中科院遥感所博士生课程虚拟地理环境导论.pdf

虚拟地理环境中的智能模拟实验虚拟地理环境中的智能模拟实验 龚建华 2006 6 27龚建华 2006 6 27 中国科学院遥感应用研究所 遥感科学国家重点实验室 电话 10 64849299 Email 中国科学院遥感应用研究所 遥感科学国家重点实验室 电话 10 64849299 Email jhgong jhgong 虚拟地理环境网站 虚拟地理环境网站 www vgelab orgwww vgelab org 中科院遥感所博士生课程中科院遥感所博士生课程 虚拟地理环境导论虚拟地理环境导论 2006 虚拟地理环境实验室 版权所有 2006 虚拟地理环境实验室 版权所有 实验地理学实验地理学 概论概论 地理模拟实验现状地理模拟实验现状 虚拟地理实验室虚拟地理实验室 智能模拟与应用实验智能模拟与应用实验 智能模拟实验思考智能模拟实验思考 小结与思考小结与思考 1 实验地理学实验地理学 概论概论 1 逻辑 实验 计算是科学的最基本方法 逻辑 实验 计算是科学的最基本方法 2 发展 发展 实验地理学实验地理学 的必要性的必要性 任美鍔院士与李吉均院士任美鍔院士与李吉均院士在2002年的地理学年会上 提出了在2002年的地理学年会上 提出了 复 兴 振兴地理学 复 兴 振兴地理学 的问题 的问题 地理学科 学科发展危机 地理学科 学科发展危机 信息社会下的区域可持续发展问题信息社会下的区域可持续发展问题 现实需求 复杂性问题 现实需求 复杂性问题 传统地理学家的地理思考与工作模式 现代海量科学数据下的现 代地理学方法 传统地理学家的地理思考与工作模式 现代海量科学数据下的现 代地理学方法 继承与发展 继承与发展 地理工作模式调整 我们与前辈 地理学家 地理工作模式调整 我们与前辈 地理学家 需要发展需要发展 实验地理学实验地理学 1 1 发展发展 实验地理学实验地理学 3 发展 发展 实验地理学实验地理学 的可能性的可能性 实验经济学实验经济学实验经济学实验经济学 给予的启示给予的启示给予的启示给予的启示 2002年经济学诺贝尔奖项 2002年经济学诺贝尔奖项 美国经济学家弗农美国经济学家弗农 史密斯史密斯 实验经济学 实验经济学 运用实验方法和技术来研究经济问题的经济学分支 它通过在运用实验方法和技术来研究经济问题的经济学分支 它通过在可控实 验环境下 可控实 验环境下对经济现象和经济行为的分析和考察 来对经济现象和经济行为的分析和考察 来检验和完善传统的 经济学理论 检验和完善传统的 经济学理论 并对政策制定提供指导 为此 他发展了一系列经济实 验方法 并提出了构成一个可靠的经济实验的五项原则 并对政策制定提供指导 为此 他发展了一系列经济实 验方法 并提出了构成一个可靠的经济实验的五项原则 钱学森院士 地理科学 钱学森院士 地理科学 从定性到定量综合集成研讨厅从定性到定量综合集成研讨厅 体系体系 在80年代末 90年代初先后提出的 从定性到定量综合集成方法 以及 从 定性到定量综合集成研讨厅体系 研讨厅体系的实质是将专家体系 统计数据和信息资料 计算机技术这 三者结合起来 构成一个高度智能化的人 机结合 人 网结合的体系 用于研究复杂巨系统问题 从定性到定量综合集成研讨厅体系 对于研究作为复杂性开放巨系统的 地理系统 对 虚拟地理实验室 的建立与应用有着重要而又深远的理论与 方法论上的指导意义 1 2 实验地理学实验地理学 研究现状研究现状 1 1 实验地理学实验地理学 的位置与重要性的位置与重要性 马蔼乃教授 马蔼乃教授 地理实验学地理实验学 虚拟现实 虚拟现实 现现现现代代代代地地地地理理理理科科科科学学学学 MMo od de er rn n G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c S Sc ci ie en nc ce e 基基基基 楚楚楚楚 科科科科 学学学学 技技技技 术术术术 科科科科 学学学学 工工工工 程程程程 技技技技 术术术术 理理理理论论论论地地地地理理理理科科科科学学学学 部部部部门门门门地地地地理理理理科科科科学学学学 区区区区域域域域地地地地理理理理科科科科学学学学 T Th he eo or re et ti ic ca al l G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c S Sc ci ie en nc ce e D De ep pa ar rt tmme en nt t G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c S Sc ci ie en nc ce eR Re eg gi io on na al l G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c S Sc ci ie en nc ce e 地地地地理理理理观观观观察察察察学学学学 G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c O Ob bs se er rv va at ti io on n R RS S 地地地地理理理理测测测测量量量量学学学学 G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c MMe ea as su ur re emme en nt t GPS 地地地地理理理理实实实实验验验验学学学学 G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c E Ex xp pe er ri imme en nt t VR 地地地地理理理理信信信信息息息息科科科科学学学学 地地地地理理理理计计计计量量量量学学学学 G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c MMe et tr ro ol lo og gy y D DC CS S 环环环环境境境境工工工工程程程程 E En nv vi ir ro on nmme en nt t E En ng gi in ne ee er ri in ng g 生生生生态态态态系系系系统统统统 E Ec co os sy ys st te emm 资资资资源源源源调调调调查查查查 R Re es so ou ur rc ce e I In nv ve es st ti ig ga at ti io on n 人人人人口口口口调调调调控控控控 P Po op pu ul la at ti io on n C Co on nt tr ro ol ll li in ng g 城城城城乡乡乡乡建建建建设设设设 C Ci it ti ie es s a an nd d T To ow wn ns s C Co on ns st tr ru uc ct ti io on n 基基基基础础础础设设设设施施施施 F Fo ou un nd da at ti io on na al l I In ns st ta al ll la at ti io on n 产产产产业业业业结结结结构构构构 E Es st ta at te es s S St tr ru uc ct tu ur re e 地地地地理理理理系系系系统统统统工工工工程程程程 G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c S Sy ys st te emm E En ng gi in ne ee er ri in ng g G Ge eo og gr ra ap ph hi ic c I In nf fo or rmma at ti io on n S Sc ci ie en nc ce e 阎守邕研究员 阎守邕研究员 实验人地系统科学实验人地系统科学 区域人地系统科学 专题人地系统科学 实验人地系统科学 技术人地系统科学 人地系统科学的分支学科及其相互关系 据阎守邕阎守邕 何建邦等 1993 何建邦等 1993 实验地理学实验地理学 牛文元 1989 牛文元 1989 地球表层学 现代地理学 理论地理学技术地理学实验地理学 定点观测网站遥感技术地理信息系统 图 现代地理学主要构成框架 2 实验地理学实验地理学 的实验模式与方法的实验模式与方法 地理野外定位试验地理野外定位试验 物理模型实验物理模型实验 数学地理建模 遥感信息模型 数学地理建模 遥感信息模型 计算机的计 算与模拟 计算机的计 算与模拟 地理实验 我国自然地理野外定位试验研究我国自然地理野外定位试验研究我国自然地理野外定位试验研究我国自然地理野外定位试验研究 黄秉维等 黄秉维等 黄秉维等 黄秉维等 1990199019901990 从物理 化学 生物的三类自然过程 进行实验研究 从物理 化学 生物的三类自然过程 进行实验研究 从物理 化学 生物的三类自然过程 进行实验研究 从物理 化学 生物的三类自然过程 进行实验研究 50年代 在沙漠 冰川与湖泊水文德研究中开始定位观测与实验 60年代 开展了地表热量平衡与水分平衡 积雪与雪崩以及坡地侵蚀等 定位观测与实验 70年代 80年代 大批野外定位实验站德兴建 开展了更多的野外定位实 验研究 实验仪器的研制与改进 测定总蒸发的大型蒸发渗漏仪 测定总蒸发的波文比装置 测定CO2和水汽流的涡度相关装置 测定土壤水分的中子探测仪 测定作物冠层温度的红外测温仪等 中国自然地理野外定位试验站分布图中国自然地理野外定位试验站分布图中国自然地理野外定位试验站分布图中国自然地理野外定位试验站分布图 黄秉维等 黄秉维等 黄秉维等 黄秉维等 1990199019901990 物理模型实验 遵循 相似原理与准 则 以及 系统论的异 构同功原理 相似准 则 几何形态相似 运动 相似 动力相似 边界条 件相似等 地貌实验室及定位站一览表 截止1987 据金德生 1991 数学模型实验 数值模拟 确定性数学模拟试验与随机数学模拟试验 它借助包含数学变 量 参数及常数 也包含有被研究对象的许多概念及实体在内的表达式 通 过计算机重演被模拟对象 力学作用及地貌事件 金德生 1989 3 模型黄河建设 模型黄河建设 洪水威胁 水资源供需矛盾 生态系统恶化 洪水威胁 水资源供需矛盾 生态系统恶化 原型黄河原型黄河 模型黄河模型黄河 虚拟黄河虚拟黄河 堤防不决口 河道不断流 污染不超标 河床不抬高 堤防不决口 河道不断流 污染不超标 河床不抬高 数字黄河数字黄河 数字黄河数字黄河 国家信息基础设施 信息高速公路 国家信息基础设施 信息高速公路 数字地球数字地球数字地球数字地球 全球层 国家层 区域层全球层 国家层 区域层 黄河问题治理手段治理 目标黄河问题治理手段治理 目标 地理信息系统 全球定位系统 遥感 虚拟现实技术 分布式空间数据 库 海量数据存储 分布式计算 元数据 互操作 地理信息系统 全球定位系统 遥感 虚拟现实技术 分布式空间数据 库 海量数据存储 分布式计算 元数据 互操作 高性能计算机 宽带网络 高性能计算机 宽带网络 国家空间信息基础设施国家空间信息基础设施 地学信息高速公路 地学信息高速公路 数字黄河建设数字黄河建设 王光谦 2002 王光谦 2002 黄河与黄土高原问题 是一个复杂性地理问题 黄河与黄土高原问题 是一个复杂性地理问题 模型黄土高原研讨会模型黄土高原研讨会模型黄土高原研讨会模型黄土高原研讨会 西安西安西安西安 2004 12 2004 12 黄河流域黄土高原面积达黄河流域黄土高原面积达64万平方公里 涉及多种气候和植被类型 包括万平方公里 涉及多种气候和植被类型 包括13 个水土流失类型区 个水土流失类型区 据黄河上中游管理局据黄河上中游管理局据黄河上中游管理局据黄河上中游管理局 原型 观测原型 观测 实体模型实体模型 西峰水保站的南小河沟西峰水保站的南小河沟 人工模拟降雨系 统 人工模拟降雨系 统 比尺模型比尺模型 模型黄土高原建设模型黄土高原建设模型黄土高原建设模型黄土高原建设 1 3 其他学科其他学科 1 虚拟风洞实验 NASA The Virtual Windtunnel VWT is an application of virtual reality interface technology to the visualization of the results of modern computational fluid dynamics simulations 2 生物信息学 Bioinformatics 图视化 www sciencemag org SCIENCE VOL 298 25 OCTOBER 2002 The Human Genome in 3D at Your Fingertips Swishing through thickets of genes with a light saber in a virtual reality room could become a fun way to make sense of the flood of genome data AMSTERDAM AMSTERDAM In a dark chamber in the bowels of Stichting Academisch Rekencentrum Amsterdam SARA the Dutch national supercomputing facility Anton Koning thrusts his hand into a galaxy This group here is interesting he says pointing to a 英剑桥大学与联合利华公司共建分子信息学中心英剑桥大学与联合利华公司共建分子信息学中心 在13日于剑桥大学举行的新闻发布会上 中心主任罗 伯特 格伦教授介绍说 科学研究产生的数据正以指数形式急 速增长 例如已知的化学物质有2300万种 人类基因组碱基 对数据有数十亿个 如何最有效地运用这些数据 已成为一 个迫切的问题 联合利华 剑桥分子信息学中心正是为此而 建立的 该中心依附于剑桥大学化学系 完全投入运转后将有30 名科研人员在此从事研究 他们将从全世界范围内收集分子 数据 并开发能够处理大量数据的软件 智能浏览器等信息 处理工具 中心还将研究 虚拟实验 技术 使科学家能够依 据现有数据 在计算机上模拟化学反应 预测反应结果和分 子的性质 并在实验室中进行验证 据认为 这将大大加快 新型化学物质如药品的开发速度 Designing Drugs Understanding How Structures Bind Other Molecules Function Designing Inhibitors Docking Structure Modeling 3 数字 虚拟人体与实验 虚拟人体是将数据 生物物理和其它模型以及高级计算算法整合成 一个研究环境 研究人体对外界刺激的反应 这样的研究的范围远远超 出 VHP Visible Human Project 的解剖可视化的范围 它将物理学 例如组织的电和力学属性 和生物学 生理和生化信息 结合起来构 成一个平台 能够预报对各种外界刺激 生理 生物化学乃至心理学 的反应并且能够观察结果 数字人体的应用领域 包括 基因表达 细胞模型 器官模型 提高培训质量 仿生学研 究 提高医疗实践水平 包括设计和测试医疗设备和处置 有利于发展 组织工程学 开发人工器官和假体 有助于医护人员和病人的沟通 向 每一个病人提供 双体人 使诊断和治疗个性化 最终要能够预测人体 对新的治疗方法的响应 开发人体的模拟替身 应用于车辆安全性 环境暴露 极端环境下的效果以及人体工学等 美国科学家联盟由参与研制第一颗原子弹曼哈顿计划的科学家于1945年成立 属于私人资助的非盈利 学术团体 发起人委员会中拥有58位诺贝尔奖得主 该联盟提出的虚拟人体总框架中包含 V HP数据集和辅 助数据集 M RI CT PET 常规放射学和解剖学 虚拟人体的层次 疾病和综合症的临床信息基础 相关的医学学科 胚胎学 大体解剖学 显微和亚显微解剖学 生理学 生物化学 以及不断扩展的工具 和产品 该联盟对数字人体的概念集中体现在以下方面 提出系统论的观点开展基因 分子 细胞 组织 器官以及全身的全方位模拟 回顾生理 细胞行为模拟取得的成就以及对临床的应用 为了快速推动生物模拟的发展 有关生物模拟的数据库 新概论 描述 模型应该最好公开 软件的源 代码应该开放 虚拟人体信息变化具有多种时间尺度 分子事件为10 12 12为上角 秒 图形显示为10 1 1为 上角 秒 疾病的预后可以延伸到10年 要根据不同情况采用多种方法学 包括有限元 多实体力学 马尔科夫链 神经网络 非牛顿力学等 生物信息的提取要从离体上升到活体 生物信息的传递离体和活体往往有本质不同 只有能够研究各个 部分的连续活动和变化 力学 电学和化学 才能真正掌握规律和具有实用价值 例如最近华盛顿大学科 学家首次拍摄到人脑海马部神经元图像 得出临时和永久记忆的不同神经元结构 要重视神经和内分泌机制的递阶信号控制过程中的大规模并行机制研究 要重视生物信息的高度非线性 大变形以及对历史模态的响应等特点 软件的逻辑应该根植于生物学而不是通常的程序设计逻辑 要逐渐建立各种模型的工程标准 有了标准 研究成果才能转化为产品 例如心室辅助设备和全移植人 工心脏 数字人体细胞信息学的研究已经取得许多成果 例如加州大学赖亨利教授采用细胞信息学方法 发现我国具有抗疟疾疗效的青蒿素具有极强的抗癌效果 引起国内学者的巨大兴趣 2001年诺贝尔生理和 医学奖获奖项目为发现细胞周期中起决定作用的 引擎 We propose a new paradigm of predictive medicine in which the physician utilizes computational tools to construct and evaluate a combined anatomic physiologic model to predict the outcome of alternative treatment plans for an individual patient The predictive medicine paradigm is implemented in a software system developed for Simulation Based Medical Planning This system provides an integrated set of tools to test hypotheses regarding the effect of alternate treatment plans on blood flow in the cardiovascular system of an individual patient It combines an internet based user interface developed using Java and VRML image segmentation geometric solid modeling automatic finite element mesh generation computational fluid dynamics and scientific visualization techniques This system is applied to the evaluation of alternate patient specific treatments for a case of lower extremity occlusive cardiovascular Predictive Medicine Computational Techniques in Therapeutic Decision Making http www stanford edu group Digital Human index html Fig ASPIRE user interface in treatment evaluation mode The increase in flow at the level of the right popliteal artery is examined quantitatively by comparing the pre operative volume flow to the post operative volume flow The panel at the right allows the qualitative comparison of the pressure contours under resting conditions for the pre operative case and the implemented surgical procedure Fig Geometric models for alternate treatment plans for the case of lower extremity occlusive disease examined a anatomic description with stenoses and occlusions shown b aorto femoral bypass graft with proximal end to side anastomosis c aorto femoral bypass graft with proximal end to end anastomosis d balloon angioplasty in left common iliac artery with femoral to femoral bypass graft 2 地理模拟实验现状地理模拟实验现状 立项与方向 立项与方向 中国区域地表过程综合观测与中国区域地表过程综合观测与模拟模拟系统 系统 中国区域地 球模拟器 中国区域地 球模拟器 十一五的 十一五的863项目计划 项目计划 2006地理学年会 精细尺度下的自然地理现象的定量 和过程 地理学年会 精细尺度下的自然地理现象的定量 和过程模拟模拟 中科院地理所在三期创新计划发展 智能模拟在土地 利用变化 中科院地理所在三期创新计划发展 智能模拟在土地 利用变化 覆盖方面应用 覆盖方面应用 河南大学高等学校重点学科河南大学高等学校重点学科 数字区域模拟实验室数字区域模拟实验室 地理模拟实验 人文 社会与经济 地理模拟实验 地貌自然 地理模拟实验 土地利用变化模拟 城市扩展模拟 实验经济学与演化经济 传染病模拟 交易经济行为模拟 交通模拟 群体社会行为模拟等 野外人工降雨模拟 室内人工降雨比尺模拟 大型生态工程 三峡 模拟 等 综合虚拟 地理实验 渤海淡化工程虚拟 三江源生态移民工程虚拟 计算与地理模拟 虚拟实验 1 缺乏系统的理论与方法框架 2 随着计算技术与人机交互图形技术的发展 普适计算 无处不在 日益发展 是计算模拟大发展的一个重要基础 3 从虚拟地理环境角度出发 开展地理模拟与虚拟地理实 验的理论与方法基础研究 地理计算与模拟地理计算与模拟 GeoComputation 计算科学的发展计算科学的发展 南京大学地球环境计算工程研究所 所谓3 5科学就是继 南京大学地球环境计算工程研究所 所谓3 5科学就是继理论科学理论科学 第一科学 第一科学 实验科学实验科学 第二科学 之后 以被认为第三科学的 第二科学 之后 以被认为第三科学的计算科学计算科学为基础 建立与大型实验和新型观测 技术等工程学高度融合的计算科学技术 它与一般计算科学的区别在于它 研究的对象主要是无法用常规试验方法或测试手段进行分析和模拟的 为基础 建立与大型实验和新型观测 技术等工程学高度融合的计算科学技术 它与一般计算科学的区别在于它 研究的对象主要是无法用常规试验方法或测试手段进行分析和模拟的复杂 巨系统 复杂 巨系统如生态系统 地壳板块运动 海平面上升 地质灾害系统等 同时 它的发展与计算机科学的发展是密不可分的 为了与传统的计算科学区 别 国外将这类计算科学称为3 5科学 目前欧 美 日等一些发达国家为了争取21世纪的发展主动权 都在 积极调整研究战略 发展3 5科学 特别是期望以此来解决 如生态系统 地壳板块运动 海平面上升 地质灾害系统等 同时 它的发展与计算机科学的发展是密不可分的 为了与传统的计算科学区 别 国外将这类计算科学称为3 5科学 目前欧 美 日等一些发达国家为了争取21世纪的发展主动权 都在 积极调整研究战略 发展3 5科学 特别是期望以此来解决全球规模上的 复杂问题 全球规模上的 复杂问题 地球环境是一个包含大气圈 生物圈 水圈和岩石圈的复杂巨 系统 对人类社会经济的可持续发展的影响越来越大 对这样一个复杂的 巨系统的研究 地球环境是一个包含大气圈 生物圈 水圈和岩石圈的复杂巨 系统 对人类社会经济的可持续发展的影响越来越大 对这样一个复杂的 巨系统的研究 用传统的以人体等身长数量级上的物体用传统的以人体等身长数量级上的物体为研究对象的实验 性方法和理论方法已不能适应 而3 5科学正是集计算科学的大成来分 析 模拟那些无法用一般实验和理论性方法研究的自然和人为现象 因而 这一科学十分适用我们生存的地球环境 为研究对象的实验 性方法和理论方法已不能适应 而3 5科学正是集计算科学的大成来分 析 模拟那些无法用一般实验和理论性方法研究的自然和人为现象 因而 这一科学十分适用我们生存的地球环境 Openshaw Stan Openshaw Stan 英国Leeds大学的计算地理研究中心 英国Leeds大学的计算地理研究中心 A Center for Computational Geography A Center for Computational Geography 1994 for human geography 1994 for human geography GeoComputationGeoComputation Quantitative Geography 相关前沿技术 Quantitative Geography 相关前沿技术 GIS which creates the data GIS which creates the data Artificial Intelligence and Computational Intelligence Smart Artificial Intelligence and Computational Intelligence Smart High Performance Computing Power High Performance Computing Power Science Philosophy 理论驱动 是科学 Science Philosophy 理论驱动 是科学 not another name for GIS not quantitative geography not extreme inductivism not devoid of theory not lacking a theory not a grab bag set of tools not another name for GIS not quantitative geography not extreme inductivism not devoid of theory not lacking a theory not a grab bag set of tools Brian J L Berry The University of Texas at Dallas Computational Geography Computational Biology 3 虚拟地理实验室虚拟地理实验室 虚拟教学实验指把以往需要教学仪器 教学设备辅助 完成的教学实验在计算机环境下 通过虚拟仪器 虚 拟设备的形式完成的 用于教学为目的的虚拟实验 虚拟教学实验是对现实教学实验的计算机还原和再 现 其实验过程 实验方法及试验结果已知 虚拟科研实验是以科研为主要目的的虚拟实验 其实 验方法 实验过程由科研人员设计 实验结果在实验 前不可或很难预知 虚拟科研实验具有原创性 当 然 在某种情况下 虚拟科研实验可以转化为虚拟教 学实验 虚拟实验 虚拟教学实验与虚拟科研实验虚拟实验 虚拟教学实验与虚拟科研实验 虚拟地理实验室 由虚拟地理环境和协同环境组成 它是一个以大型的多源 多尺度集成 数据库为基础的 以地图可视化表达为界面的 具有分布式群体协同工作机制的 并符合 地理空间感知与图解思维规律的主动式 集成化计算与分析环境 它能够有效地用于非线 形复杂地理问题的模拟 计算与求解 协同环境 虚拟地理环境 虚拟地理实验室 框架 1 虚拟地理实验室概念 虚拟地理实验室概念 拟以 虚拟地理实验室 的研究与建立 为 实验地理学 研究的切入点 2 特征 特征 虚拟地理实验室 虚拟地理环境与协同环境 符合地理思维规律与 地理空间认知模式 地理科学数据 与科学计算 解决人地区域系统的 复杂性地理问题 感性与理性结合 地理空间认知 地理计算 地理计算可视化 地理图解 协同工作 定性与定量结合 海量数据集成与融合 大规模 高性能计算 集聚知识与智慧 人 数据 知识 机 网的 集成 虚拟地理实验组成要素虚拟地理实验组成要素 虚拟地理实验 组成要素抽象 虚拟地理对象 环境 地 理参照系 时空标准 实验工具 地理计算 实验数值 实 验者 观察者 虚拟地理对象 环境 地理环境的抽象 表达与表现 地理参照系 现实地理环境时空坐标系 地理数据的时空坐标 系 虚拟环境的时空坐标系 实验与量测工具 人机 地 交互工具 虚拟仪器等 地理计算 对象计算 模型计算 实验数值 人机 地 交互 地理计算后的结果 实验者 观察者 多感知互动与地理创造性思维 地理实验可检验性原则 虚拟地理实验与现实地理实验 野外 实验 模型实验 的结合原则 协同地理实验原则 等等 虚拟地理实验原则虚拟地理实验原则 野外实验野外实验 原型黄河 原型黄河 物理实验物理实验 模型黄河 模型黄河 虚拟实验 数字黄河 虚拟实验 数字黄河 实验环境实验环境 现实的野外地理环境现实的野外地理环境 实物模型环境实物模型环境虚拟地理环境虚拟地理环境 实验可控度实验可控度弱弱较强较强强强 实验媒介实验媒介物质 能量 信息物质 能量 信息物质 能量 信息物质 能量 信息信息信息 实验性质实验性质直接实验直接实验间接实验间接实验间接实验间接实验 实验尺度实验尺度宏观实验宏观实验宏观实验宏观实验无尺度限制无尺度限制 人与实验环境的交 互性 人与实验环境的交 互性 弱弱较强较强强强 虚拟地理实验与 传统 地理实验的特征比较 虚拟地理实验室虚拟地理实验室 建立的基本理论建立的基本理论 地理空间认知理论 地理空间认知理论 地理相似理论地理相似理论 地理时空相似准则 大气圈相似准则 水圈相似准则 土壤相似准则 生 物圈相似准则 岩石圈相似准则 城镇圈相似准则等等 马蔼乃 2000 地理时空相似准则 大气圈相似准则 水圈相似准则 土壤相似准则 生 物圈相似准则 岩石圈相似准则 城镇圈相似准则等等 马蔼乃 2000 可计算人地关系理论 等等 可计算人地关系理论 等等 虚拟地理实验室虚拟地理实验室 的实验平台的实验平台 虚拟地理环境虚拟地理环境 多源数据虚拟集成与融合 地理 遥感 信息模型 地理行为智 能主体建模 地理空间主动计算 地理复杂性系统模型 系统动力 学模型 等等 多源数据虚拟集成与融合 地理 遥感 信息模型 地理行为智 能主体建模 地理空间主动计算 地理复杂性系统模型 系统动力 学模型 等等 虚拟地理实验室虚拟地理实验室 的实验空间的实验空间 协同工作环境协同工作环境 地理协同工作机制 虚拟协同工作三维空间环境设计方法 面向 虚拟地理环境的基于化身的多用户交流交互模式 等等 地理协同工作机制 虚拟协同工作三维空间环境设计方法 面向 虚拟地理环境的基于化身的多用户交流交互模式 等等 3 虚拟地理实验室虚拟地理实验室 建立的理论与方法建立的理论与方法 4 基于网格的4 基于网格的 虚拟地理实验室虚拟地理实验室 的框架的框架 应用层 虚拟地理实验室 网格层 网格技术发展网格技术发展 GRID 与与e Science SGI on the Grid Visual Area Networking in Grid Environments Science Portal Advanced Photon Source http www unix mcs anl gov laszewsk 网格技术把硬件 软件 数据 人等都作为资源 在网络环境中进行共享与协 同 模型黄河相关的实验设备 可以通过网格技术连接 并可对外服务 同 时 也与原型黄河的野外观察设备 数字黄河连成一个相互连接 相互协同的 整体 陆 地 表 层 系 统 科 学 方 法 论 框 架 陆 地 表 层 系 统 科 学 方 法 论 框 架 基于地球空间信息技术的陆地表层系统科学方法论框架 通过 2000 2003年知识创新提炼 基于地球空间信息技术的陆地表层系统科学方法论框架 通过 2000 2003年知识创新提炼 野外观测野外观测野外观测野外观测 实验实验实验实验 人文经济人文经济人文经济人文经济 实证调查实证调查实证调查实证调查 实验室模实验室模实验室模实验室模 拟与理化拟与理化拟与理化拟与理化 分析分析分析分析 微 观 机 理 模微 观 机 理 模微 观 机 理 模微 观 机 理 模 型 型 型 型 自 然 人 文自 然 人 文自 然 人 文自 然 人 文 点过程信息点过程信息点过程信息点过程信息 相互验证 相互验证 相互验证 相互验证 数据融合 数据融合 数据融合 数据融合 尺度转换尺度转换尺度转换尺度转换 研究对象格局 过程规律与研究对象格局 过程规律与研究对象格局 过程规律与研究对象格局 过程规律与 机制的科学结论机制的科学结论机制的科学结论机制的科学结论 决策支持决策支持决策支持决策支持 参数反演与参数反演与参数反演与参数反演与 多维分析模多维分析模多维分析模多维分析模 型 型 型 型 自然 人文自然 人文自然 人文自然 人文 定量空间信定量空间信定量空间信定量空间信 息息息息 RSRSRSRS GISGISGISGIS 自下而上自下而上自下而上自下而上自上而下自上而下自上而下自上而下 数值数值数值数值 研究平台研究平台研究平台研究平台 地球表层科学地球表层科学e Science构建 孙九林院士 构建 孙九林院士 2004 4 智能模拟与应用实验智能模拟与应用实验 复杂系统与复杂性科学 美国桑塔费研究所 Santa Fe Institute SFI SFI是由洛 斯 阿拉莫斯国家实验室的一批资深科学家和诺贝尔奖获 得者创建的 是一个非常著名的研究所 元胞自动机 国内GIS 孙战利 周成虎 黎夏等 多智能体 国内GIS 沈体雁 薛领 杨开忠 王铮 龚建华等 2 多智能体技术地理应用 城市发展模拟 房产选购模拟 人群行为模拟 事件模拟 等 1 元胞自动机技术地理应用 城市扩展模拟 土地利用变化模拟 火的模拟 等 元胞自动机 Cellular Automata 是一种时间 空间 状态都 离散 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 能模拟空间复杂系统的时空动态演变 元胞自动机模型 自下而上 的研究思路 强大的复杂计算功 能 固有的并行计算能力 高度动态特征以及具有空间概念 等特征 使得它在模拟空间复杂系统的时空动态演变方面具 有很强的能力 目前 利用元胞自动机模型研究地理过程的复杂行为是地理 建模研究的一个方兴未艾的领域 在地理领域常见的应用有 林火模拟 土地利用变化模拟 城市扩展与演化模拟等 4 1 元胞自动机元胞自动机 规则规则 变换函数变换函数 元胞空间元胞空间 离散时间集离散时间集 元胞及状态元胞及状态 邻居邻居 图 元胞自动机的构成 孙战利 1999 元胞自动机最基本的组成包括元胞 元 胞空间 邻居及规则四部分 a 三角网格 b 四方网格 c 六边网格 图二维元胞自动机的三种网格划分 李才伟 1997 a Von Neumann型b Moore型 c 扩展的Moore型 图 元胞自动机的邻域模型 元胞空间 元胞空间 Lattice 邻域邻域 Neighbor 一个例子一个例子 生命游戏生命游戏 在一个二维平面方格中 布满 活着的 的 黑方块和 死了的 白方块 最初的图案可 以由游戏者任意摆布 但一旦运作这个游 戏后 这些方块就会根据很少几条简单规 则活过来或死过去 John Conway 生命游戏的构成及规则 a 元胞分布在规则划分的网格上 b 元胞具有0 1两种状态 0代表 死 1代表 生 c 元胞以相邻的8个元胞为邻居 即Moore邻居形式 d 一个元胞的生死由其在该时刻本身的生死状态和周围 八个邻居的状态 确切讲是状态的和 决定 在当前时刻 如果一个元胞状态为 生 且八个相邻 元胞中有两个或三个的状态为 生 则在下一时刻该 元胞继续保持为 生 否则 死 去 在当前时刻 如果一个元胞状态为 死 且八个相邻 元胞中正好有三个为 生 则该元胞在下一时刻 复 活 否则保持为 死 图 生命游戏及若干常见的图案 Winlife软件产生 基于元胞自动机的国家演化模型研究基于元胞自动机的国家演化模型研究 韩筱璞 周涛 汪秉宏 韩筱璞 周涛 汪秉宏 国家的演化过程简化近似包括 1 认为各国的生存和竞争 处于一个有限大小的封闭空间内 2 将国家领土粗粒化 视每个 国家的领土是由有限个相同面积的地区组成 并忽略国家内部的地 区差异 即认为同一国家的不同地区具有相同的地区实力 国家的 总体实力是各地区实力之和 3 忽略国家经由内部战争自身分裂 成多个小国家的可能 4 只有当某国的国力与其某一邻国国力比 值大于某一阈值 攻击阈值 时才可能入侵邻国 5 战争对国力 的消耗表现为国家各地区实力的整体性下降 并近似认为国家各地 区的地区实力下降幅度是相同的 6 战争中进攻方的国力消耗将 大于防御方 且正比于防御方国力 反比于进攻方国力 7 进攻 方失败的几率正比于防御方国力 反比于进攻方国力 8 单位时 间内各国地方实力的增长率是一个一定范围内的随机数 9 忽略 国家实际地理因素差异对国家的竞争和发展的影响 模型的演化规则如下 I 若该格点为空白地区 不 属于任何国家 则在下一步随机转变为某一邻居格点 的状态 II 若该格点显示为某个国家的状态 命 名该国为A国 即属于A国 根据第3项近似 如果 邻居格点所属各国中国力最强的国家 暂命名该国为 B国 的国力与A国国力的比值大于攻击阈值时 该格 点将受到B的攻击 若B国战胜 则该格点的状态转变 为B国的状态 III 根据第7项近似 各格点所代表 的地方实力值在扣除因战争造成的地方实力值下降 后 每一步以一个在一定范围内的随机比率增长 均取100 100的二维元胞自动机 初始时共有300个国家 每个 国家只占有1个格点的领土 该格点的位置是随机的 所有国家 的国力的初始值均为100 其他的参数设置为 攻击阈值取1 5 各国地方实力每步的增长率服从 0 0 1 之间的均匀分布 C为 0 0 1 之间的均匀分布的随机数 Ct取为6 050100150200250 1 10 100 1000 10000 Y t NO 204 NO 19 NO 141 NO 241 NO 139 NO 251 国家的领土面积 Y 随时间 t 的变化 结论 有些国家在经历若干步的急剧扩张后走 向迅速衰亡 NO 141 NO 241 如德意志帝 国 也有一些经历长期的稳定发展后开始扩张 NO 139 NO 204 如战国时秦国 也有的 国家在衰落一段时间后又出现了复兴 NO 251 NO 19 如汉代 这些演化历程 和真实历史中很多国家的发展史是非常相似 的 元胞自动机CA核心问题 获取转换规则 目前所用的方法 Li Xia 1 MCE方法 多因子评价模型 Multicriteria Evalution MCE 2 Logistic回归的方法 3 神经网络 4 数据挖掘方法 4 2 多智能体 多智能体 Agent Franklin和Graesser 1997 提出了自主Agent的定义 即 一个置身于具体环境中的自 主系统 它为了达到自己的计划和目标 可感知环境中的信息并对其做出适当反 应 并且它对将来有一定的预测 可实施动作对其产生影响 表Agent的属性 Franklin Graesser 1997 性质 Property 解释 Meaning 反应性 reactive对环境变化做出及时的反应 自主性 autonomous对自己的行为有控制能力 目标取向 前摄性 心理学 目的性 goal oriented proactive purposeful 不仅仅是对环境的简单反应 时间连续 temporally continuous是一个持续运作 非时间离散 的过程 具有交流 社交意识 communicative socially aware 与其他Agent进行交流或者通讯 学习性 适应性learning adaptive可根据先前经验改变行为 可能性mobile可以从一台机器转移到另一台机器的能力 灵活性flexible动作并非预先指定 性格character有可信的 人格 或者情绪状态 Drogoul和Ferber将Multi Agent模拟归纳总结为下列元素的集合 智能主体 Agents 行为 behaviours 对象 objects 环境 environments 和通信 communications 其中除了行为以外的四个可以由如下四元组来描述 其中 Agents为所有被模拟的个体集合 行为是Agents的属性 对象是 所有被代表的不对外部刺激产生反应的被动实体 如建筑物 城市环境 里的道路设施 环境是Agents和对象所处的拓扑空间 在这里它们可 以移动和产生动作 信号 声音 味道等 也在这里传播 而通信则是 所有通讯类别的集合 如语音 书写材料 标记等 多智能体 Swarm 基本介绍基本介绍基本介绍基本介绍 Swarm是一个用于支持仿真编程的面向对象软件包 为用户提供复杂系统模拟提供支持 用户通过导入Swarm软件包 应用其中提供的类和方 法 建立自己的仿真程序 Swarm软件包是由以下编程语言建立的 Objective C A superset of C Tcl Tk Scripting language and GUI widgets transparent to user 支持 Unix 和 Windows 95 98 NT环境 StarLogo是在Logo语言的基础上发展而来 的一种分支语言 三个角色 地面单元 patches 海龟 turtles 和观察者 observer 品种 breed 这个概念 Agent就有了分类 S