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。

前言 随着新型城镇化工作的进一步推进，未来我国将有越来越多的人涌入城市，城市内部经济活动、交通及空间结构也将会发生一系列变革，制定科学合理的城市空间政策是确保城市空间健康有序发展的必然要求。城市空间决策通常需要回答“在某位置开发一定数量的住房或商用房对城市空间有何影响”“新建一条高速公路（或轨道交通）对人口和企业分布有什么影响”等问题。为确保城市空间政策的合理有效，模拟城市空间演化过程、开展政策试验具有重要意义。 城市空间模拟研究已经有很长的历史。自20世纪60年代地理学的计量革命开始，国外已经运用模型模拟的方法来研究城市空间演化的问题，如Lowry 模型。而自20 世纪90 年代开始，基于人工智能理论的微观模拟方法取得较大突破，其通过模拟微观主体的行为来研究城市空间的宏观演化规律。总结起来，常用的城市空间模拟模型主要有两大类：基于元胞自动机（CA）技术的自下而上的模型，自上而下的土地利用—交通相互作用（Land Use/Transport Interaction，LUTI）模型。 目前，国内研究较多的是CA 模型。CA模型侧重于物理土地利用变化模拟，该模型与智能体（Agent）技术相结合进一步增强了其模拟功能。但国内对LUTI 模型的应用研究还很薄弱，甚至仅停留在概念理解阶段，鲜有成功的应用案例。LUTI 模型被认为是模拟城市社会经济活动空间演化过程的有力工具，在发达国家城市发展中常被用于辅助决策。不同于CA 模型通过模拟微观个体呈现城市空间宏观规律，LUTI 模型自上而下地从城市发展原理出发建模，采用宏观汇总数据（Aggregate Data）描述城市空间。对LUTI 模型的认识和理解，实质上也是对城市发展原理的认识，因此学习LUTI 模型是理解城市空间演进过程，并掌握其模拟方法的重要途径。为推动LUTI 模型在国内的应用与发展，助力国内人文地理学尤其是城市地理学的定量研究，笔者对近年的研究成果进行了梳理与总结，撰写本书。 本书着重介绍了LUTI模型的原理、发展历程及建模方法。本书开篇简述了城市、城市化、城市空间等相关概念，并总结了城市空间演化模拟常用方法，阐明了LUTI模型的概念、起源与发展历程；在此基础上采用基于“活动”的建模技术建立了LUTI模型，称作ActSim模型，用于模拟城市社会经济活动区位变化，详细阐述了ActSim模型各部分的具体实现，并以北京市为例开展了应用研究。基于“活动”的建模技术针对各类城市活动需求描述区域特征，切合LUTI模型的发展前沿。 本书是国内第一部对LUTI模型从理论到实践进行系统化探索的著作，可为国内学者掌握并应用LUTI模型提供理论、方法和实践经验。本书适合人文地理学相关专业的研究生使用，也可为相关领域的技术及研究人员提供参考。LUTI模型虽然可以模拟城市空间演进过程，但城市的发展涉及方面广泛，因此LUTI模型的构建可以“无限”复杂下去。本书建立的基于“活动”的LUTI模型——ActSim模型还有诸多亟待完善之处，如家庭变迁模拟、分社会经济群体模拟、分交通模式模拟等。笔者后续将努力深化研究，力争不断完善ActSim 模型。 本书共11章。第1章简述城市、城市化、城市空间等相关概念。第2 章介绍城市空间演化的相关理论、影响因素及其研究意义。第3 章简析城市空间分析与模拟方法。第4～9章展示ActSim模型的建构过程。其中，第4 章给出ActSim 模型的框架及组成部分；第5 章介绍城市房屋开发模拟预测；第6 章和第7 章分别介绍城市区位成本评价方法与城市交通可达性评价方法；第8 章基于前续章节内容建立城市活动区位模型，用于预测城市家庭和企业的区位；第9章给出ActSim模型的应用及详细讨论；作为城市模型的拓展，第10 章建构了区域模拟框架，用于模拟区域空间演化过程，包括区域经济模型和人口迁移模型；区域模型与城市模型（ActSim）形成了完整的“区域—城市”模型体系。第11 章介绍了常用的开发语言、分析模拟工具及函数。 笔者负责全书的撰写工作，包括确定全书的编写目标、内容，拟定各章节的撰写要求和提纲，并对各章内容进行了审阅、校对和审定。研究生杨欣雨、辛钟龄、王岚、玄冰成分别参与了部分章节的撰写和校对工作。由于笔者能力有限，书中内容难免有误，欢迎读者指正，邮箱niufq@lreis.ac.cn。 牛方曲 2022年9月于北京

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