元胞自動(dòng)機(jī)在地理學(xué)中的應(yīng)用綜述

郭珂

摘 要：由于元胞自動(dòng)機(jī)在模擬空間復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)空演變方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此，經(jīng)常被用于復(fù)雜系統(tǒng)的建模與模擬。元胞自動(dòng)機(jī)與地理學(xué)結(jié)合有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)分析元胞自動(dòng)機(jī)在地理學(xué)各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了現(xiàn)階段元胞自動(dòng)機(jī)存在的不足之處。

關(guān)鍵詞：元胞自動(dòng)機(jī)；地理學(xué)；研究綜述

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）07-0024-02

Application of Cellular Automata in Geography

GUO Ke1，2

（1.College of Land and Tourism， Luoyang Normal University，Luoyang Henan 471934；2.Collaborative Innovation Center of Smarter Tourism of Central-China Economic Region in Henan Province，Luoyang Henan 471934）

Abstract： Cellular automata are often used to model and simulate complex systems due to their great advantages in space-time evolution of complex systems. Cellular automata and geography combine quite strong advantages. By analyzing the current status of cellular automaton in all aspects of geography， this paper put forward the shortcomings of cellular automata at the present stage.

Keywords： cellular automaton；geography；research review

1 元胞自動(dòng)機(jī)概述

1.1 元胞自動(dòng)機(jī)的定義

元胞自動(dòng)機(jī)是由馮·諾依曼在20世紀(jì)40年代首先提出的一種離散模型，其采用“自底而上”的方式，將地理空間劃分為一個(gè)一個(gè)的元胞單元，通過(guò)元胞單元之間的相互作用，利用循環(huán)的方式達(dá)到了元胞演化的目的。元胞自動(dòng)機(jī)是描述自然界復(fù)雜現(xiàn)象常用的工具，最初被用于模擬生命系統(tǒng)特有的自復(fù)制現(xiàn)象。元胞自動(dòng)機(jī)的組成可以分為四個(gè)部分，即元胞、元胞空間、鄰居及規(guī)則。

1.2 地理元胞自動(dòng)機(jī)

在地理元胞自動(dòng)機(jī)模型中，轉(zhuǎn)換規(guī)則包括三部分：全局轉(zhuǎn)換概率、鄰域影響概率和單元約束條件。此時(shí)的轉(zhuǎn)換規(guī)則只考慮了確定的客觀影響因素，并未考慮政策等不確定因素的影響。但是，在地理現(xiàn)象發(fā)展的過(guò)程中，國(guó)家政策、行政變化會(huì)對(duì)地理現(xiàn)象的變化造成重要影響，必須予以考慮。因此，在地理元胞自動(dòng)機(jī)模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則中引入隨機(jī)因子這一變量，加入政策等相關(guān)不確定因素，優(yōu)化元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

2 元胞自動(dòng)機(jī)和地理學(xué)問(wèn)題結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

20世紀(jì)80年代，元胞自動(dòng)機(jī)已開(kāi)始應(yīng)用于地理現(xiàn)象的演化模擬。元胞自動(dòng)機(jī)模型能通過(guò)簡(jiǎn)單的微觀局部規(guī)則揭示自然發(fā)生的宏觀行為，且元胞自動(dòng)機(jī)本身具有的強(qiáng)大的模擬、建模功能，使其能較好地應(yīng)用于地理學(xué)中復(fù)雜地理現(xiàn)象的研究。

2.1 強(qiáng)大的計(jì)算能力

元胞自動(dòng)機(jī)具有強(qiáng)大的復(fù)雜性計(jì)算能力，主要體現(xiàn)在在其完備的計(jì)算特性和突出的計(jì)算能力上。該特性使元胞自動(dòng)機(jī)在模擬自然災(zāi)害、環(huán)境影響及生態(tài)演變等復(fù)雜地理現(xiàn)象時(shí)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，成為模擬復(fù)雜地理現(xiàn)象的有力工具。

2.2 易于構(gòu)建模型

元胞自動(dòng)機(jī)模型具有時(shí)間離散性和空間離散性。而這一特征使元胞自動(dòng)機(jī)易于從概念模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)物理模型，進(jìn)而便于應(yīng)用計(jì)算機(jī)構(gòu)建模型。

2.3 應(yīng)用的廣泛性

元胞自動(dòng)機(jī)模型具有高度的靈活擴(kuò)展性，允許人們根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)對(duì)模型的各個(gè)組成部分進(jìn)行擴(kuò)展，建立獨(dú)有的擴(kuò)展模型。擴(kuò)展性的特點(diǎn)極大促進(jìn)了元胞自動(dòng)機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在地理學(xué)相關(guān)方面的研究中，元胞自動(dòng)機(jī)模型已經(jīng)成功地應(yīng)用在土地利用變化模擬、城市擴(kuò)展變化等各個(gè)方面。

2.4 易于技術(shù)集成

元胞自動(dòng)機(jī)具有空間離散性的特征，采用的是離散的網(wǎng)格模型。遙感、地理信息系統(tǒng)采用的柵格數(shù)據(jù)也是將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，兩者在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式上是一致的，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，便于技術(shù)的集成。在實(shí)際應(yīng)用中，將元胞自動(dòng)機(jī)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，元胞自動(dòng)機(jī)可以直接處理地理信息系統(tǒng)的柵格數(shù)據(jù)，利用自己強(qiáng)大的模擬、建模功能，生成模型結(jié)果。地理信息系統(tǒng)可以導(dǎo)入元胞自動(dòng)機(jī)的模型結(jié)果，利用自身的顯示功能顯示結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。

3 元胞自動(dòng)機(jī)在地理學(xué)各領(lǐng)域的應(yīng)用

元胞自動(dòng)機(jī)模型與地理學(xué)相結(jié)合就成為了地理元胞自動(dòng)機(jī)，充分利用了元胞自動(dòng)機(jī)模擬復(fù)雜時(shí)空動(dòng)態(tài)行為的功能。筆者通過(guò)分析元胞自動(dòng)機(jī)在地理學(xué)各領(lǐng)域的應(yīng)用，來(lái)研究復(fù)雜多變的地理現(xiàn)象。

3.1 元胞自動(dòng)機(jī)在城市擴(kuò)展中的應(yīng)用

城市擴(kuò)展研究是當(dāng)前城市研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。元胞自動(dòng)機(jī)因其強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力，可以有效地模擬城市擴(kuò)展的時(shí)空演化過(guò)程，成為學(xué)者研究城市擴(kuò)展的有力工具。

我國(guó)地理學(xué)界的研究重點(diǎn)集中在基于元胞自動(dòng)機(jī)的LUCC和城市增長(zhǎng)模擬方面[1]。馮永玖[2]等以上海市嘉定區(qū)為例進(jìn)行了模擬，利用遙感數(shù)據(jù)校正的logistic-CA數(shù)據(jù)模擬中小尺度的城市生長(zhǎng)和演化；尹長(zhǎng)林[3]等探討了元胞自動(dòng)機(jī)城市增長(zhǎng)模型對(duì)尺度的敏感性問(wèn)題，并以長(zhǎng)沙市為例進(jìn)行了實(shí)證研究；馬愛(ài)功[4]應(yīng)用元胞自動(dòng)機(jī)模型來(lái)模擬河谷型城市增長(zhǎng)；楊青生、黎夏[5]運(yùn)用多智能體和元胞自動(dòng)機(jī)結(jié)合來(lái)模擬城市用地?cái)U(kuò)展的方法。

3.2 元胞自動(dòng)機(jī)在模擬流行病傳播中的應(yīng)用

現(xiàn)有的模擬流行病的數(shù)學(xué)模型是建立在常微分方程的基礎(chǔ)上，該模型容易忽略傳播過(guò)程的局部特性，而元胞自動(dòng)機(jī)能夠有效地克服這一缺點(diǎn)。余雷[6]等通過(guò)建立元胞自動(dòng)機(jī)模型的方法，模擬疾病傳播的過(guò)程，并以SARS傳播過(guò)程為例進(jìn)行了實(shí)證研究。在此基礎(chǔ)上，考慮到人員移動(dòng)、及時(shí)就醫(yī)等影響因素，對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行了具體考察，提出了控制傳染病傳播的途徑。

3.3 元胞自動(dòng)機(jī)在交通方面的應(yīng)用

元胞自動(dòng)機(jī)因其離散性的特點(diǎn)，在交通流和交通網(wǎng)絡(luò)等方面的研究中得到了廣泛應(yīng)用。1983年，Wolf ram[7]提出了著名的元胞自動(dòng)機(jī)184模型。

3.4 元胞自動(dòng)機(jī)利用在空間數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)忽略了地理現(xiàn)象演變的時(shí)空差異性，模型模擬結(jié)果的精度受到了一定的限制?？滦吕?、邊馥苓[8]提出了基于空間數(shù)據(jù)挖掘的分區(qū)異步元胞自動(dòng)機(jī)模型，并以杭州市土地利用變化為例進(jìn)行了實(shí)證研究。

4 對(duì)地理元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究的反思

經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，元胞自動(dòng)機(jī)在地學(xué)研究中的應(yīng)用受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。隨著元胞自動(dòng)機(jī)理論研究的不斷深入，其在各個(gè)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，并取得了很多有意義的研究成果。同時(shí)，地理元胞自動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究還存在一些不足。

4.1 元胞自動(dòng)機(jī)模型與多智能體模型的集成研究不夠

元胞自動(dòng)機(jī)模型是由元胞、元胞空間、鄰居及規(guī)則構(gòu)成，缺乏主觀影響因素，沒(méi)有將“人”這一因素納入影響因素中。而智能體的出現(xiàn)較好地彌補(bǔ)了元胞自動(dòng)機(jī)的這一不足。智能機(jī)在遵循自組織功能的基礎(chǔ)上，包含了人類的主觀影響，較好地反映了人類的決策行為。因此，元胞自動(dòng)機(jī)與智能體技術(shù)的結(jié)合將是元胞自動(dòng)機(jī)模型以后的發(fā)展趨勢(shì)，也是今后的研究熱點(diǎn)。

4.2 技術(shù)集成有所欠缺

將元胞自動(dòng)機(jī)與遙感、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)相結(jié)合，是今后發(fā)展的趨勢(shì)。遙感、地理信息系統(tǒng)和元胞自動(dòng)機(jī)都可以處理動(dòng)態(tài)行為。將相關(guān)技術(shù)進(jìn)行集成，既能充分利用地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)處理、顯示的優(yōu)勢(shì)，還吸收了元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行時(shí)空分析的功能，但如何進(jìn)行技術(shù)的完美集成，將是今后突破的重點(diǎn)。

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