（自然地理学专业论文）基于gis和ca方法的野火蔓延时空动态过程模拟.pdf

兰州大学博士学位论文 摘要 本文利用c a 时空离散动态的特性，将一维、静态的火行为模型进行时空 维扩展，构建了基于c a 的野火蔓延时空动态模型，并利用a r c i n f 0a m l 语 言，将该模型集成到栅格g i s 环境( a r e i n f o ) 中。模型基于均质性和异质性环 境火蔓延模拟的形状以及两起发生在甘肃省境内的野外火灾( 2 0 0 3 年1 月的玛 曲草原火灾和2 0 0 3 年4 月迭部森林火灾) 的模拟结果表明，这一基于c a 的火 蔓延模拟系统具备在复杂异质性火环境中进行野火蔓延时空过程模拟和预测能 力，可以作为森林以及草原地区野外火灾管理系统开发的基础。本文主要研究结 论如下： 1 c a 模型，虽然结构简单，但其“自下而上”，由局部到全局以及时空离 散动态的特性，可以用来构建时空动态模型。同时，二维的c a 模型，其元胞空 间和栅格g i s 环境的栅格空间的一致，以及c a 模型的离散时间集，使基于c a 模型的g i s 系统，适合于在计算机中进行时空过程的模拟。 2 本文完成了基于c a 方法的树冠火和地表火行为模型的集成，并运用在 迭部森林火灾模拟研究中。结果表明，实际过火面积和模拟的过火面积重叠部分 达7 8 以上，且模拟的火区形状以及火焰前锋方向和位置也基本相符。 3 本文应用了基于遥感资料( m o d i s 、t m ) 提取的过火面积数据，作为 火模拟输入参数以及模拟结果的验证数据。研究表明，基于多时相植被指数法提 取的过火面积，简单实用。但对于正在燃烧的火区，这一方法易受烟尘的影响， 要精确提取过火面积，需结合目视解译。在基于m o d i s 资料4 9 m 通道辐射亮度 温度提取火灾信息时，由于各地背景温度不同，其火信息监测的闽值也应不i 司。 因此，若全球采用统一的阈值( 目前，基于m o d i s 资料的全球野外火情监测， 白天为3 1 5 k ，夜间为3 0 5 k ) ，将会影响火灾监测结果。研究表明，玛睦和迭部i 刊 处青藏高原东缘，冬春季节，地表温度较低，闽值应有所调整，白天应i ：l = i3 1 5 k 调整为3 0 0 k ，夜间应由3 0 5 k 调整为2 8 5 k 。 摘要 关键词：地理信息系统，环境遥感，元胞自动机，环境模拟，火行为模型，时 空动态模型 兰州人学博士学位论文 a b s t r a c t t h ec e l l u l a ra u t o m a t o n ( c a ) i su s e f u la n dp o w e r f u lf o rm o d e l i n gn a t u r a la n d a r t i f i c i a ls y s t e m si nw h i c hs p a c ea n dt i m ea r ed i s c r e t ea n di n t e r a c t i o n sa r el o c a l i n t h i sr e s e a r c h ，t h ec am e t h o dw a se m p l o y e dt oe x p a n df i r eb e h a v i o rm o d e lf r o ms t a t i c o n ed i m e n s i o nt od y n a m i cm u l t i p l ed i m e n s i o n s ，a n dt h ec a - b a s e df i r eb e h a v i o r m o d e lw a st h e ne m b e d d e di n t oa r c i n f og i se n v i r o n m e n tu s i n ga m ll a n g u a g ef o r s i m u l a t i n gw i l d f i r es p r e a d i n g p r o c e s s e so v e rh e t e r o g e n e o u se n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h e c a b a s e dm o d e lw a sc a l i b r a t e da n dv e r i f i e dw i t ht h ep u b l i s h e de x p e r i m e n t a ld a t aa n d a l s ow i t hr e m o t e l y - s e n s e dd a t ao ft w or e a l - w o r l dw i l d f i r ee v e n t so c c u r e di nt h e s o u t h e r np a r to fg a n s u 。p r o v i n c e ( c h i n a ) t h i sr e s e a r c hd e m o n s t r a t e st h a tt h e c a - b a s e dm o d e lh a st h ec a p a b i l i t yt os i m u l a t ew i l d f i r es p r e a d i n gp r o c e s s e so v e r h e t e r o g e n o u se n v i r o n m e n ta n dc a l lb eu s e da st h ek e r n e lt od e v e l o pas y s t e mo f w i l d f i r em a n a g e m e n t t h ec o n c l u s i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r e ： 1 i ns p i t eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e s ，c e l l u l a ra u t o m a t o n ( c a ) ，w h i c hh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o c a li n t e r a c t i o n ，p r o v i d e sab o t t o m u pf r a m eo fas p a t i o t e m p o r a l d y n a m i cm o d e l i n g t h a tc a no f f e ra na m e n d a r n e n tt ot h ed i f f i c i e n c yo fc u r r e n tg i s s y s t e m st h a tl a c kc a p a b i l i t i e sf o rs i m u l a t i n ga n dp r e d i c t i n gs p a t i a l l y a n d t e m p o r a l l y v a r i n gd y n a m i cp r o c e s s e s t h i sa m e n d a m e n ti sa c c o m p l i s h e db y i n t e g r a t i n gt h ec am o d e li n t oa r a s t e rg i se n v i r o n m e n t s p e c i f i c a l l y ，t h ec a - b a s e d m o d e l i n go fw i l d f i r es p r e a d i n gp r o c e s s e sw a sa c c o m p l i s h e di nar a s t e r - b a s e dg i s p l a t f o r m i nc a s es t u d i e s ，t h ec a b a s e ds y s t e mw a st e s t e dw i t ht h ed a t af r o ma r e a l w o r l df o r e s tf i r ee v e n to c c u r r e di nd i e b uc o u n t ya n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e s i m u l a t e dd a t a ( i e ，f i r e b u r n i n ga r e a ，l o c a t i o na n ds h a p e ) a r ei nar e a s o n a b l e a g r e e m e n tw i t ht h er e m o t e l y s e n s e dd a t a 2 b a s e do nt h et e m p o r a lv a r i a t i o n so ft h e r e m o t e l y s e n s e dd a t a o b t a i n e d v e g e t a t i o ni n d e x ( v i ) i nt h ew i l d f i r e b u r n e dg r a s s l a n do fm a q uc o u n t y w ee x t r a c t e d t h et i m e s e r i e so ff i r e b u m i n gr e l a t e dp a r a m e t e r s ( i _ e ，l o c a t i o n ，s h a p ea n da r e a ) a n d a b s t r a c t t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ev i ，p r o d u c e dp a r a m e t e r sa n dt h ec a b a s e ds i m u l a t i o n r e s u l t ss u g g e s t st h a tt h ec a b a s e ds i m u l a t i o ns y s t e mc a l lb ec o n f i d e n t l yu s e dt o p r e d i c tw i l d f i r es p r e a d i n gp r o c e s s e s 3 w h e ni n v e s t i g i n gw i l d f i r e b u r i n g - r e l a t e dt e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o nu s i n g m o d i s 4 “mc h a n n e l ，w ef o u n dt h a tt h et h r e s h o l dv a l u e so ft h es u r f a c eb r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e ss h o u l db e3 0 0kf o rd a y t i m ea n d2 8 5kf o rn i g h t t i m e 。t h et h r e s h o l d t e m p e r a t u r e sa r el o w e rt h a nt h eu s g sr e c o m m e n d e dt h r e s h o l dv a l u e s ( i e315 kf o r d a y t i m ea n d3 0 5k f o rn i g h t t i m e ) p r o b a b l yb e c a u s et h eb a s et e m p e r a t u r e sa r el o w e ri n t h eh i g he l e v a t i o n sa l o n gt h ee a s t e r nm a r g i no ft h et i b e t a np l a t e a uw h e r et h es t u d y t e s ta r e ai ss i t u a t e d k e yw o r d s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，r e m o t es e n s i n g ，c e l l u l a ra u t o m a t o n ， e n v i r o n m e n t a l m o d e l i n g ，f i r eb e h a v i o rm o d e l ，s p a f i o t e m p o a l d y n a m i cm o d e l 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：似日期：删，一，一如 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：i 丝边 导师签名：日期： 兰州大学博士学位论文 运动是绝对的，静止是相对的自然界一切现象无不受此规律的支配我们处在一个相对静止的 地球空问系统中，但这个系统却无对元刘不在变化。如何去描连变化，预测禾采，是人类发展面临的 重要的课题 第一节研究背景 第一章绪论 当前，全球范围内人口数量的激增以及社会经济活动的目益加剧，对生态 环境造成了巨大的压力。这就迫使人们不得不重新认识人类活动及其与生态环境 这一复合系统之间的关系，并在社会经济的传统发展模式面临巨大挑战的背景下 提出实旌人类可持续发展战略。可持续发展的目的是协调人类活动与生态环境变 化之间的关系，在人类发展生产与提高生活质量的同时，生态环境也能得到保护 和发展，从而实现人类社会的可持续发展( 童庆禧，周成虎等，2 0 0 1 ) 。 环境模拟( e n v i r o n m e n t a lm o d e l i n g ) ，依托于环境模型和计算机技术，将环 境过程和现象的信息转变为可计算的形式，以概念的或数量的方式加以描述，作 为环境过程预测、分析和评价的一门现代科学技术( 李硕等，2 0 0 2 ：王建等，2 0 0 1 ； 康尔泗等，2 0 0 1 ) 。环境模拟的核心是建立有效的环境模型，通过构建模型来抽 象和简化真实的环境系统，从而解释系统中的复杂行为，得到环境相关因素之间 的定量关系或环境因子的变化趋势，进而达到理解并掌握环境变化过程，为政府 部门决策提供科学依据，从而促进人类社会的可持续发展( a n d r e w , 2 0 0 2 ) 。 地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知 识，地理信息具有空间位置特性和动态变化特性( 邬伦等，2 0 0 1 ) 。w o r b o y s ( 1 9 9 5 ) 给g i s 定义如下：g i s 是能够获取( c a p t u r e ) 、处理( m a n i p u l a t i o n ) 、提取( r e t r i e v a l ) 、 建模( m o d e l i n g ) 、分析( a n a l y s i s ) 和表达( r e p r e s e n t a t i o n ) 具有地理参考数据 ( g e o g r a p h i c a l l yr e f e r e n c e dd a t a ) 的基于计算机的信息系统( c o m p u t e r b a s e d i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。环境系统中睹因子具有空间分布特性，属于地理信息的范 畴。【 1 此可见，将g i s 和环境模拟结合，是学科和技术发展的必然。g i s 可以通 第一章绪论 过对环境相关参数由点到面的空间化处理，使一维的环境模型在二维空间中模拟 运行成为可能，且g i s 的图形化空间数据管理方式和其强大的空间分析功能， 已成为环境模拟必不可少的工具。另外一方面，g i s 成功而广泛地在环境模拟研 究中运用，也拓宽了g i s 的应用领域，同时，使g i s 的功能得到进一步的增强。 伴随着计算机、通信以及航空航天等相关学科和技术的发展，以及g i s 在 应用领域的不断扩展和深化，g i s 无论在理论研究还是在应用研究中，均取得了 丰硕的成果。但伴随着g i s 的发展，学者们也开始认识到它的一些不足，如： 虽然g i s 能很好地描述和表达地理实体和地理现象的空间分布特性，但目前的 g i s 还不具备完整表述地理信息的时态属性的能力，而地理信息的时态属性和其 空间属性一样，是构成地理信息必不可少的信息，尤其在动态变化的过程描述中， 显得非常重要( 张显峰，2 0 0 0 ；b a t t y ，1 9 9 3 ；g o o d e h i l d ，1 9 9 2 a ) 。如何建立有 效的时空数据模型来表述地理空间对象的时空特性以及如何发展基于g i s 的动 态过程分析和模拟方法是目前g i s 研究的热点之一。 目前针对这热点问题主要的解决办法是将g i s 和时空动态过程模型进行 耦合。近年来，建立于一些动态模拟理论基础上的一些方法如元胞自动机 ( c e l l u l a r a u t o m a t o n ，简称c a ) 、人工神经元网络模型、空间进化算法( s p a t i a l e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ) 、时间序列回归模型( t i m es e r i e sr e g r e s s i o n ) 等，被集 成到g i s 环境，用于时空过程模拟( 张显峰，2 0 0 0 ) 。 灾难性的野外火灾发生时，如何有效地组织灭火力量，合理地堵截火势的 进一步蔓延，进而使火蔓延所造成的人财物损失减少到最小，是森林消防工作重 要的原则之一。而火蔓延模拟系统的开发和应用，是森林消防工作高效开展的一 个很重要的前提和保障。为此，基于c a 方法的野火蔓延模拟系统研究具有一定 的实践意义。 基于上述背景，在导师冯兆东教授和卞玲教授的指导下，此论文以基于 g i s r s 和c a 方法的野火蔓延时空过程模拟为主题展开研究。 第二节选题意义和研究目标 1 2 1 选题意义 羔州大学博士学位论文 1 火在均质性燃料空间中扩散或蔓延时，其扩散的形状或范围，可简单地 表达为鸡蛋形( a n d e r s o n ，1 9 8 3 ；p e e t ，1 9 6 7 ) 或扇形( b y r a m ，1 9 5 9 ) 。如果考察火 点随时间变化扩散的形状，火点扩散所确定的椭圆离心率会随着风速，或坡度增 加而增大( a l e x a n d e r , 1 9 8 5 ) 。在g i s 环境中进行火的扩散模拟，目前包括矢量 和栅格两种方法。一些学者认为，当环境条件较为复杂时，栅格方法很难获得期 望的火扩散形状，其原因主要有：1 ) 火模拟所需的随时间变化的参数，如风速、 风向以及燃料湿度等参数很难正确地输入模型；2 ) 栅格空间中固定的栅格空间 划分方法难以表达火扩散路径；3 ) 邻居数量的增加影响栅格单元状态的计算 ( f i n n e y ，1 9 9 8 ：f r e n c h ，1 9 9 2 ；f e u n e k e s ，1 9 9 1 ：k o u r t z , e ta 1 ，1 9 7 7 ；o r e g a n ， 1 9 7 6 ) 。他们认为，由于这些原因导致的栅格方法很难描述火扩散的预期形状， 进而导致栅格方法模拟的不可靠。但本文采用基于c a 的栅格方法火蔓延模拟研 究表明，如果能很好地处理火模拟所需参数的动态输入和计算问题，并找到一维 静态的火行为模型和具有时空动态特性的c a 模型的结合点，基于栅格的火模拟 方法是可以较好地预测火蔓延的位置和形状。本文第五章，模型基于均质性地表 燃料的火蔓延模拟的研究，将验证这一结论。 2 本文研究参考了k a r a f 3 ，l l i d i s ( 1 9 9 7 ) 和b e r j a k ( 2 0 0 2 ) 基于c a 的野火蔓 延模拟方法，并对他们的方法作了提高和改进。k a r a f y u i d i s ( 1 9 9 7 ) 较早地在基 于c a 的方法中考虑火蔓延的速度，但k a r a f y l l i d i s 的方法基于假定的固定火蔓 延速度图层，没有实时地计算火蔓延的速度。这一假定说明，k a r a f y l l i d i s ( 1 9 9 7 ) 仅仅提供了一种理论方法，还有许多问题待学者们去努力解决。b e l j a kf 2 0 0 2 ) 的 方法改进了k a r a f y l l i d i s ( 1 9 9 7 ) 方法的不足，在考虑风速和地形坡度的- 隋况下， 通过r o t h e m a e l ( 1 9 7 2 ) 地表火模型实时计算了地表火的扩散速度，但他的方法 的不足也是明显的。其一， b e r j a k ( 2 0 0 2 ) 的方法仅仅考虑了风向和坡向的一种 情形，即坡向迎风，而没有考虑风向和地形坡向的其它角度，而在户外，风向和 地形坡向往往是非常复杂的，所以他的方法也没有很好地解决风和坡对火蔓延的 影响问题：其二，b e r j a k ( 2 0 0 2 ) 基于c a 的火模型的元胞状态定义以及相应的转 换规则定义，不符合实际的火扩散过程。本文对上述问题进行了改进，实例研究 表明，这一改进后的c a 系统，具备在复杂异质性环境中进行火蔓延时空过程模 拟的能力。 第一章绪论 3 c a 模型是一个时空离散的动态系统，传统的c a 模型局部状态转换规 则是当前单元格( 元胞) 状态及其周围邻居状态的函数。但这一转换规则的定义 已不适应复杂过程模拟应用的需求。实际应用中，当前元胞的状态不仅仅取决于 自身及其邻域元胞的状态，还应考虑其它因素。如在火蔓延过程中，除具有控制 着火状态的元胞状态图层外，还需考虑土地覆盖类型等其它控制图层，用以确定 当前单元格能否着火和怎样着火。这一实际应用需求，需我们突破c a 传统的定 义，在考虑元胞状态空间的基础上，结合其它控制图层，使基于c a 的过程模拟 更符合实际。本文成功地对传统的c a 模型进行了扩展，扩展后的基于c a 的模 型能有效地运用在野外火蔓延过程模拟中。 4 如本文研究背景中所述，对于灾难性的野外火灾发生时，如何有效地组 织灭火力量，合理地堵截火势的进一步蔓延，进而使火蔓延所造成的人财物的损 失减少到最小，是森林消防工作的原则。而火蔓延模拟系统的开发和应用，是森 林消防工作高效开展的一个很重要的前提和保障。因此，本文选题为基于c a 的 野火蔓延模拟系统研究，有一定的社会和实践意义。模型内核可以作为野外火管 理及灭火辅助决策支持系统的基础。 1 2 2 研究目标 1 基于c a 的动态模拟引擎研究 借助c a 时空离散动态的特性，扩展一维静态的火行为模型，构建基于c a 的动态模拟引擎，完成野火蔓延时空过程模拟和预测。 2 环境过程模型和g i s 的耦合研究 、 如第一节所述，将g i s 和环境模拟结合，是学科和技术发展的必然。g i s 为环境模拟提供特定格式的地理数据，同时，g i s 的图形化空间数据管理方式 和其强大的空间分析功能，已成为环境模拟必不可少的工具。另外一方面，g i s 成功而j 一泛地在环境模拟研究中运用，也拓宽了g i s 的应用领域剐时，使g i s 的功能得到进。步的增强。但环境模型和g i s 的有机集成仍是湖扰g i s 应用的 一一个难题。本论文选题野火蔓延的时空过程模拟，反映的是空间现象随时间的动 态演化，这恰恰是目前g i s 数据模型所缺乏的。如何将基于c a 的动态火蔓延模 型，集成到栅格g i s 环境中，实珧野火蔓延的时空过程模拟，足本论文研究的 兰州大学博士学位论文 目标之一。 3 基于c a 的方法，集成树冠火模型和地表火模型研究 野外火，按火燃烧的层面来划分，可分为树冠火、地表火和地下火。其中， 火蔓延模拟主要集中在树冠火和地表火层面。森林火灾发生时，一般既有树冠火， 又有地表火，往往相伴而发。目前，在g i s 环境中集成火行为模型，分为矢量 和栅格两种方法。基于矢量的方法，已有学者将树冠火和地表火模型集成。但矢 量方法有许多局限性( 见火模型综述部分) 。而基于c a 的方法中，从检索最新 的文献来看，目前完成的仅是将地表火模型集成到c a 框架中。为使系统具备在 森林等复杂异质性环境中模拟火蔓延的能力，本论文引用s c o t t ( 2 0 0 1 ) 的树冠 火和地表火模型的集成研究成果，将树冠火模型和地表火模型集成到c a 框架 中，作为研究另一目标。 4 遥感野火监测研究 遥感技术以其特有的大面积同步观测、高时效性、数据的综合性和数据获 取的高性价比等特点，已广泛应用到国民经济建设、科研、国防等领域。遥感技 术在森林和草原火灾监测中的应用也一直伴随着遥感技术的发展过程，目前，在 火灾监测领域也取得了大量研究成果。本文综合运用多时相植被指数法、4 u m 通 道热值异常法以及目视解译法等，提取正在燃烧的森林和草原火灾区的火点信息 以及过火面积，作为火模拟系统的火点信息以及模拟结果的验证数据。 第三节研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 依据论文的研究目标和选题的意义，本文着重进行以下几方面内容的研究： 1 利用c a 时空离散和动态的特性，将一维、静态的火行为模型( s c o t t ， 2 0 0 1 ；r o t h e r m e l ，1 9 7 2 ，1 9 8 3 ) ，进行时空维扩展，构建基于c a 的动态模拟引 擎，完成野火蔓延时空过程模拟和预测。 2 g i s 为环境模拟提供特定格式的地理数据，同时，g i s 的图形化空问数 第一章绪论 据管理方式和其强大的空间分析功能，已成为环境模拟必不可少的工具。但时空 过程的模拟，反映的是空间现象随时阃的动态演化，本文利用a r c i n f oa m l 语言，将基于c a 的动态火蔓延模型，集成到栅格g i s 环境( a r c i n f o ) 中， 实现在异质性火环境中野火蔓延的时空过程模拟。 3 遥感技术已在森林资源管理以及火灾信息的实时提取方面取得了大量成 果。本文在总结遥感技术在火灾监测方面应用的基础上，重点开展了遥感火情监 测以及过火面积提取的研究，利用多时相植被指数法、m o d i s4 9 m 通道热值异 常法、t m 目视解译法等方法，提取火模拟和结果验证所必须的火点信息和过火 面积等参数，将火行为模拟和遥感技术作了有机集成。 4 多源空间数据的整合研究。火行为模拟包含大量的参数，有植被燃料相 关的燃料紧密度、湿度、深度、体面比、载重等，地形相关的坡度、坡向等，以 及气象相关的风速、风向等参数，同时还包括从遥感影像中提取的火点信息、过 火面积等参数。有效地将各种数据源进行空间化、标准化处理，并在模拟系统中 应用，需进行多源空间数据的整合，这是本文主要解决的课题之一。 5 实例研究。在将集成的系统在各种均质性和异质性火环境中运行并校准 后，该系统被分别运用在甘肃省境内发生的两起草原和森林火灾模拟中，即2 0 0 3 年1 月份的玛曲草原火灾和2 0 0 3 年4 月份迭部森林火灾。我们从气象部门得到 了气象和m o d i s 遥感数据，从林业部门得到了林相数据和林业调查资料，从测 绘部门得到了地形数据，即数字高程模型数据( d e m ) ，并购买了着火期间的t m 遥感资料，在将各种数据进行了标准化和空间化处理后，得到了系统运行所需的 各种参数。运行结果表明，该基于c a 的集成系统是成功的，能够在异质性火环 境中进行野火蔓延的时空动态模拟。 1 3 2 技术路线 在明确论文研究目标和研究内容后，本文确定了以下技术路线： 1 论文技术路线图 兰州大学博士学位论文 图l - 1 技术路线 2 模型内核设计基于c a 的多维动态g i s 设计 图1 - 2 基于c a 的多维动态g i s 7 1 栅格空间定义 2 元胞状态定义 3 转换规则定义 4 时间步长和时间集定义 兰州大学博士学位论文 虽然在人类认识自然的过程中，复杂系统的理论和方法可能不会直接地产生科学规律，但它们会 使我们更多地认识到微妙的、多样的、和相互关联的自然和人文现象，同时，应用它们我们会得到 更多丰富的概念、模拟方法和技术一h e i e n ( 2 0 0 2 ) 第二章地理空间系统的复杂性及其模拟 第一节地理空间系统及其复杂性 2 1 1 地理空间系统 地理空间特指位于地球表层“人一地”相互作用的界面，空间范围上至对 流层的上层，下至岩石圈的上部。地理空间系统( g e o s p a t i a ls y s t e m ) 是地理学 研究的基本对象，通常简称为地理系统( g e o g r a p h i cs y s t e m ) 。地理系统具有复 合结构，其复合成分包含生物、非生物和人等各种地理要素。这些要素之间或与 其周围环境之间，不断进行着物质、能量和信息的交换和传输，由此维持着系统 诸要素及其与周围环境的关系，从而形成一个动态的、能反馈的、有层次的开放 系统。同时，地理系统是由自然子系统、社会子系统和经济子系统共同构成的一 个的复合体系( 图2 一1 ) ( 周成虎等，2 0 0 1 ；陈述彭，1 9 9 8 ；w i l s o n ，1 9 9 7 ) 。 复杂系统( c o m p l e xs y s t e m ) ，数学上定义为具有非线性和反馈特征的系统， 物理学定义为，系统内部或系统之间具有主动地交换物质、能量和信息特点的一 类系统。系统的复杂性特征常常导致系统出现自组织( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) ，混沌 ( c h a o s ) ，自适应( a d a p t a t i o n ) ，突变( e m e r g e n c e ) 等不可预测的现象或行为 ( h e l e n ，2 0 0 2 ) 。而地理空间系统内部诸要素之间或其与周围环境之问所具有的非 平衡性、多尺度性、层次性、不确定性、非线性、突变性、自组织性、自相似性、 随机性、自适应等特性，决定了地理空间系统是一种复杂系统( 周成虎等，2 0 0 1 ) 。 基于此，对具有复杂系统特征的地理空间系统就需运用复杂系统的理论和方法去 进行研究。 第一：章地理空问系统的复药 性及儿模拟 图2 1 地理空间系统构成( 据周成虎，2 0 0 1 ) 2 1 2 复杂系统( c o m p l e xs y s t e m ) 研究的理论和方法 w i l s o n ( 1 9 9 7 ) 认为，复杂系统是具有中等数目的，基于局部信息作出反应 的，智能性、自适应性主体的系统。复杂系统是和牛顿时代以来构成科学事业焦 点的简单系统相对的，简单系统通常指少量的个体对象，它们之间的相互作用比 较弱，或对象数目巨大，如封闭容器中的气体分子，以至于我们只能采用统计方 法来研究它们。而复杂系统不一定与系统的规模成正比，不是越大越复杂，而是 具有中等数目的元素( 或叫主体) ，系统能按照各种规则作出决策，并能根据周 围反馈的信息修改自身的行为规则，是一个由局部规则来确定主体下一时刻行为 的智能性、自适应性主体系统( 周成虎等，2 0 0 1 ) 。由于复杂系统的特征常常导 致系统出现自组织( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) ，混沌( c h a o s ) ，自适应( a d a p t a t i o n ) ，突 变( e m e r g e n c e ) 等不可预测令人惊奇的现象或行为，2 0 世纪末，复杂性科学 ( s c i e n c eo f c o m p l e x i t y ) 的发展即围绕着这些现象或行为的研究进行。 在环境系统中，存在着许多现象，如：微小的变化引起的巨变( m a j o r c o n s e q u e n c e so fr e l a t i v e l y s m a l ld i s t u r b a n c e s ) ，不可预测的结果( u n p r e d i c t e d o u t c o m e s ) ，不可预期的边界( u n a n t i c i p a t e ds i d e ) 效应，巨大环境系统的脆弱性， 或者，相反来说，系统虽然很弱小但却很稳健，等等，所有这些现象都说明环境 _ | 兰州大学博士学位论文 系统是一个复杂系统( h e l e n ，2 0 0 2 ) 。自然环境系统中，有许多自组织的例子， 其中包括：沙砾所形成的月牙形的沙丘；大雁飞行时的三角形编队：地表的侵蚀 从完全的平面到形成沟道等等。p h i l l i p s ( 1 9 9 9 ) 总结了1 1 种类型地表景观的自 组织现象，h e l e n ( 2 0 0 2 ) 将这1 l 类现象进一步总结为2 大类。一类为通过自 组织行为，系统出现有序的和整齐的景观现象，另一类是通过自组织，导致了多 样性和差异。的确，许多现象表明，环境系统，打一个比方，就像一个醉汉，他 完全昏昏沉沉( 系统的混沌状态) ，在悬崖边缘蹒跚，但如果没有外界的突袭或 其它形式的干扰，他还不会突然跳进悬崖，去完成一次突变( h e l e n ，2 0 0 2 ) 。 对于复杂系统，其动态演变机制是：全局的或宏观的整体的状态由局部或 微观的相互作用构成，也即自下而上( b o s o m u p ) 机制。神经网络( n e u r a l n e t w o r k ) 模型是具有复杂性结构的典型例子。这一模型从大量相互连接的神经 元( n e u r o n s ) 的并行操作得到自组织行为。其运行过程可以简单叙述为：具有 邻居关系的，局部的神经元之间的相互作用，结果导致了全局的变化。元胞自动 机( c a ) 也是一个非常典型的复杂性系统的例子，是典型的由局部规则控制的， 由局部变化而引起全局状态变化的系统。c a 目前越来越多地应用到环境模拟中， 有一个非常重要的原因是，c a 元胞状态空间是按规则划分的栅格空间，它正好 和栅格g i s 在二维或平面空间的应用有了结合点，这样，我们就可以在基于c a 的环境模拟时，得到充足的空间数据源。目前，c a 在各学科中已有广泛的应用， 我们将专门论述。c a 模型已被证明能够从事自然和人文过程的模拟。因此，它 也适合于环境过程的建模和模拟( c l a r ka n dg a y d o s ，1 9 9 8 ；w l l i t ea n de n g e l e n ， 1 9 9 7 ) 。另外，基于代理的模拟( a g e n t b a s e ds i m u l a t i o n ) 也是最近出现的复杂性 系统研究的方法。代理( a g e n t ) ，是空间中相互作用的实体( e n t i t i e s ) ，它们可 能是具有自主行为( 如人，动物或社团等) 的主体，或不具备自主行为的主体。 实体之间的相互作用基于随意的复杂规则( a r b i t r a r i l yc o m p l e xr u l e s ) 。但这一 方法，不同于c a 的仅仅是局部元胞的相互作用，而是具有相互作用特性的代理 ( a g e n t ) ，在空问移动实现。这一方法已在环境模拟领域应用，如g i m b l e t t 等 ( 1 9 9 9 ) 将其运用在野外路牌等对参观旅游者的影响研究。 批评复杂性系统研究的学者们指出，通过复杂性理论得到的许多令人惊奇 的现象，是在实验室通过计算机得到的，这些现象都很少发生在现实世界中。这 帮二章地璀三三叫系统的堑般性发其 ! ；拟 种批评冉接针对口下l 酊h ( b o t t o m u p ) 的机制，他们认为是返方法导致了不可靠 的模型，它们太依赖于初始条件和局部的微小变化。而现实世界的种群 ( p o p u l a t i o n s ) 很少出现突然消亡( c r a s h ) ，或出现随机的突然激增，局部规则 相对要研究的一些l 训题而言还是太简单了。景观也不会轻易地从一个状态突然跳 到另一个状态( m a l a n s o n ，1 9 9 9 ) 。h e l e n ( 2 0 0 2 ) 认为，关键问题足要合理地选 择复杂系统方法所要从事的研究现象，也即研究的现象和采用的方法之间要匹 配。如在自然界中，简单的状态往往产生复杂的结构，并且从简到繁，一直遵循 同样的规则。对于这样的方法我们就可以通过复杂系统的理论和方法来研究。虽 然在人类认识自然的过程，复杂性理论和方法可能不会直接地产生科学规律，但 h e l e n ( 2 0 0 2 ) 认为，复杂系统的理论和方法，会使我们更多地认识到微妙的、 多样的、和相互关联的自然和人文现象i 同时，应用它们，我们会得到更多丰富 的概念、模拟的方法和技术。复杂系统的理论框架如图2 - 2 所示。 浏2 2 复杂系统的理论框架( 据周成虎，2 0 0 1 ) 虽然在复杂系统的理论框架图中，c a 模型只在框架中的一个较小部分( 图 2 - 2 ) ，似它足复杂性科学研究的一个重要领域，是复杂系统研究的方法之一。由 ，：水沦文选用c a 模，弘作为野外火蔓延时空过程模拟的基础方法，现门就c a 模型州论币jj 舡用进行综述。 兰州大学博士学位论义 2 1 3 元胞自动机模型 1 元胞自动机概述 冗胞自动机( c e l l u l a r a u t o m a t o n ，简称c a ，也译为单元格自动机、细胞自 动机、点格自动机等) ，是一时间和空间都离散的动力系统，散布在规则格网中 的具有状态值的每一元胞( c e l l ) 遵循一定的局部规则，作同步更新，从而构成 系统的动态演化。不同于一般的动力学模型，c a 不是由严格定义的物理方程或 函数确定，而足由一系列模型构造的规则作用于元胞空间，使系统进行动态演化 后构成，因此，也可以说c a 是一个方法框架( 周成虎，2 0 0 1 ) 。 虽然c a 有着较为宽松，甚至近乎模糊的构成条件，但作为一个数理模型， c a 有着严格的科学定义。同时，c a 是一个地地道道的“混血儿”，是物理学家、 数学家、计算机科学家和生物学家共同工作的结晶。因此，对c a 的含义也存在 不同的解释，物理学家将其视为离散的、无穷维的动力系统；数学家将其视为描 述连续现象的偏微分方程的对立体，是一个时空离散的数学模型：计算机科学家 将其视为人工智能、人工生命的分支：而生物学家将其视为生命现象的一种抽象。 在此，我不准备罗列所有这些定义，下面仅提供a m o r o s o ( 1 9 7 2 ) 一个四元组形 式的数学定义： c a ：( l a ，s 。n ，d( 2 - 1 ) 这里，c a 代表一个元胞自动机，三表示元胞空间，d 为表示元胞空间维数 的正整数，s 是有限且离散的元腿状态集合，| v 表示任一元胞的邻域组合( 包括 - h d ， 二j j 包) ，【! i j 衷, a t 月个元胞的状态集，记为：= ( 函，岛，s j ，s ， ， r ) ，i 是邻城内胞的个数，s s ，i 是【，川之间的正整数，表示将n 映射 到sj 二的一个局部转换规则，所有的元胞位于d 维的空1 ；自j 上，其位置可以刖个 t 7 元的整数矩阵来表示。 这一定义汹盖j c a 的基本组成，即提供了一种c a 的数学形式的摘述性定 义，f i 返定义我们川以知道，c a 是由元胞及其状态，元胞宅阅，元胞邻居和 第二章地理空间系统的复杂性及其模拟 局部规则等四部分构成。下面，描述c a 的组成。 2 ，元胞自动机的构成 1 ) 元胞及其状态 元胞是分散在规则划分的一维、二维或多维欧氏空间上的单元格。又称为 单元或基元。元胞状态，在标准的c a 定义中，是有限且离散的状态集合中的一 个元素。如：二进制形式的 0 ，1 ) 或整数形式的有限的离散集， 0 ，1 ，2 ，3 ) 。 但将c a 模型用来模拟复杂的地理现象时，元胞状态必须经过改造和扩展。首先， 我们必须赋予元胞及其状态以相应的地理含义。如在进行基于c a 的交通流模拟 时，元胞可以是道路上的汽车、自行车、电车，在城市增长模拟中，元胞可以代 表不同的城市土地使用类型，在火蔓延模拟中，元胞状态可以代表单元格不同的 燃烧状态，等等。总之，在将c a 应用于复杂地理现象模拟时，元胞状态通常是 具有一定地理含义的或代表特定地理实体的一个多元变量。 在本文研究中，元胞状态值为一定范围内的连续实数，而元胞的状态则通 过对这些连续实数进行合理地分段，每一段代表元胞实际的一种状态。可以认为， 论文中所提的元胞状态，是对传统的元胞状态定义的升华。这一改进，更便于描 述模拟野外火蔓延的实际。 2 ) 元胞空间 在利用c a 模型来模拟地理现象时，元胞空间可以很自然的和笛卡儿坐标 系下的地理空间相联系。在