賀增紅
摘 ?要 ?土地利用/覆被變化是在自然、社會和人類決策者的時空多尺度綜合作用下發(fā)生的,具有高度的復(fù)雜性。基于復(fù)雜系統(tǒng)理論并以土地使用決策者為核心的智能體模型對于描述人地關(guān)系中的“人本”思想和復(fù)雜交互具有重要的意義。文章在對基于智能體模型的內(nèi)涵以及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,指出目前智能體模型的發(fā)展主要面臨三個方面的問題:數(shù)據(jù)可獲得性、行為建模的制約以及模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證。綜合目前研究的進(jìn)展與面臨的問題,提出了基于智能體模型的發(fā)展趨勢:(1)大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘;(2)多角度探索決策規(guī)則;(3)創(chuàng)新校準(zhǔn)和驗(yàn)證方法。
關(guān)鍵詞 ?智能體模型;模型問題;發(fā)展趨勢
中圖分類號:F301.24 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
Abstract: Land use/cover change occurs under the combined effects of natural, social and human decision makers in time and space, with a high degree of complexity. The agent model based on complex system theory and based on land use decision makers is of great significance for describing the "human-centered" thinking and complex interaction in human-land relationship. Based on the analysis of the content of the agent-based model and the application field, the paper points out that the development of the agent model mainly faces three challenges: data availability, behavioral modeling constraints, and model calibration and verification. Based on the current research progress and challenges, the development trend based on agent model is proposed: (1) big data and data value mining; (2) multi-angle exploration decision rules; (3) innovation calibration and verification methods.
Keywords: agent-based model; model challenges; model prospects
土地利用/覆被變化(Land use/Cover change, LUCC)系統(tǒng)是社會生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對全球氣候變化、生物多樣性以及可持續(xù)性發(fā)展等具有重要影響。因此,通過一定的方式獲得對LUCC的認(rèn)知極為重要。模型模擬是常見的認(rèn)知客觀世界的手段,模型的描述解釋能力可以提高人們對土地變化系統(tǒng)起因、過程和結(jié)果的理解,而模型的預(yù)測能力則能夠?yàn)楦侠淼耐恋乩锰峁┙ㄗh。LUCC是在生物物理因素、社會經(jīng)濟(jì)因素與土地使用者的多時空尺度下綜合作用形成的,具有高度的復(fù)雜性。因此,模型模擬需要考慮多重驅(qū)動因素以及因素之間的關(guān)聯(lián)作用,以解釋土地系統(tǒng)的復(fù)雜性問題。傳統(tǒng)的LUCC模型多以經(jīng)濟(jì)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理學(xué)等學(xué)科的理論為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建,并在土地覆被類型變化的數(shù)量和空間位置的模擬預(yù)測上成效顯著。然而,這些模型對土地使用決策者的重視不足,對土地變化系統(tǒng)的多尺度與層次以及復(fù)雜反饋關(guān)系的分析也較為欠缺,導(dǎo)致對實(shí)際土地變化系統(tǒng)的模擬能力一般。因此需要更好的方法來深入理解土地變化系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)理論作為復(fù)雜性科學(xué)的一部分,能夠?qū)ο到y(tǒng)的無序性、動態(tài)性以及多層次耦合性等特性進(jìn)行描述,可以對土地系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行很好的描述[1]。而基于智能體的模型(Agent-Based Model, ABM)是描述復(fù)雜系統(tǒng)的重要手段,能夠?yàn)橥恋刈兓到y(tǒng)的微觀模擬和復(fù)雜性研究提供新的思路。文章從介紹ABM的基本內(nèi)涵及在LUCC研究的適用性出發(fā),分析該模型在LUCC應(yīng)用中面臨的問題,并以此為基礎(chǔ),對模型發(fā)展前景進(jìn)行展望,以期為基于智能體的模型在土地利用/覆被變化系統(tǒng)中的研究(ABM/LUCC)提供思路。
1 ?ABM的內(nèi)涵與應(yīng)用
1.1 ABM的內(nèi)涵
ABM是在復(fù)雜系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上對微觀實(shí)體的行為機(jī)制進(jìn)行研究,其模擬的對象是agent,可以稱為智能體、代理或者主體等,文中采用智能體進(jìn)行表述。智能體可以是個人、家庭、政府等社會組織結(jié)構(gòu)中的任何層次,不同的層次代表著各自在土地使用中所擁有的決策能力。因此可以在多個尺度上研究系統(tǒng),并且可以將各部分以不同比例規(guī)定整合成一個整體。ABM模型通過對智能體的異構(gòu)決策和行為進(jìn)行模擬,從而解釋土地系統(tǒng)內(nèi)部微觀主體作用下導(dǎo)致的變化現(xiàn)象,一般由智能體、對象、環(huán)境和決策規(guī)則四部分構(gòu)成[2]。智能體所表示的行為主體通常具有自主性、異質(zhì)性、適應(yīng)性和學(xué)習(xí)能力等特性[3],從而對目標(biāo)進(jìn)行決策。目標(biāo)對象則是智能體所作用的客觀事物,不同層次的智能體所能決策的對象的屬性不同。環(huán)境指智能體和對象所在的空間范圍,包括社會環(huán)境和物理環(huán)境兩部分,社會環(huán)境一般指社區(qū)等具有人文色彩的區(qū)域,物理環(huán)境表示地形等自然因素。決策規(guī)則用來解釋智能體作用于對象和環(huán)境時的方式、狀態(tài)和能力等屬性以及三者之間的復(fù)雜交互關(guān)系。
智能體模型在LUCC研究中具備以下優(yōu)勢。首先它能夠模擬實(shí)體的屬性和行為以及實(shí)體之間的相互作用,并通過自下而上的模擬方式將微觀決策與宏觀現(xiàn)象關(guān)聯(lián)起來,而這種對微觀行為主體的模擬是傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型所欠缺的[4]。其次,ABM/LUCC能夠?qū)⑸鐣^程和非經(jīng)濟(jì)因素如政策規(guī)劃、受教育程度等納入決策,考慮智能體所處的社會背景因素,從而實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的模擬。最后,ABM具備連接社會和環(huán)境過程的能力,能夠?qū)⒉煌瑢哟沃悄荏w對環(huán)境的影響以及環(huán)境對智能體的反饋?zhàn)饔酶玫谋磉_(dá)出來,凸顯社會組織結(jié)構(gòu)的層次與LUCC空間變化尺度的交互。使用智能體作為模擬的基本單元,其弊端在于將智能體的行為與空間區(qū)域聯(lián)系起來存在困難,并且難以充分表現(xiàn)空間行為。雖然這個問題的一部分與數(shù)據(jù)可用性有關(guān),但將基于柵格的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P椭械目臻g分析與ABM中社會結(jié)構(gòu)的層次相結(jié)合可較好地表示空間和社會組織[5]。
1.2 ABM/LUCC應(yīng)用研究
盡管ABM模型在土地變化科學(xué)的模擬中有著巨大的優(yōu)勢,但并不是所有的模擬過程都需要用到智能體模型,一般適用于需要突出人類主體作用或者可能出現(xiàn)突發(fā)現(xiàn)象的情況[6]。此時,個體的行為是非線性的,表現(xiàn)出路徑依賴、遲滯、非馬爾科夫行為或?qū)W習(xí)和適應(yīng)等時間相關(guān)性,統(tǒng)計(jì)學(xué)方法難以全面刻畫這些行為,只能通過閾值設(shè)定、規(guī)則制定或者非線性耦合等進(jìn)行解釋。
在應(yīng)用領(lǐng)域方面,ABM/LUCC主要應(yīng)用于城市LUCC模擬、農(nóng)業(yè)LUCC模擬和自然資源管理應(yīng)用模擬[7]。城市LUCC中個體屬性的差異以及個體之間的交互反饋關(guān)系能夠?qū)Τ鞘行螒B(tài)變化與城市土地利用變化產(chǎn)生影響。如周淑麗等[8]采用城市土地利用現(xiàn)狀圖,構(gòu)建了矢量多智能體城市擴(kuò)張動態(tài)模型,將模型應(yīng)用于廣州市番禺區(qū),模擬了其2003-2008年城市擴(kuò)張情況,并取得85.83%的較好總體精度。大多數(shù)農(nóng)業(yè)LUCC模擬的智能體以農(nóng)戶為例,模擬農(nóng)戶決策對農(nóng)村土地利用變化、區(qū)位選擇或者生態(tài)環(huán)境變化的影響。如彭金金等[9]以武漢市黃陂區(qū)為例,構(gòu)建智能體模型對農(nóng)村居民點(diǎn)的分布進(jìn)行空間優(yōu)化配置以提高分布狀況的整體適宜性,模擬結(jié)果優(yōu)于粒子群優(yōu)化和遺傳算法的模擬結(jié)果,驗(yàn)證了智能體模型在空間優(yōu)化配置研究方面的適用性。在自然資源管理應(yīng)用方面,ABM應(yīng)用于各類型自然資源的管理。如Elsawah等[10]將基于智能體的模型與社會生態(tài)模型相結(jié)合,應(yīng)用于南澳大利亞葡萄灌溉用水分析,最終表明決策者在多學(xué)科知識的支持下顯著提高了灌溉用水決策能力。總體而言,運(yùn)用ABM模型在模擬非線性土地變化系統(tǒng)或者描述智能體的主體作用時,可以取得較好的模擬結(jié)果。
2 ?ABM發(fā)展面臨的問題
ABM是研究復(fù)雜土地變化系統(tǒng)的重要工具,可以對微觀土地變化現(xiàn)象及過程做出合理的描述和解釋。但分析目前的案例研究可以發(fā)現(xiàn)智能體模型在LUCC研究中主要在三個方面存在問題:數(shù)據(jù)可獲得性、行為建模以及模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證。
2.1 數(shù)據(jù)可獲得性
數(shù)據(jù)是LUCC分析的基礎(chǔ),ABM使用的數(shù)據(jù)主要有定性和定量兩種類型。定性數(shù)據(jù)包含使用文本/單詞表示的信息,一般通過訪談等方式獲取。定量數(shù)據(jù)包含可以數(shù)字化的信息。ABM/LUCC的數(shù)據(jù)問題主要表現(xiàn)再數(shù)據(jù)欠缺和數(shù)據(jù)尺度轉(zhuǎn)換。
(1)數(shù)據(jù)欠缺。微觀尺度上的LUCC模擬一般需要高清影像圖和更為詳實(shí)的社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),而高清影像圖較為難以獲取,且獲取成本高,這在進(jìn)行農(nóng)村區(qū)域LUCC模擬時尤為明顯。此外,在通常情況下不可能為個人或者集體行為收集長時間序列數(shù)據(jù),收集這些數(shù)據(jù)的頻率和時長等都是需要考慮的問題,而這些數(shù)據(jù)對于智能體屬性的描述很關(guān)鍵。最后,已有研究的調(diào)查數(shù)據(jù)通常將智能體視為孤立的個體[11],忽視了智能體之間的相互影響。
(2)數(shù)據(jù)尺度轉(zhuǎn)換。指與一個分析單元相關(guān)的數(shù)據(jù)可以被拆散并重新聚合到另一個單元以實(shí)現(xiàn)多尺度LUCC模擬,例如社區(qū)的決策行為所需數(shù)據(jù)可應(yīng)用于更高級別的城市規(guī)劃模擬。由于ABM數(shù)據(jù)基本上是個體級別的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)較為龐雜,在進(jìn)行更高級別的模擬時,如何從個體級別的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生更高層次的行為描述數(shù)據(jù)是需要面對的問題。
2.2 行為建模的制約
智能體的行為建模是ABM集中研究的問題。智能體通過決策規(guī)則來對其行為和屬性進(jìn)行模擬,規(guī)則的定義是基于決策社會結(jié)構(gòu)而非地理空間位置。在決策規(guī)則制定過程中,智能體異質(zhì)性與關(guān)聯(lián)性以及環(huán)境差異性都會成為其制約因素。
(1)智能體異質(zhì)性與關(guān)聯(lián)性。由于社會背景、地理環(huán)境以及自身認(rèn)知水平等的差異,不同的智能體會有迥異的行為偏好和執(zhí)行力,從而產(chǎn)生決策的顯著差異。其次,智能體之間具有關(guān)聯(lián)性。智能體的決策行為會影響到周圍其他智能體的行為選擇,同時也會受到其他智能體的影響,形成智能體間的相互作用關(guān)系,這種相互作用的范圍可能受到空間距離的影響。當(dāng)需要研究更高層次的集體決策時,還需要對多智能體的行為一致性進(jìn)行描述,詳細(xì)規(guī)模流程的匯總并不能直接產(chǎn)生更高級別流程的合適表述,如何將各自分散的行為整合到一個框架內(nèi)以描述集體行為是需要深入研究的問題。此外,智能體通常具有自組織、自適應(yīng)能力,可以根據(jù)環(huán)境變化和自身學(xué)習(xí)來對其決策能力以及與其他智能體的關(guān)系進(jìn)行更新。
(2)環(huán)境差異性。智能體所處的物理環(huán)境也具有差異性,任何地點(diǎn)的環(huán)境都具有相關(guān)的狀態(tài),如土壤質(zhì)量。模型中的環(huán)境實(shí)體也可能有自己的動態(tài)變化特征,描述它們?nèi)绾坞S時間變化而不依賴于智能體行為并且因智能體行為而變化,例如森林增長或環(huán)境變化的其他方面。
智能體的特性以及智能體與環(huán)境之間的交互構(gòu)成了復(fù)雜的交錯關(guān)系,導(dǎo)致土地變化系統(tǒng)中常見的非線性、路徑依賴和遲滯等現(xiàn)象,給決策規(guī)則的制定帶來了困難,需要考慮如何設(shè)計(jì)和參數(shù)化決策規(guī)則來模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為和交互。簡單的決策規(guī)則可以用“if-then”規(guī)則或一些簡單的數(shù)學(xué)方程來表示,但這對智能體的異質(zhì)性和關(guān)聯(lián)性解釋能力不足。因此,復(fù)雜的方法如線性規(guī)劃、MP-MAS、多元回歸、決策樹和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等被用來模擬決策規(guī)則,實(shí)現(xiàn)更接近行為主體的模擬。近期的研究中多引入其他學(xué)科的理論方法如心理學(xué)模型來完善agent行為描述。
2.3 模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證
模型校準(zhǔn)通常是對參數(shù)敏感性和結(jié)果的不確定性進(jìn)行分析,以此確定模型中哪些參數(shù)對模型輸出的影響最小或者說哪些參數(shù)影響了輸出結(jié)果的多變性[12]?,F(xiàn)有ABM一般使用標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)、元建模或者基于方差的分解來進(jìn)行校準(zhǔn),盡管這些方法已經(jīng)取得了一定成功,但由于智能體模型交互的非線性、輸出分布的非正態(tài)性和可變相互依賴性等對模型的敏感性分析提出了新的問題,適應(yīng)更復(fù)雜模擬研究的新的校準(zhǔn)方法值得研究。模型的驗(yàn)證將使決策者和模型結(jié)果的其他用戶了解模型結(jié)果的可靠性,并為模型改進(jìn)提供思路。現(xiàn)有的ABM驗(yàn)證常被忽略,已有的驗(yàn)證方法基本上是比較仿真結(jié)果與真實(shí)世界觀察結(jié)果或者專家預(yù)期進(jìn)行比較,驗(yàn)證方法較為簡單,采取更加科學(xué)有效的方法對模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)是ABM研究需要解決的難點(diǎn)之一。
3 ?ABM發(fā)展趨勢
3.1 大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘
已有ABM/LUCC研究一般通過高分辨率遙感影像確定智能體的位置屬性,使用社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或樣本調(diào)查數(shù)據(jù)解釋社會屬性,其它輔助數(shù)據(jù)如地形圖等描述環(huán)境[13]。這些數(shù)據(jù)難以精細(xì)地描述智能體個體的屬性和行為,會導(dǎo)致模擬結(jié)果不確定性增加。伴隨著隨身設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)等的發(fā)展,多源異構(gòu),動態(tài)增長且分布廣泛的時空大數(shù)據(jù)不斷產(chǎn)生。時空大數(shù)據(jù)可描述實(shí)體屬性在空間、時間和決策者維度作用下的變化,能夠?qū)gent個體的屬性與行為進(jìn)行很好的解釋。將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于智能體行為規(guī)則的構(gòu)建中是提高ABM模擬精度和真實(shí)性有效手段。但在取得數(shù)據(jù)權(quán)限的前提下,仍需注意以下兩個問題:(1)從海量數(shù)據(jù)中提取嵌入數(shù)據(jù)的關(guān)鍵關(guān)系。需要考慮使用合適的方法來深入數(shù)據(jù)內(nèi)部,提取出有價(jià)值的數(shù)據(jù)用于agent屬性描述及規(guī)則構(gòu)建。(2)提高數(shù)據(jù)處理能力。大規(guī)模復(fù)雜智能體的仿真應(yīng)用,仿真運(yùn)行速度已成為其重要的制約因素。
3.2 多角度探索決策規(guī)則
ABM決策規(guī)則的構(gòu)建從簡單的啟發(fā)式到基于經(jīng)驗(yàn)的模型再到社會心理學(xué)模型等的引入,規(guī)則制定愈加符合人類行為模式,模型模擬結(jié)果的真實(shí)性得到提升。然而,當(dāng)前多數(shù)研究的決策規(guī)則仍是以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來制定,未能有效探索智能體決策背后的驅(qū)動因素以及因素之間的交錯關(guān)聯(lián)。Smajgl等[14]為ABM中人類決策的參數(shù)化提出了一個框架:基于建模背景,在模型構(gòu)建中的不同步驟進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)方法組合。在之后的研究中,可以參考該框架,以多學(xué)科知識進(jìn)行模塊化建模,從不同學(xué)科視角來分析agent行為背后的驅(qū)動因素,從而更好的構(gòu)建agent決策規(guī)則,有效控制輸出結(jié)果的多變性。
3.3 創(chuàng)新校準(zhǔn)和驗(yàn)證方法
ABM模型因決策規(guī)則構(gòu)建的復(fù)雜性以及微觀層面數(shù)據(jù)的缺乏,給模型的參數(shù)化和校準(zhǔn)帶來了很大的困難?,F(xiàn)有校準(zhǔn)方法在分析簡單的ABM時更為有效,校準(zhǔn)復(fù)雜ABM甚至混合模型時的有效性值得考量,探索更合理的校準(zhǔn)方法以分析參數(shù)的敏感性和結(jié)果的不確定性是必然趨勢,結(jié)合研究區(qū)自然與人文背景調(diào)參并進(jìn)行多方法校準(zhǔn)是當(dāng)前可行的方向。目前ABM驗(yàn)證驗(yàn)證方法均是針對模擬結(jié)果的評估,缺乏對模擬過程合理性的驗(yàn)證。發(fā)展面向模擬過程的評估方法是需要面對的難題,可能的方式是在確定ABM模擬復(fù)雜度的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同尺度與層次的多次驗(yàn)證,此時可以參考ODD(Overview, Design concept, and Details)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[15],該協(xié)議可以幫助學(xué)者識別ABM的主要屬性和過程,從而確定模型構(gòu)建和分析中的復(fù)雜度。
4 ?結(jié)語
基于智能體的模型可以很好地模擬土地利用/覆被變化過程中微觀主體屬性和行為,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛯ν恋貨Q策者和多因素復(fù)雜交互關(guān)系的忽視。近年來,ABM已經(jīng)在LUCC模擬中取得了廣泛的應(yīng)用,但其仍面臨數(shù)據(jù)可獲得性、智能體行為建模以及模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證三個方面的問題,需要進(jìn)一步對其進(jìn)行完善。在現(xiàn)有文獻(xiàn)閱讀分析的基礎(chǔ)上,文章提出ABM可以通過將大數(shù)據(jù)引入模型分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、多角度探索決策規(guī)則以及校驗(yàn)方法的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)的模擬。
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