Configuring the neighbourhood effect in irregular cellular automata based models

Cellular automata (CA) models have been widely employed to simulate urban growth and land use change. In order to represent urban space more realistically, new approaches to CA models have explored the use of vector data instead of traditional regular grids. However, the use of irregular CA-based models brings new challenges as well as opportunities. The most strongly affected factor when using an irregular space is neighbourhood. Although neighbourhood definition in an irregular environment has been reported in the literature, the question of how to model the neighbourhood effect remains largely unexplored. In order to shed light on this question, this paper proposed the use of spatial metrics to characterise and measure the neighbourhood effect in irregular CA-based models. These metrics, originally developed for raster environments, namely the enrichment factor and the neighbourhood index, were adapted and applied in the irregular space employed by the model. Using the results of these metrics, distance-decay functions were calculated to reproduce the push-and-pull effect between the simulated land uses. The outcomes of a total of 55 simulations (five sets of different distance functions and eleven different neighbourhood definition distances) were compared with observed changes in the study area during the calibration period. Our results demonstrate that the proposed methodology improves the outcomes of the urban growth simulation model tested and could be applied to other irregular CA-based models

Sea level rise and real estate market impacts on urban development in a ca/agent-based model / Modelo baseado em agentes e autômatos celulares para estimativa de impactos do aumento do nível do mar e do mercado imobiliário no desenvolvimento urbano

This study presents a proposal for a hybrid model (based on agents and cellular automata) which aims to analyse the long-term effects of sea level rise and real estate market dynamics on the urban development of coastal cities in Rio Grande do Sul, a state located in south Brazil. The model's operation is based on the Complexity Theory of Cities and seeks to simulate the study area’s urban growth by replicating the process of spatial allocation of residential and commercial activities and the variations in built form and territorial attributes - such as land value and attractiveness - that result from this process. To accomplish this, specific modules were developed to determine the land value of each part of the territory through the behaviour of individual agents and to compute land attractiveness metrics through the representation of the cellular automaton as a graph. The proposed model is tested in an experiment for Tramandaí and Imbé - two coastal municipalities in Rio Grande do Sul - considering different scenarios of building restrictions and sea level rise. The results show: i) the model's ability to contribute to the development of planning policies for the study area; ii) indications of its consistency in relation to theoretical statements; and iii) its limitations in reproducing the dynamics that generate diffuse urban growth patterns.

Análisis de Sensibilidad aplicado a modelos de crecimiento urbano basados en autómatas celulares de estructura irregular

This work presents a Sensitivity Analysis (SA), as part of a validation process that is applied on an urban growth Cellular Automata (CA) based-model with irregular structure (MUGICA, Model for Urban Growth simulation using an Irregular Cellular Automata). This model has been developed to simulate urban growth of three municipalities located in an important industrial corridor (Corredor del Henares) in the central area of Spain. Although the methodology employed in this work has already been applied in models based on a raster structure, it is intended to verify its viability in the previous simulation phase, that is, in the calibration period (2000-2010) in a model of irregular structure such as MUGICA, which uses the cadastral plot as reference unit. This procedure aims to explore the degree of influence of each of the parameters on the results of the model, individually and as a whole. For this purpose, a successive elimination of the parameters is performed to evaluate if the absence of one or several of them implies a significant alteration of the results. The results show, firstly, the viability to apply this methodology in a vector environment. On the other hand, it has been possible to verify the significative influence of the suitability and accessibility factors in the development of urban land, as would be expected in a model of these characteristics.En el presente trabajo se aplica un Análisis de Sensibilidad (AS), como parte de un proceso de validación, sobre un modelo de simulación del crecimiento urbano basado en Autómatas Celulares (AC) de estructura irregular (MUGICA, Model for Urban Growth simulation using an Irregular Celular Automata). Este modelo ha sido desarrollado para simular el crecimiento urbano de tres municipios pertenecientes a un importante corredor urbano-industrial (Corredor del Henares) localizado en la zona central peninsular de España. Si bien la metodología utilizada en este trabajo ya ha sido aplicada en modelos basados en una estructura raster, se pretende comprobar su viabilidad en un modelo de estructura irregular como MUGICA, el cual emplea la parcela catastral como unidad de referencia. El objetivo es explorar el grado de influencia de cada uno de los factores en los resultados del modelo, de manera individual y en sus diferentes combinaciones. Para ello se realiza una eliminación sucesiva de los factores con el fin de evaluar si la ausencia de uno o varios de ellos supone una alteración significativa de los resultados. Los resultados muestran, en primer lugar, la viabilidad de la aplicación de esta metodología en este tipo de entorno irregular. Por otro lado, se ha podido constatar la gran influencia de los factores accesibilidad y aptitud en el desarrollo de suelo urbano, como sería de esperar en un modelo de estas características

Simulación del crecimiento urbano con AMEBA: Modelo Basado en Agentes para la ocupación residencial

La utilización de Modelos Basados en Agentes (MBA) abre nuevas posibilidades para simular, entender y analizar los resultados del proceso de crecimiento y ocupación urbana teniendo en cuenta diferentes actores implicados en el mismo. El prototipo AMEBA (Agent-based Model for the Evolution of urBan Areas) pretende simular este fenómeno, donde interactúan planificadores, promotores inmobiliarios y la población, a partir del desarrollo de tres submodelos independientes. En el presente trabajo se describe la estructura y funcionamiento del submodelo de ocupación residencial por parte de la población y su integración final con los otros dos submodelos que representan la acción de los demás agentes. Los resultados muestran que es posible desarrollar una arquitectura integrada que permita simular de manera más completa este tipo de sistemas complejos y con la suficiente flexibilidad para ser utilizado en distintas áreas de estudio y simular diferentes escenarios de dinámica urbana a futuro.La presente investigación se ha desarrollado en el marco del proyecto «Instrumentos de Geosimulación y planificación ambiental en la ordenación territorial de ámbitos metropolitanos. Aplicación a escalas intermedias (SIMURBAN2)», financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España (Ref.: CSO2012-38158-C02-01)

Urban Growth S imulation with AMEBA: Agent-based Model to residential occupation

La utilización de Modelos Basados en Agentes (MBA) abre nuevas posibilidades para simular, entender y analizar los resultados del proceso de crecimiento y ocupación urbana teniendo en cuenta diferentes actores implicados en el mismo. El prototipo AMEBA (Agent-based Model for the Evolution of urBan Areas) pretende simular este fenómeno, donde interactúan planificadores, promotores inmobiliarios y la población, a partir del desarrollo de tres submodelos independientes. En el presente trabajo se describe la estructura y funcionamiento del submodelo de ocupación residencial por parte de la población y su integración final con los otros dos submodelos que representan la acción de los demás agentes. Los resultados muestran que es posible desarrollar una arquitectura integrada que permita simular de manera más completa este tipo de sistemas complejos y con la suficiente flexibilidad para ser utilizado en distintas áreas de estudio y simular diferentes escenarios de dinámica urbana a futuro.The implementation of Agent-Based Models (ABM) opens new possibilities to simulate, understand and analyse the processes derived from urban expansion. The AMEBA prototype (Agent-based Model for the Evolution of urBan Areas) aims to simulate this phenomenon by developing three independent sub-models, where planners, developers and the population interact. This article describes the structure and functioning of the population-driven residential occupation sub-model, as well as its integration with the others. Results show that an integrated architecture can be developed in order to better simulate these types of complex systems, and that it is flexible enough to be applied to alternative study areas and project different urban dynamics scenarios.Instrumentos de Geosimulación y planificación ambiental en la ordenación territorial de ámbitos metropolitanos (SIMURBAN2), Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España (Ref.: CSO2012-38158-C02-01

Linnade laienemine Eestis: seire, analüüs ja modelleerimine

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsiooneLinnade laienemine, mida iseloomustab vähese tihedusega, ruumiliselt ebaühtlane ja hajutatud areng linna piiridest välja. Kuna linnade laienemine muudab põllumajandus- ja metsamaid ning väikesed muutused linnapiirkondades võivad pikaajaliselt mõjutada elurikkust ja maastikku, on hädavajalik seirata linnade ruumilist laienemist ning modelleerida tulevikku, saamaks ülevaadet suundumustest ja tagajärgedest pikemas perspektiivis. Eestis võeti pärast taasiseseisvumist 1991. aastal vastu maareformi seadus ning algas “maa” üleandmine riigilt eraomandisse. Sellest ajast peale on Eestis toimunud elamupiirkondade detsentraliseerimine, mis on mõjutanud Tallinna ümbruse põllumajandus- ja tööstuspiirkondade muutumist, inimeste elustiili muutusi ning jõukate inimeste elama asumist ühepereelamutesse Tallinna, Tartu ja Pärnu lähiümbruse. Selle aja jooksul on Eesti rahvaarv vähenenud 15,31%. Käesoleva doktoritöö eesmärgiks on "jälgida, analüüsida ja modelleerida Eesti linnade laienemist viimase 30 aasta jooksul ning modelleerida selle tulevikku", kasutades paljusid modelleerimismeetodeid, sealhulgas logistilist regressiooni, mitmekihilisi pertseptronnärvivõrke, rakkautomaate, Markovi ahelate analüüsi, mitme kriteeriumi. hindamist ja analüütilise hierarhia protsesse. Töö põhineb neljal originaalartiklil, milles uuriti linnade laienemist Eestis. Tegu on esimese põhjaliku uuringuga Eesti linnade laienemise modelleerimisel, kasutades erinevaid kaugseireandmeid, mõjutegureid, parameetreid ning modelleerimismeetodeid. Kokkuvõtteks võib öelda, et uusehitiste hajumismustrid laienevad jätkuvalt suuremate linnade ja olemasolevate elamupiirkondade läheduses ning põhimaanteede ümber.Urban expansion is characterized by the low–density, spatially discontinued, and scattered development of urban-related constructions beyond the city boundaries. Since urban expansion changes the agricultural and forest lands, and slight changes in urban areas can affect biodiversity and landscape on a regional scale in the long-term, spatiotemporal monitoring of urban expansion and modeling of the future are essential to provide insights into the long-term trends and consequences. In Estonia, after the regaining independence in 1991, the Land Reform Act was passed, and the transfer of “land” from the state to private ownership began. Since then, Estonia has experienced the decentralization of residential areas affecting the transformation of agricultural and industrial regions around Tallinn, changes in people's lifestyles, and the settling of wealthy people in single-family houses in the suburbs of Tallinn, Tartu, and Pärnu. During this period, Estonia's population has declined dramatically by 15.31%. Therefore, this dissertation aims to "monitor, analyze and model Estonian urban expansion over the last 30 years and simulate its future" using many modeling approaches including logistic regression, multi-layer perceptron neural networks, cellular automata, Markov chain Analysis, multi-criteria evaluation, and analytic hierarchy process. The thesis comprises four original research articles that studied urban expansion in Estonia. So far, this is the first comprehensive study of modeling Estonian urban expansion utilizing various sets of remotely sensed data, driving forces and predictors, and modeling approaches. The scattering patterns of new constructions are expected to continue as the infilling form, proximate to main cities and existing residential areas and taking advantage of main roads in future.https://www.ester.ee/record=b550782

Simulação dos impactos do mercado imobiliário e do aumento do nível do mar no desenvolvimento urbano : agentes e autômatos celulares aplicados à estimativa de cenários futuros em Imbé e Tramandaí, RS

Os municípios da porção norte do litoral do Rio Grande do Sul apresentam dinâmicas populacionais e ambientais com potencial para afetar significativamente seu desenvolvimento urbano durante as próximas décadas. Visando contribuir com a discussão acerca das políticas de planejamento de tal região, este trabalho propõe um modelo computacional - baseado em agentes e autômatos celulares - para simular como tais fenômenos poderão afetar a evolução dos municípios de Imbé e Tramandaí, situados no litoral norte gaúcho. Mais especificamente, foi realizada a modelagem: i) da alocação de atividades no território a partir das preferências dos distintos agentes urbanos; ii) da alteração dos valores do solo decorrente dessa alocação; e iii) do impacto na configuração urbana causado pelo risco de inundações devido ao aumento do nível do mar. A partir de tal proposta de modelo, foram realizadas simulações que produziram diagramas do possível desenvolvimento da área de estudo entre os anos de 2010 e 2040. Mesmo que tais resultados tenham indicado a existência de distorções no funcionamento do modelo, sua análise possibilitou a enumeração de potenciais dinâmicas futuras para o recorte espacial estudado, especialmente em relação ao seu crescimento urbano.This study presents a proposal for a hybrid model (based on agents and cellular automata) which aims to analyse the long-term effects of sea level rise and real estate market dynamics on the urban development of coastal cities in Rio Grande do Sul, a state located in south Brazil. The model's operation is based on the Complexity Theory of Cities and seeks to simulate the study area's urban growth by simulating the process of spatial allocation of residential and commercial activities and the variations in built form and territorial attributes – such as land value and attractiveness-that result from this process. To accomplish this, specific modules were developed to determine the land value of each part of the territory through the behaviour of individual agents and to compute land attractiveness metrics through the representation of the cellular automaton as a graph. The proposed model is applied in order to simulate the urban development of Tramandaí and Imbé – two coastal municipalities in Rio Grande do Sul – through the years of 2010 to 2040. Even though such results have indicated the existence of distortions in the functioning of the model, the analysis enabled the enumeration of potential future dynamics of urban growth for the area of study

Aplicaciones geotecnológicas para el desarrollo económico sostenible.

Este libro de Actas recoge las contribuciones presentadas al XVII Congreso Nacional de Tecnologías de la Información Geográfica celebrado en Málaga del 29 de junio al 1 de julio de 2016Loa temas tratados en este libro de Actas abordan tres líneas temáticas, cuales son: 1) Aplicaciones TIG. Se incluyen en esta línea temática todas las aplicaciones de Tecnologías de la Información Geográfica: Sistemasde Información Geográfica, Teledetección Espacial y Métodos Cuantitativos que puedan aportar conocimiento, métodos de análisis e instrumentos de ayuda para la resolución de problemas relacionados con el territorio y el medioambiente en cualquiera de sus vertientes. 2) Geodatos, Geolocalización y Análisis Exploratorio de Datos. Han tenido cabida aquí, todos aquellos desarrollos y aplicaciones que hayan servido para la generación de información y para la descripción de relaciones de bases de datos que permitan identificar patrones y comportamientos o que ayuden a mostrar tendencias y procesos, preferiblemente en base a geodatos y que utilicen métodos de inteligencia artificial, aprendizaje automático, geoestadística y sistemas de bases de datos. Y finalmente, la tercera línea 3)Geomática y Geotecnologías ha incluido los aspectos comunes para avanzar en la forma en que las tecnologías geoespaciales pueden ayudar a observar, medir, analizar y resolver problemas concretos de la sociedad. Se trata de conectar el desarrollo de aplicaciones o proyectos con la innovación tecnológica y las empresas demandantes de soluciones.Asociación de Geógrafos Españoles, Universidad de Málaga (Departamento de Geografía, Facultad de Turismo, European Topic Center) y Colegio de Geógrafos