复杂系统理论与Agent模型在土地变化科学中的研究进展

1、地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第66卷第11期2011年11月V ol.66,No.11Nov,2011收稿日期:2011-05-04;修订日期:2011-09-02基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2010CB951504;国家自然科学基金项目(40930101;40971218;国际科技合作项目(2010DFB10030Foundation:National Basic Research Program of China,No.2010CB951504;National Natural Science Foundation of China,No.40930

2、101;No.40971218;Key Project of InternationalCooperation,No.2010DFB10030作者简介:余强毅(1986-,男,博士研究生,主要研究方向为土地变化模拟。E-mail:yuqiangyi通讯作者:唐华俊(1960-,男,研究员,博士生导师,主要从事土地利用变化、遥感和GIS 应用方面研究。E-mail:hjtang1518-1530页复杂系统理论与Agent 模型在土地变化科学中的研究进展余强毅1,2,吴文斌1,2,唐华俊1,2,杨鹏1,2,陈仲新1,2,陈佑启1,2(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京100081;2

3、.农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室,北京100081摘要:基于复杂系统理论与Agent 模型,分别从理论与方法的角度梳理并总结了当前土地变化科学的研究进展。复杂系统理论为研究土地变化所处的“耦合的人类自然系统”及其复杂性问题提供理论支撑;而基于Agent 的模拟作为研究复杂系统的重要工具,为传统土地变化模拟提供新的方法支持。当前,ABMs 与土地变化模型相结合(ABM/LUCC,无论是模型构建还是模型应用均取得了显著进展。然而,其也存在诸多问题,尤其是理论与应用脱节,使很多建模者容易陷入“为建模而建模”的误区。此外,现有的ABM 模型设计较为随意,模型间差异太大,不利于跨区域比较研究的开

4、展。因此,虽然ABM 是认识复杂系统的有效方法,但是建模之前离不开对系统复杂性的深入研究;基于Agent 的土地变化模拟的意义在于充分表达“人类自然”系统的综合复杂关系,从而合理的预测土地变化(结构与功能的动态过程,解释并评价土地变化的可能影响。关键词:Agent 模型;人类自然系统;土地利用/土地覆盖;土地变化科学;土地系统1引言在“土地利用科学”(Land Use Science研究土地系统(Land System中,土地利用(Land Use与土地覆盖(Land Cover的自然状态、时空变化以及与其相关的社会经济、政治文化、生态环境等过程1-2。是当今地理科学3、全球变化4-5、资源环

5、境6-7、城市化8-9、公共管理与规划10-12、生态安全13-14与粮食安全15-16等领域的研究热点。随着全球变化与可持续发展研究的深入开展,土地利用与土地覆盖变化的核心地位越发凸显。尤其是,国际地圈生物圈计划(IGBP与国际全球环境变化人类行为计划(IHDP先后开展了LUCC (Land Use and Land Cover Change项目与GLP (Global Land Project项目,极大促进了“土地变化科学”(Land Change Science的诞生和发展17。作为土地利用科学的子研究领域,土地变化科学以“耦合的人类自然系统”(Coupled Human and Nat

6、ural Systems18为对象,重点分析研究土地利用与覆盖变化的过程、原因、结果及效应19-20等问题。土地利用与土地覆盖从本质上反映“人类自然”系统的综合复杂性,而这种复杂性在以往的研究中并未得到充分重视,是传统土地变化研究不足之处21。“复杂系统理论”(Complex System Theory是复杂性科学(Complex Science下的子领域,是哲学层面上的一种新的存在论、认识论观点。该理论兴起于20世纪80年代,与11期余强毅等:复杂系统理论与Agent模型在土地变化科学中的研究进展“一般系统理论”(General System Theory完全对立,认为系统由无数处于底层的微

7、观主体所构成,动态性、无序性及多层次耦合性等是系统的基本特征;同时,微观主体的活动与系统宏观功能或特征之间会产生协同影响22。复杂系统理论可以很好地解释土地系统的复杂性问题,同时也能为土地变化科学提供新的理论指导。多主体系统(Multi-Agent Systems,MAS或基于主体的模拟(Agent-based Modeling,ABM等方法是研究复杂系统的重要手段,他们与传统土地变化模型相结合,极大的丰富与发展了土地变化模拟研究方法。本文试图从理论与方法的角度,总结复杂系统理论与Agent模型(Agent-based Models,ABMs在土地变化科学中的研究与应用进展,并就目前该领域存在

8、的一些重要问题进行讨论,为土地变化科学的发展提供部分研究思路。2复杂系统理论为土地变化科学提供新的理论指导复杂系统理论作为一种新的存在论、认识论观点,发展至今已逐步被广泛接受。复杂系统以不同形式、不同状态、不同规模广泛存在于生物学(细胞生物个体、生态学(生物个体生态系统、地理学(土地覆盖类型景观系统、社会学(居民社区、管理学(车辆城市交通系统、以及经济学(股民股市等研究领域23,不同视角下复杂系统的特征不尽相同。因此,由于学科的不同,学术界对于“什么是复杂系统?”“什么是系统复杂性?”以及“什么因素导致系统复杂性的存在?”等问题,仍没有形成统一定义24,25。结合土地系统的一些特点,笔者认为复

9、杂系统除了无序性、动态性等基本特性外,还具有以下一些重要特征23,26-31。首先是多层级性(Multi-scale and Hierarchical,这是导致系统复杂性的关键问题。所谓多层级性,就是需要至少从两个层次的角度去考量一个现象,层级关系越多,系统越复杂。系统越往高层,越表现出宏观性功能或特征,越往底层,系统可分解为无数的微观主体。二是自组织适应性(Autonomous and Adaptive。即指在系统宏观特性的要求下,每一微观主体通过各自明确的任务自我约束,并不断通过决策过程来优化行为,实现任务要求与环境条件间的最优适应。三是控制性与突发涌现性(Controllable and

10、 Emergent。从系统层面看,系统对每一主体的任务有所要求,而主体在完成任务的过程中,对整个系统产生非线性影响,即“系统不等于主体之和”或“系统特征并非主体均具有”。因此,随着主体的运动,系统的特征会不断变化,其给每个主体赋予的任务也会不断改变,这种上下级间的因果关系与反馈作用是复杂系统保持动态的根本原因,使得系统宏观特征很难精确预测。四是异质性与相互作用性(Heterogenetic and Interactive。复杂系统中的主体之间有差异,导致他们的行为与决策依据各不相同。而主体与主体之间、主体与系统之间又存在特定的关系或规则,这使得主体之间的行为可能相互影响,而某一特定主体的行为在

11、时间上可能产生路径依赖(图1。土地系统是土地利用与土地覆盖的总和,人类活动与自然因素的综合作用使得土地利用与覆盖格局不断变化,土地图1复杂系统及其研究方法Fig.1Complex systems and its research approaches1519地理学报152066卷变化及其影响成为全球变化与可持续发展研究中人们最为关心的热点问题32。然而,热点导向下诞生与发展的土地变化科学,其理论研究一直落后于应用研究。各种类型的地理算法33-34、土地变化模型技术35、以及“3S”集成分析技术36-37等都在土地变化相关研究中得到长足的应用与发展,尤其是土地变化模型研究,已成为土地变化科学的重

12、要内容38。然而,到目前为止,土地变化科学仍没有形成统一的理论体系39,现有的理论多借鉴相邻学科理论与方法:如地理学中的景观论40与区位论41、社会学中的行为论42-43、相关经济学理论44以及人地关系论45-46等。理论研究滞后于应用研究容易导致学科范式的缺失,不利于研究方法朝科学化、系统化与规范化的方向发展47,造成一般性研究与跨区域对比研究很难得以开展,成为阻碍土地变化科学发展的制约性问题2,32,48。目前,地理学者对地理系统复杂性的认知已成共识,他们呼吁地理学研究需要在复杂性科学视角下进行范式转型47。在此框架下,土地变化科学的理论体系将会得到极大的丰富与完善,从理论上认识土地系统复

13、杂性也成为对其模拟与分析的基础49。首先,土地系统是人类社会与自然系统的耦合18,其内部有复杂的层级或平行关系50,是典型的复杂系统51。土地系统的复杂性主要来自于两大子系统的不同特质、子系统内部及子系统之间相互联系、相互影响等。其次,除了复杂系统的一般特性外,土地系统还表现出时空异质性30,49,尺度敏感性52-53,自然与社会综合性54,以及系统反馈效应55-56等特征。土地系统的复杂性问题是土地变化科学的难点之一,关于这一问题的理论研究仍需继续强化。具体表现在描述、理解及解释土地利用的时空格局及其动态变化过程57、实现土地变化模拟过程中的尺度转换58、表达人类活动与自然环境的相互作用关系

14、、以及阐明土地系统的控制与反馈机制等。3作为复杂系统研究的重要方法,ABM为土地变化模拟提供新思路认识复杂系统的方法包括实验观测、理论解释、以及模型模拟59等。实验方法能够直接表现不同层级间的非线性作用效果;理论方法有助于认识系统复杂性的存在,同时梳理复杂系统的多重上下关系。然而认识复杂系统的关键还在于如何对其进行动态模拟,即如何表达微观主体活动及其对系统宏观层面的影响。具体包括:充分认识并度量系统的复杂程度,在此基础上对微观主体的行为进行表达。通过计算模拟再现系统过去某一时刻的结构格局或重现某一段时刻的动态过程。对模型参数化过程进行敏感性分析与不确定性分析,并进行模型校正与验证。在充分合理解

15、释系统复杂性的基础上,通过模拟微观主体行为,同时考虑其与系统控制要求的协同,对系统的未来格局或变化过程进行估计。整个过程遵循一般性、可比较性及可重复性等原则,以减少估计误差。如果按目的划分,复杂系统模拟包括解释与预测两方面主要内容60-61。在复杂系统模拟研究方面,多主体系统(MAS用数学的概念、方法和理论,将真实世界的复杂系统抽象化表达,并深入分析,从定性或定量的角度来刻画实际问题(图1。MAS与人工智能,尤其是其子领域分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligence, DAI的研究内容相交叉,二者相互借鉴、相互补充,不断推动复杂系统模拟技术的发展62-

16、63。人们可根据不同的理论基础和研究需要来设计MAS64-65,其中,MAS将Agent用以表达复杂系统中能动的微观主体,此外将Agent所处的外部环境,包括系统规则,以及物质、信息、能量传入等设计在内63,以增强模型的真实性29。值得注意的是,MAS的设计一般较为复杂,而人们相对更为关注MAS中Agent的行为特征,因此MAS可简化为基于Agent的模拟(ABM。由于ABM是通过模拟微观主体的行为过程来表达系统宏观层面的作用结果,因此又被称之为“自底而上”(Bottom-up的建模方法。ABM已经在不同学科得到广泛应用。例如,生态学研究生物个体与环境之间的相互11期余强毅等:复杂系统理论与A

17、gent 模型在土地变化科学中的研究进展关系,随之IBM (Individual-based Modeling便用以代替ABM 而出现在生物学模拟中31;地理学关注的是地表二维空间内要素的时空分布及其组合特征,为此,地表空间内位置固定的等面积网格被定义为复杂系统中的微观主体,这类特殊的ABMs 被称之为元胞自动机(Cellular Automata ,CA,是地理系统空间自组织研究中的重要模型工具66(图1。同时,ABM 在研究人类行为复杂性方面已取得重要进展。在美国科学院院报的一期专刊中,许多学者以复杂系统理论与人类自组织决策行为的研究为主题,撰文讨论了ABM 自身发展、ABM 在经济学与政

18、策管理中的应用、及ABM 的模拟平台(如RePast ,Swarm ,NetLogo ,AgentSheets ,Ascape ,Cormas ,StarLogo对比等方面的问题。学者们一致认同,ABM 为社会学研究带来了全新的视角,并为深入研究人类社会动态过程提供新的方法变革67。对于土地变化科学而言,模型模拟是认识土地系统复杂性的重要方法49,同时也是土地变化科学的重要研究内容38。复杂系统理论为土地变化科学提供新的理论指导,而作为复杂系统研究的重要工具,ABM 为土地变化模拟提供新思路,如CA 可用作表达自然要素空间格局变化的基础,而ABMs 可以表达引起土地变化的人类决策过程(图1。建

19、模新思路主要体现在两个方面:一是建模角度的转换,传统土地变化模型偏好“自顶而下”(Top-down的构建策略,即首先确定某区域宏观层面土地变化的总体速率与特征,然后逐级向下分配至最小微观尺度的地理单元,这在预测土地变化结果方面或许存在特定优势,然而却在很大程度上难以解释土地变化的原因42;同时难以充分表达不同空间尺度间的反馈和关联55,有明显的尺度限制性。二是模型动态特征的转换,传统土地变化模型比较侧重人类自然关系中自然环境部分的研究,而人类主体作用在模型中得不到显性描述38;同时,传统模型更加侧重表达土地系统的空间格局变化结果,而难以体现其变化过程的动态特征68。复杂系统理论为土地变化模拟提

20、供“自底而上”的建模策略,并体现很好的时间动态过程,尤其是在表达“人类自然”相互作用复杂关系、阐述土地变化机理、转化尺度、以及分析土地变化反馈机制等方面有着重要的指导作用。4基于Agent 的模拟与土地变化模型的结合及应用土地变化科学属于夸学科综合,而土地变化模拟作为其研究的主要方法及重要内容,也具有很强学科交叉性。在早期的土地变化问题研究中,人们对“人类自然”系统的复杂性问题并未充分认识。如早期的经验统计模型,仅侧重于研究分析土地变化的数量和速率特征,对变化的空间分布并未给予太多考虑38。而随着自然复杂系统中地理要素空间自组织问题逐步受到重视,尤其是随着遥感与地理信息系统技术的发展,土地利用

21、格局及其变化的空间显性化表达成为可能。在此阶段,土地变化经验统计模型与CA 模型开始结合,形成了基于网格的土地变化空间模型(图2。土地变化空间模型中的经验统计模块侧重于计算土地变化的总体数量,并研究分析影响土地变化幅度的直接因子和潜在因素;而其CA 模块侧重于综合考虑诸 多限制因素和转换规则,将变化的数2基于Agent 的模拟与土地变化模型的结合Fig.2Integration of agent-based modeling and land change models1521地理学报152266卷量逐步分配到一定的土地利用空间单元中,并分析土地利用的空间格局和生态环境的空间变异性关系。目前比

22、较成熟的土地变化空间模型包括CLUE系列、GEOMOD系列、SLEUTH以及CA_Markov等38,69。ABMs与土地变化模型的结合70(ABM/LUCC或MAS/LUCC相对较晚,ABM/LUCC 的关键问题在于如何将人类行为整合进土地变化的研究框架54,相对于土地变化空间模型,其更倾向于研究土地变化动态过程中人类决策选择的重要作用,因此亦可称之为土地变化决策模型(图2。近年来,一些领域内的知名期刊出版了许多关于ABM/LUCC研究的专刊48,71-72,极大的推动了ABM/LUCC模型的发展。这些ABM/LUCC模型各具特色,他们从各自的角度出发,研究土地系统变化过程中的复杂性问题。若

23、从其对“人类自然”系统复杂性的解释角度来看,当前ABM/LUCC的建模思路可以大致分成两大类型。第一类可称之为“主体决策模型”。这类模型中,主体一般被定义成个人或者家庭,主体与地块之间存在较为固定的空间对应关系(同一主体可拥有多个地块,但非同一地块可归属多个主体,主体的行为对该地块的土地利用方式与格局具有决定性作用。构建“主体决策模型”需根据主体属性合理的确定不同主体类别,并定义主体的相关土地利用行为。“主体决策模型”大都关注主体行为或结构的动态变化,以及这些变化过程对宏观层面土地利用方式与格局的影响。人类行为的多样性与决定性以及“主体地块”的对应性导致地块的土地利用方式亦呈多样化态势,因此这

24、类模型比较适合农业土地利用变化方面的研究(表1。第二类可称之为“空间决策模型”。这类模型的核心是一张二维格网图(类似于CA,每一个空间网格代表土地利用变化的基本单元。空间网格的土地利用如何变化取决于其综合的自然经济社会属性,最终表现为宏观层面的土地利用格局动态变化过程。“空间决策模型”相对于传统土地变化空间模型的最大革新是将人的行为偏好、人口结构、政策条件等因素定义成网格经济社会属性的重要方面,以此体现人类在土地利用变化过程中的主体地位。此类模型重点研究的是网格地块的土地利用方式及格局发生变化的可能性,因此模型中人与地块的空间对应关系并不需要非常明确,人口数量可能存在动态变化(新生或死亡且一定

25、程度上可以在不同地块间流动(迁入或迁出,以此改变地块的综合属性特征,由此造成网格地块土地利用格局的变化。综合来看,这类模型较多应用在城市扩张,居民定居选择等研究领域,尤其是政策分析与评价等问题(表2。发展ABM/LUCC的目的是将其用以研究“人类自然”系统复杂性问题,但如果严格按照以上总结的ABM/LUCC建模的两大主要思路,这种“人类自然”综合复杂性极容易被拆分开来研究:“主体决策模型”偏重于社会学领域,认为土地利用格局仅是人类土地利用行为复杂性的直接表现,容易忽视土地变化过程中的自然社会综合适应性问题;而“空间决策模型”大多以CA为基础,对人类社会的复杂性问题关注不够。实际上,一些研究已经

26、考虑将两套建模思路相结合,如Entwisle等人的农用地模型与Evans等人的LUCIM模型中(均为“主体型”,都考虑了人口结构变动以及人口迁徙等因素;而An等人的IMSHED模型(“空间型”又同时考虑了人与地块的对应问题,如新建居民点位置与砍伐薪柴的范围等。为了更好的表达“人类自然”综合复杂性,当前一些研究已经开始尝试将ABM模块、LUCC模块以及其他模型模块互相嵌套,发展多尺度、多层次的综合模型,用以研究土地系统变化的过程、原因、结果及效应等综合复杂性问题。如AgriPoliS与SERD等模型将ABM/LUCC与碳氮循环模型进行整合,研究土地利用变化过程的生态效应;而MP-MAS与FEAR

27、LUS将ABM/LUCC与其他生物物理模型进行整合,研究土地利用的农业产出及其经济社会生态综合效应;此外一些城市扩张模型将CA与ABMs结合,并将效益分析、情景分析等方法整合在内,为政策评价提供了更为可靠的依据。不容否认,ABM 为土地变化模型的发展起到了新的助推作用,能广泛应用于城市(农业土地利用变化模拟,自然资源管理等领域21,同时还是土地利用政策分析与规划、参与式模拟、检验社会学理论或概念、解释土地利用功能等的重要方法96。但是ABM/LUCC 的构建,依然离不开复杂系统理论的指导,否则难以实现建模的真正目的。5讨论5.1如何协同理论研究与应用研究是土地变化科学面临的首要问题理论研究与方

28、法应用的对立统一是所有学科发展所要面临的共性问题,这也是本文展开讨论的立足之点。土地变化科学的诞生与发展得益于全球变化研究与可持续研究的不断推动,其核心研究内容,如土地利用变化的过程、原因、结果及效应等问题,均体现着巨大的应用导向性,导致该领域的理论研究一直滞后于应用研究。理论与应用的螺旋式交错景观类型/模型名称主要研究人员最近文献/地点主要研究内容备注农用地A g r i P o l i S H a p p e ,K e l l e r m a n 等201173/丹麦研究农业结构变化的驱动因素,模拟农户在追求利益最大化过程中相对应的土地利用方式的动态变化,并评估其生态影响软件包/多处应用农

29、户农场空间对应农用地MP -MA S S c h r e i n e m a c h e r s .,B e r g e r 等201174/多个区域研究农业技术,市场动态,环境变化,以及政策干预对农户土地利用行为的影响软件包/多处应用农户地块空间对应农用地F E A R L U S P o l h i l l ,G o t t 等201075/苏格兰研究并模拟地块为追求最大收益而伴随的土地利用的动态变化,其中,地块最大收益可以看成是多个图层属性的叠加(自然、社会经济、政策、以及决策者偏好等S w a r m -b a s e d 软件包/多处应用农户地块空间对应农用地I L L U MMi

30、l l e r ,Wa l s h 等201076/厄瓜多尔研究相对封闭海岛居民的生计与环境之间的复杂关系,并模拟环境变化,尤其是入侵作物的扩张对农户土地利用决策的影响N e t L o g o /A r c G I S 农户地块空间对应农林用地Me n a ,Wa l s h 等201177厄瓜多尔研究人类行为以及“人类自然系统”的复杂性,并模拟与之相关的毁林开荒、粗放农业、人口迁徙与结构变化等动态过程R e P a s t -b a s e d 通过G P S 空间连接农林用地L U D A S L e 等201078/越南研究并模拟土地利用动态变化以及农户社会经济属性的动态变化过程,同时

31、对相关土地利用政策进行评价N e t L o g o -b a s e d 农户地块空间对应农用地V a l b u e n a ,V e r b u r g等201079/荷兰研究影响农户土地利用行为的内(外部因素,并模拟农户的决策选择对土地利用格局的影响N e t L o g o -b a s e d 农户地块空间对应农用地L U C -A S M潘理虎,黄河清等201080/中国研究并模拟不同农户类型以及自然环境、政府和企业的补贴机制综合影响下的农户的土地利用行为R e P a s t -b a s e d 农用地陈海等201058/中国研究农户间的相互作用及市场因素的影响,并探讨不同尺

32、度下农户土地利用决策过程通过G P S 空间连接农-林-草地S E R D G a u b e 等200981/澳大利亚研究并模拟不同情景下的“社会经济”与“社会生态”两大过程,通过土地利用变化过程将二者在机理上进行整合农户地块空间对应农林用地L U C I ME v a n s ,K e l l e y 等200882/美国研究移民潮、人口变动,以及农户追求收益最大化等因素对土地利用的影响,并模拟历史的毁林造田弃田再生林过程农户地块空间对应农用地E n t w i s l e ,Wa l s h 等200883/泰国研究并模拟农户层面的人口动态变化对自然环境变化的响应及其对土地利用格局的影响

33、农户地块空间对应R e P a s t /A r c G I S 农用地B a k k e r 与v a n D o o r n 200984/从农户异质性的角度解释土地利用变化的过程模型仅起解释作用发展是科学健康发展的常态,相反如果理论与应用出现脱节则往往容易造成危机的出现47。近年来,随着ABM 技术的发展,这种关注微观主体、自底而上的建模策略逐渐开始被用于土地变化模型研究当中,然而许多研究却重视ABMs 的应用而忽视对“人类自然”系统综合复杂性的理论探索。许多在模型构建之前需要反复推敲与考虑问题,经常会被建模者所忽视。诸如:建模的目的何在?目的设置是否合理?模型是否能够合理表达系统复杂性

34、及相关的空间动态过程?模型是否能够进行标准化的校正与校验?模型的构建与其他当前主流的ABM/LUCC 之间是否存在可比较性?97等。因此,ABM 虽然是认识复杂系统的最有效方法,但ABMs 的构建首先离不开对复杂系统或者系统复杂性的理论研究。这是因为ABM/LUCC 的构建不是研究目的,其真正目的在于通过ABM 充分表达“人类自然”系统的综合复杂关系,从而合理的解释与预测土地系统在宏观层面的结构或功能的变化。5.2完善概念化设计与改进计算化设计是ABM/LUCC 模型设计的两大核心内容模型的概念化设计(Conceptual与计算化设计(Computational是模型构建的两方面重要内容,两者

35、相互依存。如果模型的概念性弱,则不利于模型对真实世界的合理表达;景观类型/模型名称主要研究人员最近文献/地点主要研究内容备注城市用地MA S U S F e i t o s a 等201185/巴西将人口动态模型与景观动态模型相结合,从社会人口动态、家庭偏好、以及政策因素等方面综合研究城市隔离现象N e t L o g o -b a s e d 城市用地A L MA -C F i l a t o v a 等201186/虚拟计算研究并模拟土地市场、价格、税收、以及生态服务价值等因素对沿海城市土地利用格局及其生态效应的影响N e t L o g o -b a s e d 城市农用地C H A L

36、 MS Ma g l i o c c a 201187/虚拟计算研究农户、房地产开发者、房屋购买者的经济理性与相互作用,并模拟房地产的价格对城乡交错带土地利用的一般性影响城市用地MO L A -A B ML i g m a n n -Z i e l i n s k a 等201088/美国将宏观层面的土地利用配置要求与微观层面的定居选择相结合以评价城市扩展中的土地利用规划效率耦合“自底而上”与“自顶而下”模型城市农用地A g e n t L A C h e n ,L i 等201089/中国研究地块在综合因素作用下的农地适宜性,模拟并比较不同情景下的城市-农田冲突区域动态格局,实现优化配置R

37、e P a s t -b a s e d 城市农用地MO S O Z h a n g ,Z e n g 等201090/中国研究政府规划要求与居民(农户决策偏好等因素对农用地转变成为城市用地的影响,并模拟城市扩张情景城市用地S O ME Z e l l n e r ,B r o w n 等201091/虚拟计算研究景观质量、居住点距服务中心的距离等因素对居民居住偏好的影响,并模拟这一系列动态关系对土地利用格局的作用S w a r m -b a s e d 曾基于多平台开发城市农用地D E E D R o b i n s o n ,B r o w n 等200992/美国研究并模拟城乡交错带的土

38、地利用格局动态变化,以及由此产生的生态效益问题,并评价相关土地利用政策的效果A r c G I S -b a s e d 林地I MS H E D A n ,L i u 等201093/中国研究并模拟自然保护区内人口扩张与结构变化(如出生、死亡、结婚等过程及其相应的景观生态效应对大熊猫栖息地的影响S w a r m /A r c G I S 林地农用地H E L I A Ma n s o n 200794/墨西哥研究并模拟人口增长、土地利用趋势、以及技术使用、政策约束综合作用下的土地利用变化情景(如毁林开荒、发展农业等C +/I d r i s i G I S 城市农用地S L UD GE P

39、 a r k e r 等200495/虚拟计算研究城市土地收益与农业土地生产力的对立关系及其外部效应,并模拟其对城乡交错带的土地利用格局动R e P a s t -b a s e d 反之,则可能无法精确体现模拟的细节。ABM基于的是“假使会怎样”的设计理念,如何能让其保持动态性,且又能对这一动态过程合理解释,是模型设计首先需要考虑的问题98,这就使得ABMs的概念化设计及其重要。如何强调ABM/LUCC的概念性,同时又不削弱其计算性?这除了需要对系统复杂性进行深入研究之外,还需要大量的经验数据或者虚拟实验加以支持99。当前ABM/LUCC的研究仍处于起步阶段,建模者根据自己的研究兴趣构建模型

40、,无论是模型概念化设计还是计算化设计都较为随意,导致不同模型间差异太大,不利于跨区域比较研究的开展48,100。Grimm等人建议建模者考虑ODD (Overview,Design concepts,Details标准化建模程序101,他们在后续的统计对比研究中,发现许多研究应用了这一思路,使得模型的功能性与可复制性大为提高97,102。Parker 等人基于对已有ABM/LUCC的对比,提出了ABM/LUCC的一般性概念设计模式,应至少包括土地利用行为、人口结构与动态、土地变化、外部环境、以及多模型连接等方面的内容,并称之为“MR POTATOHEAD”103。因此,完善概念化设计是ABM/

41、LUCC模型构建的基础,在此基础上,应不断开展后续研究,改进模型算法,同时注重对相关研究的借鉴,最终形成理论上可行、技术上合理的模型体系。5.3从土地变化模拟到景观动态模拟是土地变化模拟模型未来发展的一般趋势传统土地利用变化模型仅强调土地利用类型变化,如耕地、林地、建设用地之间的转换;对景观动态过程,如耕地内部农作物空间格局动态变化关注甚少104。这是因为:从时间尺度上看,景观动态较之土地变化一般更为频繁。对于这一点,传统模型虽具有较强的空间表达性,但相对缺乏时间动态性,即其虽然能在空间上描绘土地利用变化的格局,但是却由于数据获取等因素的限制,不能在时间上体现土地利用变化的动态过程。从土地系统

42、的宏观特征看,景观动态过程对其的影响远不及土地利用变化,因此较容易被建模者忽视。如农作物空间格局(景观动态过程之一是一个地区或生产单位作物种植结构、熟制与种植方式的空间表达,其反映了人类农业生产在空间范围内利用农业生产资源的状况,是人类根据当前的自然环境条件、以及经济政策条件等进行作物结构调整和优化的依据,然而这一动态过程在传统土地变化模型中却难以得到体现。ABM/LUCC具有多层级性,能通过模拟主体决策行为表达土地变化与景观动态,正好与传统土地变化模型形成互补。此外,ABM/LUCC的动态性强,且能很好的解释人类行为与土地利用之间的协同关系,可用以研究全球变化下人类活动及适应等问题。5.4多

43、尺度与多维度土地变化模型整合研究具有重大意义多尺度模拟是ABMs的基本特点,只需稍对模型规则加以定义就能实现尺度转化, ABMs与LUCC模型的结合,为研究土地变化动态过程的尺度效应问题提供了很好的解决思路。然而,复杂系统理论的意义远不仅限于研究“微观主体活动宏观系统状态”这一简单问题,其还需考虑多重反馈机制、系统综合效应等问题。对土地系统而言,系统反馈与综合效应包括:工业化城市化与生态安全的对立、人口膨胀与粮食安全的对立、全球环境变化与可持续发展的对立等一系列重大问题。为此,基于ABM/LUCC开展多尺度、多维度研究意义重大。早期的ABM/LUCC一般将人类行为与地块特征简单等同一致(Cel

44、ls as Agents,而最近一些综合模型的出现,将ABM/LUCC下分成多个模块,将Agent行为过程(或动态过程与土地利用变化过程相独立,并通过生物物理机制或经济学机理进行结合(Cells with Agents,使模型更具合理性。此外,这些综合模型还将ABM/LUCC与其他效益模型相整合,综合分析土地利用变化的各种结果(如AgriPoliS、MP-MAS、FEARLUS、SERD等模型,为土地变化科学开展多尺度、多维度综合研究起到了很好的示范。6结语近年来,无论在理论研究方面,还是在方法应用方面,复杂系统理论与ABMs在土地变化研究中的应用,极大的推动了土地变化科学的发展。具体来说,二

45、者在理解土地系统的“人类自然”综合复杂性,模拟土地变化的格局、过程和机制,评估土地变化的综合影响,为政策评价、主体决策智力支持等方面发挥了重要作用。但是,理论研究滞后于应用研究依然是该领域面临的突出问题,土地变化科学需要在复杂系统理论及相关理论的指导下,继续加强自身理论体系建设。此外,ABM/LUCC模型发展仍然面临诸多难点和挑战,以上讨论的几个问题,包括与其他传统土地变化模型均存在的共性化问题,如模型的校正与验证,大尺度应用等,还有待于未来进一步深入研究。总之,正是因为这些难点与挑战的存在,为土地变化科学的未来发展指明了新的方向。参考文献(References1Aspinall R.Edit

46、orial:Land use science.Journal of Land Use Science,2006,1(1:1-4.2Global Land Project.Science Plan and Implementation Strategy,2005:64.3Cai Yunlon,Li Shuangcheng,Fang Xiuqi.The research forefront of physical geography.Acta Geographica Sinica,2009,64(11:1363-1374.蔡运龙,李双成,方修琦.自然地理学研究前沿.地理学报,2009,61(11:

47、1363-1374.4Foley J A,DeFries R,Asner G P et al.Global consequences of land use.Science,2005,309(5734:570-574.5Lambin E F,Geist H J.Land-use and Land-cover Change.Local Processes and Global Impacts.Berlin:Springer-Verlag,2006:222.6Lewis G M,Brabec E.Regional land pattern assessment:Development of a r

48、esource efficiency measurement method.Landscape and Urban Planning,2005,72(4:281-296.7Johnson D G.The declining importance of natural resources:Lessons from agricultural land.Resource and EnergyEconomics,2002,24(1/2:157-171.8Zhang S,Zhang B,Zhang L et al.Spatiotemporal evolution of urban land uses i

49、n modern urbanization of China.Chinese Geographical Science,2010,20(2:132-138.9Yu Qiangyi,Chen Youqi,Xu Xinguo.Concept discrimination on'Rural-urban Fringe'in land use science.China LandScience,2010,24(8:46-51.余强毅,陈佑启,许新国.土地利用科学中的“城乡交错带”概念辨析.中国土地科学, 2010,24(8:46-51.10Cruz M K.A living space:

50、The relationship between land and property in the community.Political Geography,2010,29(8:420-421.11Bennett R,Wallace J,Williamson I.Organising land information for sustainable land administration.Land Use Policy,2008,25(1:126-138.12Janssen R,van Herwijnen M,Stewart T J et al.Multiobjective decision

51、 support for land-use planning.Environmentand Planning B:Planning and Design,2008,35(4:740-756.13Chazdon R L.Beyond deforestation:Restoring forests and ecosystem services on degraded lands.Science,2008,320(5882:1458-1460.14Tan Min,Kong Xiangbin,Duan Jiannan et al.Early-warning system for spatial all

52、ocation of the rural-urbanconstruction land in terms of ecological security:A case study on Fangshan District,Beijing.China Land Science, 2010,24(2:31-37.谭敏,孔祥斌,段建南等.基于生态安全角度的城镇村建设用地空间预警:以北京市房山区为例.中国土地科学,2010,24(2:31-37.15Wu W,Tang H,Yang P et al.Scenario-based assessment of future food security.Jou

53、rnal of Geographical Sciences,2011,21(1:3-17.16Yu Qiangyi,Wu Wenbin,Tang Huajun et al.A food security assessment in APEC based on grain productivity.ScientiaAgricultura Sinica,2011,44(13:2838-2848.余强毅,吴文斌,唐华俊等.基于粮食生产能力的APEC地区粮食安全评价.中国农业科学,2011,44(13:2838-2848.17Turner B L,Lambin E F,Reenberg A.The e

54、mergence of land change science for global environmental change andsustainability.Proceedings of the National Academy of Sciences,2007,104(52:20666-20671.18Liu J,Dietz T,Carpenter S R et al.Coupled human and natural systems.Ambio,2007,36(8:639-649.19Gutman G,Janetos A C,Justice C O et al.Land Change

55、 Science:Observing,Monitoring and UnderstandingTrajectories of Change on the Earth's Surface:Springer Netherlands,2004:461.20Rindfuss R R,Walsh S J,Turner B L et al.Developing a science of land change:Challenges and methodologicalissues.Proceedings of the National Academy of Sciences,2004,101(39

56、:13976-13981.21Wu Wenbin,Yang Peng,Shibasaki Ryosuke et al.Agent-based model for land-use/cover change:A review.ScientiaGeographica Sinica,2007,27(4:573-578.吴文斌,杨鹏,柴崎亮介等.基于Agent的土地利用/土地覆盖变化模型的研究进展.地理科学,2007,27(4:573-578.22Waldrop M.Complexity:The Emerging Science at the Edge of Order and Chaos.New York:Simon and Schuster,1992:384.23Axelrod R,Cohen M D.Harnessing Complexity:Organizational Implications of a Scientific Frontier.New York:FreePress,2000:208.24Vicsek T.Complexity:The bigger picture.Nature,2002,418(6894:131.25Gallagher R,Appenzeller T.Beyond reductionism.Science,1999,284(541