绪论
（一）研究背景及意义
当前，我国正处于快速城镇化阶段，该阶段以大规模的城市建设用地开发为特征，也伴随粗放低效的城市扩张，且“土地城镇化”快于“人口城镇化”，而城市建设用地开发以获得最高土地收益为目标，从而导致城市空间形态的不确定性和随机性过大。城市本身就是一个动态的复杂系统，其空间的扩张不仅受到自然的制约，也受到社会、经济、文化等多方面因素的影响，其发展过程很难精准预测，而试验又具有不可逆性，代价太大。根据以往其他城市规划方案的经验，静态和宏观的传统城市模型面临巨大的挑战，所以有必要引入新模型来进行优化，其中基于局部个体空间相互作用的微观离散动力学模型以元胞自动机模型和多智能体模型为代表。
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（二）国内外研究现状
1.城市形态的概念界定
关于城市形态的概念，国内外学者的研究主要有广义和狭义之分：狭义的城市形态是指城市实体所表现出来的具体的空间物质形态。广义的城市形态是一种复杂的经济、文化现象和社会过程，是在特定的地理环境和一定的社会经济发展阶段中，人类各种活动与自然因素相互作用的综合结果，是人们通过各种方式去认识、感知并反映城市整体的总体意象。齐康在《城市环境规划设计与方法》一书中，将城市形态结构定义为构成城市所表现的发展变化着的空间形态特征，这种变化是城市这个有机体内外矛盾的结果1。武进将城市形态定义为由结构、形状和相互关系组成的一个空间系统2。本文参照已有研究采用广义的城市形态概念。
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2.城市形态演变的国外研究进展
城市形态理论最早产生于地理学对城市形态结构的研究，早期研究重点是分析地表上各种聚落形态与地形、地理环境和交通线等的关系。20 世纪初期，城市形态的研究才成为一项普遍关注的研究专题，但这时期仍以地理学界的研究为主。20 世纪 20 年代，研究开始达到了一个新的阶段，其主要特征不再以聚落形态及历史变化的静态描述为主，而是深入到城市内部，探讨城市内部结构与社会、经济方式和功能的关系。1923 年美国芝加哥大学伯吉斯提出了同心圆模式3。1939 年，美国经济学家霍伊特提出了扇形模式4。1945 年，美国学者哈里斯和乌尔曼提出了城市多核心模式5。50 年代以后，世界城市化与工业化进程带来居住、工作、交通、环境等一系列与城市的问题，促使人们进一步了解城市的构成和布局，其特征主要表现为研究方法的数量化和模式化，开始从对城市形态单纯的定性描述转向精确定量化的理论分析。60 年代以后，城市形态理论的研究从形态学发展到对城市建设周期、地租理论和居民心理行为的研究，这一时期，城市形态的研究从中欧转移到了英国，但德国传统的形态学思想仍起着重要的作用6。在 20 世纪 90 年代，一种被称为新城市主义的创造和复兴城镇社区的方法在美国悄然出现，它力图使现代生活的各个部分重新成为一个整体，即居住、工作、商业和娱乐设施结合在一起，成为一种紧凑的、适宜步行的混合使用的新型社区7。总体来说，欧洲各国研究城市形态比较注重城市景观和几何形态特征，日本着重于城市地域结构的分析，而美国则较多注重城市社会、商业、服务业和工业分布的区位特征以及政治和文化异质性所产生的社会分层现象在城市形态结构形态中的具体表现。
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一、相关理论基础
（一）元胞自动机理论（CA 模型）
元胞自动机（CA，CellularAutomata）的基本思想是利用大量的简单元件，通过简单的连接和运算规则，在时空中并行、持续运行，从而模拟复杂现象25。凡是满足其一系列构造规则的模型都可称为元胞自动机模型，因此可以将元胞自动机视为一类模型的总称，或者一种方法框架。元胞又称单元或基元，是元胞自动机的最基本的组成部分，具有离散、有限的状态，严格意义上，一个元胞只能有一个状态变量。邻居源于空间事物特性受邻近事物性质影响最大的思想，用于描述元胞的邻近空间或空间局部范围。在一维元胞自动机中，一个元胞 r 半径范围内的所有元胞都被认为是该元胞的邻居；元胞自动机中，一个元胞下一时刻的状态决定于本身状态和它的邻居元胞状态。规则是根据元胞当前状态及其邻居状况确定下一时刻该元胞状态的动力学函数，即一个状态转移函数。一个元胞的所有可能状态及控制该元胞状态变换的规则称为一个变换函数。元胞自动机是一个动态系统，它在时间维上的变化是离散的，即时间 t 是一个整数值，而且连续等间距，t 时刻某个元胞及其所有邻居的状态组合来确定t+1 时刻该元胞的状态。
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（二）城市形态扩散理论
因为技术创新在空间分布上不均衡，所以创新由核心扩展到边缘直到外缘，技术创新将导致城市功能区的空间替换，使得原有功能区向外缘推移26。Friedman 提出了核心—边缘的空间扩散理论。认为区域经济增长的同时，必然伴随区域空间结构的改变，它主要依附于极化和扩散两种影响因素来解释核心区和边缘区的空间演变，经济增长的空间动态演化过程大致可以划分为前工业阶段、工业化初期阶段、工业化成熟阶段和空间相对均衡阶段；同时，区域发展是以少数的核心地区为基础，通过一个不连续的、不断积累的过程，促使核心区经济与空间向边缘区扩散发展。总的来说，核心—边缘理论综合考虑的是核心与边缘之间的作用关系，强调的是核心区域对边缘区域的支配作用，以及边缘区域对核心区域的依附作用。
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三、基于 BP 神经网络的 CA 城市模拟.......36
（一）研究区数据概况 ...........36
（二）模型结构 .............39
（三）基于 BP 神经网络的城市发展潜力计算............40
1.城市发展驱动因子计算 .....40
2.BP 神经网络搭建与城市发展潜力计算 .........49
3.城市发展驱动因子定量评估 .......51
（四）长春市城市形态模拟模型约束条件的计算.......53
1.抑制性条件......53
2.促进性条件......54
（五）长春市城市形态模拟模型的建立.............5
1.模型模拟..........55
2.模型精度验证 ...........56
四、长春市城市形态发展预测与优化路径............58
（一）基于 ANN-CA 模型的长春市城市形态发展预测........58
（二）长春市城市形态优化路径建议.......61
五、总结与展望 ......64
（一）主要研究结论 .....64
（二）研究展望 .............65
四、长春市城市形态发展预测与优化路径
（一）基于 ANN-CA 模型的长春市城市形态发展预测
通过上一章我们已经建立了长春市城市形态模拟 ANN-CA 的模型，在已经证明了模型精度较好的基础上，即可将其运用于对未来的城市形态预测中，通常，城市用地扩张模拟是以规划的建设用地规模为前提进行的，因此为了更好地模拟长春市的未来空间发展布局，按照建设东北亚区域性中心城市的战略目标，统筹空间资源，合理匹配城镇、农业、生态三大空间规模，结合长春市多规合一工作，对长春市建设用地发展规模进行了到 2020 年、2030 年及 2049 年的分阶段预测。其中，至 2020 年，长春市区经济规模约为 5500-7000 亿元，人口 550-570万人，建设用地 850-900 平方公里；至 2030 年，长春市区经济规模为 9000-14000亿元，人口 670-710 万人，建设用地 991-1130 平方公里；至 2049 年，长春市区可建成经济总量达 15000-25000 亿元，人口 780-810 万人，建设用地 1180-1370平方公里的国际化大都市区。在建设用地规模预测的基础上，假设预测期内高程、水系、交通等城市发展潜力因子不会发生较大变化，然后根据长春市社会经济发展趋势及城市形态演变特征，提炼出各个阶段内政策、规划等对城市发展形态有重要影响的因素，作为新的约束条件，即可在 2014 年长春市城市形态模拟模型的基础上优化得到预测期的城市形态模拟模型，进而得到各个时间点对应的城市空间形态，具体模拟过程与结果在下文中进一步阐述。
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结论
本研究在归纳梳理城市形态演变、元胞自动机、BP 神经网络相关理论基础上，通过查阅长春市历史资料，分析了长春市城市空间形态演变的过程与特征，研究了城市形态演变影响因素及其与经济社会发展的耦合关系。在此基础上，按照东北亚区域性中心城市的战略目标，预测长春市未来经济、人口、用地规模，并通过 Matlab 平台建立基于耦合 BP 神经网络的城市空间演变元胞自动机模型，推演了长春未来城市形态发展格局，并提出相应优化路径建议，主要得出以下结论：
（1）同心圆圈层扩展向点轴扩展方式演变。目前长春市逐渐形成中心城区与长春新区两大发展核心，东北、西南两大产业轴不断壮大，东南生态产业轴也已经开始布局。结合“五横六纵”的城市交通线网体系，目前，已经逐渐形成了“多中心、分散组团、轴向扩展”的格局。这势必带来摊大饼的扩张模式，强化中心城区的压力，故建议要加大对南部、北部、西部新城公共服务设施的配置，尽快形成新的城市中心，疏解老城压力。老城结合旧城改造，增加公共空间，增加生态空间，降低人口密度，降低建筑强度，保持老城活力。
（2）不同阶段的城市形态预测为长春市下一轮城市总体规划编制提供有力支撑。按照东北亚区域性中心城市的建设目标，基于CA模型分别模拟2020年、2030 年、2049 年三个时段的城市形态，分别给出城市建设用地重点向长春新区和南部新城、西部新城方向拓展的结论。建议在模拟的空间发展方向上，利用多规合一的平台，进行认真的研究，准确划定城镇、生产和生活空间，确定城市增长空间控制线、生态保护红线、永久性基本农田保护红线，并制定具体的管控措施，保证城市在合理的空间内有序增长。
（3）通过定性分析和定量计算，城市交通和基础设施建设是影响长春市城市空间形态演变的主要因素。建议长春要在增长的空间方向上，加大对基础设施的投入，尤其是对大运量的轨道交通的建设，进行第三轮的轨道交通建设，如 M5\6\7 号线的建设，M2 的延长等，并要尽早结合城市战略规划和用地空间预测，开展新一轮规划交通的规划，发挥 TOD 模式的作用。
（4）长春市城市空间演变仍处于外延扩张期阶段。基于长春市城市演变形态的预测，可以看出未来长春市地域的发展仍然具有相当大的活力，地域规模还将扩大。建议长春所处地理位置没有处于省域、市域城镇体系规划的几何中心，在向西发展的过程中已经明显感觉空间局促，应该启动行政区划调整的研究，在重大基础设施的配置上也要尽早考虑跨区域大的将来需要。
（5）本研究有助于长春城市总规实施评估，促进城市空间有序发展。城市总体规划的评估，是开展新一轮城市总体规划的前提和依据，也是一个检讨的过程。长春市现行版的总体规划期限为 2020 年，建议尽快开展新一轮城市总体规划的评估，对城市形态的演化因素进行认真的分析，对新一轮的总体规划编制，在发展方向上提出建议。
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参考文献（略）