空間資訊技術的應用案例研究－都市土地使用變遷動態模擬之研究

空間資訊技術的應用案例研究

－都市土地使用變遷動態模擬之研究

作者：林嘉韋 系級：土木及水利工程博士學位學程一年級 學號：P9840213 開課老師：周天穎 課程名稱：空間資訊系統專論 開課系所：土地管理學系碩士班 開課學年： 98 學年度 第 一 學期

中文摘要

本研究目的在藉由一個整合性模擬模型，探討都市發展過程中透過社會、經 濟與地形地貌的互動過程，將土地使用變遷的動態予以模型化。 長久以來，都市的發展一直都是最受到關心的議題之ㄧ，因此發展出許多都 市發展的模式，其主要模式包括︰較早期的傳統數理規劃模式而後演進到整合多 種發展模式的模擬系統、動態模擬都市成長的系統。其中UrbanSim是近年來發展 快速的一個整合型都市發展模式，因此本研究透過都市中的土地、住宅與非住宅 空間以及交通運輸等參與者之間的相互影響來模擬都市的動態發展過程。 由此模式所建構的研究程序，可針對土地使用管制建立影響評估之量化基 礎，探討不同土地使用管制策略對於周邊區域之變化，以配合政府建立土地開發 動態管制策略之擬定。同時，就本研究架構而言，所建立之實證分析程序，將可 作為其他區域的空間研究作業參考。 關鍵字：動態變遷、UrbanSim、Logit model

目 次

一、  前言 ...3 

二、  文獻回顧 ...4 

（一）土地使用變遷...4 

（二）土地變遷模擬系統...5 

三、  研究設計與方法 ...7 

（一）研究設計...7 

（二）研究方法...8 

四、  預期成果與貢獻 ...12 

一、

前言

土地是從事各項活動的基礎，都市土地使用規劃影響人類的生產、生活及生 態環境甚鉅，故必須對都市的空間作一完善與適宜的土地使用計畫，並因應外在 環境的改變及趨勢。然在制定計畫之前，必須先對都市之土地使用型態、結構、 時空動態變化有充份的了解，Forman (1995) 就強調一個好的計畫應長期考量土 地使用變遷過程及其自然與人為之干擾機制，並預期其未來可能變遷，以為土地 規劃參考之依據。爰此，土地使用變遷對於土地規劃與政策的制定具有很大的影 響力。 在人與環境間互動過程中，表現於空間的具體型式之一即為土地使用，土地 使用的分佈狀況表現出人類在其所居住的土地上之活動類型與決策行為，在不同 社會文化背景、政治經濟發展條件及自然環境限制下，展現出各種不同的土地使 用型式。而土地使用變遷的狀況更顯示出在不同的時間序列下，影響土地使用因 子的變化情形，也就是人類在因應其所面對的生存環境發生變化時，所採取的調 適行為展現於外在環境的空間型態改變，土地使用變遷研究即是在了解人與環境 間的互動機制，為相關研究者所致力課題之一。 而就都市生態學的觀點而言，都市可視為一複雜有機體，其發展受到相當多 因素的影響，除包括土地本身自然環境條件與自然資源的限制外，更牽涉到在都 市發展過程中，各種社會經濟因素彼此互動的影響，這些變動包括經濟產業、交 通運輸、人口遷徙及其他社會經濟層面的變化，最後綜合反應在整體土地的利用 形態上，形成不同土地使用所建構的空間結構，使空間中分布著各種相異的土地 使用，並塑造出不同的都市型態與空間結構。至於這些因素的影響程度則不一而 定，且在不同的時空（temporal-spatial）環境下，各因素所造成的影響亦不儘相 同。 為了分析土地使用變遷的各種外在影響因素，必須以數理統計模型來加以分 析，都市模擬系統即為重要手段之一。至於如何建立適當的都市變遷動態模擬系 統，以評估各種產業發展情境，則為實務運作上的極大挑戰。主要困難有兩大類， 一是缺乏適當的整合模型，都市土地使用之變遷過程，受到社會、經濟與環境等 不同的條件制約及建設投資所產生的效用影響，亟需突破傳統方法以充分解決整 合性課題。二是空間資料的準備不易，因普查資料通常作為都市土地使用變遷分 析的基本數值資料，然而當分析普查資料的大尺度空間單元超過分析單元範圍 時，將無法充份反映更重要的細部變化。 因此本研究擬藉由都市土地使用變遷模擬模型的建構，從基礎資料整備及它 項運用、都市模型、地理資訊技術等相關理論，解決土地使用變遷分析資訊缺乏 之問題，提供空間規劃、整合分析等作業更佳之效率與品質。因此如何將此相關

技術加以整合，突破現有技術瓶頸，達成效率化與彈性化規劃成果，進而支援政 策擬訂都市與產業發展政策，乃為本研究之動機。 本研究目的在藉由一個整合性模擬模型，探討都市發展過程中透過社會、經 濟與地形地貌的互動過程，將土地使用變遷的動態予以模型化。同時著重於描述 與解釋土地使用變遷，對以就業人口轉變為表徵的經濟變化影響，同時將變遷結 果予以空間化處理，作為未來探討預測變遷因素與影響的基礎研究。本研究目的 重點可分為下列幾點。 (一)建構具體可行的研究程序，並作為都市土地使用變遷模擬的實證研究基 礎。 (二)根據相關文獻回顧與評估模擬模型，建立研究架構，以實證模擬在不同 情境下，土地使用型態變遷與就業人口等相關因子的交互影響，透過研究過程與 分析結果，提供系統性的決策思考模式。

二、

文獻回顧

（一）土地使用變遷 基於土地使用規劃之重要性，土地使用相關研究之起源甚早，然由於研究者 的背景不同或探討觀點不同，因此所採用的分析方法亦不同。最基本的土地使用 研究中，多屬於描述性分析，其內容大多進行土地使用類別的探討，這些研究通 常採用相似的方式，即將過去土地使用情況加以整理，藉由整理所得之累積資訊 或經驗，將其歸納出結果，並以土地使用分類表格或土地使用圖等方法，來展現 其研究成果，較著名且被廣泛應用者包括同心圓理論、扇形理論、多核心理論等 三種。進一步的發展則在於解釋性理論的出現，如Alonso (1964) 提出競租理論 (Bid Rent)，以可及性的角度，推論出土地成本與交通成本彼此替代的現象，並 解釋地價與土地使用之互動關係。 而近年來在相關的土地使用變遷研究方面，因其所考量重點的不同及研究方 法的差異，大致可分為兩類，以下分述之。 第一類為土地利用變遷型態的度量，研究者須先確實掌握土地使用改變的真 實狀況，才能進一步的模擬及解釋土地使用的變遷。土地使用變遷型態的度量方 法，根據其所使用方法的不同，主要可分為量的度量、空間型態的度量及衍生資 訊的度量 (丁志堅，2002)。所謂量的度量係指各類型土地利用種類所佔的面積， 於時間序列上的增減情形，是為最基礎之量測 (Hulshoff, 1995；楊雲龍，1995）； 另外，時間序列上各種類土地使用類型變化成它種土地使用類型的度量，也是另 外一個瞭解土地利用變遷之重要的數量研究基礎 (李建堂，1988; Muller and Middleton, 1994; Hulshoff, 1995)。以空間型態 (pattern) 或結構 (structure) 變遷 的計量方法描述土地利用變遷即為空間型態的度量，其主要意涵為分析土地使用

在空間上不同時間上的幾何變化狀態，包含點、線、面三種空間單元，透過空間 統計指標的運算，將變化的程度以數量化的方式呈現；此類計量分析方法出現在 很多的研究中(Hulshoff, 1995; Medley et al., 1995; Skinner, 1995；蔡博文等， 2001)。至於衍生資訊的度量則是利用空間分析的計量方法，常使用者如馬可夫 鏈模式，將複雜的土地使用變遷資料，轉化為有系統的空間資訊，進一步探索空 間資訊 (Boerner et al., 1996；蔡博文等，1997）。 第二類則是透過模式之建構來模擬及解釋土地利用的變遷，相關研究亦非常 多，Lambin等人(1999) 將其歸納為三大類，分別是敘事 (Narrative) 方法、以個 體為基礎 (Agent-based) 方法及系統 (System) 方法。敘事方法主要是從觀察、 描述及解析，來探討歷來之土地使用變遷事實，以瞭解土地使用變遷之情境；個 體基礎方法則是探討每一個作用於土地利用變遷的決策個體，如決策者本質 (年 齡、性別、教育程度等屬性)、理性的決策法則、認知意象、偏好等來瞭解土地 使用行為的決策過程與法則 (Wu, 1998; Landis and Zhang, 1998; Serneels and Lambin, 2001) ； 系 統 方 法 主 要 是 從 社 會 經 濟 的 結 構 (organization) 與 制 度 (institute)、自然環境的適宜性，來探討這些結構性因素對土地利用決策的影響， 剖析不同的空間尺度與時間尺度彼此交互影響的程度與方式，及其造成土地利用 變遷的機制 （Moran et al., 1998; Verburg et al., 1999; Farrow and Winograd, 2001）。 （二）土地變遷模擬系統 1. 傳統數理模型 傳統的數理規劃模型的理論基礎是根基於都市經濟學地租理論，其中住戶 ﹙household﹚的考量包含區位、住宅價格、交通成本等因素，並選擇其效用最高 者，換句話說，土地之利用將會是願付最高地租者。 土地使用的發展的演化歷程和規劃管理策略，乃是都市發展學者所關切的重 要課題。由於此一研究領域涉及大量資料的蒐集、儲存、運算及分析，自從1950 年代電腦問世以來，城鄉學者即企圖利用電腦的強大計算能力，發展出數理模型 ﹙mathematical model﹚，以數學符號來記述研究對象的一些表徵，並以統計方法 來建構其線性或非線性數學關係，從而分析、解釋歷史或現況資料、預測其未來 發展趨勢﹙馮正民，林楨家，2000﹚。 其後傳統數理規劃模型中加入離散選擇﹙discrete choice﹚、隨機效用﹙random utility﹚、競租選擇﹙bid-choice﹚、羅吉特模型﹙logit model﹚等數理統計之觀 念，但在其模型的假設中都市乃是均衡的、靜態的、單一部門、單一就業中心， 並未考慮到與動態生態模式﹙dynamic ecological models﹚的整合，加上個人電腦 的運算能力的快速增加，以及模糊集合、複雜系統、細胞自動機等理論的出現， 使得都市發展的建構越趨於複雜及精緻，因此發展了以整合多種發展模式的動態

模擬系統。 2. 動態模擬系統 隨著經驗的累積以及技術的進步，近年來，許多整合式的大型數理模型，也 逐漸被發展出來了。其中動態模擬系統是一個可以分析研究多變量、非線性，有 時延性的複雜問題的學科，以其特殊的方法建構系統的模擬模式，能夠處理行為 隨時間變化的動態系統問題，以及隨機因素的影響，提供決策者作為最佳決策的 方針或參考。

Gulen and Lale﹙1996﹚運用系統動態學探討伊斯坦堡市中心的動態行為，模 式區分為土地子系統（包含辦公室、零售業、製造工業、觀光服務業與住宅面積 等變數），與相對應的人口子系統，並從人口活動與土地開發利用的觀點進行模 式模擬。結果成功的模擬出伊斯坦堡市中心土地開發與就業人口分布的趨勢，其 中土地的開發創造出就業機會，吸引人口的增加，而土地使用方式影響就業人口 的分布，土地與人口之間互為因果的關係，提供計畫層面了解問題的癥結所在， 並據此提出未來使用分區管制與人口成長管理的修正策略。 其中UrbanSim是近年來發展快速的一個整合型都市發展模式，UrbanSim是 美國華盛頓大學所開發之模型，以動態不平衡 (dynamic disequilibrium) 為假設， 結合交通、土地利用、人口變遷、市場供需等各種因子間的相互影響，模擬都市 的動態發展， 並從不同參與者的角度探討不同的決策行為， 分析不同決策方案 對都市產生的影響。例如︰住戶選擇是否要搬家，該要搬到哪裡定居；一樣的， 商家也有同樣類似的決策行為；開發者根據土地的特性來選擇如何開發土地以及 決定其使用密度及層級；並且能幫助政府公共設施的投資以及對於土地開發的限 制、評估環境的敏感度、劃設都市成長的邊界以及其他相關的政策等。 UrbanSim不是一個單一的模式，而是由一系列相互影響的模式組成的都市模 擬系統。共有７個不同的模式在UrbanSim裡，包含經濟變遷模式、人口變遷模式、 就業遷移模式、就業和家戶區位選擇模式、家戶遷移模式以及不動產開發模式。 這七個模式以每年為一期，依序模擬各年度的發展區域，系統操作者進一步設定 模擬地區的重大事件及境況模擬條件假設，然後便由上述之七個模式依序進行模 擬，見下圖1。

圖 1 UrbanSim Structure Showing Model Communications with Data store 資料來源：http://www.urbansim.org/ 運作UrbanSim模式的資料來自於外部的輸入資訊，包括︰居住人口以及就業 人口、區域經濟的預測、運輸系統、土地使用計畫，以及土地開發政策，例如容 積率、建蔽率的限制、環境限制以及開發影響評估費用等。藉由使用者建立模擬 的情境，並明確指定可選擇的預測計畫、土地使用政策以及其他的外部輸入資 訊，UrbanSim就會依據這些模擬情境來執行並產生結果來進行比較。

三、

研究設計與方法

（一） 研究設計 本研究擬定研究架構可分為三個階段實施，第一階段：根據文獻回顧及相關 理論探討，分析土地使用變遷各項影響因子，及考慮時間與空間因素後，建立研 究架構，同時比較主要都市模擬模型的特性，評估符合研究需求的模型後，將作 為研究基礎並且從影響土地使用變遷因子及其變化等向度進行分析。第二階段： 在作業規劃上，準備所需的研究資料庫內容、作業程序、建立模型環境等。在研 究上運用普查資料及相關政府統計為模型之基礎資料。空間圖資方面包括準備土 地使用、相關交通與環境圖資等研究所需。同時依據研究內容，建立所需的資料

校正與模式驗證程序。在實證操作上建立不同情境的分析方案，作為本研究之分 析基礎。第三階段：討論與分析個案模擬結果，並作成結論與建議以達本研究目 的。 由於土地使用方式發生改變，是受到許多因子影響，包括政策、土地權屬、 經濟、社會、文化、居民行為及自然環境等交互作用下的結果，同時土地使用變 遷也會對相關環境因子造成衝擊，例如造成區域經濟結構改變等，基於這些理 由，使得瞭解土地使用變遷機制，即為相關規劃及決策所關心的主要議題。本研 究根據相關文獻回顧並據以建立研究架構等相關研究方法，如圖2所示。 圖 2 研究架構 資料來源：李萬凱，（2008） 在都市這一個錯綜複雜的大系統中，由於各次系統具有密切交互作用關係， 土地開發投入其中後，將對都市活動中的各項主要指標產生相互的關聯，這些指 標通常作為描述主要都市構成元素，以推估都市發展的活動力、經濟力及舒適 性，但各項指標間的交互影響與作用關聯，為都市模擬等相關研究的重點領域。 土地使用管制對於都市空間發展產生巨大影響，且其與社會經濟發展為動態交互 作用過程，因其複雜性、時效性及成本巨大，以致無法進行現地試驗。系統模擬 即在於不必透過實際實驗操作，即可評估土地使用管制對都市構成元素的影響。 考量土地使用型態的空間特性，本文亦將著重於以地理資訊系統為架構及效用理 論(Utility theory)為基礎或其衍生相關理論如邏輯特模型(Logit model)、個體選擇 模型(Discrete choice model)等足具代表性者進行分析。

（二） 研究方法

1. 羅吉特模型（Logit model）

為一個決策者，對於一組「互斥」替選方案 (Alternatives) 的選擇，可按照其個 人的偏好 (Preference) 排列出優先順序，而選取一個最能滿足其偏好的最適方 案。滿足偏好的程度可以稱為效用水準，以土地使用類型選擇為例，決策者在各 替選方案中將選擇最大效用的方案。以數學式表示，如果決策者選擇土地使用替 選方案j，若且唯若，第j個方案對他的效用將是所有方案中之最大者。亦即： U U , k; j,k C j ≥ k ∀ ≠j ∈ i_{………..(1)} 其中，C 為決策者 i 可選擇之土地使用替選方案集合。i Uj_及U 為各土地使k 用替選方案帶給決策者 i 之隨機效用水準。Logit 模型即是以此隨機效用函數為 基礎。 假設每個替選方案皆由 N 個可量化屬性加以描述，則消費者從中選擇第 j 個方案所帶給他的效用可表示為 i j U ，其中 i j U 又分為 i j V 與不可衡量的部分 i j e _， i i i j j j

U =V +e

……….………..(2) i j V ：代表總效用中可解釋部分的效用 i j e ：為誤差項，即不可觀測部分之隨機效用 其中，隨機效用 i j e 除了代表不可觀測部分之效用外，尚包括了許多誤差來 源，例如對可衡量效用的衡量誤差、函數指定誤差、抽樣誤差以及變數選定誤差 等。對隨機效用作不同的機率分配假設，可以得到不同的選擇模型。 由式 (1)，決策者 (i) 選擇方案 (j) 的機率 ( i j P ) 決定於該方案帶給決策者 的效用大小 ( i j U )，亦即當該方案的效用愈大時，該方案被決策者選擇之機率就 愈大。因此，配合式 (2) 選擇該方案之機率形式可表示為： i i i j j k i i i i j j k k i i i i k j j k

P =Prob(U

U )

=Prob(V +

V +

)

=Prob(

-

V -V )

ε

ε

ε ε

≥

≥

≤

………..(3) 若假設式 (3) 中之隨機誤差項 i j e、 i k e 呈相同且一致之第一型極端值分配 (iid,

type extreme value distribution)Ⅰ ，即 Gumbel 分配，則可推導出多項 Logit 模型 (multinominal logit model, MNL) (McFadden, 1981; Ben-Akiva and Lerman, 1985)，其數學式經推導如公式 (4)，其中 i

j

V ， i

k

V 為各方案之間接效用函數，而 μ

i j i k V i j n V k=1

e

P =

e

μ μ

∑

………..………..(4) 在效用函數的指定部份，本研究將函數型態指定為線性，並採取 McFadden (1981) 所推估之 Conditional Logit Model 的參數指定方式，對於 n 個替選方案只 有一組相同的係數值，參數校估方式是以最大概似法進行，此法之基本觀念為「找 出能使觀測之數值有最大發生機率之參數組合」。數學式如式 (5) 所示：XV i i i i j 1 1j 2 2j k kj

V =a X +a X +...+a X

μ

，j=1,2…,n…………..………..(5) 其中，i：選擇者； n：替選方案個數； X：效用函數之解釋變數； k：效用函數共 k 個解釋變數； α：表(k×1)係數向量。 個別土地（i）之土地使用型態（j）變遷之選擇可以圖 3 顯示及選擇結構。 圖 3 土地使用型態變遷選擇結構 資料來源：張曜麟、鄒克萬，（2004） 2. 都市動態模擬系統﹙UrbanSim﹚ 本研究著重於描述並解釋土地使用轉變對經濟變化之影響，並令就業機會為 經濟變化的顯性代表。為分析土地使用轉變，因此必須運用可分析土地使用轉變 的整合性都市模擬模型，本研究即運用UrbanSim 模型，本模型以羅吉特模型為 主所建構的整合型系統，以隨機效用理論及離散選擇模型處理模型的互動決策， UrbanSim 模型特性可如下所述，UrabnSim 模型所描述的都市行為程序關聯圖如 圖4 所示。 土地（i） j=1（空地） 使用型態 j=2（住宅） j=3（商業） … j=J（其他）

圖 4 UrbanSim 模型架構概念圖 資料來源：李萬凱，（2008） （1） 模擬「關鍵決策者」對都市發展的選擇，特別是家戶(Household)或商 業行為(Employment)的移動、區位選擇及開發選擇。 （2） 以量化描述：土地使用型態、建築物(住宅及工商業建築)、使用者(家 戶及企業)。 （3） 同時考慮時間、空間及開發行為的影響，模擬都市發展的動態過程。 （4） 模擬土地市場供給與需求互動性，包括家戶及企業對區位的偏好、現 有空地、新開發及再開發土地等，對土地市場因供需不平衡所產生的 價格變動。 （5） 假定政府政策明確且穩定，以年為單位並藉由模型反映，以評估政策 影響。

（6） 利 用 隨 機 效 用 理 論 (Random utility theory) 及 羅 吉 特 模 型 (Logit models)，建構關鍵決策行為模型其運算式的構成要素。

（7） 空間分析以網格(Grid Cell)為資料分析的基礎單位，允許定義空間網 格解析度，以個體導向(Object Oriented)概念為推論機架構。

（8） 滿足不同都市發展階段與不同類別(家戶及企業)層級的決策分析需 求。

UrbanSim 模型中其驅動方式(trigger driver)，係依據離散選擇(discrete choice) 假設各模組中趨動變數選擇對模組的最大效用選項。在整個系統環境中，各模組 並依據決策者設定的情境(scenario)因素納入各模組的線性效用函數中。此效用函 數描述決策者對可行替選方案的偏好特性，將決策者選擇視為機率行為，各替選 方案間的相對機率維持隨機特性。以最大隨機效用理論建構相關子模型函數式。

系統間各次模組與資料流程架構如圖5 所示。 圖 5 UrbanSim 都市模擬系統各模型間之資料流程圖 資料來源：Waddell, Paul,（2002）

四、

預期成果與貢獻

從本研究結果分析觀察，可發現影響土地使用型態變遷的是綜合性因素，即 改變相同的條件，對於不同區位會有不同影響，因此建立動態土地使用變遷影響

分析應為較妥適的方式。整體而言，顯示運用UrbanSim 模型的羅吉特模式配合 空間統計方法，確有助於建立有效的分析工具。 在研究動機的驅使下，本文針對土地使用變遷研究現況中缺乏適當的整合模 型及空間資料的準備不易等問題，完成一系列具體的研究成果，運用Urbanim 模 型建立完整作業流程以解決相關課題，同時依據研究成果在不同階段透過實證分 析與討論，完成所設定的研究目的，此成果主貢獻如下所述： （一）運用UrbanSim 模擬模型及所建立的研究程序，讓不同的土地使用分區管 制制度，於實質規劃前進行，模擬推估各變遷因子的交互影響，比較不同 方案間之變化，以獲得決策所需的支援資訊，由此所建構具體可行的研究 程序，將可作為土地使用變遷模擬的實證研究基礎。未來可針對土地使用 管制建立影響評估之量化基礎，探討不同土地使用管制策略對於周邊區域 之變化，如土地使用、交通衝擊、就業人口變遷、產業發展及其他社會經 濟層面在空間結構上的異動趨勢，以配合政府建立土地開發政策之擬定。 （二）近來臺中縣市合併的議題受到中央及地方政府相當的重視，在縣市合併後 ，兩個區域的產業發展政策將因此變的密不可分，因此本研究之成果將可 提供一個未來台中縣市合併後的產業政策發展方向之參考，以利帶動區域 的整體產業發展及升級，進而吸引更多的人才、技術進駐大台中地區，並 促進整體區域的經濟建設向上提升。同時，就本研究架構而言，所建立之 實證分析程序，亦可作為其他區域的空間研究作業參考。

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