郭珂

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

關(guān)鍵詞：元胞自動機(jī)；地理學(xué)；研究綜述

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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 元胞自動機(jī)概述

1.1 元胞自動機(jī)的定義

元胞自動機(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一個的元胞單元，通過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。元胞自動機(jī)的組成可以分為四個部分，即元胞、元胞空間、鄰居及規(guī)則。

1.2 地理元胞自動機(jī)

在地理元胞自動機(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)展的過程中，國家政策、行政變化會對地理現(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 元胞自動機(jī)和地理學(xué)問題結(jié)合的優(yōu)勢

20世紀(jì)80年代，元胞自動機(jī)已開始應(yīng)用于地理現(xiàn)象的演化模擬。元胞自動機(jī)模型能通過簡單的微觀局部規(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)大的計算能力

元胞自動機(jī)具有強(qiáng)大的復(fù)雜性計算能力，主要體現(xiàn)在在其完備的計算特性和突出的計算能力上。該特性使元胞自動機(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)象時具有巨大的優(yōu)勢，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

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

2.3 應(yīng)用的廣泛性

元胞自動機(jī)模型具有高度的靈活擴(kuò)展性，允許人們根據(jù)研究對象的特點(diǎn)對模型的各個組成部分進(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)了元胞自動機(jī)在各個領(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)展變化等各個方面。

2.4 易于技術(shù)集成

元胞自動機(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，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，便于技術(shù)的集成。在實際應(yīng)用中，將元胞自動機(jī)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，元胞自動機(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)而實現(xiàn)兩者的結(jié)合。

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

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

3.1 元胞自動機(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)問題。元胞自動機(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)展的時空演化過程，成為學(xué)者研究城市擴(kuò)展的有力工具。

我國地理學(xué)界的研究重點(diǎn)集中在基于元胞自動機(jī)的LUCC和城市增長模擬方面[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和演化；尹長林[3]等探討了元胞自動機(jī)城市增長模型對尺度的敏感性問題，并以長沙市為例進(jìn)行了實證研究；馬愛功[4]應(yīng)用元胞自動機(jī)模型來模擬河谷型城市增長；楊青生、黎夏[5]運(yùn)用多智能體和元胞自動機(jī)結(jié)合來模擬城市用地擴(kuò)展的方法。

3.2 元胞自動機(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程的局部特性，而元胞自動機(jī)能夠有效地克服這一缺點(diǎn)。余雷[6]等通過建立元胞自動機(jī)模型的方法，模擬疾病傳播的過程，并以SARS傳播過程為例進(jìn)行了實證研究。在此基礎(chǔ)上，考慮到人員移動、及時就醫(yī)等影響因素，對各個影響因素進(jìn)行了具體考察，提出了控制傳染病傳播的途徑。

3.3 元胞自動機(jī)在交通方面的應(yīng)用

元胞自動機(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機(jī)184模型。

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

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

4 對地理元胞自動機(jī)應(yīng)用研究的反思

經(jīng)過30年的發(fā)展，元胞自動機(jī)在地學(xué)研究中的應(yīng)用受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。隨著元胞自動機(jī)理論研究的不斷深入，其在各個領(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，地理元胞自動機(jī)的應(yīng)用研究還存在一些不足。

4.1 元胞自動機(jī)模型與多智能體模型的集成研究不夠

元胞自動機(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，元胞自動機(jī)與智能體技術(shù)的結(jié)合將是元胞自動機(jī)模型以后的發(fā)展趨勢，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。遙感、地理信息系統(tǒng)和元胞自動機(jī)都可以處理動態(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，還吸收了元胞自動機(jī)進(jìn)行時空分析的功能，但如何進(jìn)行技術(shù)的完美集成，將是今后突破的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]柯新利，邊馥苓.地理元胞自動機(jī)研究綜述[J].咸寧學(xué)院學(xué)報，2009（3）：103-106.

[2]馮永玖，劉妙龍，韓震.集成遙感和GIS的元胞自動機(jī)城市生長模擬——以上海市嘉定區(qū)為例[J].長江流域資源與環(huán)境，2011（1）：9-13.

[3]尹長林，張鴻輝.元胞自動機(jī)城市增長模型的空間尺度特征分析[J].測繪科學(xué)，2008（5）：78-81.

[4]馬愛功.基于元胞自動機(jī)的河谷型城市擴(kuò)展研究——以蘭州市為例[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2009.

[5]楊青生，黎夏.多智能體與元胞自動機(jī)結(jié)合及城市用地擴(kuò)張模擬[J].地理科學(xué)，2007（4）：542-548.

[6]余雷，薛惠鋒.基于元胞自動機(jī)的傳染病傳播模型研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2007（2）：196-198.

[7] Wolfram S.Statistical mechanics of cellular automata[J]. Rev Mod Phys， 1983（55）：601-644.

[8]柯新利，邊馥苓.基于空間數(shù)據(jù)挖掘的分區(qū)異步元胞自動機(jī)模型研究[J].中國圖象圖形學(xué)報，2010（6）：921-930.