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作为人类重要社会经济活动场所之一，城市一直是地理研究中的重要对象。早期对于城市复杂系统，研究思路是“化繁为简”，希望从复杂的现象中归纳出简单的规律，进而通过这些规律认识城市。结果证明，这些建立在数学基础上的社会经济学模型虽然能在整体上对城市发展起到一定的解释作用，但是对于展示城市发展细节存在困难。随着计算机技术和复杂系统科学的进步，人类认识并采用了“复杂源于简单”的思路：即从系统的微观入手从而认识系统的整体。元胞自动机就是“由简到繁”模型中的一种。
本文在“复杂源自简单”思路下，通过构建城市元胞自动机-UrbanCA来分别模拟武汉市1994年和2009年城市扩张，并检验这一思路对于解决城市复杂系统的能力。本文主要采用了定性和定量结合分析和模拟实证分析，研究了简单元胞转换规则如何模拟城市复杂系统扩张现象并检验了模型的模拟精度。
本文包括5部分：
第一部分包括论文选题的背景、研究现状及技术路线；
第二部分通过对武汉市城市扩张历史分析，分析了武汉城市扩张驱动机制；
第三部分简单介绍了元胞自动机的基本原理，并重点阐述了UrbanCA转换规则和参数选取过程；
第四部分是本文的核心部分，分析了模型的模拟结果并进行了预测；
第五部分对UrbanCA的实现的具体思路和程序代码进行了必要的说明。
主要成果如下：
1.在Visual Studio.NET和ArcEngine平台上使用C＃构建了一个UrbanCA系统；
2.以武汉市为例，模拟了武汉市2009年城市发展格局并对模型进行了检验，指出了模型需要改进的地方，为下一阶段的研究工作做了准备。
模型存在的问题如下：
1.UrbanCA忽略了人类的直接影响，如城市规划、人类的行为包括人群聚居等；
2.UrbanCA中缺少随机扰动因素。