城市扩展是一个复杂的时空转换过程,它使不同的土地利用类型转化为城市用地,其结果表现为城市规模的日益扩大。然而土地资源是有限的,如何建立城市模型来描述,模拟和分析城市在扩展变化中表现的复杂动态行为,具有重大的理论和实际意义。城市是个复杂的巨系统,传统的各种城市静态模型缺乏对城市动态系统的直接模拟。元胞自动机(Cellular Automata ,CA)是一种“自下而上”的动态模拟建模框架,具有模拟复杂系统时空演化过程的能力。CA模型的这些特点在城市增长、扩散和土地利用演化的模拟等方面较为合适,成为CA应用的热点。探讨利用集成于GIS下的CA模型模拟城市扩展将会改善CA的模拟环境,建立典型的城市CA模型也会发现新的参数和转换规则。本文首先从理论出发,对城市扩展的动力机制及城市扩展的模式进行分析,总结出城市CA模型在国内外的发展现状及发展趋势。在前人研究的基础上,基于CA原理,结合GIS与RS技术,在ArcGIS平台中进行二次开发,构建了GIS-CA模型系统,以洛阳市为研究区域,对其城市扩展进行了模拟和预测。本文研究的主要内容如下:(1)城市系统是复杂的系统,城市的扩展是个复杂的时空转变过程,建立城市空间扩展动态模型是一项艰难的工作。为更好地建立城市扩展动态模型,对城市扩展特征和用于城市扩展的CA模型进行了理论探讨。(2) GIS-CA模型构建:在ARCGIS平台中,利用ArcObjects在VBA环境中进行二次开发,构建了GIS-CA模型。(3)选取洛阳市为研究区,模拟与预测其城市扩展变化动态过程。选取TM影像、城市土地利用现状、地形和城市总体规划等数据,应用RS和GIS技术对其进行处理,通过GIS-CA模型来模拟和预测城市扩展,为城市规划者提供有用的土地利用变化信息。本文的结论主要有:(1)GIS与CA集成,增强了GIS的时空动态建模功能,利用GIS可以很容易的获得CA需要的数据,对CA模拟结果数据无需转换,便可以实现可视化。(2)利用ArcObjects在ArcGIS平台中进行GIS-CA模型开发是较好的选择,利用ArcObjects可以很容易的定义GIS-CA的转变规则,模拟的结果可以直接在ArcGIS中进行数据动态可视化显示,可以充分利用ArcGIS的空间分析功能对结果进行统计并分析。(3)洛阳城市在不断的加速扩展,城市面积不断增加,占用农村用地越来越多。利用GIS-CA模型模拟和预测洛阳城市土地变化,可以为洛阳城市土地利用规划提供依据,帮助制定有效的土地管理措施和方针政策。(4) GIS-CA模型并不能完全精确的对城市扩展做出预测,只是提供了一种城市扩展的大致可能性。因为城市系统具有复杂系统的混沌、自组织和不确定性等典型特征,虽然具有一定规律,然而要精确预测它的发展变化尚待进一步研究。