《Landscape and Urban Planning》：A spatial agent-based modeling to allocate land use for brownfield sites on an urban scale
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本研究利用GIS与基于代理的模型（ABM）结合，通过依赖性、一致性、熵等指标，为伊朗德黑兰第七区110个棕地地块分配未来土地用途子类，验证了该框架在数据稀缺城市中支持可持续再开发的有效性。
哈梅德·齐巴埃伊（Hamed Zibaei）| 穆罕默德·萨迪·梅斯加里（Mohammad Saadi Mesgari）| 埃尔-赛义德·M·埃尔-肯纳维（El-Sayed M. El-Kenawy）| 尼玛·霍达达迪（Nima Khodadadi）
伊朗德黑兰K.N.图西技术大学（K.N. Toosi University of Technology）大地测量与地理信息学院（Faculty of Geodesy and Geomatics），地理空间信息系统系（Department of Geo-spatial Information System）及地理信息技术卓越中心（Center of Excellence for Geo-Information Technology，简称CEGIT）
摘要
全球各地的城市都在经历快速的发展，这要求改进土地使用规划和再开发策略。棕地（Brownfield）——即城市区域内被废弃、污染或未得到充分利用的土地——为可持续的城市发展带来了挑战和机遇。重新开发这些土地可以改善环境和社会指标，从而提升整体生活质量。本研究提出了一种基于空间代理的模型，利用地理信息系统（GIS）和在Python中实现的基于规则的代理建模（Agent-Based Modeling，简称ABM，具体工具为Mesa-Geo），来支持将合适的未来土地使用类型分配给已识别的棕地地块。该模型采用完全基于向量的结构，以地籍地块作为计算决策单元（即代理）。研究在德黑兰的第7区域进行，共涉及39,551个地块，其中110个被认定为棕地。土地使用类型的分配依据了依赖性、一致性、熵值、物理适宜性以及人均服务指标等规划因素，同时分区代码和地块大小阈值作为外部空间约束条件。研究结果表明，该模型通过基于空间信息和指标驱动的土地使用决策，有效支持了以规划为导向的可持续再开发。
引言
城市土地使用规划面临的一个主要挑战是可用于开发的土地资源有限，难以满足城市发展的不断变化的需求（O'Connor, 2019）。一种可行的城市发展策略是重新开发城市内部未得到充分利用的区域（Jian, 2023）。采用整体规划方法对于高效、智能地利用这些有限资源至关重要（Motieyan和Mesgari, 2018）。这包括效率低下的城市区域、废弃土地以及传统市中心（Gao和O’Neill, 2020）。这些区域虽然曾经被开发过，但目前存在效率低下的问题（Morar, 2021）。在这种情况下，系统会识别出效率不足的区域，并提出相应的再开发方案以满足当前的需求（Wang, 2022；Zheng和Masrabaye, 2023）。
棕地再开发被认为是一种符合智慧城市发展理念的可持续土地使用策略（Wang, 2022；Zheng和Masrabaye, 2023；Thomas, 2002）。所谓“棕地”，通常指的是位于老旧开发区域或使用不当的土地（Hammond, 2024）。对这些土地进行再开发是满足当前土地使用需求或改善城市环境的必要措施（Jian, 2023）。这些土地往往受到先前用途的影响，可能存在污染问题，从而影响其可用性（Nathanail, 2010）。对这类土地的再开发有助于解决城市衰退问题，振兴退化区域（Ameller等人, 2020），这是城市发展的关键要素（Zheng, 2017）。
在城市棕地再开发的规划背景下，采用能够基于现有数据评估多种指标的方法至关重要（Jian, 2023）。有效的决策分析和工具的应用有助于构建棕地再开发规划的支持框架（Ameller等人, 2020；Hammond, 2023）。决策者和城市设计师可以利用该模型的结果来优化规划流程，促进可持续发展（Zheng, 2023）。本研究旨在结合基于代理的方法和地理信息系统（GIS），以支持棕地地块的土地使用类型分配。在确定这些区域的合适用途时，必须充分考虑当地社区的需求，并对该地区的环境特征进行深入分析。分析方法和工具，如多标准决策分析（Multi-Criteria Decision Analysis，简称MCDA）和GIS，将对这一目标产生重要贡献。本研究的结果提供了决策支持，为棕地再开发提供了多种方案，可作为区域规划者的决策依据。
除了方法论上的贡献外，本研究还为城市规划者、GIS专业人士和政策制定者提供了一个实用的决策支持框架。通过基于代理的地籍地块建模来模拟土地使用分配，该方法使利益相关者能够评估反映现实世界空间、社会和环境约束的再开发方案。ABM与GIS的结合不仅提高了城市土地使用规划的透明度和可审计性，还为不同城市环境下的可持续再开发策略提供了可复制和可扩展的工具。
城市棕地再开发面临多重挑战，包括数据稀缺、所有权分散以及土地使用优先级冲突（De Sousa, 2003；Dixon, 2007）。传统模型往往侧重经济可行性或自上而下的监管，但容易忽视地块尺度的空间互动和环境适宜性——尤其是在数据受限的城市环境中（Nijkamp等人, 2002）。本研究通过提出一种基于地块的、空间明确的决策模型来弥补这些不足，该模型整合了地理信息系统（GIS）、基于代理的建模（ABM）和多标准决策分析（MCDA）。在市场信号较弱或不可靠的情况下，这种混合方法能够支持基于证据的本地化规划（Couch等人, 2011；Sykora和Bouzarovski, 2012）。值得注意的是，所提出的ABM是以规划为主导、基于规则的：它并不旨在模拟利益相关者的谈判、学习或市场驱动行为；相反，地块作为决策单元，在明确的指标和外源性规划约束下运作。
本研究不涉及棕地的识别或修复成本问题，而是专注于通过基于地块的GIS-ABM-MCDA框架，支持将符合政策导向的未来土地使用类型分配给已识别的地块（具体细节见第3.2.4节），这是一种决策支持手段，而非市场最优预测。
尽管GIS、MCDA和ABM是成熟的技术，但本研究将它们嵌入到一个完全基于向量的代理模型中，该模型直接操作地籍地块数据。与依赖栅格数据或宏观尺度分区的先前研究不同，我们的方法通过直接关联现实世界边界的地块级代理来模拟分配决策。这种设计将微观尺度的土地使用分配与社区和区域规划目标相结合，为基于证据的本地化再开发提供了可转移的框架。
总之，本研究解决了数据稀缺的城市环境中缺乏空间明确的、基于地块的棕地再开发框架的问题。虽然以往的研究从经济、修复或政策角度探讨了棕地再开发，但很少有研究提供将环境指标与地籍级规划单元相结合的决策支持工具。本研究的目标有三个：（1）开发一个基于规则的、基于向量的代理模型，用于模拟地籍地块尺度的土地使用分配；（2）整合GIS、ABM和MCDA，根据依赖性、一致性、熵值、物理适宜性、服务覆盖率和人均指标评估土地使用方案；（3）评估棕地再开发对区域和社区级规划指标的累积影响。所提出的研究设计通过结合地块级决策规则（自下而上的分配）与更高层次的评估（社区级聚合单元和区域约束及指标模块），将局部土地使用分配与更广泛的城市规划目标联系起来。
除了应用现有工具外，本研究还提供了一种明确考虑地块的GIS-ABM方法，用于棕地分配：（i）通过完全基于向量的设计保持地籍拓扑结构；（ii）在决策循环中执行分区和面积约束；（iii）通过AHP将专家判断转化为透明的效用；（iv）利用覆盖率和人均标准将地块决策与社区和区域目标联系起来，实现迭代更新。这种设计将空间指标转化为适用于数据稀缺、政策驱动的规划的实际分配方案。
文献综述
适当的土地使用分配需要全面了解城市增长模式（Li和Gong, 2016）和高分辨率的城市土地利用变化建模（Jjumba和Dragi?evi?, 2012）。其中一个目标是棕地再开发（Sun, 2022），这有助于实现可持续的城市发展，从而减少城市扩张（Nuissl和Schroeter-Schlaack, 2009）。
棕地再开发的主要挑战是为特定地块制定一个能够实现多方共赢的规划策略。
案例研究
发展中国家的城市化进程加剧了许多问题，包括广泛的城市扩张、环境污染和社会经济问题（Khan, 2023），这些问题给决策者和城市规划者带来了重大挑战。作为伊朗首都的德黑兰，是国内空间系统最为复杂的城市。近年来，德黑兰经历了显著的物质发展，导致许多果园被破坏……
实施与结果
本节报告了根据前述工作流程运行的模型所产生的结果。实施过程中使用了Python（Anaconda/Jupyter）和Mesa-Geo库进行基于地块的代理建模，以及ArcGIS进行空间分析和地图制作。研究区域包括14个社区和39,551个地籍地块，其中110个被认定为棕地（BF）。表6总结了各社区的棕地数量。对于每个社区，我们报告了社区面积（平方米）和棕地数量。
区域层面规划指标的影响
所提出的GIS-ABM-MCDA框架通过显示模型规划情景下关键规划指标的可衡量改善，为规划提供了支持。如表7所示，在公园、交通、城市设施、文化、宗教、医疗和体育用途方面，基线人均指标的短缺最为严重。分配后（见表9），这些短缺在模型输出中得到了缓解，尤其是在文化用途方面（从0.83减少到0.74），宗教用途方面也有明显改善……
结论
在伊朗等发展中国家的城市发展中，城市增长往往呈现出分散和碎片化的特征，
城郊扩张和协调不足的发展导致了城市扩张和服务效率低下。应对这些挑战需要制定规划干预措施，将增长压力引导至具有现有基础设施容量的城市内部未充分利用的土地。本研究提出了一种明确考虑地块的、集成GIS的棕地再开发分配框架……
生成式人工智能声明
在准备本研究的过程中，未使用任何生成式人工智能（AI）或AI辅助技术。
资金来源
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
作者贡献声明
哈梅德·齐巴埃伊（Hamed Zibaei）：撰写——原始草稿、方法论、调查。
穆罕默德·萨迪·梅斯加里（Mohammad Saadi Mesgari）：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论、调查、数据整理。
埃尔-赛义德·M·埃尔-肯纳维（El-Sayed M. El-Kenawy）：撰写——审稿与编辑、调查。
尼玛·霍达达迪（Nima Khodadadi）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、调查、资金筹措。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
