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Conceptual_model

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城市蔓延模型

交付成果：

  • 概念模型和形式化模型（第1周周五提交，参见Assignment1.pdf）
  • 运行模型，以及3张幻灯片解释模型并展示结果（第2周周五提交）

引言： 在本作业结束时，您将完成一个模型，该模型将用于模块2（基于插值的输入生成）和模块3（不确定性传播建模）。 本作业涉及开发一个基于理论的动态空间模型，模拟“马斯与瓦尔地区”的城市蔓延。城市蔓延是一种低密度的郊区发展（Ewing, 2008），是社会经济、人口和地理物理驱动因素复杂交互的结果。Brown & Robinson（2006）的论文报告了一个基于代理的城市蔓延模型的结果。本作业中的模型将基于该代理模型。 在构建模型的过程中，您将按照读者中关于建模路线图的步骤进行操作。在NetLogo中形式化和编码模型之前，必须为模型制定一个适当的实验框架，包括目标定义、所需尺度、建模实体和过程（模型结构）以及模型的输入和输出。

概念： 在Brown & Robinson的模型中，居民的目标是选择一个居住地点。他们的环境是一个由单元格组成的网格。模型从一个没有居民且只有一个服务中心的环境开始。在每个时间步长中，一定数量的新居民进入环境。每个新居民随机选择15个空单元格（未被其他居民占据），并从这15个单元格中选择效用最高的一个作为居住地。效用是三个标准的加权和：到最近服务中心的距离、美学质量和社会相似性（图4.1）。到最近服务中心的距离是基于网格的欧几里得距离；美学质量是单元格的属性；社会相似性是新居民与评估居住位置的八个相邻单元格中所有居民之间的相似性。当一定数量的新居民进入后，会放置一个新的服务中心。当环境开发达到X%（输入）时，模型停止。

图4.1： Brown & Robinson（2006）模型中影响居住地点选择因素的示意图。

问题：

  • 模型中包含哪些实体？
  • 实体之间的交互是什么？
  • 三个标准中哪些是动态的，即随时间变化？

需要有一个起点；换句话说，一个初始服务中心。我们的模拟假设起点位于奈梅亨，这是该地区最古老的城市，位于马斯与瓦尔地区的东部。 此外，请考虑以下要求，以将Brown & Robinson（2006）的模型适应于我们的案例研究区域“马斯与瓦尔地区”：

  • 假设美学质量是海拔的函数；海拔越高，美学质量越高，因为视野更开阔。海拔将作为模型输入。
  • 按照Brown & Robinson（2006）“同质”情景中的权重建模，即所有居民的权重相同。
  • 由于我们的研究区域明显大于Brown & Robinson（2006）使用的区域，需要对他们的形式化进行以下调整：
    • 在每个时间步长中，100名居民进入环境，而不是10名；
    • 每1000名居民进入后放置一个新的服务中心，而不是每100名；
    • 终止标准（研究区域开发百分比）应灵活。
  • 输出变量是每个单元格邻域（包括单元格本身）开发的比例。例如，在图4.1中，黄色房屋所在单元格的比例为0.22（2/9）。应能导出包含此比例的栅格数据。

形式化： 基于上述概念，模型可以进一步形式化为可实现的模型。形式化原则上不依赖于用于实现模型的软件或开发环境，它纯粹是对模型的示意图和/或数学描述。您可能需要回顾以下在形式化模型时需要决定的方面：

问题：

  • 您将使用哪种建模范式？
  • 您要建模的系统的元素是什么（描述它们）？
  • 每个实体具有哪些属性和状态？
  • 模型中过程的规则是什么？

以上是作业1的部分内容（参见Assignment1.pdf）。

实现： 开发城市蔓延模拟的最后一步是在NetLogo中实现它。您可能需要使用NetLogo的帮助功能和/或词典（Google搜索“NetLogo词典”）。

问题：

  • 哪些NetLogo“构建块”适合表示居民？
  • 哪些NetLogo“构建块”适合表示服务中心？
  • 您将使用哪些NetLogo“构建块”来定义15个潜在位置并计算其效用？

为了帮助您，我们提供了一个模板模型，其中已经实现了一些用于导入和导出栅格数据的功能，并设置了用户界面（图4.2）。

图4.2： 城市蔓延模拟的模板模型。浅色区域代表高海拔。中心东部的白色十字是第一个服务中心。

说明：

  1. 打开NetLogo项目urban_sprawl_lmw_template1.nlogo。
  2. 打开“Procedures”选项卡并检查代码：
    • 这里的patches代表什么？
    • patches有哪些属性？
    • 存在哪些类型的代理？
    • 这些代理类型有哪些属性？
  3. 检查全局变量。这些全局变量代表什么？
  4. 使用提供的模板将形式化模型实现到NetLogo中：
    • 检查go过程和add-new-residents过程。
    • 填充和/或实现模拟城市蔓延的过程。
    • 确保满足上述要求。
  5. 验证应用程序。
  6. 进行一些运行并讨论结果。

在最多3张幻灯片中解释模型概念并展示结果；在3月31日10:00之前上传到Brightspace。

背景阅读：

  • Brown, D. & D.T. Robinson (2006). “Effects of Heterogeneity in Residential Preferences on an Agent-Based Model of Urban Sprawl.” Ecology and Society 11(1): 46.
  • Brown, D., S. Page, R. Riolo & W. Rand. (2004). “Agent-based and analytical modeling to evaluate the effectiveness of greenbelts.” Environmental Modelling & Software 19: 1097-1109.
  • Ewing R.H. (2008). “Characteristics, Causes, and Effects of Sprawl: A Literature Review.” In: Marzluff J.M. et al. (eds) Urban Ecology. Springer, Boston, MA.