（自然地理学专业论文）基于coca的海岸带盐沼植被动态扩散模型设计与应用.pdf

华东师范大学博士学位论文摘要 摘要 盐沼植被是滩涂湿地的重要组成部分，其动态变化直接影响着湿地的生态 服务功能和价值。定量掌握各种盐沼植被分布信息、认识盐沼植被动态扩散规 律并在此基础上建立扩散模型，不仅对滩涂湿地的研究具有重要的理论意义， 而且对海岸带生物多样性保护和资源与环境的科学管理具有显著的现实意义。 本论文首先分析了元胞自动机的基本特点和应用局限性，立足于所研究区 域盐沼植被的特点，结合遥感图像处理、地理信息系统、计算机视觉以及随机 理论模型等，将滩涂植被生境信息诸如高程信息、离水体的最近距离作为优化 条件，融入遗传算法、随机模型等数学模型，使传统的元胞与影像像素、元胞 邻居与栅格图像的邻域、元胞扩展原则与滩涂植被扩散规律等逐一结合，设计 了基于均匀扩散规则、条件优化的均匀扩散规则、基于概率论和蒙特卡罗转换 规则、基于概率论和域值的转换规则、条件优化的概率论转换规则、以及基于 遗传算法的转换规则等多种模型规则，实现了大尺度上的动态模型一一条件优 化的元胞自动机模型( c o c a ) 。 作者选用受人为干扰少的九段沙自然保护区的中沙和下沙新生湿地生态系 统为研究区域和对象，分别以相同试验数据不同的转换模型以及不同的试验数 据同一转换模型进行实验，利用逐点评价法和整体评价法对模拟结果做精度分 析。结果表明，在适当的参数设置下，基于随机论的转换规则模拟精度相对较 高。由于野外条件数据不足，遗传算法的转换规则并没有理想的模拟结果。 随后，论文对模拟和预测结果进行了生态学分析，指出九段沙中沙植被分 布格局基本稳定，但是下沙上的互花米草仍有更大的扩散空间。最后作者对模 型的完善提出了新的设想，旨在为相关研究提供借鉴和参考。 关键词：c o c a 模型，盐沼植被，动态模型，计算机模拟与预测 华东师范大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t t h es a l tm a r s hv e g e t a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e m p o n e n t so fw e t l a n d s a n di t sd y n a m i c si n f l u e n c e st h ee c o s y s t e ms e r v i c ef u n c t i o na n dv a l u ed i r e c t l y i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et oa n a l y z eq u a n t i t a t i v e l yi n f o r m a t i o no fs a l tm a r s hv e g e t a t i o na n d c o n s t r u c tm o d e lf o rm a n a g e m e n tt h ee s t u a r ya n dc o a s t a le n v i r o n m e n t sa n dt 1 1 e b i o d i v e r s i t yc o n s e r v a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec e l l u l a ra u t o m a t aw a sf i r s t l ya n a l y z e da n d ac o n c l u s i o ni n d i c a t e dt h a ti tw a sn e c e s s a r yf o rac am o d e lt ob ee x t e n d e d g e o g r a p h i c a l l yu n d e rv a r y i n gc o n d i t i o n so fs p a c e t i m ec i r c u m s t a n c ei n o r d e rt o m a k er e s u l t sm a t d l e dt h ef a c t sa c c u r a t e l y 1 1 1 en o t i o ni nt h i st h e s i si st oi n t e g r a t er e m o t es e n s i n gi m a g ep r e p r o c e s s i n g , g i s 。a n dc o m p u t e rv i s i o n , t oc o m b i n eg e n e t i ca l g o r i t h m ，s t o c h a s t i cm o d e l sa n d s t a n d a r dc e l l u l a ra u t o m a t a , t ou n i f yt h ec ac e l l sa n dr e m o t es e n s i n gi m a g ep i x e l s ， c e l ln e i g h b o r sa n dp i x e ln e i g h b o r s ，c e l lr u l e sa n dn a t u r eo ft h ep l a n t sr e s p e c t i v e l y a n dt od e s i g nc o n d i t i o n so p t i m i z e dc am o d e lb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lc e l l u l a r a u t o m a t am o d e la n dv e g e t a t i o nc h a r a c t e r so fj i u d u a n s h aw e t l a n d t r a n s f o r mr u l e so f c o c aw e r ea sf o l l o w s ：t h ee q u a lc i r c l er u l e t h ec o n d i t i o no p t i m i z e de q u a l c i r c l er u l e t h ep r o b a b i l i t ya n dm o n t e e a r l or u l e , t h ep r o b a b i l i t ya n dt 1 1 r e s h o l d r u l e ，t h ec o n d i t i o no p t i m i z e dp r o b a b i l i t ya n dm o n t e c a r l or u l e ，t h ec o n d i t i o n o p t i m i z e dp r o b a b i l i t ya n dt h r e s h o l dr u l e a n dg ao p t i m i z e dp a r a m e t e rr u l ea n d s oo n b e i n gt h en e o n a t a ls h o a l s ，t h ez h o n g s h aa n dx i a s h ao fj i u d u a n s h aw h e r et h e s a l t m a r s h v e g e t a t i o nw e r em a i n l yp h r a g m i t e s a u s t r a l i s c o m m u n i t y , s c i r p u s m a h q u e t e rc o m m u n i t ya n ds p a r t i n aa l t e r n i f l o r ac o m m u n i t yw e r et a k e na st h et e s t s i t e s 嬲i t sl o wm a n - m a d ei n t e r f e r e n c e 1 1 1 et e s t sw e r ec a r r i e do u ti nt h es a m ed a t a s o u r c eb u td i f f e r e n tt r a n s f o r mr u l e sa n di nt h es a m et r a n s f o r t nr u l e sb u td i f f e r e n td a t a s o u r c e n ep r e c i s i o nw a se v a l u a t e db ye v e r yp i x e lc o m p a r e da n dw h o l em a p c o m p a r e d t h er e s u l t sf r o mt h i sr e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h i sa p p r o a c hc o u l dp r o v i d ea v i r t u a ll a b o r a t o r ya n dm o d e lv i s u a l i z a t i o na n dt h er e s u l tf r o ms t o c h a s t i cm o d e l s m a t c h e dw e l lw i t ht h et a r g e ti m a g eo nc o n d i t i o no fp r o p e rp a r a m e t e r , h o w e v e rt h e r e s u l t sf r o mg aw a sn o tp e r f e c td u et ol a c ko fe n o u g hf i e l dd a t a t h es i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o nm a p sw e r et h e na n a l y z e di nt h e i re c o l o g i c a l c o n t e x t t h ec o n c l u s i o n sw e r et h a tt h ev e g e t a t i o ns h o w e dat e n d e n c yo fc o m p a r a t i v e s t e a d yd i s t r i b u t i o np a t t e r na tz h o n g s h a , w h i l ea n dt h e r ew a sal a r g e a r e af o rt h e s p a r t i n aa l t e r n i f l o r ac o m m u m t yt os p r e a da tx i a s h a f i n a l l y , an e wo p i n i o nw a sp u t f o r w a r df o ri m p r o v e m e n to ft h em o d e li nf u t u r es t u d y i nc o n c l u s i o n 。t h i st h e s i sh a se x p l o r e dap r o c e s so fm a k i n gs i m u l a t i o na n d p r e d i c t i o n so nt h ed y n a m i c so fs a l tm a r s hv e g e t a t i o nb a s e do nac o n d i t i o n s o p t i m i z e dc a ( c o c a ) m o d e l ，a n de x a m i n e dt h el i n k sa m o n gd a t a , s t o c h a s t i cm o d e l ， a n d e c o l o g i c a lp r e d i c t i o n s t l l i ss t u d yh a sp r o v i d e dap o t e n t i a lo fa p p l y i n g u 一 华东师范大学博士学位论文摘要 c o n d i t i o n e do p t i m i z e dc am o d e lt e c h n i q u et os o l v et h i sp r o b l e m k e y w o r d s ：c o n d i t i o n so p t i m i z e dc a ；s a l tm a r s hv e g e t a t i o n ；d y n a m i cm o d e l ； c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o n 一i n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意 作者签名： 重兰：兰, 4 0 日期： 、7 学位论文授权使用声明 v 一8 。6 tg 本人完全了解华东师范大学有关保留，使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学 位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名智参1 6 氐 导师签名： 、7能 踢卅极 日期：竺! 兰! ! ：生日期：丝基! ! 罗 华东师范大学博士学位论文第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1盐沼植被动态研究概况 湿地是最有价值和生产力最高的生态系统之一，是众多植物、动物繁衍栖 息的场所，也是人类生产、生活资料的重要源泉( 陈宜瑜，1 9 9 5 ) 。盐沼湿地 以生长着被含盐水体浸润的耐盐的草本或草本植物为主的自然地理单元，在维 持生态平衡和为动植物提供野生生境方面具有不可替代的作用。但是，长期以 来，由于人口的急剧增加和社会的蓬勃发展，盐沼湿地也和其它湿地一样被过 度开垦和破坏，湿地资源的数量和质量急剧下降，加上湿地管理缺乏科学性、 规范性，严重影响了湿地的生态环境( 赵魁义，1 9 9 9 ) 。随着人们环保意识的 逐步提高和科学研究的日益发展，人类对盐沼湿地经济和社会以外的生态功能 研究越来越深入，开始研究滨海盐沼各组成要素的保护方法与措施。 盐沼植被是盐沼湿地的重要组成部分，具有促淤、抵御滩面侵蚀、+ 保护潮 滩及岸边工程设施等功能，有关盐沼植物的研究日益增多。由于滨海盐沼位置 和组成结构的独特性，很多生长旺盛而且密集的盐沼植被让人难以接近，加上 观测时间、观测技术、条件和经费限制，使得利用传统方法的数据采集、试验 和分析等工作难度加大、费用增高且周期变长，大尺度区域的物理、化学、生 物和景观功能特征的湿地研究发展受到影响( 高占国等，2 0 0 6 ) 郭程轩等， 2 0 0 7 ) 3 s ( r s ，g i s ，g p s ) 技术的成熟发展与广泛应用为湿地科学研究翻开了 崭新的一页。遥感( r s ) 作为地表覆被及其组成信息的主要来源，具有独特 的宏观、快速、动态和综合的对地观测优势，已逐步引入到环境资源领域，广 泛应用于植被覆盖及其变化、植被分类与制图、生物入侵监测和保护生物学、 海岸带资源调查、滩涂植被定量分析以及资源与环境动态监测等方面( t e i l l e tc t a 1 ，2 0 0 0 ) l y o n ，2 0 0 0 ：s c h m i d te ta 1 ，2 0 0 3 ) a y r e se ta 1 ，2 0 0 4 ) 江洪等，2 0 0 4 ) 杨存建等，2 0 0 4 ；z h a n gc ta 1 ，2 0 0 4 ；黄华梅等，2 0 0 5 ) 。目前利用遥感技术 对湿地植被的研究主要集中在盐沼区域典型地物光谱分析、遥感影像解译、各 种典型盐沼植被生长状况的定性描述以及利用卫星影像进行动态监测等等( 沈 永明等2 0 0 2 ；汪爱华等，2 0 0 1 ，黄华梅等2 0 0 5 ) 高占国等，2 0 0 6 ) 。 对植物群落的动态过程和机理的研究，一直是植物群落生态学中的核心问 华东师范大学博士学位论文第l 章绪论 题，而模型是研究群落动态的一种有用工具( l e v i s ，1 9 9 2 ) 。在现有的基础资 料条件下，通过动态模型建设和计算机模拟实验来研究植被动态已成为生态学 研究的一大热点。长久以来植物生态学家一直致力于对群落结构及其随时间变 化动态的描述和定性研究，而从理论的角度用基于机理的数学模型来研究和理 解群落动态的工作却做得较少( t o m a se ta 1 ，2 0 0 0 ) 。直到最近，用数学模型作 为工具来研究植物群落动态的时空格局的工作才日益增多，如p a c a l a 等( 1 9 9 4 ) 用野外调查的方法通过构建空间和机理模型研究了北美西北部的橡树阔叶林 的动态；b u s i n g ( 1 9 9 1 ) 用空间模拟器模型模拟了空间过程对美国田纳西州的大 烟山国家森林中的温带落叶林结构和动态的影响。另外随着遥感技术在生态学 上的应用，中分辨率多时相的m o d i s 影像数据计算n d v i 指数时间序列已成 功应用于全球植被动态的年际变化和大尺度上植被年际变化对气候响应的研 究( l o se ta 1 ，1 9 9 4 ；m y n e n ie ta 1 ，1 9 9 7 ) 。在国内，植物生态学家对群落动 态也进行了大量定性的研究( 曹毅等，1 9 9 8 ；谢宗强等，1 9 9 8 ；周先叶等，2 0 0 4 ； 刘振国等，2 0 0 4 ) 。邱扬等( 1 9 9 7 ) 从理论上讨论了植被动态的时空格局，及以种 群过程为基础的、沿时间尺度的植被动态的格局与过程的理论框架，并论述了 基于种群过程的植被动态的机制。辛晓平等( 1 9 9 9 ) 对影响松嫩平原碱化草地群 落结构季节动态的空间和环境因素进行了定量分析。辛晓平等( 2 0 0 1 ) 对松嫩平 原碱化草地群落恢复演替空间格局动态进行了粗略研究。李镇清( 1 9 9 8 ) 将m e t a - 种群动态分解为斑块内局部种群动态和斑块间的扩散过程两个分量，建立了描 述m e t a - 种群动态的耦合映像格子模型，给出了耦合映像格子的时空行为。刘 振国和李镇清( 2 0 0 4 ) 研究了不同放牧强度下冷蒿( a r t e m i s i af r i g i d a ) 种群的小尺 度空间格局，并探讨了与之相关的生态系统过程。刘振国还总结了四种经验模 型，分别是w a t t1 9 4 7 年提出的镶嵌循环模型( m o s a i c - c y c l e sm o d e l ) 、v a nd e r m a a r e l 和他的同事于1 9 9 3 年提出的随意游走模型( c a r o u s e lm o d d ) 、w i l s o n 和 r o x b u r 曲1 9 9 4 年提出的同资源种团比例模型( g u i l dp r o p o r t i o n a l i t ym o d e l ) 以 及c a s p a r i e1 9 7 2 年提出的空间抢先占有模型( s p a c ep r e e m p t i o nm o d e l ) ，并对 上述各种经验模型进行比较分析( 刘振国等，2 0 0 5 ) 。它们都是定性地描述群 落动态变化的有关过程和格局的模型。 1 1 2湿地景观动态模型研究概况 自2 0 世纪7 0 年代以来，景观生态学关于格局、过程与尺度的理论和方法 逐渐引入湿地研究中( 郭程轩等，2 0 0 7 ) 。湿地景观格局及其动态变化开始成 为湿地生态学研究的热点，研究方法也由最初的定性描述发展到基于3 s 等技 一2 一 华东师范大学博士学位论文第l 章绪论 术的定量表征( 潘辉等，2 0 0 6 ) 。海岸带湿地保护的一个重要环节就是要对海 岸带湿地各要素( 自然生态环境、生物多样性、海岸带湿地分类、湿地脆弱性、 湿地管理等) 进行动态分析和模拟( 汪爱华2 0 0 2 ) 。 目前，湿地景观研究的模型方法分为指数模型与动态模型两种类型( 郭程 轩等，2 0 0 7 ) 。景观指数是反映景观结构组成、空间配置特征的定量指标( l e v i n ， 1 9 9 2 ) ，典型的景观指数模型有湿地斑块形状指数、斑块连接指数、斑块密度 指数、廊道密度指数、景观破碎度指数，分布质心和扩展等( 王宪礼等，1 9 9 6 ) 汪爱华等，2 0 0 2 ；王学雷，2 0 0 2 ：宁龙梅，2 0 0 4 ) 。动态模型反映了景观数量 与类型的时空变化。湿地景观动态模型比较多的引入了地理信息系统研究中的 模型方法，主要包括以马尔柯夫链模型为代表的随机景观模型、以渗透模型个 体行为的过程模型、空间生态系统模型为代表的基于过程的景观模型和以c a 模型为代表的基于规则的景观模型( 李哈滨等，1 9 9 2 、h o b b s ，1 9 9 3 ；肖笃宁， 1 9 9 4 ：d u n n i n g ，1 9 9 5 ；c h i l d r e s s ，1 9 9 6 ：阳含熙1 9 9 8 ：傅伯杰等，2 0 0 1 ； 李书娟，2 0 0 4 ) 。 目前对盐沼植被动态研究大多都是针对部分外来入侵植物诸如互花米草 的生长扩散过程并对其进行了遥感图像解译与面积统计等定量分析( 李加林， 2 0 0 6 ；黄华梅等，2 0 0 7 ) 。结合r s 技术和数学模型定量描述盐沼湿地景观动 态扩散过程则刚刚处于研究阶段( o u a ne ta 1 ，2 0 0 6 ；王东辉等，2 0 0 7 ：h u a n g e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。但是从科学管理和规划盐沼植被的角度上看，这种利用数学模 型来定量掌握各种盐沼植被信息的意义更为重要。 盐沼湿地典型植被方面的研究，其前沿课题之一就是应用适当的理论方 法，结合河口海岸特殊的自然地理规律，采用多种复杂系统诸如系统动力学， 神经网络，模糊集和模糊推论、分形理论、智能体理论、遗传算法等研究方法， 建立特有的、科学的时空模型。于是，具有时空计算特征的动力学模型一一元 胞自动机模型首选作为滩涂植被动态模型建立的理论基础。g i s 、g p s 和r s 等技术整合到生态模型中，将是未来生态模型发展的一个主要方向。于是，将 3 s 技术与c a 模型结合，研究湿地景观动态将是一项非常有意义的工作。 1 1 3元胞自动机研究综述 元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a 简称c a ) 的基本思想源于著名的科学家 v o nn e w m a n n 。上世纪5 0 年代，他在寻求与生命过程无关的自繁殖机理的过 程中，提出了第一个由二维方格组成的自复制元胞自动机被称为v o n n e w m a n n 规贝j j ( c l a r k e ，1 9 9 8 ：贾斌，2 0 0 7 ) 。其中的一部分在计算机上得到了实现。2 0 一3 一 华东师范大学博士学位论文第l 章绪论 世纪6 0 年代数学家c o n w a y 提出了著名的生命游戏机( g a m eo f l i f e ) 的概念 ( g a r d n e r ，1 9 7 0 ；w h e e l s ，1 9 8 3 ；w o l f r a m ，1 9 8 6 ) ，其原理是通过设计一定的 规则，从一个简单的初始形态出发，经过游戏机的自动演化得到许多非常复杂 的构型。这与生命系统中，细胞通过分裂繁殖而最终构成一个复杂的完整组织 的过程非常相似。此后人们才注意到元胞自动机所焕发出的勃勃生机。 在2 0 世纪8 0 年代，w o l f r a m 等人系统地研究了一系列一维元胞自动机规 则，尤其对初等元胞自动机的深入研究奠定了元胞自动机理论的基石，对元胞 自动机的理论研究，以及后来的人工生命研究和近来兴起的复杂性科学研究做 出了卓越的贡献( b a y s ，1 9 8 7 ；周成虎等，1 9 9 9 ) 。 自元胞自动机问世以来，以其“自下而上 的构模方式、强大的复杂性计 算能力、时空离散特征和并行计算特征以及c a 模型的灵活性和开放性，为其 在各个领域的广泛应用提供了保证( 谢惠民，1 9 9 4 ；李才伟，1 9 9 7 ) 。目前元 胞自动机被广泛的应用于社会和自然科学等各个领域。例如商业地理信息系统 ( e a s t m a n ，2 0 0 1 ；b r i t a l d oe ta 1 ，2 0 0 2 ) ，火势蔓延模型( k a r a f y l l i d i se ta 1 ， 1 9 9 7 ：h a r g r o v ee ta 1 ，2 0 0 0 ) ，传染病传播与控制模型以及克隆技术的研究等 ( s i e b u r g ，1 9 9 0 ：e r m e n t r o u t ，1 9 9 3 ：s i r a k o u l i se ta 1 ，2 0 0 0 ) ，森林动态变化 ( s e r g i o ，1 9 9 9 ) ，城市荒漠化模型( 陈建平等，2 0 0 4 ；) ，城市扩展模型( w h i t e e ta 1 ，2 0 0 0 ；c l a r k e , 1 9 9 8 ；周成虎等，1 9 9 9 ；黎夏等，2 0 0 7 ) 以及土地利用和 土地覆盖模型( w h i t ee ta 1 ，2 0 0 0 ，黎夏等，2 0 0 5 ) 等。元胞自动机作为一种动 态模型，更多的是作为一种通用性建模的方法，其应用几乎涉及社会和自然科 学的各个领域，在此不再赘述。 2 0 世纪9 0 年代，基于元胞自动机、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ) 、自主 体( a g e n t ) 研究的人工生命( a r t i f i c i a ll i f e ) 的兴起，更是给元胞自动机的研 究赋予了新的意义，掀起了新一轮的元胞自动机研究热潮。元胞自动机的应用 研究也随之进入一个空前的高潮时期。 1 1 4元胞自动机在景观模拟方面的应用 元胞自动机模型( c a ) 是利用斑块上一时间的状态和周围邻域斑块性质 决定斑块下一时刻状态的一种邻域规则模型( 李书娟等，2 0 0 4 ) 。c a 在景观动 态变化中的应用主要体现在模拟不同景观的变化过程。如i t a m i 等用c a 模拟 了城市景观的演化过程( i t a m i ，1 9 9 4 ) ；b a l z t e r 等用c a 模拟森林景观的动态 变化( b a l z t e r e ta 1 ，1 9 9 8 ) ；s u i 等用元胞自动机模型模拟了深圳市龙华镇的城 乡交错景观的动态演化过程( s u ie ta 1 ，2 0 0 1 ) ；c a n n a s 和s p r o t t 等利用c a 一4 一 华东师范大学博士学位论文第l 章绪论 模型模拟森林景观的动态变化( c a n n a se ta l ，1 9 9 9 ：s p r o t te ta l ，2 0 0 2 ) ：s e r g i o 等把c a 应用在微观结构的进化和宏观结构中的动态变迁( s e r g i o ，1 9 9 9 ： c o l a s a n t i ，2 0 0 7 ) 。 元胞自动机在湿地景观方面的应用尚处于研究阶段( g u a ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 受观测技术、条件和经费等限制，多数湿地景观的遥感和外业数据信息或不连 续，或分辨率难以满足特定要求。于是在有限的基础资料条件下，通过建立动 态扩散模型就成为当前湿地景观研究工作中的重要技术路线。标准c a 并不适 宜于描述海岸带盐沼植被动态扩散过程，必须根据湿地环境的条件限制来扩展 c a 模型( g u a ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 1 2 本文的研究目标和研究意义 盐沼植被动态扩散模型建立的初衷是认识和掌握盐沼植被扩散的某些规 律和模式，用一定的数学语言和程序语言来描述和表达这个规律，并将这个规 律应用到具体的研究区域中，去分析和解释研究对象分布的形态特征和扩散过 程。 c a 模型适合于复杂系统的描述、动态的预测和模拟，但是标准元胞自动 机仅仅是基于几何和对称空间媒介的理想化模型，其原始定义并不是起源于地 理空间思想。因此将其应用于地理问题的关键是要使其元胞及其元胞状态和元 胞变化规则等具有时空特性( 周成虎等，1 9 9 9 ：黎夏等，2 0 0 7 ) 。 因此，本文在介绍标准c a 的基础上，结合滩涂生态特点和盐沼湿地特殊 的地理环境，以高程、土壤条件( 如盐碱度) 以及各种滩涂植被扩散速度等信息 作为优化条件，使传统的元胞与影像像素、元胞邻居与栅格图像的邻域、元胞 扩展原则与滩涂植被扩散规律等逐一结合，并力求集地理空间概念、遥感影像 栅格特性和元胞特性于一身，利用遥感图像处理、计算机视觉、遗传算法、随 机论等技术与数学模型对标准c a 进行条件优化，旨在对模型的设计做进一步 的研究和完善，开发和实现适合滩涂植被大尺度上的扩散模型一条件优化的 c a 模型( c o c a ) 。为研究滩涂植被扩散的模拟和预测提供虚拟实验室。并利 用该模型探索在海岸带环境中受到特殊生境条件和竞争关系控制下的盐沼植 被种群的扩散过程，实现模型的计算机可视化，为湿地信息系统以及数字湿地 工程的建立提供重要内容。 作为海岸带生态环境要素之一的盐沼植被，其动态发展和演化趋势的研 究，可以为综合管理、科学规划、合理开发海岸带湿地等诸多方面提供信息服 务。并且，结合3 s 技术和计算机图像处理技术，运用合适的数学模型建立的 一5 一 华东师范大学博士学位论文第l 章绪论 盐沼植被动态模型，能科学地描述物种的动态变化、扩散模式及扩散速度，为 有关部门提供快速、准确、系统、有效的信息咨询和决策支持。 1 3 拟解决的关键问题和可能的创新点 1 3 1拟解决的关键问题 l 、熟悉和掌握盐沼湿地特殊的生态环境下典型植被的生存习性和扩散特 点以及研究区域的环境特点，以此作为c o c a 模型的优化条件和研究基础。 2 、结合盐沼植被扩散特点、环境特点以及遗传算法、随机论等数学模型 对标准元胞自动机进行条件优化，确定c o c a 模型规则，并利用v c + + 计算机 语言编程实现。 3 、利用该模型对研究区域内各种典型植被的扩散过程进行模拟和预测， 并对结果进行景观生态学和生态学分析。 1 3 2本项研究的创新点： l 、将遗传算法、随机论引入c a 模型用于盐沼植被动态模型设计研究， 并实现c o c a 模型计算机的可视化，以对盐沼植被进行科学管理和决策。 2 、本文设计了适合湿地环境的多种转换规则，应用时可以根据需要选择 适当的转换规则进行配置。 3 、目前长江口滩涂研究没有一个软件可以预测未来滩涂植被的变化动态。 本文研发的c o c a 模型为盐沼植被资源生长扩散提供时空动态虚拟实验室， 辅助今后几年甚至十几年的湿地管理和规划工作。 一6 一 华东师范大学博士学位论文第2 章c a 概述 第2 章c a 概述 2 1 标准元胞自动机 2 1 1元胞自动机( c a ) 的概念 元胞自动机是用一系列规则构成。凡是满足这些规则的模型都可以算作是 元胞自动机模型。因此，元胞自动机是一类模型的总称，或者说是一个方法框 架。其特点是时间、空间、状态都离散，每个变量只取有限多个状态，且其状 态改变的规则在时间和空间上都是局部的( w o l f r a m ，1 9 8 4 ；周成虎等，1 9 9 9 ； 黎夏等，2 0 0 7 ) 。 尽管元胞自动机有着较为宽松，甚至近乎模糊的构成条件，但作为一个数 理模型，元胞自动机有着严格的科学定义。物理学上，元胞自动机( c a ) 是 定义在一个由具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上，并按照一定局部 规则，在离散的时间维上演化的动力学系统( c h o p a r de ta l ，1 9 9 8 ；周成虎等， 1 9 9 9 ) 。具体地讲，构成元胞自动机的部件被称为“元胞 。每个元胞具有一个 状态，是某状态集中的一个，例如“生或“死 ，或者2 5 6 种颜色中的一种。 这些元胞规则地排列在“元胞空间”的格网上，它们各自的状态随时间按照一 个局部规则来进行更新。也就是说一个元胞在某时刻的状态取决于而且仅仅取 决于上一时刻该元胞的状态以及其邻居元胞的状态；元胞空间内的元胞依照这 样的局部规则进行同步的状态更新，整个元胞空间则表现为在离散的时间维上 的变化( g u t o w i t z ，1 9 9 0 ；周成虎等，1 9 9 9 ) 。 2 1 2元胞自动机的构成和基本特征 元胞自动机的构成元素包括元胞、元胞空间、邻居元胞及转换规则四部分。 也就是说，元胞自动机可以视为由一个元胞空间和定义于该空间的变换函数所 组成( 李才伟，1 9 9 7 ；周成虎等，1 9 9 9 ) 。 一、元胞、元胞状态、元胞空间 l 、元胞( c e l l ) 元胞又可称为单元，或基元，是元胞自动机的最基本的组成部分。元胞分 布在离散的一维、二维或多维欧几里德空间的格点上。 一7 一 华东师范人学博士学位论文第2 章c a 概述 2 、状态( s t a t e ) 状态可以是 0 ，1 ) 的二进制形式。或是 s l ，s 2 ，s k 整数形式的离散集，严格 意义上，元胞自动机的元胞只能有一个状态变量。 3 、元胞空间( l a t t i c e ) 元胞空间是指元胞所在的空间网点集合。理论上，元胞空间可以是任意维 数的欧几罩德空问规则划分。对于最为常见的二维元胞自动机的元胞空间，通 常可按三角、四方或六边形三种网格排列。 豳豳黼 ( ；1 ) j 绚潮维 f ) j 绷阀维f f j i 垴m 济 图2 - - i 二维冗胞自动机的三种网格划分( 李才伟，1 9 9 7 ) f i g 2 - 1t h r e ek i n d so f2 d - c a l a t t i c e s 二、邻居( 邻域) 根据元胞自动机的定义，为了表达模型的动态特征，除了定义元胞和元胞 空间外，还需要定义决定一下时刻状态的2 个因素因素：邻居( 或者邻域) 和 转换规则。 艄薷 毛a ￥“n m 】獭风秘秘移h ) 魄耗f 它鬻 e ) 扩黼熊锄【) r q 鳖 图2 2 兀胞自动机的邻居模型 f i g 2 - 2t h en e i g h b o ro fc a 在一维元胞自动机中，通常以半径来确定邻居，距离半径内的所有元胞均 被认为是该元胞的邻居。二维元胞自动机的邻居定义较为复杂，以最常用的规 则四方网格划分为例，通常有以下几种形式。见图2 2 ，黑色元胞为中心元 胞，灰色元胞为其邻居。 1 、冯诺依曼( v o n n e u m a n n ) 型 一个元胞的上、下、左、右相邻四个元胞为该元胞的邻居。这里，邻居半 华东师范大学博士学位论文第2 章c a 概述 径r 为1 ，相当于图像处理中的四邻域。其邻居定义如下： 蹦 = v i = ( v x ，v y ) 0y 缸一，“l + iv y 一1 ，秽i 1 ，( v 缸，v 驴) z ) ( ，) 表示邻居元胞的行列坐标值，( ，) 表示中心元胞的行列坐标值。此 时，对于四方格网，在维数为d 时，一个元胞的邻居个数为2 d 。 2 、摩尔( m o o r e ) 型 一个元胞的相邻八个元胞为该元胞的邻居，相当于图像处理中的八邻域。 邻居半径r 同样为1 。其邻居定义如下： 肘钿即= v i = ( 打，y 扣) ，h y “l l ，i y 驴一 掣l s l ，( y 白，y 驴) z 此时，对于四方格网，在维数为d 时，一个元胞的邻居个数为3 d 一1 。 3 、扩展的摩尔型 将以上的邻居半径r 扩展为2 或者更大，即得到所谓扩展的摩尔型邻居。 其数学定义可以表示为： 朋钿憎= y f = ( ，打，y 驴) l l p h y 群l + l ，驴一v o j , i s r ，( y h ，驴) e z 对于四方网格，在维数为d 时，一个元胞的邻居个数为( ( 2 r 十1 ) d 一1 ) 。 三、元胞状态转换规则及其获取方法 元胞状态转换规则也叫状态转移函数，是指根据元胞当前状态及其邻居状 态确定下一时刻元胞状态的动力学函数( 周成虎等，1 9 9 9 ) 。我们将一个元胞 的所有可能状态连同负责该元胞的状态变换的规则一起称为一个变换函数 ( 史忠植，1 9 9 8 ) 。这个函数构造了一种简单的、离散的空间、时间的局部转换 规则。记为厂：霹+ 1 = 厂( 研，西) ，其中碥是t 时刻的邻居状态，厂即为元胞状态转 换规则( 谢惠民，1 9 9 4 ) 。 c a 的转换规则的产生有时靠的是直觉和经验，找到一个确切的规则难度 相当大，目前转换规则获取的方法包括以下几种( j o s e ，e ta 1 ，1 9 9 9 ) ： ( 1 ) 直接确定：对于给定的元胞和邻域情况，直接确定转换结果，即元 胞下一时刻的状态。 ( 2 ) 隐含确定：通过一些公式的计算和推导，进行转换。 ( 3 ) 多步计算：把c a 的转换规则分解成几步，既清楚明了，又便于运 算。 ( 4 ) 概率性计算：对于一个给定的元胞和邻域，没有一个确切结果。这 种转换规则给出可能的几种转换结果和相应的转换概率，所有的转换概率的和 是l 。 标准c a 的转换规则常在均质空间的元胞上定义，元胞本身的属性不影响 华东师范火学博士学位论文、第2 章c a 概述 转换规则，如果给定了元胞及其邻域状态，以及元胞转换规则，那么无论元胞 在格网上的哪个位置，都会产生一致的状态转换( w 1 1 i t ee ta 1 ，1 9 9 7 ) ，也就是 说在用标准c a 进行动态模拟时不受空间的约束。 四、时间 元胞自动机是一个动态系统，它在时间维上的变化是离散的，即时间t 是 一个整数值，而且连续等间距。一个元胞在t 十l 的时刻只决定于t 时刻的该 元胞及其邻居元胞的状态。显然，在扣l 时刻的元胞及其邻居元胞的状态间接 影响了元胞在什l 的时刻的状态。 在c a 模型中，时间是一个抽象的概念，从模型中的f 时刻到f + 1 时刻到 底相当于一天、一个月还是一年并不明确，从而限制了c a 模型解决实际地理 问题的应用( 周成虎等，1 9 9 9 ) 。 2 1 3标准元胞在地学方面的局限性 标准c a 模型理论特点决定其在地学应用过程中不可避免地存在一些局 限，如空间同质( a r e ah o m o g e n e i t y ) 、转换规则单- - ( r u l e si n v a r i a n c e ) 、临近 关系固定( n e i g h b o rs t a t i o n a r y ) 以及外部事件封闭( o u t e rc l o s u r e ) 等等( 曹中 初等，1 9 9 8 ) 。标准的c a 模型是对现实世界的高度抽象和概化，在现实复杂 系统中体现为简单性与真实性的矛盾，使它只能从局部个体相互作用来定义转 换规则，即忽略了区域和宏观因素的影响。 具体地讲，在模拟实际地理要素的动态过程中，标准的c a 模型具有的局 限性，主要表现为： l 、元胞空间中的每一个离散状态的元胞都散步在规则格网中，所代表的 几何关系不能很好的描述实际地理空间。 2 、元胞的状态单一，但是在自然地物中研究的元胞类别众多。 3 、在标准的c a 模型，元胞的状态变化取决于自身及其邻居的状态组合， 而实际上，一个系统的元素的行为不仅仅取决于一个层面的变量，还 受系统大环境几个层面的影响。 4 、在确定元胞转换规则方面，标准c a 模型的转换规则是确定的，不随 元胞空间和时间发生变化，而不符合实际地理要素的发展规律。实际 上，系统元素的行为并非是确定的，而往往表现为某种倾向性和可能 性，即概率问题。 华东师范大学博士学位论文第2 章c a 概述 由于标准c a 具有上述局限性，很难真实地描述复杂的地理现象和过程。 但是，元胞自动机本身是定义在一个离散时间和空间上的动力学系统，它向地 理元胞自动机的扩展是一个比较自然的过程( 孙战利，1 9 9 9 ) 。 2 2 地理元胞自动机( g e o c a ) 2 2 1地理元胞自动机概念的提出 针对标准元胞在地学方面的应用，很多地学工作者对其进行了地理扩展， 这就是目前在地学研究应用较广的地理元胞自动机即g c o c a 。它是地理科学 的一种具有时空计算特征的动力学模型。或者说是一种时间、空间、状态都离 散，空间的相互作用及其时间上的因果关系皆局部的网络模型。主要用来描述、 表达复杂的地理系统，来模拟和预测地理过程( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。比标准元胞 自动机相比，主要是对元胞空间，元胞状态，元胞状态转换规则以及时间概念 等四个方面进行扩展。 图2 3 扩展的元胞自动机一地理兀胞自动机模型( 孙战利，1 9 9 9 ) f i g 2 3 t h ef r a m e w o r ko f g e o g r a p h i c a lm o d e lb a s e do ne x t e n d e dc e l l u l a r a u t o m a t a ( 1 ) 、元胞空间的扩展 由统一的规则元胞构成的元胞空间，可以扩展为栅格数据模型表示下的