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地理模拟系统:地理过程分析与知识发现的新工具

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  长期以来,许多地理学家一直渴望提高地理学的科学性,试图像许多具有坚实理论基础的学科一样,对地理学的一些理论及现象进行精密的实验、严谨的分析和推理,从而获得逻辑性较强的结论。然而,地理学研究的对象——地理系统是一个自然、社会、经济相互作用的复合和开放的复杂巨系统。这就决定了难以用数学方程式来解释自然界的复杂地理现象。由于缺乏有效的数学工具和系统的实验手段,将地理学变为像物理、化学等具有坚实的理论体系的学科建设显得困难重重。

  计算机的发明拉开了人类进入空间时代与信息社会的序幕,而地理信息则成为地理学研究的最重要对象之一。20世纪60年代中期,Tomlinson和他的同事们,为了应用计算机技术对自然资源进行管理和规划,发展了第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统(CGIS)。此后,随着计算机技术的不断拓展和GIS本身的发展,GIS进入复杂的空间分析阶段,能用来解决地理学传统模型中的复杂空间分析问题。地理信息系统的提出和发展是现代地理学的一次重要革命,是计算机技术和地理学方法相结合的产物,从而使地理学由定性的描述转向定量的观测和分析。90年代,Goodchild提出了地理信息科学的概念。认为与地理信息系统相比较,地理信息科学更加侧重于将地理信息视为一门科学,而不仅仅是一门技术实现。研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本理论问题和技术问题。

  尽管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在空间分析模型方面匮乏,在复杂空间系统建模和模拟时往往显得无能为力。现有的功能已经不能满足当前地理研究和应用的需要。地理学研究的对象——地理空间系统是一个时空动态变化的复杂巨系统,GIS虽然能较好地解决部分空间分析问题,但它往往只能提供静态的分析工具,对复杂的地理现象难以模拟和解释,较难完整地分析地理对象之间的相互影响。由于GIS主要是提供支持建模的计算环境,在过程建模方面具有较大的局限性,因此,地理学需要寻求一种新的理论和技术来开展对地理复杂空间系统的过程研究。

  因此,我们提出了地理模拟系统(Geographical Simulation Systems,即GSS)的新观念。GSS的核心技术是元胞自动机、多智能体系统、地理信息系统和计算机科学。GSS提供了强有力的虚拟模拟实验的环境,为复杂地理现象的模拟、预测、优化提供了有效手段。它能有效地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,将是对目前GIS在过程模型功能不足的主要拓展。

  地理空间系统是一个由多要素共同作用的,自然、社会和经济复合的,整体开放的复杂巨系统。许多地理现象都具有非平衡性、多尺度性、不确定性、自相似性、层次性、随机性和交互性等复杂性现象的特征。传统的地理学研究方法和技术手段已经不能有效地解释这些复杂性现象,因为它们基本上以线性的静态理论作为根本,关注的只是静态或比较静态的空间均衡问题,这与地理复杂现象是相悖的。此外,传统的地理学研究方法往往从宏观入手,强调地域性及综合性,极少从系统内部微观的层次出发,以一种进化的、涌现的角度来理解地理复杂系统的演化过程,而微观个体的行为可能恰好是造成整个空间系统复杂性的根源。

  随着地理学的发展,对地理空间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。我们由此提出地理模拟系统(GSS)的概念,以解决当前GIS对地理空间系统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。GSS是指在计算机软、硬件支持下,通过虚拟模拟实验,对复杂系统(例如各种地理现象)进行模拟、预测、优化、分析和显示的系统,是探索和分析地理现象的格局、过程、演变及知识发现的有效工具。GIS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。

  地理模拟系统要更好地表达和模拟地理空间系统,还必须与GIS、遥感、计算科学及计算机技术结合起来。例如,地理模拟系统可以直接利用现有的遥感或栅格空间数据,模拟的结果也可以直接转入到空间数据库进行分析。此外,GIS强大的图形显示功能也能够帮助地理模拟系统将模拟结果很好的展现出来。

  地理模拟系统采取的是离散个体模型,计算机也是建立在离散数学基础上的,这使得地理模拟系统非常容易利用计算机来构建模型。计算科学的发展保障了地理模拟系统得以实现。计算科学的面向对象思想和方法为地理复杂系统的模拟提供了简单有效的途径。面向对象把系统看作是由相互作用的对象组成,对象与现实世界中真实的实体相映射,提高了模拟模型的可理解性、可扩充性和模块性。

  综合以上的分析,可以得出这样一个结论:地理模拟系统是综合地理学、复杂系统理论、地理信息科学、元胞自动机、多智能体系统、地理信息系统、遥感、计算科学及计算机为一体的复杂空间模拟系统(图1),它用于地理复杂系统的研究不仅非常合理,还具备其它传统地理模型所不具有的优势。

  


  地理模拟系统能够很好地与GIS进行耦合,并且这种耦合能够相互弥补各自的缺陷。GIS能够为地理模拟系统提供丰富的空间信息,并作为其空间数据处理的平台。GIS还可以及时显示和反馈地理模拟系统在各种情景下的模拟效果。更为重要的是,GIS还能对模拟结果进行空间分析和评价。而地理模拟系统则大大弥补了GIS较弱的过程模拟能力的不足。所以,在很大程度上,地理模拟系统是GIS的重要拓展。图2显示了地理模拟系统与地理信息系统的关系。

  


  许多地理现象的时空动态发展过程往往比其最终形成的空间格局更为重要,譬如城市扩展、疾病扩散、火灾蔓延、人口迁移、经济发展、沙漠化、洪水淹没等。只有清楚地了解了地理事物的发展过程,才能够对其演化机制进行深层次的剖析,才能获取地理现象变化的规律。因此,时空动态模型对研究地理系统的复杂性具有非常重要的作用,GSS则能够为地理研究提供一种十分有效的过程分析模型。

  目前,地理模拟系统在研究动态复杂地理现象方面取得了一系列可喜的成绩,特别是地理元胞自动机模型(可以称之为第一代地理模拟系统),在城市扩展、土地利用变化、疾病扩散、火灾蔓延、沙漠化、洪水淹没等具有空间自组织性的地理现象方面取得了十分有意义的研究成果。地理多智能体系统作为第二代地理模拟系统,由于具有适应性、交互性、主动性,也许在人口迁移、交通控制、紧急事件的地理疏散、环境资源管理、生态安全、公共设施动态选址、城市规划及可持续发展等涉及到决策、战略、政策方面的研究上更具有优势。当然,如果能够把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多智能体系统各主体的复杂空间决策行为,则可以为地理复杂空间系统的模拟提供一个全新的思路和方法。(中山大学地理科学与规划学院 黎夏 刘小平)

  

  

  


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