地理过程建模的多尺度空间协同与精细化模拟：以城市群增长为例

The emergence of urban agglomerations is an important geographical process. Urban agglomeration growth modeling and sustainable development decision making are crucial parts of the “Future Earth” project. Based on the framework of “Future City”, this project attempts to establish a multi-scale, synergistic and intelligent decision making models, which can provide relevant theories and tools for the development of urban agglomerations in China. According to the spiral driving mechanisms for urban agglomerations, namely, the top-down macroeconomic control and bottom-up self-organized network, this study will obtain big data using multi-source sensors, analyze the complicate man-land relationships, conduct refined and detailed urban simulations, and establish the theory and methodology of refined and detailed urban simulation. This project includes these parts - establishing a land use optimization model based on multi-objective conflicts and multi-agent games to coordinate the relationship between urban and ecosystem; coupling the spiral driving mechanisms for urban agglomerations to develop a multi-scale and synergistic simulation and optimization system under a supercomputing platform. This project will use the Pearl River Delta and middle reaches of the Yangtze River region as the test cases to explore the multi-scale mechanisms and patterns for urban agglomerations. The project is expected to develop intelligent methods coupling human and natural processes, promote the quantitation of spatial planning, and expand the scope of geo-spatial information technology applications.

城市群的增长是影响地表过程的重要因子之一，其动态模拟及可持续发展决策是“未来地球”研究计划中的一项关键内容。项目立足于“未来城市”研究框架，尝试构建一套多尺度空间协同的智能化决策模型，为我国城市群的发展提供相关理论与工具。研究根据城市群发展“自上而下”宏观调控与“自下而上”自组织的双重“螺旋式”空间驱动机理，利用多源传感器网络获取大数据集，分析复杂人地关系，在大数据分析的基础上，形成精细化模拟的理论和方法。内容包括：构建基于多目标冲突与多主体博弈的土地利用空间优化配置模型，协调城市与生态二元空间关系；耦合城市群发展上下协同的双重驱动过程，发展多尺度空间协同模拟与优化系统，建立基于超算环境精细化模拟与计算服务。以珠三角和中三角为典型案例区，探索城市群发展的多尺度空间决策机理和模式，通过发展耦合人文与自然过程的空间智能方法，进一步推动空间规划定量化研究，拓展地理模拟系统的应用深度。

城市群的增长是影响地表过程的重要因子之一，其动态模拟及可持续发展决策是“未来地球”研究计划中的一项关键内容。项目构建了一套多尺度空间协同的智能化决策模型，为我国城市群的发展和空间规划提供了相关理论与工具。提出了“自上而下”宏观调控与“自下而上”自组织的双重“螺旋式”空间驱动耦合模型。与土地变化模式相结合，分析了复杂的人地关系，形成了多尺度地理模拟的理论和方法。在以下四个方面取得了重要突破：1）提出了一种高时空分辨率城市土地利用的识别方法，并在谷歌平台上实现，发布了一套全球多时序的土地利用产品；2）利用多源大数据对精细尺度的城市空间变量进行提取，为复杂人地关系研究和精细化城市模拟提供数据支持，提出了集成多源传感器和大数据分析的精细化城市模拟模型；3）利用先进的机器学习算法，对城市扩张的转换规则进行挖掘，建立了基于超算平台的多尺度城市群增长空间智能化决策模型；4）将先进的地理模拟系统理论推广到全球尺度，生产了全球首套2010-2100年1-km分辨率的全球土地利用\土地覆被产品，分析了全球土地利用变化对生态环境的影响。建立了有国际影响力的土地利用模拟模型(GeoSOS-FLUS)，是国内唯一被国际人文地理百科全书收录的模型。并将模型推广到全球尺度上，是国际上少有能在全球尺度上模拟，而且是分辨率最高的模型。软件的用户覆盖全中国，在全球61个国家和地区普及。被嵌入全球第三大、亚洲第一大的超图（SuperMap）软件中，并被写入《广东省城镇开发边界划定技术规程》。项目组发表论文50余篇，并出版了一部专著。相关研究成果发表在如Nature Communications、Remote Sensing of Environment、Annals of the American Association of Geographers、International Journal of Geographical Information Science、Landscape and Urban Planning等国际顶级期刊，其中6篇论文为ESI高引论文。