势与研究对策进行了分析。关键词：数字城市规划；模型；地理信息系统；遥感

中图分类号：ＴＵ９８４

Ｓｔｕｄｙ

ｏｎ

文献标识码：Ａ文章编号：１００６—７３２９（２００６）０４—０１３８—０４

ＤｉｇｉｔａｌＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇ——ｏｒｉｅｎｔｅｄＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇ

Ｍｏｄｅｌ

Ｃｈａｎｇ—ｙａ０１

ＱＩＮ

（１．Ｓｔａｔｅ

Ｓｃｈｏｏｌｏｆ

Ｙｕ—ｃｈｕｌ”，ＮＩＵＺｈｅｎ９１，ＬＩＮＷｅｎ—ｐｅｎ９１，ＲＵＩＸｉａｏ—ｐｉｎ９３，ＷＡＮＧ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ

１００１０１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ

ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎ９１０００３９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ

ｏｆＴｒａｆｆｉｃａｎｄ

Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）

ｏｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｄｉｇｉｔａｌｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇ，ｒｅｓｅａｒｃｈｓｅｎｓｉｎｇｂｅｃｏｍｅ

ｏｎｅ

ｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇｍｏｄｅｌｓｓｕｐｐｏｓｅｄｂｙＧＩＳａｎｄｒｅｍｏｔｅ

ｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｂｊｅｃｔｓａｎｄａｉｍｓｏｆｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｇ—

ｒｅ－

ｇｅｔｓｔｏｓｅｐａｒａｔｅｔｈｅｍｏｄｅｌｓｉｎｔｏｔｗｏｋｉｎｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｐｌａｎｎｉｎｇｍｏｄｅｌｓａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｒｉｅｎｔｅｄｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎ

ｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｓｅｍｏｄｅｌｓ

ａｓ

ｗｅｌｌ

ａｓ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｒｅｎｄｓａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｓｒｅｓｅａｒｃｈ

ａｒｅ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇ；ｍｏｄｅｌ；ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ

（长期以来城市规划主要依靠定性分析，根据规划人员的经验处理问题，）城市规划是一项系统工程，涉及到城市的社会、经济、文化等众多方面，因而在规划过程中就需要建立一定的评价方法，综合考虑各个

方面的因素，对众多的规划方案进行评价，选择最优的

划的核心领域结合起来产生实质性的科学规划成

果‘２，３｜。

对城市发展过程中一些基本规律利用模型的方式

进行量化的描述，这一直是城市科学工作者追求的目

标，但是城市的产生、发展过程都是在一定的空间区域

规划方案。４长期以来由于缺乏合适的方法和模型，城市规划决策中对方案的选择主要依靠规划人员的经验处理问题，这样就导致城市规划的主观性太强、过分追求物质空间的规划，忽视了规划的科学性，脱离了社会

现实，因此要适应目前城市发展和城市规划的要求，就

上发生，而且受很多复杂因素的影响，因此传统的分析方法无法实现对城市的建模。面向数字城市规划就是利用现有的信息获取和处理技术，结合城市研究的相关理论，对城市发展过程中的经济、社会、环境现象进行模拟，为城市规划提供定量的分析手段和决策支持。它在城市研究与规划中的应用是当代城市科学发展水

平的标志＂１。

１

需要建立科学的城市规划体系，对规划区域做出科学

的、全局性的和可持续的规划决策…。

数字城市作为数字地球战略的重要组成部分，从２０世纪末期提出以来得到了广泛的关注，我国部分城市也利用地理信息系统技术、遥感和网络技术建立了规划信息系统，希望在此基础上实施数字城市规划的战略，然而这些规划信息系统的功能仅仅体现在对城市规划的各种数据的管理和可视化上，并未与城市规

｝收稿日期：２００６一Ｏｌ一１６

城市规划模型的理论与技术支撑

城市规划模型是以城市科学、地理学、经济学等学

科作为理论基础，以计算技术、地理信息系统、遥感和虚拟现实技术作为技术支撑建立的反映城市与区域发

展规律的模型。

基金项目：国家高技术研究发展计划（２００３ＡＡｌ３１１７０），中科院知识创新工程重大项目（ＫＺＣＸｌ一ＳＷ一０１－０２）作者简介：覃驭楚（１９８２一），男，湖北宜昌人，博士生，主要从事遥感和地理信息系统研究。

城市规划模型的核心是城市发展过程中的基本规律。城市是人类重要的聚居地，也是现代文明的摇篮，因此对城市产生、发展规律的研究也是各个学科关注的焦点，然而城市是一个复杂的巨系统，它不仅体现出自然属性，而且体现出强烈的社会属性，不是某一个学科就能全面认识城市的，因此需要探讨融合包括社会科学、自然科学等各方面的研究成果，以此作为理论基础实现城市发展的动态建模∞。Ｊ。

以地理信息系统、遥感和全球定位系统为核心的空间信息技术从上个世纪中叶以来得到了极大的发展，人们对空间数据的获取、分发与分析处理能力大大增强，在高性能计算环境下建立以海量数据驱动的城市规划模型成为可能。虚拟现实等信息可视化的手段为各种数据和规划成果的集成表达提供了基本的平台。规划人员可以充分利用这些模型和技术手段提供科学的城市规划决策¨３＇１４Ｊ。

观概率转换模型的基本假设。

元胞自动机方法是继景观类型概率转换方法之后的又一重要研究方向，它将连续空间网格化，根据空间各类型单元的演变规则和规律，对区域单元网格的变化进行模拟达到对城市整体格局演变模拟的目的。采用元胞自动机方法可以处理具有相互作用的空间单元的关联性变化，是城市演变模拟研究的重要方向，但这种方法关注对特定城市的结构变化规则的提取，建立通用的模型研究较为困难。

随着城市演化模型研究的深入，研究人员逐渐关注城市演化过程中包括自然、人文方面的驱动因子对

城市发展的影响，对城市演化过程中复杂的机理进行

研究。各传统学科逐渐摆脱以往仅仅从单一角度进行研究的模式，探讨多学科交叉的城市研究。取得了一系列的研究成果，并且从不同角度开发了面向不同决策应用的的通用原型系统¨５’１６１（见表１）。

表１

模型名称

２城市规划模型的分类及其研究进展

（城市规划包括城市的长期发展战略规划、总体布局规划以及城市内部具体的工程规划以及场地设计等）城市规划涉及到多学科的专业知识，对不同的规划目的，就需要利用相应的专业知识来规划建模。根据规划的对象和目的可将规划模型分为面向城市布局的综合规划模型和面向工程专项规划模型来探讨。

２．１综合规划模型

ＩＮＤＥＸ

部分城市演化模型及其特点

使用方式

主要特点

开发机构华盛顿大学加州大学圣

ＵｒｂａｎＳｉｍ

共享研究从微观上模拟城市部门的行为

达到城市未来格局模拟的目的共享研究主要考虑城市发展过程中自然

环境影响，基础设施驱动对城市演化模拟

ＳＬＥＵＴＨ

巴巴拉分校

ＤＥＬＴＡ

Ｄａｖｉｄ

ＣｏｎｓｕｈａｎｃｙＣｒｉｔｅｒｉｏｎ

Ｓｉｍｍｏｎｄｓ咨询模型交通条件驱动，模拟居民区演

变、人１３迁移、城市开发情况Ｐｌａｎｎｅｒｓ商业系统城市设计方案与土地利用规划

对居住区内人的影响预测、评价

／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｉｎｃ

综合规划模型主要是指面向城市布局规划和城市土地利用规划方面的模型，城市规划中的这类决策涉及到区域的自然环境、社会、经济等各个方面，因此需要根据不同的规划目的和规划价值取向，考虑诸多因素影响，对不同的规划方案作出合理的评估、对城市的发展格局进行预测。这类模型主要指城市演化模型，由于在城市土地利用供求分析、土里利用评价（土地利用评价）、城市格局预测中的广泛应用使其成为规划模型研究的热点。它也是目前城市规划模型中发展

较为成熟的一种模型。

其中ＵｒｂａｎＳｉｍ模型是华盛顿大学城市模拟与政策分析中心在美国国家自然基金的资助下研究开发的通用城市演化模拟模型。该模型以城市发展过程中的主要部门如家庭、商业机构、房地产开发机构、政府等为研究对象以年为单位进行仿真模拟，它主要由人口与经济迁移模型、居民区与劳动力选址模型、房地产开发模型、地价模型等核心模块组成，从微观上模拟城市发展中各部门的行为选择，从而达到对城市规划方案可能形成的未来城市格局进行预测，以达到对规划方案进行评估的目的ｏ１７Ａ８］。

该系统采用开放的软件体系结构，并且以开放源代码的方式进行软件的免费发布，供城市研究人员和规划开发使用，因此成为目前城市模拟与规划决策支持研究中一个重要的模型。

从２０世纪中叶以来我国科研人员也对城市演化模型进行了一定的研究，包括利用景观概率转换的方式对城市景观进行预测和元胞自动机方法对城市扩展进行模拟，其中周成虎、黎夏、叶嘉安等人利用元胞自动机模型模拟城市扩张，对城市扩张模拟中的细胞状态转换规则进行了深入的研究一’１０Ｊ，在对具体的城市

城市演化模型最初主要是在城市地理学中对城市扩张模式的研究，后来在景观生态学领域也有研究人员对城市景观演化格局预测进行研究＂』，其基本假设

是历史的景观演化与将来的演化趋势一致，依据以往

地面景观演变的历史数据来计算各种景观类型转换的概率，然后根据研究区域演变的统计规律来预测未来地表景观格局。在很多情况下，基于景观类型转换概率的模型并不能反应真实的城市的演化过程，其根本原因是因为城市的演化受政策变化影响较大，而在实际的规划政策的连续性并不能保证，因此满足不了景

区域演化预测方面取得了一定的成果，但由于缺乏多学科交叉的综合研究，对城市扩张机理研究不足，因而无法真正在城市规划中推广应用。２．２工程专项规划模型

计算机辅助设计技术、地理信息系统技术的发展对城市规划设计与管理手段的提高起到了很大的推动

作用，特别表现在规划方案的快速成图与可视化表达、规划历史数据的管理与分发等方面。但是这些技术本

身并未与城市规划的核心领域有机结合取得令人信服的成果，通用的辅助设计平台并不能完全满足各种专业性很强的设计的需求，造成了辅助设计的技术与设计需求之间的鸿沟，这种现象在城市规划中的工程规划中表现的尤为突出。要解决这种矛盾，就需要利用地理信息系统和计算机辅助设计技术等与规划的空间框架相吻合的技术支撑平台，根据规划设计的对象和目标，建立专业领域的应用模型。

城市工程规划作为城市规划建设实施的过程中重

要的环节，主要包括城市交通规划、城市管线规划、绿

地规划、场地设计等方面¨１Ｉ。各个工程专项规划的差

异很大，因此工程规划模型也是按照专业的不同，利用

地理信息系统技术和计算机辅助设计技术提供的支撑平台建立起来的。目前国内外的研究人员在这方面做了大量的研究，并且在一些领域取得了一定的研究成果，产生了一些应用模型（见表２）。其中ＣｉｔｙＧｒｅｅｎ模

型是由美国ＡＭＥＲＩＣＡＮＦＯＲＥＳＴ开发的应用于城市绿地系统规划的模型¨９｜。

表２部分工程专项规划模型

模型名称

应用领域主要特点

ＣｉｔｙＧｒｅｅｎ

城市绿地规划

依靠遥感等信息来源，在地理信息系统分析手段支持下对城市绿地的生态效益进行估算，对绿地规划方案进行评估ＴｒａｎｓＣＡＤ交通规划

整合ＧＩＳ平台，实现交通设计、相关信息与数据管理、显示及分析，对交通状况进行仿真

ＡｕｔｏＰＩＰＥ

城市管线实现城市管线的多维建模、显示，对管线设计与规划系统进行分析计算以及动态仿真ＭｘＳＩＴＥ

场地设计

ＧＩＳ平台支持下设计场景的多维建模、无缝集成多源数据进行空间分析、统计计算与可视化表达

城市绿地系统建设是城市生态环境建设的重要组

ＣｉｔｙＧｒｅｅｎ模型从生态学的角度出发，根据城市绿

以后的绿地建设，也可以在城市绿地规划的过程中对不同的规划方案进行生态效益评估，为城市绿地规划和管理提供科学的决策支持。目前该模型已经在美国２００多个城市的绿地系统规划、环境控制规划与生活

环境评估方面得到应用。

我国研究人员在遥感、地理信息系统等技术的支持下对ＣｉｔｙＧｒｅｅｎ模型进行研究，探讨该模型在城市绿

地的生态效益评价中的应用¨２｜。取得了一定的研究

成果，但是这些研究成果还未能推广到城市绿地系统

规划的实践中去。

３研究趋势

３．１

多学科交叉的城市发展机理研究

城市是一个复杂的系统，城市科学的研究涉及到社会、经济、自然环境等各个方面，要对城市发展过程中的各种现象进行较为准确的建模，就必须进一步综合各个学科的知识，探索城市发展的规律。目前华盛顿大学城市模拟与政策分析中心已经形成了由城市规划、计算机、心理学、生态学、统计学等多个专业领域研究人员组成的研究团队，对城市发展的机理进行研究，进一步研究城市发展的机理及其建模。

３．２基于遥感数据驱动的城市规划模型

大多数城市规划模型基于反映城市历史或者现状的空间数据驱动，而利用常规的手段收集模型所需的

数据存在着周期长、代价昂贵等问题，从而导致城市地

面基础数据缺乏，严重影响城市规划模型在城市规划辅助决策实践中的应用。

快速发展的遥感技术提供了多平台的高空间分辨率、高光谱分辨率的多源影像数据，而基于遥感成像机理的研究以及高性能计算技术的发展为城市地面空间信息的遥感提取和空间分析成为现实，因此利用遥感为城市规划模型提供基本的信息，建立基于多源遥感

数据驱动的模型也就成为城市规划模型走向工程实践的重要解决途径。

三维建模技术为城市规划方案的可视化表现提供

了快捷、直观的方式，成为城市规划与设计不可或缺的辅助设计工具。目前虚拟现实技术作为城市三维仿真

的重要技术支撑平台得到了广泛应用。然而这些只是

虚拟现实技术和城市规划模型对城市规划方案可能产生的城市格局及影响的进行动态的三维可视化仿真，

３．３虚拟现实技术与规划方案的动态可视化

成部分，但是在城市绿地的规划布局中，规划区域到底需要多大的绿地、需要什么样的绿地并没有统一衡量的标准，在这种情况下就无法对城市绿地在城市中发

在停留在对规划方案静态的表现上，而目前的城市规划模型却都停留在二维的平面表现的水平，因此结合

挥的生态功能进行评估，因此导致城市绿地系统规划缺乏科学的规划依据，在规划决策过程中盲目性较大。

地的面积、种类的不同，计算出在城市绿地的综合生态效益，这样既可以对城市现存绿地进行效益评估，指导

使得城市规划人员、城市规划决策者更加直观地分析、

理解规划方案，同时也能增强公众对城市规划的关注

与评价，提高城市规划中的公众参与程度。

３．４

多源数据同化的理论与方法研究

面向数字城市规划的规划模型在研究与应用都要以数据为驱动，然而在城市规划的实际过程中的数据

来自不同的单位和不同的领域，这些数据的格式、精度

与数据的关注的内容也不一样，要在具体的规划模型中使用这些数据，就需要探讨对这些数据进行融合，将

不同来源的数据同化到同一个规划模型中进行应用的理论与方法，从而解决规划模型实际应用中的数据缺乏问题。

城市规划模型作为城市规划中的新技术，它利用只能综合多种因素影响对不同方案进行定量的评估，目前我国已经有一些研究机构对规划模型的研究

的开发与应用，但是总体来说我国还是处于很落后的

要提高我国城市规划模型研究和应用的水平，提

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ｏｎ

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Ｌａｎｄ

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Ｐｒｅｐｒｉｎｔｏｆａｎ

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ａｓ

ａ

Ｄｅｃｉｓｉｏｎ

ＳｕｐｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍ

ｆｏｒＭｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎＰｌａｎｎｉｎｇ，ｉｎ

Ｂｕｉｌｄｉｎｇｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｓ：ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｉｎｆｏｒ—ｍａｔｉｏｎ，ｍｏｄｅｌｓ，ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎＫｌｏｓｔｅｒｍａｎ，Ｒ

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Ｒ．Ｂｒａｉｌ

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［Ｊ］．Ｌａｎｄｓｃａｐｅ

Ｕｒｂａｎ

Ｐｌａｎ，１９９８，４３：１０５—１１８．

４总结与讨论

人们对城市发展机理的认识和各种技术手段，采取定量的分析模型，为城市规划实践提供科学的决策支持。然而城市是一个复杂的巨系统，人类的认识水平还无

法使用定量的模型对城市的发展做出准确的模拟，而且城市规划本身具有强烈的艺术色彩和主观性，这些

是无法使用定量模型来描述的，因此城市规划模型并不能代替规划人员和规划决策者最终的决策行为，而最终的方案确定还是需要由决策者来做出。

和应用展开了研究，包括对城市发展机理的研究、模型状态。城市规划人员和规划决策者在规划实践中缺乏足够的综合分析手段和决策支持工具，这样使得规划

过程中规划方案的选择受决策者的主观意识影响太

大，容易造成规划决策的失误。

高城市规划决策的科学性，就需要从我国的实际出发，

针对我国目前城市规划的需求和规划模型研究的现

状，有计划的引进国外成熟的模型，通过模型的本地化

改造，在规划实践中应用推广，以满足规划领域的应用

需求。同时也要集成城市科学各个专业领域的研究成果，加强城市发展机理的研究，建立适合我国实际情况的城市发展理论，为深化城市模型的研究与开发提供理论基础，在现有的城市规划信息系统的支持下，建立适合我国实际情况的规划模型开发与应用模式，为实现数字城市规划、形成科学的城市规划决策体系提供有力的理论与技术支持。

ｆ参考文献：

［１］

面向数字城市规划的城市规划模型研究

作者：作者单位：

覃驭楚， 牛铮， 林文鹏， 芮小平， 王长耀， QIN Yu-chu， NIU Zheng， LIN Wen-peng， RUI Xiao-ping， WANG Chang-yao

覃驭楚,QIN Yu-chu(中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京,100101;中国科学院研究生院,北京,100039)， 牛铮,林文鹏,王长耀,NIU Zheng,LIN Wen-peng,WANGChang-yao(中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室,北京,100101)， 芮小平,RUI Xiao-ping(北京交通大学,交通与运输学院,北京,100044)重庆建筑大学学报

JOURNAL OF CHONGQING JIANZHU UNIVERSITY2006,28(4)3次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cqjzdxxb200604035.aspx