基于元胞自动机的地理信息处理综述.pdf

基于元胞自动机的地理信息处理综述 基于元胞自动机的地理信息处理综述 李庆君 武汉大学资源与环境科学学院 湖北 武汉 430000 摘 要 本文简单介绍了元胞自动机的概念 组成以及分类 并且根据前人做的研究总结 了元胞自动机在土地利用变化模型 交通流研究 土地覆被预测模拟及景观格局优化中的 应用情况 并对地理元胞自动机模型研究的发展趋势进行了分析 认为地理元胞自动机模 型研究在以下几个方面需要进一步深入 1 应加强地理元胞自动机与多智能体系统的集 成研究 2 应加强对地理元胞自动机的尺度划分及尺度效应的研究 3 应进一步深化地 理元胞自动机与GIS的集成研究 关键词 元胞自动机 GIS 决策树 数据挖掘 1 引 言 元胞自动机 CellularAutomata CA 具 有强大的空间运算能力 常用于自组织系统 演变过程的研究 它是一种时间 空间 状 态都离散 空间相互作用和时间因果关系都 为局部的网格动力学模型 具有模拟复杂系 统时空演化过程的能力 与传统的基于方程 式的地理学模型相比 元胞自动机模型具有 较好的时空动态性 可以模拟非线性复杂系 统的突现 混沌 进化等特征 是模拟生态 环境 自然灾害等多种高度复杂的地理现象 的有力工具 很多地理学家利用元胞自动机 对各种复杂的地理现象进行了模拟研究 取 得了许多有意义的成果 因此 从地理空间 系统的模拟来看 元胞自动机模型的研究和 应用提供了一种从地理系统的微观出发 将 自然与人文统一的地理模拟系统的新视角和 新途径 2 元胞自动机 2 1 元胞自动机的概念 元胞自动机是由一些特定规则的格子所 组成 每个格子看做是一个元胞 每一个元 胞可以具有一些状态 但是在某一时刻只能 处一种状态之中 随着时间的变化 叠代 过程 格子上的每一个元胞根据周围元胞的 情形 按照相同的法则而改变状态 换句话 说 一个元胞的状态是由上一个时刻所围绕 的元胞的状态所决定 以人工生命的角度来 看 元胞自动机可以视为一个让许多单细胞 生物生活的世界 在我们设定好这个世界的 初始状态之后 它们便按照同一个规则做演 化 元胞自动机是时间 空间 状态都离 空 间的 相互作用及 时间上 因果关系皆局 部的网格动力学模型 不同于一般的动力学 模型 元胞自动机模型没有明确的方程形式 基于元胞自动机的地理信息处理综述 而是包含了一系列模型构造的规则 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 确切地讲 元胞自动机是一类 模型的总称 或者说是一个方法框架 2 2 元胞自动机的组成 设计一个元胞自动机需要包含几个部份 决定元胞活动空间的维度 定义元胞可能具有的状态 定义元胞改变状态的规则 设定元胞自动机中各个元胞的初始 状态元胞自动机 在元胞活动的空间上 可 以是一维的 二维的 三维的 或更高维度 2 3 元胞自动机的分类 平稳型 白任何初始状态开始 经过 一定时间运行后 元胞空间趋于一个空间平 稳的构形 这里空间一平稳即指每一个元胞 处于固定状态 不随时间变化而变化 周期型 经过一定时间运行后 元胞 空间趋于一系列简单的固定结构 stable patterns 或周期结构 periodieal patterns 由于这些结构可看作是一种滤波器 filter 故可应用到图象处理的研究中 混沌型 自任何初始状态开始 经过 一定时间运行后 元胞自动机表现出混沌的 非周期行为 所生成的结构的统计特征不再 变化 通常表现为分形分维特征 复杂型 出现复杂的局部结构 或者 说是局部的混沌 其中有些会不断地传播 3 元胞自动机的应用 3 1 基于 C5 0 决策树的土地利用变化模型 C5 0 决策树算法可以揭示数据中的结构 化信息 建立直观 易于理解的树形结构 可以用于元胞自动机转换规则的获取 在改 篇文章中提出了基于 C5 0 决策树算法的元胞 自动机模型 分析了模型构建的理论和原理 以及实现方法 本文的元胞自动机模型分为三大模块 GIS 模块 C5 0 决策树模块和元胞自动机模型 模块 如图 1 所示 其中 GIS 模块部分的主要 功能是 GIS 数据的生成与预处理 栅格数据的 对齐与裁剪 数据转换以及模拟结果的显示 C5 0 决策树模块主要实现数据采样 C5 0 决 策树生成以及转换规则的精度评估等功能 图 1 C5 0 元胞自动机模型原理 元胞自动机模型模块主要实现元胞自动 机模拟以及模拟精度评估等功能 模型的运 行过程为 利用 GIS 模块对原始数据进行栅格 化 对齐与裁剪等处理后 将得到的规整数 据转换为 C5 0 决策树模块和元胞自动机模型 处理模块容易处理的数据类型 C5 0 决策树 模块对 GIS 模块输出的转换数据进行采样 然 后利用 C5 0 决策树算法获取元胞自动机模型 的元胞转换规则 并对获取的转换规则进行 基于元胞自动机的地理信息处理综述 精度评估 元胞自动机模型接收 C5 0 决策树 模块获取的元胞转换规则和 GIS 模块输出的 转换数据进行模拟运行 将得到的结果返回 到GIS模块中进行数据转换进而在GIS界面中 显示模拟结果 同时 在元胞自动机模块中 实现模拟结果的精度评估 完成整个模拟过 程 在此基础上 以杭州市城市用地演变为 例 利用 C5 0 决策树算法从已有的城市用地 及其影响因子数据中挖掘出城市用地的演变 规则 并将获得的转换规则应用到元胞自动 机模型中进行城市用地演变的动态模拟与预 测 结果表明 1 利用 C5 0 决策树算法获取转换规则 可以在较低采样率的前提下保证具有较高的 精度 2 与其它获取元胞自动机转换规则的 方法相比 C5 0 决策树算法生成的规则清晰 明确 很适合用来获取元胞转换规则 3 基于 C5 0 决策树算法的元胞自动机 模型在模拟城市用地演变方面具有较高的模 拟精度 模拟结果可靠 图 2 C5 0 元胞自动机模型架构 3 2 基于元胞自动机的交通流研究 以元胞自动机理论为基础 把车辆在路 段上几运动的变化规律表述为元胞自动机的 演化规则 建立了基于元胞自动机理论的交 通流模拟模型 标定了元胞长度和最大速度 等参数 继而提出反映车辆在路段上自由行 驶 跟驰行驶减速行驶等交通行为的元胞自 动机规则 并对各种规则进行了详细说明 在元胞自动机交通 Nasch 模型和 FI 模型的基 础上 基于交通流中实际车辆的慢起动行为 进一步提出一种新的一维交通流元胞白动机 模型 在临界密度附近 存在着亚稳态和滞 后现象 利用面向对象的 JAVA 语言 设计实 现了 CATS 仿真系统 模拟了各种一维周期性 边界条件下高速公路上车流运动 显示了交 通流的各种现象 例如从自由相到堵塞相的 相变行为 临界性和自组织临界性 亚稳态 和相分离等 采用统计物理的分析方法进行 了分析 其中应用平均场理论对交通流的流 量 密度和速度间的基本关系进行了求解 最后 对拥挤交通的交通堵塞进行了分析 从交 通崩溃的角度 例如交通从自由流线型 交通到堵塞交通的过程 得到结论为 当堵 塞流出量的车头时距大于高密度时的车头时 距时 堵塞稳定存在 另外 对交通流的自 组织的可能性进行了讨论 对交通流的分形 和耗散进行了初步的研究 模拟的基本思想是将路面格子化 每个 格子视为有独立思维的小细胞 若干个小细 胞对应一辆或几辆小汽车 把车辆在路面上 的运动看作是格子场的演变 细胞可以像小 汽车一样通过观察周围环境的变化来决定下 一步的运动状态 凡车辆应遵守的交通规则 都表述为细胞的演变规则 车辆行驶的加速 基于元胞自动机的地理信息处理综述 减速 惯性 跟驰等均可以通过细胞的速度 变化规则来详细刻画 从而把交通流的变化 规律转化为细胞的演变规则加以研究 交通的元胞自动机模型中位置 速度 加速以及时间都作为离散化变量 一维网格 代表一条道路 每一个网格位置代表一个元 胞 在一个给定的时间瞬间 每一元胞或者 是空的 或者被一辆车占据 在每一个离散 的时间步 系统的状态由元胞的变化规则确 定 离散化元胞自动机模型高效的加速性结 合了跟车模型和耦合网格映射模型的优点 3 3 基于元胞自动机的莫莫格湿地土地覆被 预测模拟 元胞自动机由元胞单元 元胞空间 邻 居和规则四个部分组成 常规的 CA 模型主要 依据邻居的状态来决定中心元胞单元状态的 转换 最普通的 CA 模型可以表达为 式中 S 为状态 N 为邻居 f 是转换函 数 t 是时间 St 1表示 t 1 时刻元胞空间的构 形 St为 t 时刻元胞空间的构形 模型的元胞 空间对应研究区域的整个地理空间 元胞则 为划分该地理空间的最小单元 图 3 四边形和六边形元胞各向同性邻居比较 该文运用元胞自动机结合人工神经网络 方法 利用 1986 年和 2004 年两时期的 ETM 遥感影像 对莫莫格国家级湿地自然保护区 的土地覆被变化进行了动态的模拟和预测 探讨了元胞自动机模型在湿地土地覆被变化 预测和湿地资源保护方面的重要作用 为湿 地资源的动态监测与可持续发展提供参考和 决策支持 在模型实现过程中 以正六边形 元胞取代传统的四边形元胞 克服了传统四 边形元胞各向异性的先天不足 减小了模型 预测的误差 元胞是CA模型进行模拟的基础 也是元胞空间的最基本组成部分 传统的四 边形栅格在邻居的选择上明显存在各向异性 问题 并且这个问题会使得随着模型的运行 次数的增加所带来的误差也越来越大 为了 从根本上减小传统四边形元胞的各向异性所 带来的误差 本文选择正六边形栅格来代替 传统的四边形栅格 3 4 元胞自动机在景观格局优化中的应用 景观格局优化的方法经历了由定性分析 评估到定量计算 由静态优化到动态模拟 由固定条件下的孤立寻优到可变条件下的趋 势分析 由数量配置为主到预测空间变化的 过程 定量 可变 动态的空间模拟将是景 观格局优化方法研究的主要方式 景观格局变化与景观过程改变互为因 果 了解格局演变时空规律及其演变驱动机 制是结合生态过程进行景观格局分析和优化 的前提与基础 但现阶段对景观格局 过程 和功能相互作用的研究还不够成熟 还不能 满足对景观格局优化的理论指导要求 将上述两方面结合起来看 一方面景观 格局优化对动态的空间模拟提出越来越高的 基于元胞自动机的地理信息处理综述 要求 另一方面空间模拟迟迟得不到景观尺 度上定量化规律的有力支持 使得传统自上 而下的优化思路难以依靠模型实现自动化 要在目前景观生态学的基础研究水平上解决 这个矛盾 似乎只有采纳复杂性科学所倡导 的复杂性研究方法自下而上的构模方法 针 对特定的生态过程 将生态过程结合到景观 格局分析中 在这方面 元胞自动机具有天 然优势 基于元胞自动机的空间直观模型不 关心景观尺度上定量化的规律 而是直接在 较低的一个尺度上 从景观组成单元入手 模拟它们的状态和局部相互作用 即能在总 体上表现景观格局的演变过程 这也是基于 元胞自动机的空间直观模型在模拟景观空间 格局与过程相互作用的研究中被广泛应用的 主要原因 3 4 1 元胞自动机在景观格局应用的优势 景观格局演化过程模拟是一项十分复杂 的系统模拟 而从微观的角度入手建构新的 方法从而揭示系统的规律性 一直是复杂系 统研究较为活跃的领域 元胞自动机的特点 决定了它适合于空间信息的时空动态分析 尤其是时空动态过程的模拟 这是因为 1 元胞自动机采用自下而上的构模方 式 符合景观作为复杂系统的形成规律及其 研究方法 复杂来自于简单 只有从景观单 元的状态和行为入手 模拟它们的相互作用 才能在根本上解决复杂性问题 而且 它没 有一个既定的数学方程 只是一个建模原则 因此具有很好的开放性和灵活性 更符合人 们认识复杂事物的思维方式 2 元胞自动机是一个基于微观个体相 互作用的时空动态模拟模型 将地理实体的 空间和时间特性统一在模型中 通过划分研 究对象的元胞空间和研究初始状态及状态转 换规则 元胞自动机就可以自行迭代运算 模拟景观的演化过程 3 元胞自动机将空间和时间离散化 适合于建立计算机模型 具有并行计算特征 因为计算机对客观世界的表示是离散的 4 元胞自动机具有不依赖比例尺的概 念 元胞只是提供了一个行为空间 本身不 受元胞空间测度和时间测度的影响 时空测 度的影响通过转换规则体现 因此元胞自动 机可以用来模拟局部的 区域的景观演化过 程 5 从数据模型的角度看 元胞自动机 中的元胞和基于栅格 GIS 中的栅格一样 所以 元胞自动机易于和 GIS 遥感数据处理等系统 集成 3 4 2 元胞自动机的相对优势 常见的以马尔柯夫转移矩阵法分析景观 格局变化 只能反映景观格局演变的结果 而元胞自动机可以对景观格局演变的过程进 行模拟 近年来 元胞自动机模型被越来越 多地应用于城市增长 扩散和土地利用演化 的模拟研究中并取得了许多有意义的研究成 果 表明元胞自动机模型可以比较有效地反 映景观格局微观上演化的复杂特征 这是因 为 1 通常的景观变化的模拟模型不仅仅 要了解一种景观现状变化到另一种景观现 状 更重要的是要清楚景观发生变化的原因 当前限制这些景观动态变化模型的一个重要 基于元胞自动机的地理信息处理综述 因素就是缺乏景观尺度上的格局和过程相互 作用的知识 以及如何在模型中融合这些知 识 通常的景观变化的模拟模型为了建立综 合的格局变化的数学描述 就需要从景观变 化的驱动因子出发 定量地确定不同因子在 景观变化中所起的作用 元胞自动机模拟景 观变化与此不同 它可以不关心景观尺度上 的规律 而直接从较低一级的尺度 例如生 态系统 着手 模拟景观组成要素或单元的 相互作用 而这种局部的相互作用在全局上 自然地表现了景观系统的整体行为 即系统 论中的突现或涌现 这是其他空间直观模型 不能比拟的 2 景观格局变化模拟与其他生态学模 型的显著区别是 它要关心水平方向的物质 和能量流动 元胞自动机明确定义了邻域 在此基础上的转化规则具有水平方向上显著 的空间相关性 与其他空间直观模型相比 元胞自动机的结构与景观生态学研究角度的 要求天然地吻合 3 4 3 元胞自动机在景观格局优化应用中可 能的实现途径 本文设想采取以下方法实现以基于广义 元胞自动机的空间直观模型为核心的景观格 局优化模式 发挥元胞自动机的固有优势 并部分地解决以上提到的问题 1 针对性地探讨限制最少的广义元胞 自动机的概念模型 只保留元胞自动机最本 质的三个特征 而针对具体的格局优化问题 对元胞划分 元胞空间 元胞状态表达 邻 域定义等作最一般意义的扩展 以适应景观 格局变化模拟复杂性的要求 2 确立状态转化规则时 将主导景观 格局变化的主要生态学过程结合进元胞自动 机的转化规则中 同时可以参考元胞自动机 在其他应用领域 尤其是在城市土地利用变 化中的应用特点 力求使规则能同时反映自 然和人为因素对景观格局的影响 3 将与人文因素有关的空间模型 如 经济学模型 或非空间模型 如系统动力学 模型 与元胞自动机模型相互耦合来提高元 胞自动机模型对复杂系统的表达能力 这常 常需要在格局模拟演化之前 以非空间模型 进行一些传统的数量配置优化 4 当元胞自动机模型结构过于复杂 导致定义转换规则和确定模型参数很困难 时 尝试以神经网络代替传统的分析方法 通过训练数据来自动确定模型结构 获取模 型参数和调整转换规则 5 根据不同的区域特征和土地利用发 展的不同阶段 调整各种影响因素和单元演 化规则 以及引入随机干扰因素 例如以蒙 特卡罗方法 来增强模拟的真实性 6 为确保以景观模拟演化为核心的优 化模式实际可行 尝试以下方法来降低空间 直观模型的计算复杂度 提高景观模拟演化 的性能 确保优化模式切实可行 采用遗传 算法 神经网络等方法形成搜索路 以减小 所需搜索的状态空间 将非空间的优化数学 模型结合到搜索策略的产生过程中 采用软 件工程中的计算结果复用技术 降低生态学 模型和空间显式景观模型的实时计算量 以 便可以考虑更多的影响景观格局的生态学过 程 基于元胞自动机的地理信息处理综述 4 总 结 经过近 20 年的发展 元胞自动机模型在 我国的地理研究中受到了广泛的关注和重 视 已经成为地理学研究的有力手段 尤其 是在元胞自动机转换规则的定义和获取方面 做了很多开创性的工作 取得了不少有意义 的研究成果 同时 我国地理元胞自动机模 型的研究也存在着一些不足和需要改进的地 方 主要有 1 地理元胞自动机的应用范围应进一 步扩大 目前地理元胞自动机主要应用于土 地利用变化 城市扩张等领域 地理元胞自 动机在模拟地理现象方面的特殊优势 使其 特别适用于地理现象的时空模拟和预测 因 此 地理元胞自动机应进一步渗透到包括自 然地理过程 人文地理过程 区域经济现象 景观生态学等多种学科领域 促进地理元胞 自动机和这些领域的相互促进和共同发展 2 地理元胞自动机的转换规则获取方 面取得了很多有意义的研究成果 提出了包 括数据挖掘 遗传算法 蚁群算法 支持向 量机等在内的智能式转换规则的获取方法 但是这些方法在确定影响因子时大多只考虑 到了元胞的自然属性和静态的社会经济属 性 对地理梯度和地理流对元胞自动机转换 规则的影响考虑十分有限 这一方面使得元 胞自动机的转换规则不能很好地体现地理现 象的驱动机和驱动机制 另一方面也使得元 胞自动机的运算精度受到影响 在今后的研 究中 应在地理元胞自动机转换规则获取时 引入地理对象的属性 尤其应考虑地理对象 的社会经济属性对元胞转换规则的影响 3 地理元胞自动机模型与多智能体模 型的集成研究不够 诸如土地利用 覆被变化 的地理过程是自然因素和人文因素共同作用 的结果 地理元胞自动机模型在模拟自然因 素对地理过程的影响方面具有突出的优势 而多智能体系统在分析和建立人类交互模型 和交互理论中可以发挥重要作用 因此 二 者的结合 将能更好地解释人类活动对地理 现象和地理过程的影响 对地理学的研究将 起到推动作用 4 地理元胞自动机元胞尺度的确定以 及