康停軍,張新長(zhǎng),趙 元,王海鷹,張 維
(1.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州 510275;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院,廣東 廣州 510642)
人口的增長(zhǎng)已經(jīng)給全球資源、環(huán)境承載能力造成了巨大壓力;獲取高精度的人口空間分布信息對(duì)于分析人口、資源、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相互作用機(jī)制,提高資源和環(huán)境的綜合管理能力具有非常重要的意義[1-2]。近年來(lái),人口數(shù)據(jù)分布網(wǎng)格化成為人口空間分布研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),涌現(xiàn)出一系列的研究成果,如遺傳算法/遺傳規(guī)劃建模[1]、夜間燈光遙感數(shù)據(jù)[2]、重力模型[3-4]等一批模型、方法在區(qū)域?qū)用娴玫綉?yīng)用。在城市內(nèi)部人口分布模擬方面,部分學(xué)者開展了基于數(shù)字人口模型[5]、核心估計(jì)[6]、航空影像[7]等模型及數(shù)據(jù)的城市人口分布模擬。上述研究多采用“自上而下”的計(jì)量數(shù)學(xué)模型,需要大量的先驗(yàn)知識(shí)來(lái)建立人口和諸多影響因子之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。另外,城市人口分布通常伴隨著不同類型居民的居住分異現(xiàn)象,尤其是北京、上海、廣州等大城市居住分異現(xiàn)象已比較明顯,受到越來(lái)越多的研究關(guān)注[8-10]。因此,城市居住分異分析已經(jīng)成為人口分布模擬不可忽略的一部分,但是“自上而下”的計(jì)量模型僅能在數(shù)量上取得較好的人口分布模擬精度,而無(wú)法對(duì)城市內(nèi)部人口分布所表現(xiàn)出的分異特性進(jìn)行描述。
微觀個(gè)體(家庭)根據(jù)自身的偏好以及環(huán)境因素的影響在各居住地塊不斷進(jìn)行選擇搬遷而呈現(xiàn)宏觀的城市人口空間分布,這構(gòu)成了一個(gè)典型的“自下而上”復(fù)雜系統(tǒng)。多智能體理論的出現(xiàn)為解決“自下而上”的復(fù)雜問題提供了解決方法,其已在土地利用模擬[11]、土地利用規(guī)劃[12]、居住選擇及居住分異[10,13-14]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。部分學(xué)者進(jìn)行了基于多智能體的人口格網(wǎng)化分布或增長(zhǎng)模擬的嘗試研究[15-16]。吳靜[15]利用多智能體分析了近2000年中國(guó)人口的演變,其理論框架適合于進(jìn)行大尺度人口分布模擬,而不適用于城市內(nèi)部人口分布模擬。肖洪[16]利用多智能體對(duì)長(zhǎng)沙市人口分布進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè),該研究以Clark模型模擬結(jié)果對(duì)多智能體模擬模型進(jìn)行初始化和精度檢驗(yàn),適用性受到一定限制。
目前,采用“自下而上”方法研究城市人口分布的成果十分有限。本文通過探討微觀個(gè)體與城市外部環(huán)境之間的相互作用、智能體之間的互動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)商,在多智能體理論框架基礎(chǔ)上,構(gòu)建了基于多智能體的城市人口分布模擬模型(Simulation Model for Urban Population Distribution-SMUPD)。進(jìn)行了模型應(yīng)用研究,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。
在大區(qū)域尺度人口分布研究方面主要考慮的影響要素包括:區(qū)域交通條件、氣候、地形及土地利用方式等要素[1-4]。人口在城市內(nèi)部分布的則主要受交通條件、自然環(huán)境、公共服務(wù)設(shè)施等因素的影響[17]。本文考慮的影響因素包括:居住用地、交通條件、自然環(huán)境、公共服務(wù)設(shè)施、教育環(huán)境。
1.1.1 居住用地 所有Agent均在已有居住用地單元進(jìn)行選擇搬遷,不考慮其它用地類型(林地、農(nóng)田等)轉(zhuǎn)換為居住用地的情況。
1.1.2 自然環(huán)境 隨著人們的居住觀念逐漸轉(zhuǎn)變,居住地周圍的自然環(huán)境成為需要考慮的一個(gè)重要因素,將水體、綠地、林地作為衡量自然環(huán)境質(zhì)量的因子[10]。
(1)
式中,PEnvi表示環(huán)境質(zhì)量,Dwater表示到水體(江、湖泊)的直線距離,λ1為衰減系數(shù),r表示鄰域的半徑,Num表示鄰域中綠地、林地所占的單元數(shù)量,ww為水體對(duì)環(huán)境質(zhì)量的權(quán)重系數(shù),wg為綠地及林地的權(quán)重系數(shù)。
1.1.3 交通條件 交通的便捷程度是選擇居住地需要考慮的一個(gè)重要影響因素,本文采用指數(shù)衰減函數(shù)反映交通的通達(dá)度[11]。
PTraf=wr.e-λr·DRoad+ws.e-λs*DSubway+
we.e-λe*DExpressway
(2)
式中,PTraf表示交通的通達(dá)度,DRoad、DSubway、DExpressway分別表示到市內(nèi)道路(包括主干道、次干道)、地鐵、高速公路的直線距離;wr、ws、we分別表示上述交通方式的權(quán)重系數(shù);λr、λs、λe分為對(duì)應(yīng)的空間衰減系數(shù)。
1.1.4 公共服務(wù)設(shè)施 考慮的公共服務(wù)設(shè)施包括醫(yī)院、娛樂設(shè)施、公園、商業(yè)中心、體育場(chǎng)館、文化設(shè)施、市場(chǎng)商業(yè)大廈、金融證券公司,均采用指數(shù)衰減函數(shù)表達(dá)其空間吸引力。
1.1.5 教育環(huán)境 對(duì)于有入學(xué)適齡小孩的家庭而言,尋找優(yōu)質(zhì)學(xué)區(qū)資源成為居住考慮的一個(gè)主要因素。鑒于大城市多采取劃片招生、就近入學(xué)的原則,本文對(duì)不同等級(jí)(省、市、普通)的學(xué)校賦予不同的權(quán)重分值,并劃定其影響范圍。中學(xué)影響要素和小學(xué)影響要素加權(quán)得到教育環(huán)境影響要素。
模型框架如圖(1)所示,主要由多智能體、決策規(guī)則、影響要素、居住元胞及GIS系統(tǒng)等各部分有機(jī)耦合組成。模型對(duì)復(fù)雜的智能體(Agent)進(jìn)行抽象與描述,僅考慮居民Agent,由于居民在城市內(nèi)部的搬遷行為一般以家庭為單位,因此本文設(shè)計(jì)的居民Agent以家庭為單位,每個(gè)Agent代表一個(gè)家庭。
圖1 基于多智能體的城市人口分布模擬模型框架
模型運(yùn)行機(jī)制如下:初始狀態(tài)下,按照城市家庭數(shù)量生成Agent,每個(gè)居住元胞內(nèi)包含相同數(shù)量的Agents,Agent根據(jù)自身經(jīng)濟(jì)狀況及所在居住元胞的居住壓力,做出是否遷居的決策;如果遷居則根據(jù)各自的偏好以及環(huán)境因素的影響,選擇適宜的居住地進(jìn)行搬遷;如果不搬遷,則繼續(xù)居住在原居住元胞,通過Agents不斷在城市居住空間中進(jìn)行搬遷,模擬城市人口空間分布。
1.3.1 計(jì)算居住壓力 Agentm在居住元胞Lxy的居住壓力由2部分構(gòu)成:經(jīng)濟(jì)壓力、社會(huì)壓力[14]。m在元胞Lxy所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)壓力包含兩部分:m的收入與Lxy房屋價(jià)格的差異以及m的收入與居住在元胞Lxy所有Agent的平均收入差異。經(jīng)濟(jì)壓力可以表示為:
PEconomic(m,t,xy)=1-
waverage·|I(m,t,xy)-∑I(,t,xy)/Popxy|) (3)
m在元胞Lxy所產(chǎn)生的社會(huì)壓力由兩部分構(gòu)成:類型壓力、效用壓力。類型壓力是由居住在元胞Lxy且與m同類型的Agent占Lxy中總Agent的比例決定的,比例越高,該壓力越小。效用壓力由m在Lxy的效用與相鄰區(qū)域居住元胞中的效用差異構(gòu)成。社會(huì)壓力可以表示為:
PSocial(m,t,xy)=1-(1-wtype·PType(m,t,xy))·(1-wutility·Putility(m,t,xy))
(4a)
(4b)
(4c)
式(4c)中的U(m,xy)為m在元胞Lxy的效用,可計(jì)算如下:
U(m,xy)=wenvi·PEnvi+wtraf·PTraf+
wconvi·PConvi+wedu·PEdu+εxy
(5)
式中,PEnvi、PTraf、PConvi、PEdu為環(huán)境、交通通達(dá)度、公用設(shè)施、教育資源等因素影響值,wenvi、wtraf、wconvi、wedu分別為m對(duì)上述影響因素的偏好權(quán)重,其總和為1;εxy為隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)。
t時(shí)刻m在元胞Lxy所產(chǎn)生的居住壓力為:
P(m,t,xy)=wP·PEconomic(m,t,xy)+
(1-wP)·PSocial(m,t,xy)
(6)
式中,wP為屬于[0,1]的常數(shù),其它參數(shù)含義同上。
1.3.2 選擇居住元胞 Agentm在居住壓力作用下以一定的概率決定是否進(jìn)行遷居,決定遷居的概率取決于居住壓力,二者呈線性關(guān)系[13],概率為:
PM=P0+(1-P0)·P(m,t,xy)
(7)
式中:PM為遷居概率,P0為屬于[0,1]的常數(shù),其它參數(shù)含義同上。
只有符合式(8)條件的居住元胞才可以作為Agentm的候選遷居地。
式中,TWLij為m是否將Lij作為其遷居候選地的意愿,U(m,ij)、U(m,xy)為Agentm在遷居目標(biāo)點(diǎn)和現(xiàn)居住點(diǎn)的區(qū)位效用;P(m,t,ij)、P(m,t,xy)為智能體m在遷居目標(biāo)點(diǎn)和現(xiàn)居住點(diǎn)的居住壓力,其它參數(shù)意義同上。
利用離散選擇模型確定遷居的候選位置,根據(jù)McFadden的證明[11,18],Agentm隨機(jī)選擇位置Lij的概率為:
(9)
1.3.3 搬遷及更新 如果元胞Lij所居住的Agent數(shù)量沒有達(dá)到最大限制,則直接搬遷至Lij。如果已經(jīng)達(dá)到最大限制,則Agentm與居住元胞Lij中的任一Agentn進(jìn)行協(xié)商,協(xié)商成功,n開始遷居,如果n搬遷成功,則m搬遷至居住元胞Lij。否則,m遷居失敗,返回原居住元胞。協(xié)商成功的概率為:
(10)
式中,PConsult表示協(xié)商成功的概率,其它參數(shù)含義同上。搬遷后智能體更新其歸屬居住元胞的信息。
1.3.4 智能體經(jīng)濟(jì)狀態(tài)及房屋價(jià)格變化 模型運(yùn)行過程中,智能體的經(jīng)濟(jì)狀態(tài)會(huì)隨著其所在居住元胞房?jī)r(jià)的變化而變化。m在t時(shí)刻位于居住元胞Lxy的收入為:
(11)
模型運(yùn)行過程中對(duì)房屋價(jià)格進(jìn)行更新,本文假設(shè)同一居住元胞內(nèi)部所有房屋價(jià)格是相同的,某一居住元胞房屋價(jià)格與該元胞房屋前一時(shí)刻的價(jià)格、元胞內(nèi)部所有Agent的收入,以及周邊區(qū)域中居住元胞房屋價(jià)格有關(guān)。居住元胞Lxy房?jī)r(jià)更新為:
(1+α)··
(12)
若居住元胞Lxy在t時(shí)刻無(wú)人居住,其房屋價(jià)格會(huì)隨著時(shí)間折舊[13]:
(1-β)·
(13)
式中,β為折舊率,其余參數(shù)含義同上式。
本文的研究區(qū)(圖2)為廣州市2006年所轄的荔灣區(qū)(不含原芳村區(qū))、越秀區(qū)、天河區(qū)、海珠區(qū)及白云區(qū)的14個(gè)行政街道(江高鎮(zhèn)、人和鎮(zhèn)、太和鎮(zhèn)、鐘落潭鎮(zhèn)4個(gè)鎮(zhèn)除外),由于準(zhǔn)確獲取流動(dòng)人口數(shù)據(jù)存在一定難度,本文僅研究城市內(nèi)部常住人口的分布。
圖2 研究區(qū)范圍示意圖
模擬所采用的空間數(shù)據(jù)均為2006年數(shù)據(jù),主要包括:居住地分布圖,主干道、次干道及地鐵分布圖,交通道路圖,省、市及普通中小學(xué)分布圖,銀行、公園、醫(yī)院、市場(chǎng)、商業(yè)大廈、餐飲、賓館、體育設(shè)施分布圖以及土地價(jià)格分布圖。人口數(shù)據(jù)為廣州市統(tǒng)計(jì)年鑒獲取的2006年研究區(qū)各街道常住人口家庭數(shù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料包括《2006年廣州統(tǒng)計(jì)年鑒》、《2006年廣州市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》、《廣州市城鄉(xiāng)規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定》等資料。
公共服務(wù)設(shè)施的衰減系數(shù)由其可達(dá)性決定,計(jì)算各居住元胞到距其最近公共服務(wù)設(shè)施的距離,90%的距離應(yīng)該落入可達(dá)性區(qū)間[20],區(qū)間上限為均值加標(biāo)準(zhǔn)差。假設(shè)在可達(dá)性區(qū)間的最大值處,可達(dá)性的影響值下降了90%。依據(jù)此原則,計(jì)算了各種公共服務(wù)設(shè)施及道路、河流、湖泊的可達(dá)性區(qū)間及衰減系數(shù)值(表1)。
統(tǒng)計(jì)資料顯示,廣州家庭平均人口3.21人,城鎮(zhèn)居民人均居住面積19.44 m2。按照規(guī)劃最大容積率3.2進(jìn)行計(jì)算,每公頃內(nèi)最大住宅數(shù)量為3.2×10 000/(3.21×19.44)≈513,因此將513作為每個(gè)居住元胞可以容納Agents數(shù)量的最大值。
表1 影響因素可達(dá)性區(qū)間及衰減系數(shù)
圖3為實(shí)驗(yàn)區(qū)相關(guān)影響因素,其空間分辨率均為100 m×100 m。
圖3 居住影響要素
根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)2006年統(tǒng)計(jì)年鑒及經(jīng)濟(jì)年鑒、教育局統(tǒng)計(jì)資料,按照家庭月收入狀況(小于2 000為低收入、2 000~10 000為中等收入、大于10 000為高收入)以及是否有小學(xué)初中適齡小孩將智能體劃分為6種類型,各類型比例及數(shù)量如表2所示。按照式(12)對(duì)智能體的收入進(jìn)行更新并更新其收入排名,根據(jù)排名判斷其類型是否發(fā)生改變。
表2 Agent數(shù)量及權(quán)重
采用C++編程對(duì)模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)區(qū)2006年居住元胞數(shù)量為9 201,共有家庭數(shù)量1 113 321戶,初始時(shí)按照1∶1的比例生成Agents,每個(gè)居住元胞初始Agents數(shù)量為121,各居住元胞內(nèi)Agent的類型均為隨機(jī)選取。
當(dāng)P0=0.6,wP=0.8時(shí)模型取得較好的模擬效果,經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),自T=5 000開始,T=5 000、8 000、10 000及12 000各居住元胞Agent數(shù)量的相關(guān)性高達(dá)95%,說(shuō)明模型已經(jīng)基本達(dá)到均衡穩(wěn)定的狀態(tài)。取T=12 000時(shí)刻模擬結(jié)果作為SMUPD模型模擬的最終結(jié)果。T=0,1 000,5 000,12 000時(shí)刻模擬結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同時(shí)刻居住分布模擬
2.4.1 人口數(shù)據(jù)空間化精度分析 重力模型已在人口分布研究中得到廣泛應(yīng)用[1,21],本文采用重力模型對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)人口分布進(jìn)行模擬,利用重力模型模擬結(jié)果與SMUPD模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究區(qū)重力模型結(jié)構(gòu)為:
PLxy=1113321·[PEnvi(x,y)]0.28·[PTraf(x,y)]0.55·
[PEdu(x,y)]0.21·[PConvi(x,y)]0.47
(14)
式中,PLxy為元胞Lxy的重力模型模擬值,PEnvi(x,y)、PTraf(x,y)、PEdu(x,y)、PConvi(x,y)分別為環(huán)境、交通通達(dá)度、教育資源、公共服務(wù)設(shè)施在居住元胞Lxy的影響值。
結(jié)合街道邊界將模擬后各居住元胞內(nèi)的智能體數(shù)量累加,與統(tǒng)計(jì)年鑒獲得的該街道的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,采取比率誤差衡量模擬的精度水平:
×100%
(15)
式中,Dm為第m個(gè)街道模擬家庭數(shù)量與統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)的偏離度,PSimum為第m個(gè)街道模擬數(shù)據(jù),PStaticm為第m個(gè)街道統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)。
在模擬的t時(shí)刻各街道離散度之和與街道數(shù)量之比為平均偏離度[22],其公式為:
(16)
式中:DAverT為T時(shí)刻模擬的平均偏離度,M為街道數(shù)量,平均偏離度越小,模擬精度越高。
重力模型和SMUPD模型模擬結(jié)果的比率誤差見圖(5)、平均偏離度及模擬精度見表(3)。
表3 平均偏離度及模擬精度
圖5 重力模型(Gravity)與SMUPD模擬比率誤差分布
從圖(5)、表(3)可知,SMUPD模擬的大部分街道比率誤差小于重力模型模擬的比率誤差,且SMUPD模擬的總精度達(dá)到77.4%,明顯高于重力模型模擬精度(62.4%)。
2.4.2 模擬結(jié)果居住分異分析 區(qū)位商(Location Quotient)常應(yīng)用于不同群體人口分異研究中,本文采用區(qū)位商[23]對(duì)人口分布的分異狀況進(jìn)行分析,其公式為:
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(17)