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研究生:林政憲
研究生(外文):Cheng-Hsien Lin
論文名稱:都市成長的基本機制之模擬研究
論文名稱(外文):Simulation Study of Basic Mechanism of Urban Growth
指導教授:謝舜傑謝舜傑引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:長榮大學
系所名稱:土地管理與開發研究所
學門:建築及都市規劃學門
學類:都市規劃學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:137
中文關鍵詞:都市成長碎形理論細胞自動機盒計法突現
外文關鍵詞:urban growthfractalcellular automatabox-counting methodemergence
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都市的快速擴展帶來一系列土地利用和社會等問題,引起各領域學者的注意,並開始著手相關研究。綜觀都市發展與擴張是由許多錯綜複雜的決策行為形成,其中不乏有限理性行為的土地開發決策等,進而塑造不同的都市或聚落型態,並且突現出系統的自我組織現象,因此我們可視都市為一複雜系統,並且它是「由下而上」的演化,而非「由上而下」的控制。複雜科學與混沌理論衍生的碎形理論由1970年代中葉發展至今,不僅提供了創新而有力的理論基礎工具,同時也帶給研究者突破過去科學的思考邏輯。

碎形理論利用物體本身的自我相似性對其做描述,用來解釋歐氏幾何無法解釋的自然現象。本研究以碎形維度作為都市發展的衡量指標,探討在不同控制條件下,看似複雜、混亂的演化中,是否在整體空間分佈上存在一些亂中有序的規則。因此,本研究首先回顧碎形理論運用於都市地理學與維度值演算方法之相關文獻;並以NetLogo展示二維細胞自動機的都市發展模型,並以盒計法演算碎形維度值;最後進行都市成長發展程度、速率、型態與控制條件的交叉分析,進而推論都市成長的基本機制。

碎形維度值的高低在二維平面表示的是空間的充滿程度,即都市型態的集中與破碎,藉由此論點可得知碎形維度值可用來衡量都市成長的發展程度。研究發現,控制條件中以鄰域類型的已開發宮格數、半徑及組合方式對都市成長的發展程度影響最大,但其中又受開發限制約束有所差異;而影響都市成長速率主因為開發機率;此外,在模型中受到聚落生命週期的影響最小。總和上述,當鄰域已開發宮格數越多、開發限制與機率越低,無論在都市成長的發展程度、速率、密度等面向都有正向的影響力,並且能與真實情況相符,亦代表本研究之控制條件能充分展現都市成長基本機制的探討。

本研究以都市成長具有碎形特徵說明了都市發展的突現行為,透過簡單的控制條件模擬都市聚落生成,利用微觀尺度的相互影響得到無法想像的宏觀狀態;若說碎形是都市聚落生成的突現行為之一,那麼形成聚落的控制條件則是產生此突現行為的基本機制,間接證明不需要透過龐大且多餘的內部結構屬性建立才能找出都市聚落成長的規則,而是透過萃取內部結構關鍵屬性,利用簡單的方法即能探究都市成長的機制。
In this research, a model of two dimensional cellular automata is used to simulate basic mechanism of urban growth. The various combinations of neighborhood and developmental limitation define the rules used to determine if a patch is to develop or not. The developmental probability is the chance a patch has of developing if it satisfies the current rule. Life cycle is the number of ticks a patch will stay developed. If life cycle is 0, then there is no life cycle defined and developed patches stay that way forever.

Some rules result in a form that grows and fills the whole space, while others have empty spots in them. The emergent patterns are fractal and their dimensions are determined by the box-counting method. The fractal dimension indicates the degree of developing space-filling. Therefore, fractal dimension is used to interpret the developing level of urban growth. Some emergent patterns are highly regular in that the assumptions embodied within their transition rule are very restrictive. The rules affecting urban growth rate are also discussed. The corresponding urban forms and restrictions in urban growth in practice are pointed out.
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 3
1.3 研究流程 4
第二章 相關理論與文獻回顧 6
2.1 複雜科學與混沌理論 6
2.1.1 複雜科學與複雜系統 6
2.1.2 突現 8
2.1.3 混沌理論 10
2.1.4 小結 13
2.2 碎形理論 14
2.2.1 碎形特性 15
2.2.2 碎形、非碎形與準碎形 18
2.3 碎形維度 23
2.3.1 盒計法 24
2.3.2 等步進法 25
2.3.3 面積—周長法 27
2.4 都市成長相關理論 29
2.4.1 都市的概念與定義 29
2.4.2 都市的形成與發展 29
2.4.3 都市成長理論與擴展模式 32
2.5 碎形理論相關文獻應用 36
2.6 小結 39
第三章 研究設計與分析方法 40
3.1 細胞自動機 40
3.3.1 發展歷史 40
3.3.2 基本組成單元 40
3.3.3 演化型態與結果分類 43
3.2 都市成長的基本機制 45
3.3 都市成長模型 47
第四章 模擬結果分析與討論 55
4.1 都市成長的發展程度之影響分析 55
4.1.1 displaced-von-n鄰域類型 55
4.1.2 h鄰域類型 59
4.1.3 Moore鄰域類型 63
4.1.4 Moore-von-n鄰域類型 67
4.1.5 von-Neumann鄰域類型 71
4.2 都市成長速率與開發機率之關係 75
4.3 都市成長的發展程度與鄰域類型之關係 83
4.3.1 低開發限制 83
4.3.2 中開發限制 85
4.3.3 高開發限制 88
4.4 都市成長速率與鄰域類型之關係 91
4.5 都市成長型態與密度 96
4.6 小結 98
第五章 結論與建議 100
5.1 結論 100
5.2 後續研究建議 102
參考文獻 103
附錄 模型執行結果一覽表 106
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