（计算机软件与理论专业论文）基于随机过程和multiagent+system的城区拓展gis仿真模型研究.pdf

基于随机过程和m u l t i - a g e n ts y s t e m 的城区拓展g i s 仿真模型研究 摘要 摘要 随着社会经济的迅猛发展，现代城市变得越来越大、越来越复杂。城市化过 程给生态保护、城市布局、基础设施规划、投资决策等领域带来了许多关于决策 的预先分析问题。为了使决策更加科学，建立一个计算机模型以研究城市区域拓 展的相关课题成为一项十分有意义的工作。在这样的一个模型中，我们可以模拟 大量的城区拓展过程的有关活动，例如人群的迁徙、城区改造和扩建、交通设施 建设、公共服务网点建设、产业结构调整、投资决策、自然资源管理和环境保护 等等。模拟这些活动过程花费无几，但是其试验结果对于有关部门做出正确的决 策有着重要的参考价值。 本文的研究来源于一项9 7 3 课题和一项9 7 3 前期专项课题，研究成果得到了 著名的e l s e v i e r 出版公司旗下的c o m p u t e r s ，e n v i r o n m e n t & u r b a ns y s t e m s 杂志的 认可，获得了如下评价：“t h ep a p e rc a np r o v i d ea ni m p o r t a n ti n p u tt ot h ef i e l d ”、 “u s i n gm u l t i - a g e n ts y s t e mm e t h o d o l o g y f o r s i m u l a t i n g u r b a n p r o c e s s e s i sa r e l a t i v e l yn e wa p p r o a c ht h a th o l d sm a n yp r o m i s e sf o ri m p r o v i n gc u r r e n ts i m u l a t i o n s y s t e m s ”和“t h et o p i c o ft h ep a p e ri sv e r y i n t e r e s t i n ga n dp r o m i s i n g ”。 在本文中我们提出了一种基于随机过程、m u l t i a g e n ts y s t e m 、 k n o w l e d g e b a s e d 系统和地理信息系统的可扩展模型来研究城市区域拓展问题， 并实现了一个原型系统s a s m u g ( s t o c h a s t i cp r o c e s sa n dm u l t i a g e n ts y s t e m b a s e d s i m u l a t i o nm o d e lf o ru r b a n i z a t i o nw i t h i ng i s ) ，然后在其基础上考察上海市浦东 新区的人口迁徙问题，对迁移的趋势做出了定量的分析。 我们首先构造了一个虚拟环境，这个虚拟环境包括了自然地貌、城市功能区 域划分、交通网络、各种服务设施分布等各个方面的空间实体，并记录了这些实 体的多种空间属性和非空间属性。这些属性对于研究人群的迁徙是十分重要的。 接着我们在这个环境中开发了一个m u l t i a g e n t 系统以模仿现实世界中的家庭、 投资者、基础服务设施等智能体，并为它们建立了不同类型的行为模型。考虑到 决策行为的复杂性，我们在设计a g e n t 的行为模型时应用了大量的人工智能方法， 在基于知识的行为模型中加入了推理、规划和决策函数等功能模块。特别是在投 资者的投资决策过程中引入了一种基于随机过程的评估方法。使用这种评估方法 可以使获得的结果具有丰富的统计学意义。最后我们在不同的初始化条件下进行 了一系列实验：考察了新建轨道交通对附近人口增长的影响，不同城市功能区域 对人口聚集的不同影响等等。凭借其良好的开放体系结构，s a s m u g 可以作为 一个研究城市拓展问题的基础平台，当在其上嵌入特定的模块后，就可以用来研 究其它专门领域的课题，例如对城市交通线路规划的决策支持，对大型活动( 比 如奥运会、世博会、场馆的布局规划的决策支持等等。 关键词：多个体系统，人工智能，过程仿真，随机过程，地理信息系统 基于随机过程和m u l t i - a g e n ts y s t e m 的城区拓展g i s 仿真模型研究 a b s t r a e t a b s t r a c t w i t ht h er a p i ds o c - e c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t ，c i t i e sa r eb e c o m i n gl a r g e ra n dm o r e c o m p l e xt h a n b e f o r e s oi ti s m e a n i n g f u lt od e v e l o pac o m p u t e rm o d e lt os t u d y u r b a n i z a t i o np h e n o m e n o n u p o ns u c hav i r t u a lp l a t f o r m ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sc a n b ed o n et os i m u l a t em a n ya c t i v i t i e si nu r b a n i z a t i o np r o c e s s s u c ha sc i t y sm u n i c i p a l p l a n n i n g ，p u b l i c s e r v i c e o f f e r i n g , o l d b l o c k sr e c o n s t r u c t i o n ，i n d u s t r i a ls t r u c t u r e a d j u s t m e n t ，t h eb u i l d i n g o ft r a f f i c f a c i l i t i e s ，i n v e s t i n gd e c i s i o n m a k i n g , n a t u r a l r e s o u r c eo re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n t h o s es i m u l a t i o n sa n dc o r r e s p o n d i n gr e s u l t sa r e v e r y b e n e f i c i a lt oo f f e rv a l u a b l es u g g e s t i o n sb e f o r et a k i n gr e a la c t i o n s i nt h i s p a p e rw ep r e s e n t as t o c h a s t i c p r o c e s s a n dm u l t i - a g e n ts y s t e mb a s e d s i m u l a t i o nm o d e lf o r u r b a n i z a t i o nw i t h i n g i s ( s a s m u g ) f i r s t l y av i r t u a l e n v i r o n m e n t r e p r e s e n t i n gt h er e a lw o r l d i sc o n s t r u c t e d i nt h i se n v i r o n m e n ta l ls p a t i a l o b j e c t ss u c ha st r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k ，p u b l i cs e r v i c ef a c i l i t i e s d i s t r i b u t i o n s ，n a t u r a l e n v i r o n m e n te t c a r ed e s c r i b e db y m a n ys p a t i a l - o rn o s p a t i a lr e l a t e da t t r i b u t e s ，w h i c h a r ec r u c i a lf o rf a m i l i e s m i g r a t i o n s e c o n d l yw eh a v ed e v e l o p e da m u l t i a g e n ts y s t e m t os i m u l a t et h o s ea c t i v ea n di n t e l l i g e n to b j e c t si n c l u d i n gf a m i l i e s ，i n v e s t o r s ，s e r v i c e f a c i l i t i e s o p e r a t o r se t c 1 i v i n gi n t h ee n v i r o n m e n t t h e ya r ea l la g e n t s t h e nw e c o n t i n u et o d e s i g n t h e a g e n t s b e h a v i o rm o d e lo f e a c h t y p e c o n s i d e r i n g t h e c o m p l e x i t yo fh u m a n sb e h a v i o r s ，w ea d ds o m en e c e s s a r ya l g o r i t h m so fr e a s o n i n g ， p l a n n i n g ，d e c i s i o n m a k i n g f u n c t i o n so fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e i n t ot h o s eb e h a v i o r m o d e l sb a s e do na k n o w l e d g eb a s e e s p e c i a l l y , w e u s ea ne v a l u a t i o nm e t h o db a s e do i l s t o c h a s t i cp r o c e s st o s u p p o r tt h ei n v e s t o r s d e c i s i o n m a k i n gp r o c e s s f i n a l l ys o m e e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ew i t hd i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n s i nc o n c l u s i o n ，w i t ha n o p e na r c h i t e c t u r ea n dg o o dm o d u l a r i t y , s a s m u g c a ns e r v ea sab a s i cp l a t f o r mt o s t u d ym a n y o t h e ru r b a n i z a t i o nt o p i c s t o g e t h e r w i t hs o m e s p e c i a l i z e d m o d u l e s k e y w o r d s ：m u l t i a g e n ts y s t e m ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，p r o c e s s s i m u l a t i o n ， s t o c h a s t i c p r o c e s s e s ，g i s 3 基于随机过程和m u l t i - a g e n ts y s t e m 的城区拓展g i $ 仿真模型研究引言 1 1 研究意义 第一章引言 今天的城市化进程的速度堪称日新月异。随着进入城市的人口日益增加、大 规模旧城区的改造、产业结构的调整、一系列城市建设规划的实施等等众多的活 动，城市的范围正不断变大，其形态也不断变化。 一个城市系统就是一个巨大的复杂系统，在其间发生着无数的个人行为和群 体行为，大部分的行为是基于局部区域和少数个体的，彼此间关联甚少，但是当 我们把一个城市系统作为一个有机整体，就会发现一个社区通常是具有许多社会 生态学的特性的，其中存在着许多重要的方方面面间的平衡关系。比如，如果一 个社区居民数量较少，市场狭窄，那么许多商业公司可能在该社区就会开设比较 少的营业网点，使得人们日常生活不便，而这种不便的环境反过来可能又会进一 步妨碍人口的迁入。这种投资活动和市场之间的关系就是一种彼此高度依赖的关 系。 建立合适的模型以研究城市拓展的课题具有十分重要的意义。该研究课题除 了具有研究复杂系统模型、群体行为模型、过程仿真的理论价值外，还具有极强 的应用价值。通过对城市拓展的模拟，可以为有关的城市管理部门提供有价值的 参考意见，预测某项规划方案的实施效果，获得最佳城市布局方案和发展计划， 也可以为有关商业机构在城市中的投资活动提供决策支持，帮助其获得最大的社 会经济效益。 1 2 相关研究 人们已经使用了许多种方法对城市拓展进行建模研究。早期的城市模型主要 是以各种相互作用模型和概率模型为代表的静态模型。这类模型不具备时间维， 只反映了空间实体的分布及相互作用，而不能表达城市的动态变化过程。现在研 究的主要则是动态城市模型，相关的研究方法大致可以分为两类。一类采取了“自 上而下”的策略，其主要代表是基于微分方程的系统动力学模型【h j 、数理统计 模型等【5 14 1 。这类模型观察的空间尺度较为宏观，所分析的指标通常是一些社会 经济指标，没有直接考虑城市的微观结构和个体行为，从而不能真正的反映出城 市空间结构变化。第二类则采取“自下而上”的策略。主要包括基于人工神经网 络及基因算法【1 5 】【1 6 1 、分形【”- 19 1 、细胞自动机、智能个体等的离散动力学模型。 在这些方法中最引人注目的就是被广泛使用的基于细胞自动机( c a ：c e l l u l a r 差三墼型堡塑翌! ! ! ! ：垒竖坐墅竺! 竺塑塑璧堑垦璺坚笪塞堡翌堕茎! ! 壹 a u t o m a t a ) 的方法和刚刚兴起的基于m a s 的方法。值得指出的是，有相当多的模 型实际上是或多或少的同时使用了上面的若干种技术。 在上个世纪4 0 年代，u l a m 提出了细胞自动机，很快被v o nn c u m a n 用于解 决自复制系统的演化特征【2 0 1 。细胞自动机模型在地理学中的应用理论来源于计量 地理学。t o b l e r l 2 1 】首次利用细胞空间模型来模拟底特律地区城市的发展。在其影 响下，c o u c l e l i s i 趁- 2 4 从理论上充分阐述了细胞自动机模型在地理学中的应用，特 别讨论了其在模拟城市拓展方面的优势，奠定了c a 在城市发展中的应用基础。 p h i p p s 等分析了c a 模型与并行0 a r a l l e l ) 处理过程的关系，阐述了刻画城市系 统的同时( s i m u l t a n e o u s ) 动力学，并模拟了同心圆城市土地利用的t h t l n e n 模型， s b e n a t i 2 6 】以多个零售商分享同一市场的空间竞争模型为例，研究了h o t e l l i n g s 的等级区位问题。 w h i t e 等1 2 0 1 【2 7 l 通过定义一个包含工业、商业、住宅、空地乃至道路、河流在 内的多状态集合设计了一个基于c a 的模型，成功地模拟亚特兰大、辛辛那提等 城市土地利用的分形空间图式，揭示了地形通过路网影响城市形态的人地相关机 制，为城市的规划决策提供了很好的依据。随后又基于g i s 的数据环境建立了 微观尺度的空间细胞模型和包括自然与人文地理子系统的集成动态模型，创造了 区域空间动力学的集成模型，将此模型应用于加勒比海的圣卢西亚岛，预测了该 岛在自然环境作用下的社会经济变化图式。 k c c l a r k e 等i 冽1 冽提出自改i 曼( s e l f m o d i f y i n g ) c a 模型，先后模拟和预测 了美国西海岸的旧金山海湾地区人口城市化的历史过程和东部的华盛顿一巴尔 的摩市的城市发展。在模拟中不仅考虑了地表形态、道路网络和现存聚集分布对 城市化的影响，还考虑了城市化与海湾地区气候变化的关系。 吴福龙【3 0 】提出了一种多层次分析法( a h p ) 有助于决策者在分析各种影响因 素相互的关系后提出一套统一的权重。他基于g i s 实现了c a 、多因子评价模型 ( m c e ) 的有机集成，模拟了中国广州市的城市扩展。 j p o r t u g a l i 等1 3 l 】基于o 思想开发了c i t y 模型系列。通过将描绘城市内部 及城市之间人口运动的迁徙子模型叠加于描绘城市景观( u r b a nl a n d s c a p e ) 动力 学的c a 子模型上，构成一个双图层模型，在社会经济因素之外考虑了文化、心 理因素，以供模拟自组织城市的空间认知分歧与社会空间突现( e m e r g e n c e ) 。 相对于基于c a 的模型仅仅是强调空间的微观相互作用，一个网格的状态取 决于其邻域的状态和转化规则而言，基于m a s 的模型更着重考虑了居民、社会 团体等能动的个体，利用大量微观能动的个体间的相互作用来模拟宏观现象的演 基于随机过程和m u l t i - 姆n ts y s t e m 的城区拓展g i s 仿真模型研究引言 化过程。由于c a 技术特别适合于表示空间环境及空间实体的相互关系，有若干 模型都或多或少的同时利用了c a 技术和m a s 技术，从而形成一种c a 和m a s 相结合的混合结构。 b a t t vm ， j i a n gb 等【3 2 】【3 3 j 建立了一个虚拟城市系统，设计了许多个体来表 示人，一方面对该系统中的人流和交通流进行了模拟和分析，研究了人的行动是 如何受到城市形态影响的，另一方面通过利用多个体模拟并行计算的能力，实现 了数字地面模型中的视区分析功能，而这种功能往往是十分复杂并且相当消耗计 算资源的。 b e n e n s o ni 等【3 4 】1 3 5 】等把家庭作为个体，建立了t e l a v i v 城y a f f o 地区的人 口分布模型，在p c 上运行的g i s ( 主要包括街道、建筑物、开阔地3 个数据库， 以图层的方式描述了该区域的城市空间状况1 平台上利用高性能并行计算机对居 民搬迁的动态模拟( 其数据来自于以色列中央统计局) ，他们仅仅分析了城市空间 结构和人群分布的关系，而没有考虑其它的诸如就业市场分布等等因素。家庭 a g e n t 迁出主要是依据其和邻居a g e n t 的差异值扩大，而迁入则是依据和可迁入地 区的居民的差异值小于一定的标准。 s a l v i n iea a n dm i l l e re j 等1 3 6 1 提出了一个模拟复杂城市系统的可操作的综 合仿真模型：i l u t e 。i l u t e 采用了面向对象的设计技术，其灵活的类设计和多 子模型设计使得系统具有较好的开放性。i l u t e 设计了包括个人、家庭、交通 网络、居民建筑和商业建筑、公司等社会团体管理机构在内的各种目标，以供模 拟人类的各种社会活动以及诸如通货膨胀，就业市场等各种经济、社会现象。 r o d i r g u e sa 等【3 7 1 使用了具有空间特征的空间个体来进行空间模拟和决策。 在一个环境规划决策支持系统( m a m e g a a t o ) q b 使用了一个a g e n t 体系( 包括地 理要素a g e n t 、环境成分a g e n t 、仿真过程a g e n t 、集成a g e n t 和决策a g e n t ) ，以模 拟各种不同的土地利用规划方案对环境的影响，从而为做出最佳的规划方案提供 决策支持。 b r a n i s l a v u l i c n y 等【3 8 j 以城市紧急状态市民应对训练系统为例，对虚拟环境 中的虚拟个体及其组成的人群的活动进行了模拟，逼真的再现了在紧急事件发生 时，大量交互的个体及人群与环境的实时互动。 r d u c r o t a 等【3 9 1 基于c o r m a s 平台提出了一个空间分析模型。将一个具有大 水库的城市及周边土地划分为河流、居民区、工业区、灌溉作物区、非灌溉作物 区等8 种类型，并在系统中设计了众多的生产者个体和投资者个体。通过模拟个 体和环境问的相互影响，对水资源管理、土地开发利用和城市发展之间的关系提 茎堕垫塾里塑坚! ! ! ! ：垒壁坐! ! ! ! ! 竺箜堡垦堑垦鱼堕堕墨堡型里塑 ! ! 室 供了较为清楚的分析。 es e m b o l o n i ，j a s s f a l g 等【加】提出了一个人机交互的城市发展原型： c i t y d e v 。系统中存在着家庭、工业实体、商业实体、建筑实体、公共服务实体 等多种a g e n t ，这些a g e n t 在市场上购买原料并出售自己的产品，此外还有一个管 理委员会负责城市的规划等。整个模拟过程分为6 个阶段运行，在运行过程中， 用户还可以通过w e b 加以干涉。 l o i b l ，w 等【4 1 】的研究项目s t a u w i e n 系统中设计了若干具有不同社会经 济属性的家庭实体和商业实体迁入新开发区域，并根据其自身的特点和其它的环 境因素( 包括周边地理环境、公共服务设施、价格、交通便利程度及人1 3 密度等) 选择其具体的迁入目的地。通过对a u s t r a l i a 的v i e n n a 市郊的发展的模拟，为有 关机构制定有关政策提供了参考。 p a u lm t o r r e n s 4 2 】讨论了c a 和m a s 的混合结构，并实现了一个居民购房模 型。在此模型中设计了若干购房者个体和房屋销售商个体，通过对其相互作用的 模拟，反应了整个区域的居民分布状况。 s a n d e r s ，l 等【4 3 峡注于城市形态的变迁。模拟了在比较长的时间跨度内， 城市是如何从与耕种密切相关的形态发展到与贸易和制造业密切相关的形态的。 t h e o a r e n t z e 等m l 提出了一个模型为开发新城区提供备选方案。在模型中， 家庭、公司、市政规划者、城市建筑部门都被当作不同的个体进行处理。家庭或 公司等机构对待开发地的某些地块投标后，市政规划部门会根据投标的情况形成 开发规划，家庭、公司和建筑部f 3 n 开始各自的活动。通过对一个零售商活动的 模拟，揭示了个体活动间的聚集效应：一个个体对某地的评价在较大程度上受到 其它个体的影响。 t s c h e l h o r n 等1 4 5 j 提出了s t r e e t s 模型以模拟城区内的步行者的行为。该 模型可以分为两个阶段，首先依据输入的地理、社会经济数据生产一个城市街区， 然后在该城市街区内生成若干步行者个体，这些个体都有自己的行为特性和移动 目的。所有的个体根据其周围的环境和自身的目的地，通过一定的启发规则控制 自身的移动行为。 l i g t e n b e r ga 等1 4 q 以荷兰的n i j m e g e n 市郊的开发区为例，提出了个基于 m a s 和c a 混合结构的空间规划模型框架，利用细胞自动机表示研究地域的空 间实体及其空间关系，而利用不同的a g e n t 来表示对土地的开发利用有着不同倾 向的个体，这些个体通过与环境中的空间实体的相互作用，从而形成不同的土地 利用模式：最后再综合考虑这些具有不同倾向的个体的意见，产生出一份综合土 基于随机过程和m u l t i - a g e n ts y s t e m 的城区拓展g i s 仿真模型研究引言 地利用计划。 1 3 本文工作 要较为准确的预见到城市中某些区域的发展趋势，就是要寻找到那些可以被 当作规则、结论、期望和趋势的数据，那些具有重大统计学意义的数据。我们的 解决方案就是基于某些前提假设，设计出一个合适的计算机模型，模拟城市中发 生的众多活动，分析城市变化的数据，从而预见城市发展的进程。通过对现实世 界尽可能贴近的仿真试验来获得那些重要的数据，为有关部门提供有价值的参考 意见。 为了确保仿真模型的可靠性，我们必须完成以下的一系列任务。 第一个任务就是要构造一个对应现实世界的虚拟数字环境，所有个人和团体 都将生存在这个统一的环境中，所有的活动也都将发生在这个环境中。这个环境 将尽可能多的包含对人类行为有较重大影响的众多因素，涉及到自然环境和人工 环境的方方面面。 第二个任务就是设计一些合适的行为模型以模仿人类的行为。因为在众多的 个人及社会团体之间存在很大的差异，而由这种差异性造成的行为多样性正是模 型设计的目标。 第三个任务就是在行为模型中运用合适的人工智能技术。无论是由个人承担 的，还是由整个团体承担的涉及到城市形态变化和发展的众多活动，就其本质而 言，都是基于知识的决策过程。如果一个行为模型缺乏诸如推理、规划、问题求 解的智能技术、就算不上是一个令人满意的模型，从而难以提供令人满意的结论。 人工智能技术将为分析能力较为薄弱的g i s 提供强大有效的支持。将人工智能技 术和g i s 技术结合起来，将是一个充满希望的研究方向。 值得指出的是，更应该注意的是本文中提出的仿真方法和系统框架，而不是 最后的试验结果和计算中的任何细节。因为前者具有更为普遍的意义。本文主要 贡献总结如下： 1 ) 在g i s 平台上提出并设计了基于m u l t i a g e n ts y s t e m 的方法来刻画大量 能动个体间的交互行为； 2 1 在a g e n t 的行为模型中运用了基于知识的推理、规划技术等，设计了大 量的复杂行为； 3 、运用了更适合于用计算机表达的数学规划过程来取代了投资决策中的问 基于随机过程和m u l f i - a g e n ! s y s l c m 的城区拓展g i s 仿真模型研究引言 题求解过程 4 ) 在投资者的投资决策中引入了随机过程分析的方法，较为准确、客观的 刻画了宏观现象与宏观过程。 本文的研究得到c o m p u t e r s ， e n v i r o n m e n t & u r b a ns y s t e m s 杂志的如下评 价：“t b ep a p e rc a l lp r o v i d ea ni m p o r t a n ti n p u tt ot h ef i e l d ”、“u s i n gm u l t i - a g e n t s y s t e mm e t h o d o l o g y f o rs i m u l a t i n gu r b a np r o c e s s e si sar e l a t i v e l yn e w a p p r o a c ht h a t h o l d sm a n y p r o m i s e s f o ri m p r o v i n gc u r r e n ts i m u l a t i o ns y s t e m s ”和“t h et o p i co ft h e p a p e r i sv e r yi n t e r e s t i n ga n d p r o m i s i n g ”。 1 4 本文结构 本文内容共分为七章。除了本章的引言外，第二章概要介绍了g i s 技术和 m a s 技术。第三章讨论了如何用g 1 s 来表达虚拟环境。第四章分析和设计了在 这个虚拟城市环境里活动的各类a g e n t 模型和系统的结构及通信机制。第五章讨 论了决策活动中的随机过程分析。第六章展示了我们在s a s m u g 原型系统上进 行的一部分实验及实验结果。最后一章做了总结与展望。 9 苎堕垫塾堡塑坚! 堕：垒g 竺! ! ! ! ! 竺箜塑垦塑垦鱼坚堕塞塑型墅塞鱼堡塑坚箜塑查塑薹 第二章g i s 和m a s 技术概要 2 1g i s 技术简介 随着应用行业部门和应用目的的不同，地理信息系统( g i s ：g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m1 的定义也不尽相同。根据美国联邦数字地图协调委员会 ( f i c c d q 的定义，g i s 是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系 统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复 杂的规划和管理问题1 4 7 4 。 地理信息系统是- - 1 7 特殊而重要的交叉学科，是传统学科和现代技术的共同 产物。它涉及到了地理学、地图学、测量学、计算机科学、遥感科学、管理信息 系统等众多学科，这些不同研究领域里涌现出来的成果不断为地理信息系统的发 展提供了新的技术和方法。作为多门学科的综合，地理信息系统的成果既体现出 了与这些学科的联系，又具有自己的特征。顾名思义，地理信息系统也是一个以 地理空间数据库为依托，利用不同的地理模型，提供合适的空间地理信息的计算 机技术系统。地理信息系统的出现改变了管理、分析空间信息的传统模式，为人 们更有效的认识和掌握空间信息提供了强有力的工具，使得人们做出的决策更为 准确、科学。 2 1 1g i s 的特征 地理信息系统作为一种特定的信息系统，除了具有其它的信息系统的共同特 征外，还有自己的独特之处。它与其它系统的主要区别就是地理信息系统存储和 管理的信息都是经过地理编码的。现实世界被表达成一系列地理要素，而这些地 理要素往往是同时具备空间属性和非空间属性的。具体而言，地理信息系统具有 以下三个方面的特征： 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态 性； 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以各种地理模型方法为手段，在计算机 的支持下，能够快速、精确地对复杂的地理系统进行区域空间分析、多 要素综合分析、过程动态分析和较准确的动态预测，产生高层次的地理 信息： 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的 1 0 基于随机过程和m u l t i - a g e n ts y s t e m 的城区拓展g i g 仿真模型研究g 1 s 和m a s 技术概要 或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难 以完成的任务。 2 1 2 g i s 的功能 尽管随着应用目的的不同，不同的g i s 软件包提供的功能并不完全一致，实 现的技术也不一样，不过其基本功能都是类似的，主要有以下4 种基本功能： 1 1 数据的采集与预处理。数据采集是从外部现实世界中获得数据( 数据来源 包括对现实世界的观测数据、外部文件、地图1 ，将空间数据输入计算机 的过程被称为数字化。最新扫描跟踪技术使大规模自动数字化成为可能， 中小型作业仍可使用传统手工数字化仪；同时g i s 软件提供强大的数据 转换功能，可从c a d 、文本、关系数据库等几乎所有形式转入数据。而 数据的预处理则是将原始数据转换为满足系统要求的结构化数据。空间 数据只有加工为适合的形式才能被g i s 系统利用，通过各种方式获取的 不同类型空间数据必须经过标准化处理，包括不同比例尺、坐标投影的 转换匹配等。 2 ) 数据的存储和管理。采用文件结构构造g i s 数据对于小型应用或许足够， 但当数据规模和使用者人数急剧增长时，必须通过大型数据库系统进行 有效严格的组织管理。在关系型数据库中，不同表格间通过相关项相互 连接，提供g i s 高度的可扩展性和灵活的配置能力。g i s 以分幅的方式 或者分层的方式管理空间数据，并通过对用户透明的数据管理功能实现 拓扑结构完整、逻辑上取消图幅数或图层数限制的空间数据库。 3 1 空间查询和分析。空间查询和分析是g i s 的核心，是区别于其它类型系 统的重要标志，也是人们用来灵活地解决各类专门问题的有效工具，其 主要目的就是确定众多地理要素间的各种空间关系。g i s 提供从最简单 的点击式查询到各种复杂的空间分析方法。g i s 最引入入胜的地方就在 于通过各种假设分析来模拟区域内空间规律和发展趋势。g i s 提供的众 多空间分析工具中最为常用的有地形分析、地图分析、缓冲区分析、叠 置分析、网络分析等。 4 ) 可视化表达输出。将g i s 的计算结果通过可视化的多种方式加以直观表 达，是g i s 的一大特点。 在上述基本功能的支撑下，通过利用更为广泛的空间分析技术、模型分析技 术、网络技术、二次开发接口等技术，g i s 可以提供极为丰富的高级功能，满足 基于随机过程和m u l t i - a g e n ts y s t e m 的城区拓展g i s 仿真模型研究 g i s 和m a s 技术概要 不同行业的应用需求。 2 1 3g i s 的构成 地理信息系统的构成可以如下予以通俗的认识： g i s = c a d + d a t a b a s e + s p a t i a lo p e r a t i o n 一个完整的典型的地理信息系统主要由以下5 个部分构成。 1 1 硬件子系统。硬件子系统一般由作为该子系统核心的计算机和其它一些 外围设备( 包括输入设备、输出设备、数据存储设备、网络设备等) 构成。 g i s 可充分利用从主机服务器到桌面工作站乃至网络计算的一切计算资 源。 2 ) 软件子系统。软件子系统是整个地理信息系统的核心。依据离硬件子系 统的远近，从下到上可以分为系统软件层、数据库软件层、g i s 专业软 件和应用分析程序层。而依据其提供的功能，g i s 专业软件通常包含如 下核心模块：数据输入和预处理模块、空间数据管理模块、空间数据处 理和分析模块、数据输出模块、二次开发环境模块等。 3 ) 空间数据。空间数据是地理信息系统的操作对象，是现实世界经过模型 抽象后的实质性内容，是现实世界在地理信息系统中的“逻辑印象”。这 些数据刻画了地理实体的空间特征、属性特征、时间特征。空间特征是 指地理实体的空间位置及其相互关系：属性特征是指地理实体的名称、 类型、数量等；时间特征是指地理实体随时间的变化而发生的相关变化。 根据地理实体的空间图形表现形式，可将空间数据抽象为点、线、面三 类元素，它们的数据表达方式可以分别采用矢量和栅格两种组织形式。 4 ) 相关人员。地理信息系统的相关人员既包括从事g i s 系统和应用系统开 发的专业人员，也包括采用g i s 系统完成日常工作的最终用户。他们的 业务素质和专业知识是g i s 工程及其应用的关键。 5 ) g i s 应用模型。构建和选择合适的g i s 应用模型是关系到g i s 应用系统 成败的重要因素。尽管g i s 提供了一定的分析能力，但是这种分析能力 相对于许多应用的需求而言是比较弱的，难以完成复杂的、有领域约束 的、动态变化的、特定的智能化信息处理任务。因为完成这些任务必然 涉及到多个不同层次的不同因素，需要海量的人为经验和专家知识，需 要利用面向具体应用的专业模型。g i s 应用模型是g i s 与相关专业连接 基于随机过程和m u l t i , 4 9 e n ts y s t e m 的城区拓展o l s 仿真模型研究 g i s 和m a s 技术概要 的纽带，其作用就是根据关于目标的知识将系统数据重新组织，得出关 于目标的更为有序的新的数据集合的规则和公式，从而有效的支持完成 诸多的与地理数据相关的分析、评价、预测和辅助决策等任务，这正是 g i s 向深层次发展的根本目标。 2 1 4g i s 的应用 当前g i s 的研究已经诞生了一大批实用系统。g i s 的应用领域扩展的相当快， 已经涉及到了测绘与地图制图、国防、城市规划、资源管理、灾害监控、环境保 护、石油、电力、医疗卫生、农业种植、经济咨询、投资决策、宏观决策支持等 诸多方面。 2 1 5g i s 的发展动态 自从2 0 世纪6 0 年代加拿大测量学家r e t o m l i n s o n 首次提出地理信息系统， 并花3 年时间建成世界上第一个1 ：5 0 0 0 的加拿大地理信息系统( c g i s ) 以来， g i s 的研究取得了丰硕的成果，并且得到了广泛的应用。而且随着更多的应用需 求的涌现和其它科学技术的进展，当前g i s 的研究出现了许多充满希望的研究热 点： 1 、g i s 与面向对象技术的结合。g i s 管理数据的传统方式是将图形数据和 属性数据分开管理，利用面向对象技术，人们能够找到一种比较适合人 类思维模式的、直观、结构清晰、有序的方法来管理复杂的空间信息， 通过面向对象数据模型来统一管理g i s 空间数据( 图形数据和属性数据) 。 2 1 真三维g i s 。目前大多数g i s 是采用二维来表示现实的三维对象，而将 三维分量z 作为一个属性值，这对于许多地学分析是相当不便的。借助 于计算机图形学的发展，人们已经有可能真实地描述三维物体的几何特 征和属性特征。 3 、时空g i s 。在某些应用中，空间实体的时序特征十分重要，时空g i s 除 了处理和分析实体的空间特征外，还要处理和分析它们的时序特征。 4 1 地理信息建模系统( g i m s ：g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 。如 前所述，g i s 应用模型是g i s 解决实际问题的能力所在，其建立和选择 受到日益的重视。传统的g i s 是通过二次开发工具和环境以供用户建立 专业应用模型，这对用户要求较高。而g i m s 本身支持面向用户的空间 分析模型的定义、生成和检验的环境，支持交互式的基于g i s 的分析、 建模和决策。 5 ) i n t e r a c t 技术和g i s 的结合。利用i n t e m e t 目新月异的技术进展，g i s 的 信息处理模式出现了许多新奇的变化。其中最引人注目的就是组件式 g i s 和o p e n g i s 。 砩g i s 与人工智能技术的结合。利用人工智能中的知识工程、问题求解、 规划、决策、自动推理等技术，能够大大提高g i s 的智能化程度，增强 其应用模型的分析能力。 7 ) g i s 与虚拟现实技术的结合。虚拟现实技术使得g i s 能够在三维空间中 模拟和重构逼真的三维地理实体，使得用户在客观世界的虚拟环境中更 有效的管理和分析空间实体数据。 除上述方向以外，“3 s f g i s 、g p s 、r s ) ”的进一步集成、g i s 与c a d 的集 成、并行技术在g i s 中的应用等都是g 1 s 发展的重要方向，而且这些发展方向 相互之间都起着积极的促进作用。 2 2 m a s 技术简介 “a g e n t ”原意是“代理”，在计算机领域里面，通常表示分布式系统或者协作 系统中能持续自主发挥作用，同时与相关a g e n t 和环境相联系的计算实体，又常 称为“智能体”i 5 0 】1 5 l l 。a g e n t 的概念出现于2 0 世纪7 0 年代的人工智能( a i ) 中，当 时的美国麻省理工学院研究人员开展的一系列关于分布式人工智能的研究为 a g e n t 技术在计算机领域的研究和应用奠定了基础。8 0 年代后期a g e n t 技术迅速 成长起来，成为a i 和计算机领域最活跃的研究内容之一。而多a g e n t 系统( m a s ： m u l t i a g e n ts y s t e m l 作为分布式人工智能的一个重要研究方向，通常表示一些自 主的a g e n t 通过协调、协作、协商【5 2 】【5 3 】共同完成某些任务的计算系统，用来刻画、 抽象那些具有时空分散化、可变性、不良结构、交互性、智能性等众多特征的复 杂系统。 2 2 1a g e n t 概念及其系统结构 a g e n t 已经渗透到相当多的领域，因此难以从一般意义上给出一个准确的定 义。w o o l d r i d g e 5 4 】提出的关于a g e n t 的弱定义和强定义由于比较容易判别而被许 多人引用。下列8 条一起构成了强定义，而一个计算机系统如果仅仅符合前4 条， 则只是满足了a g e n t 的弱定义。 1 1 自_ 主性( a u t o n o m y ) ：a g e n t 运行不需要人或者其它a g e n t 的直接干涉，对 基于随机过程和m u l t i - a g e n ts y s t e m 的城区拓展g i s 仿真模型研究g i s 和m a s 技术概要 自己的行为和内部状态有某种控制能力： 2 1 反应性( r e a c t i v i t y ) ：a g e n t 能够感知周围的环境，并能在一定的时间内做 出自己的反应，以适应和改变环境； 3 1 社会性( s o c i a l a b i l i t y ) ：a g e n t 之间能够通过某种a g e n t 语言，以灵活的方 式相互作用； 4 1 预见性h e a c t i v e n e s s ) ：a g e n t 不仅仅是简单的对环境做出反应，而且能 够主动的体现出面向目标的行为； 5 1 具有某些通常只有人类才有的精神层面的概念，例如知识、信念、目的、 义务等； 合理性。是指a g e n t 总是为实现自己的目标而努力，而不会阻碍目标的 实现； 7 1 准确性：假设a g e n t 都不会传递错误的消息； 8 、自学习：