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1、精选优质文档-倾情为你奉上附件2 论文中英文摘要作者姓名：刘小平论文题目：地理模拟系统的构建及其在城市空间演化过程中的应用作者简介：刘小平，男，1978年9月出生，2004年9月师从于中山大学黎夏教授，于2008年6月获博士学位。中 文 摘 要地理信息系统(Geographic Information System, GIS)具有强大的空间分析功能，但这些功能主要集中在缓冲区分析、叠置分析、网络分析等。目前GIS在过程分析模型方面匮乏，对复杂空间系统建模和模拟时往往显得无能为力，尤其在过程建模方面具有较大的局限性，现有的功能已经不能满足当前地理研究和应用的需要。因此，地理学需要寻求一种新的理论
2、和技术来开展对地理复杂系统的过程研究。对地理复杂系统的研究不再仅仅局限于简单和静态的描述，更应该侧重于地理事物构成或地理现象产生的原因及演化过程。近几年，CA在对地理学的过程研究中取得了较好的成果，多智能体系统建模的方法也逐渐引起了地理学家的重视。但目前的研究还比较凌乱和分散，缺乏系统性和一般性，需要建立一个统一的地理复杂系统研究框架。因此，论文在元胞自动机、多智能体系统和GIS技术的基础上，提出了地理模拟系统的理论框架，并对其所涉及的研究内容、原理和方法进行了初步探讨。这可有助于解决当前GIS对地理复杂现象过程分析能力较弱的问题，帮助预测地理现象和事物的发展方向及演化过程。建立一个统一的地理
3、模拟框架体系，也能方便对地理过程进行系统的研究。地理模拟系统(Geographic Simulation System, GSS)是指在计算机软、硬件支持下，通过自下而上的虚拟模拟实验，对复杂系统(例如各种地理现象)进行模拟、预测、优化和显示的技术。它是探索和分析地理现象的格局形成和演变过程和进行知识发现的有效工具。地理模拟系统试图从微观入手，探索地理微观空间实体之间相互作用形成宏观地理格局的动态过程，是对目前GIS在过程模型功能不足的重要拓展。CA和多智能体系统是地理模拟系统的重要组成部分。地理模拟系统把CA和多智能体系统统一在同一个研究框架，有利于它们之间的优势互补。CA虽然强调了空间的微
4、观相互作用，但能动的微观个体在模型中似乎隔着一层面纱在起作用。纯粹的多智能体系统很难与空间信息相融合。将元胞自动机与多智能体系统结合起来，使其既具有元胞自动机空间自组织性又考虑了各智能个体的复杂空间决策行为，则可以为地理复杂系统的模拟提供一个全新的思路和方法。论文主要研究组成地理模拟系统的两大部分：地理元胞自动机和多智能体系统。希望通过这些研究，使得地理模拟系统可以作为地理信息系统的重要补充，逐步发展成一个较成熟的体系。在论文的第一部分，主要研究智能式的地理元胞自动机和城市规划元胞自动机模型。当研究区域较复杂时，传统的方法在确定CA模型结构和参数时有一定困难。论文提出智能式地理元胞自动机模型来
5、解决这个问题，即将智能式方法引入到CA模型中，自动、智能地获取模型参数值，以便快速及有效地建立城市CA模型。元胞自动机除了模拟现有的城市空间格局外，还可以用来设计结构更优化的城市空间格局。论文结合元胞自动机、GIS以及规划理论，发展了两种具有时空动态变化特点的土地利用规划模型：基于“生态位”的规划CA模型以及基于人工免疫系统的规划CA模型。规划CA模型作为启发式的动态规划工具，其机制是透明的。规划工作者能够模拟不同规划方案下城市未来的发展情景，从中选择最优的规划方案，使城市的发展具有可持续性，对指导城市规划有非常重要的意义。论文的第二部分在地理模拟系统的理论基础上，提出基于多智能体和元胞自动机
6、的城市演变模型、土地利用规划模型以及城市居民居住区位空间选择模型。这些模型包含局部个体相互作用的多智能体层、从GIS获取的环境因素层以及元胞自动机层。不同类型的多智能之间存在相互影响、信息交流、合作的关系，以达到共同理解和采取一定的行动影响其所处环境。而环境层的变化也反馈于多智能体层，多智能体层根据环境层的变化采取相应的措施和行动，以谋求双方关系达到平衡。这种模型将比单纯的CA模型更能反映复杂的人文因素及其与环境的相互作用。基于多智能体的城市模型以地理复杂系统中大量的微观个体为根本，对地理现象的演化过程进行动态模拟和研究，为地理复杂系统的研究提供了可控的虚拟实验环境。多智能体模型更加直观和易于
7、理解，能够从机理上揭示城市空间演化的规律，为城市理论的验证和探索提供了新的思想和工具。论文以经济增长迅速的珠江三角洲城市发展为例，在各种社会数据、空间数据以及地理信息系统的支撑下，利用地理模拟系统模拟和预测了该区域城市演变与土地利用的动态变化。同时，结合生态规划模型、城市理论、可持续发展理论，构建了系列城市和土地利用规划模型，并利用这些规划模型，模拟和预测了不同规划方案下珠江三角洲城市的发展情景，为珠江三角洲社会经济的发展，特别是为该区域土地资源的有效利用及可持续性发展提供了科学的决策依据。论文的主要研究成果如下：(1) 提出了以过程为核心的地理模拟系统理论框架。地理模拟系统可以弥补GIS较弱
8、的过程模拟能力的不足，是GIS的重要拓展，加强了传统GIS的表现力，有助于人们对地理表象之下的作用机制和交互过程的理解。地理模拟系统将CA和多智能体系统统一在同一个研究框架内，有利于它们之间的优势互补。(2) 转换规则是地理CA的核心，首次利用核学习机的方法获取CA转换规则。与其它方法有所区别的是：核学习机方法是从高维特征空间中获取CA的非线性转换规则；构建了基于案例推理(CBR)的CA模型，并对CBR的近邻算法进行了改进，使其能反映转换规则的时空动态性，从而使得CA模型适用于大区域城市群的模拟和预测；提出了基于群集智能的地理元胞自动机。使用智能式的方法获取有效的转换规则，该方法所提取的转换规
9、则毋需通过数学公式表达，能更方便和准确地描述自然界中的复杂关系，并且这些规则比数学公式更容易让人理解。(3) 建立了基于“生态位”的元胞自动机(CA)土地利用规划模型，探讨了如何通过“生态位”元胞自动机和GIS的结合进行城市土地可持续利用的规划，能够为城市规划提供决策支持; 提出了一种基于人工免疫系统的CA动态规划模型。该模型结合人工免疫系统、CA和GIS来对城市土地利用进行规划。对于不同的规划目标，分别设计相应的变异选择机制，抗体逐渐朝着规划目标“进化”，以达到实现规划方案的目的。根据模型的结构和输入参数，该模型可以模拟出各具特色的城市发展空间格局，规划者可以根据自己的目标选择最优的城市发展
10、模式，从而为城市和土地利用规划提供决策支持。(4) 提出一种较为完整的基于多智能体和元胞自动机的城市动态演化模型。模型除了包含局部个体相互作用的多智能体层外，还包含了从GIS获取的环境因素层。不同类型的多智能体之间存在相互影响、信息交流、合作的关系，以达到共同理解和采取一定的行动影响其所处环境。这种模型将比单纯的CA模型更能反映复杂的人文因素及其与环境的相互作用。(5) 根据环境经济学资源分配原理和可持续发展理论，提出结合多智能体及元胞自动机的微观规划模型，在时间和空间上合理分配及规划城市土地资源的利用，以避免浪费不可再生的土地资源。该模型由相互作用的多智能体层、元胞自动机层和环境因素层组成，
11、可方便地探索不同土地利用政策下城市土地利用发展情景，能够为城市规划提供有用的决策依据。(6) 提出了基于多智能体和元胞自动机的居住区位选择模型，旨在探索与模拟居民在居住选择过程中的复杂空间决策行为，以及居民之间、居民与地理环境的相互作用而导致城市居住空间分异的演化过程。(7) 以珠江三角洲为例，在地理模拟系统的理论框架上建立了系列城市演变和规划模型，通过运用这些模型，模拟和分析了珠江三角洲的城市空间演化问题。同时，将规划模型嵌入到地理模拟系统中，预测不同规划方案下珠江三角洲城市的发展情景，为该区域的城市规划和管理提供了理论依据和决策支持。关键词：地理模拟系统；元胞自动机；多智能体系统；城市空间
12、演化过程; 珠江三角洲专心-专注-专业Geographic Simulation Systems and the Applications to Urban Evolution ProcessLiu Xiaoping ABSTRACTGeographic Information Systems (GIS) is proved to be powerful for spatial analysis, such as buffering, overlay and networking, etc. However, GIS are currently plagued by a general lac
13、k of process analysis ability. Therefore, GIS have limitations in modeling and simulating complex spatial systems. The existing functions of GIS can not meet the demands of many geographic analyses and applications. As a result, a new geographic theory and technique should be explored for the study
14、of complex geographic systems. The studies on complex geographic systems are no longer confined to simple and static descriptions, which should focus on the evolution process of geographical phenomena. Recently, cellular automata (CA) have been successfully applied to the research on geographical pr
15、ocess with significant results. Multi-agent systems (MAS) have also gradually been attractive to many geographers. However, many of such studies appear to be un-systematized, scattered, and too general. Therefore, it is necessary to provide a conceptualized framework for the simulation of complex ge
16、ographic systems. Based on CA, MAS and the GIS techniques, a Geographic Simulation System (GSS) theoretical framework was established and further used to explore primarily its contents, principles and methodologies in this paper. The study aims to render help for complex processes analysis and evolution orientation predicting of geographic phenomena. Establishing a framework for geographic simulation will be more conve
