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研究生:林士弘
研究生(外文):LIN, SHIH-HUNG
論文名稱:結合宮格自動機與地理資訊系統在台北盆地土地使用變遷模擬之研究
論文名稱(外文):A Simulation of the Taipei Land Use Development
指導教授:林峰田林峰田引用關係
指導教授(外文):Feng-Tyan Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:宮格自動機地理資訊系統動態空間模擬
外文關鍵詞:Cellular AutomataCAGISGeographic Information System
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從事都市規劃和分析時多以地理資訊系統(Geographic Information System;GIS)做為輔助工具,雖然GIS的技術已經發展的非常成熟,然大部份功能仍以資料的儲存、擷取、和靜態分析為主,其在空間分析的功能上仍有不足。例如它無法表現出空間的動態變化(spatial dynamic)、空間的自組性(spatial organization)、重建、轉移等現象。
近幾年來利用宮格自動機(Cellular Automata;CA)理論整合GIS技術運用在都市動態空間模擬上已漸漸取得許多成果,由於傳統的都市理論多半採用靜態的方法進行分析,而都市土地使用的變遷和經濟、基礎設施、自然環境、生態系統、社會、政治等因素會不停的相互作用和影響,這是考慮時間的維度下空間自我重組和動態改變的過程。因此在國土規劃及都市發展之決策時就必須要同時考慮這些因素,才能得到精確的規劃結果。而以目前的都市理論並無法滿足上述之需求,所以近幾年來結合了GIS、CA、和其他模型的整合型模型,受到了規劃界普遍的重視。
本研究利用GIS的網格式資料,結合宮格自動機理論利用現有的空間資料進行分析,以預測台北市都市發展型態的變遷為主要任務。且由軟體工程的角度,從理論、分析、設計到程式撰寫,發展一CA整合GIS的元件軟體,並以台北盆地地區的資料進行校估,找出土地變遷背後的演化参數和規則,所得的結果可以做為相關研究之用。
Geographic Information System (GIS) software is often used as the assistant tool in the process of urban planning and spatial analysis. The technique of GIS is popularly used in many ways, but most of the functions in spatial analysis are used in a static way such as the buffering, information storage, and data analysis. It can’t represent the spatial dynamic phenomenon such as the spatial organization, reconstruction, and transformation.
In recent years, the integration of Cellular Automata (CA) and GIS in the simulation of city evolution has gotten a lot of achievements. The traditional urban theories often adopt static numeral analysis, but the evolution of urban lands are often involving in economics, transportation, facility management, environment, ecology, society and politics factors.
To pursue more precise planning result, we must consider these factors when deal with the Nation Land Used Planning. With the traditional urban theorem, it can’t be satisfied all the demands mentioned above. In the recent years, new integration models of combining tradition model, GIS and CA have attracted much attention to planners.
This research would use the GIS raster data and combine the CA theorem to simulate the Taipei land used development. And this research also use the component object model protocol to develop integration software of CA and GIS. By using several evolution parameters to simulate the different land development policies and calibrating with actual Taipei land use data, the result of parameters can be used to predicting the evolution of the future land use.
誌謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 2
1.4 研究範圍 4
1.5 各章內容介紹 4
第二章 文獻回顧 6
2.1 宮格自動機 6
2.1.1 傳統宮格自動機的定義 6
2.1.2 宮格自動機的種類 8
2.2 國內外相關研究 10
2.2.1 國外相關研究 10
2.2.2 國內相關研究 12
2.3 結合CA和GIS的原因 13
2.4 小結: 15
第三章 資訊技術的應用 16
3.1 地理資訊系統 16
3.1.1 網格式資料 16
3.1.2 向量式資料 17
3.1.3 GIS 的空間分析 17
3.2 相關軟體探討 18
3.2.1 Idrisi 18
3.2.2 ArcView 3.2 20
3.2.3 GRASS 22
3.3 元件軟體 24
3.3.1 COM(Component Object Model) 24
3.3.2 XML (Extensible markup language) 27
3.3.3 UML(Unified Modeling Language) 29
3.4 小結 29
第四章 模型架構與建立 31
4.1 RIKS 的模型架構 31
4.2 本研究模型架構 33
4.2.1 模型假設 34
4.2.2 轉移函數 34
4.2.3 鄰近的定義 35
4.2.4 權重表格 35
4.3 本研究模型分析 36
4.4 本研究模型設計 37
4.4.2 虛擬碼 44
4.5 資料預處理 46
第五章 模型特性探討 52
5.1 模型特性探討 52
模擬案例一 54
模擬案例二 55
第六章 模擬結果與模型驗證 56
6.1 實際地區的模擬結果 56
6.1.2 模擬結果的數量校估 62
6.2 模型驗證 66
6.2.1 分析區域模擬結果的比較 66
6.2.2 各鄉鎮模擬結果的比較 68
第七章 結論與後續研究方向 73
7.1 結論: 73
7.2 後續研究方向 74
參考文獻 76
附錄: A
表目錄
表4.1 權重表格L1-L2 36
表4.2 土地型態值 38
表4.3 影響参數的權重表 39
表5.1 商業區轉商業區權重 53
表5.2 數量變化表 54
表5.3 數量變化表 55
表6.1 空地轉商業區權重表 56
表6.2 空地轉商業用地權重表 58
表6.3 農業用地轉商業用地權重表 61
表6.4 各年度資料(縣市統計要覽) 67
表6.5 各年度成長比例 67
表6.6 模擬值與估計值誤差比例 67
表6.7 建地誤差值次數分配表 70
表6.8 農地誤差值次數分配表 71
附表1 87年和83年各縣市建地和田地值 A
附表2 由83年國土調查資料所轉換成的各鄉鎮網格值 B
附表3 87年值估計值 D
附表4 87年模擬值 E
附表5 模擬值和估計值誤差: G
圖目錄
圖1.1 研究流程圖 3
圖2.1 Moore型的8鄰近及其擴充型 7
圖2.2 Von Neumann型的4鄰近及其擴充型 7
圖2.3 各種CA模型(O’Sullivan 2000) 9
圖2.4 Paul Box(2000a)的野火模型 10
圖3.1 網格式資料的屬性表 17
圖3.2 使用者自定的Filter 19
圖3.3 Reclass File內容 19
圖3.4 Idrisi 的Game of Life 20
圖3.5 兩種方法的比較 21
圖3.6 Grass 的文字介面 23
圖3.7 圖形化介面 23
圖3.8 Vtable (MSDN) 25
圖3.9 登錄檔內的內容 26
圖3.10 PGOGID和CLSID 26
圖3.11 VB內設定引用項目 27
圖3.12 ESRI的Metadata 28
圖4.1 RIKS 的整合型模式(White 1997) 32
圖4.2 鄰近的定義範圍 35
圖4.3 依距離遞減函數給定不同影響權重 39
圖4.4 系統架構圖 40
圖4.5 元件的類別圖 42
圖4.6 元件的循序圖 43
圖4.7 設定分析範圍和宮格大小 46
圖4.8 屬性值透過宮格對應 47
圖4.9 由調查資料對應相對土地使用型態 48
圖4.10 土地使用型態初始值 49
圖4.11 縣道可及性的影響 50
圖4.12 83年人口密度 50
圖4.13 ASCII檔案內容 51
圖5.1 權重值相同時遞迴次數和各土地使用數量 52
圖5.2 數量變化圖 54
圖5.3 模擬結果 54
圖5.4 數量變化圖 55
圖5.5 模擬結果 55
圖6.1 初始資料 57
圖6.2 模擬結果 57
圖6.3 考慮縣市道路影響 59
圖6.4 考慮高速公路影響 60
圖6.5 同時考慮高速公路、縣道和人口的影響 61
圖6.6 83年初始狀態 62
圖6.7 87年推估狀態 63
圖6.8 商業區初始值 64
圖6.9 遞迴一次結果 64
圖6.10 遞迴二次結果 65
圖6.11 路網疊合圖 65
圖6.12 模擬值和估計值的比較 68
圖6.13 模擬結果和推估值比較 69
圖6.14 標準化後的建地誤差次數分配 70
圖6.15 農地區值比較 71
圖6.16 標準化後的農地誤差次數分配 72
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