元胞自动机在城市扩展方面应用综述

元胞自动机在城市扩展方面的应用综述摘要本文在介绍元胞自动机各要素的基础上，综述了元胞自动机用于城市扩展模拟的历史、元胞自动机用于城市扩展模拟的具体研究方向，即在具体的模型中如何确定模型的结构和参数，并对其未来的发展趋势进行了展望，并指出CA中的转换规则的扩展是在将来的研究中的一个首要问题。关键字：元胞自动机；城市扩展模拟；转换规则一引言元胞自动机(CA)是一种时间、空间、状态都离散,空间的相互作用及时间上的因果关系皆局部的网格动力学模型,其“自下而上”的研究思路,强大的复杂计算功能、固有的平行计算能力、高度动态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。在城市空间动态变化的模拟研究方面,CA模型已应用到除非洲、南极洲的所有大洲的城市模拟研究当中。CA模型和GIS的集成,一方面增强GIS的空间模型运算及分析能力,另一方面,GIS提供的强大空间处理能力可以为CA模型准备数据和定义有效的元胞转换规则以及对模拟结果进行可视化。同时CA模型还可以与神经网络、主成分分析、遗传算法、模糊逻辑以及其他研究方法相结合,以增强其在城市空间变化模拟研究方面的能力。将CA与MAS技术相结合,建立一个能够模拟多个不同参与因子(自然系统)、不同决策者(人文系统)共同影响下的城市发展模型,以此来模拟与预测城市发展的真实状况,将是CA模型在城市空间变化模拟与预测研究中的未来发展趋势。国内元胞自动机应用研究起步较晚，受国际研究的推动，20世纪90年代末地理学界才开始类似的尝试研究，主要集中在基于元胞自动机的LUCC和城市增长模拟，罗平从经典地理过程分析的基本理论人手，分析和阐述了CA对于经典，地理过程分析概念的表达程度的局限性，综合地理系统的几何属性和非几何属性提出了基于地理特征概念的元胞自动机(GeoFeature一CA)，周成虎等人在Batty和Xie的DUEM模型的基础上，构建了面向对象的、随机的、不同构的和两个CA模型耦合的GeoCA—Urban模型，并成功模拟了深圳特区土地利用动态演化过程。何春阳、史培军等从宏观外部约束性因素和局部城市单元自身扩展能力变化的角度建立元胞自动机模型对北京地区城市发展过程进行了模拟重建和不同情景预测。本文在介绍元胞自动机原理的基础上，对比国内外元胞自动机在城市扩展方面的研究现状和新进展，总结近年来元胞自动机研究的热点和聚焦所在，对其未来的发展趋势进行预测。二元胞自动机在城市扩展方面的应用2.1元胞自动机元胞自动机(Cellular\o"查找:cellularautomaton"Automaton)也称细胞自动机、点格自动机等，是一种时间和空间都离散，物理参量只取有限数值集的动力系统理想化模型"散布在规则网格中的每一元胞取有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确定的局部规则做同步更新。CA最主要的特点是复杂的系统可以由一些很简单的局部规则来产生。元胞是CA的最小单位，而元胞空间是元胞的主要属性。根据转换规则，元胞可以从一个状态转换为另一个状态。转换规则是基于邻域函数来实现的。一个CA系统通常包括4个要素：元胞(cells)、状态(states)、邻域范围(neighbors)和转换规则(rules)。一个标准元胞自动机可以用数学符号表示为：A＝(Ld，S，N，f)式中A代表一个元胞自动机系统，Ld表示d维元胞空间；S是元胞有限的离散的状态集合；N表示一个所有领域内元胞的集合(包括中心元胞)，即包含有n个不同元胞状态的空间向量；f则表示了中心元胞与邻居见的转换规则。经典的元胞自动机有初等元胞自动机、“生命游戏”、格子气自动机和“能自我复制的元胞自动机”等。下面介绍生命游戏的构成及规则：(1)元胞分布在规则划分的网格上；(2)元胞具有0，1两种状态，0代表“死”，1代表“生”；(3)元胞以相邻的8个元胞为邻居，即Moore邻居形式；(4)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决定。CA(元胞自动机)模型具有高度的灵活性、开放性、强大的复杂计算功能、固有的平行运算能力、高度动态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。目前元胞自动机被广泛应用于模拟各种物理系统和自然现象。元胞自动机作为一种具有时空动态特征的动力学方法。具有模拟二维空间演化过程的能力，该方法被广泛应用到地理学的诸多领域。其中，元胞自动机在城市扩展方面应用最早，同时也是当前元胞自动机应用研究的热点。2.2历史发展城市是一个复杂的动态巨系统，具有复杂的自组织现象。自然因素和社会经济因素在不同的时间、空间尺度上相互作用、相互影响，共同作用于城市系统的演变，使演变具有很大的不确定性，无法使用数学公式进行表达和模拟。但元胞自动机的特点使得它成为城市空间复杂系统演化动态模拟的主要方法。在20世纪70年代,Tobler将元胞自动机的概念引入地理学研究,他用CA模型来模拟当时美Multi－agentsystems(MAS)提供了一种既包含人类决策行为又不削弱自组织功能的方法，正好能够弥补CA的不足。MAS与CA在某种程度上可以说是有一定的重叠:实际上,CA也可以被认为是MAS的一种类型。在地学计算的环境下,MAS多数情况下可与CA一起来体现本身具有CA动态特性的元胞空间周围的个体元胞,或者体现CA动态特性所产生的元胞群,以及该元胞群可能获取的特征。将CA与MAS技术相结合,建立一个能够模拟多个不同参与因子(自然系统)、不同决策者(人文系统)共同影响下的城市发展模型,以此来模拟与预测城市发展的真实状况,将是CA模型在城市空间变化模拟与预测研究中的未来发展趋势。三小结本文通过阐明元胞自动机的原理，回顾了元胞自动机在城市扩展方面应用的历史，然后，具体而详细的列举了元胞自动机在城市扩展方面应用所取得的成就，最后，对其未来的发展趋势进行了预测和展望。由于城市是一个具有开放性、不确定性、非线性性、自组织性、随机性等特征的复杂系统,将CA模型用于模拟城市时空演化过程的研究还有待进一步深化。重点是扩展其转换规则以满足实际应用的需要，CA中的转换规则的扩展在将来的研究中仍是一个首要问题。参考文献[1]周成虎，孙战利，谢一春．地理元胞自动机研究[M]．北京：科学出版社，2001．[2]黎夏．知识发现及地理元胞自动机[J].地球科学2004,34(9)：865~872