元胞自動機在地理學中的應用綜述

郭珂

摘 要：由于元胞自動機在模擬空間復雜系統的時空演變方面具有巨大的優勢，因此，經常被用于復雜系統的建模與模擬。元胞自動機與地理學結合有較強的優勢，通過分析元胞自動機在地理學各領域的應用現狀，提出了現階段元胞自動機存在的不足之處。

關鍵詞：元胞自動機；地理學；研究綜述

中圖分類號：P208 文獻標識碼：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 元胞自動機概述

1.1 元胞自動機的定義

元胞自動機是由馮·諾依曼在20世紀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，利用循環的方式達到了元胞演化的目的。元胞自動機是描述自然界復雜現象常用的工具，最初被用于模擬生命系統特有的自復制現象。元胞自動機的組成可以分為四個部分，即元胞、元胞空間、鄰居及規則。

1.2 地理元胞自動機

在地理元胞自動機模型中，轉換規則包括三部分：全局轉換概率、鄰域影響概率和單元約束條件。此時的轉換規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，在地理現象發展的過程中，國家政策、行政變化會對地理現象的變化造成重要影響，必須予以考慮。因此，在地理元胞自動機模型的轉換規則中引入隨機因子這一變量，加入政策等相關不確定因素，優化元胞轉化規則。

2 元胞自動機和地理學問題結合的優勢

20世紀80年代，元胞自動機已開始應用于地理現象的演化模擬。元胞自動機模型能通過簡單的微觀局部規則揭示自然發生的宏觀行為，且元胞自動機本身具有的強大的模擬、建模功能，使其能較好地應用于地理學中復雜地理現象的研究。

2.1 強大的計算能力

元胞自動機具有強大的復雜性計算能力，主要體現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在模擬自然災害、環境影響及生態演變等復雜地理現象時具有巨大的優勢，成為模擬復雜地理現象的有力工具。

2.2 易于構建模型

元胞自動機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易于從概念模型轉換為計算機物理模型，進而便于應用計算機構建模型。

2.3 應用的廣泛性

元胞自動機模型具有高度的靈活擴展性，允許人們根據研究對象的特點對模型的各個組成部分進行擴展，建立獨有的擴展模型。擴展性的特點極大促進了元胞自動機在各個領域的廣泛應用。在地理學相關方面的研究中，元胞自動機模型已經成功地應用在土地利用變化模擬、城市擴展變化等各個方面。

2.4 易于技術集成

元胞自動機具有空間離散性的特征，采用的是離散的網格模型。遙感、地理信息系統采用的柵格數據也是將空間分割成有規則的網格，兩者在數據結構形式上是一致的，可以實現數據的共享，便于技術的集成。在實際應用中，將元胞自動機與地理信息系統相結合，元胞自動機可以直接處理地理信息系統的柵格數據，利用自己強大的模擬、建模功能，生成模型結果。地理信息系統可以導入元胞自動機的模型結果，利用自身的顯示功能顯示結果，進而實現兩者的結合。

3 元胞自動機在地理學各領域的應用

元胞自動機模型與地理學相結合就成為了地理元胞自動機，充分利用了元胞自動機模擬復雜時空動態行為的功能。筆者通過分析元胞自動機在地理學各領域的應用，來研究復雜多變的地理現象。

3.1 元胞自動機在城市擴展中的應用

城市擴展研究是當前城市研究的熱點問題。元胞自動機因其強大的空間運算能力，可以有效地模擬城市擴展的時空演化過程，成為學者研究城市擴展的有力工具。

我國地理學界的研究重點集中在基于元胞自動機的LUCC和城市增長模擬方面[1]。馮永玖[2]等以上海市嘉定區為例進行了模擬，利用遙感數據校正的logistic-CA數據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城市增長模型對尺度的敏感性問題，并以長沙市為例進行了實證研究；馬愛功[4]應用元胞自動機模型來模擬河谷型城市增長；楊青生、黎夏[5]運用多智能體和元胞自動機結合來模擬城市用地擴展的方法。

3.2 元胞自動機在模擬流行病傳播中的應用

現有的模擬流行病的數學模型是建立在常微分方程的基礎上，該模型容易忽略傳播過程的局部特性，而元胞自動機能夠有效地克服這一缺點。余雷[6]等通過建立元胞自動機模型的方法，模擬疾病傳播的過程，并以SARS傳播過程為例進行了實證研究。在此基礎上，考慮到人員移動、及時就醫等影響因素，對各個影響因素進行了具體考察，提出了控制傳染病傳播的途徑。

3.3 元胞自動機在交通方面的應用

元胞自動機因其離散性的特點，在交通流和交通網絡等方面的研究中得到了廣泛應用。1983年，Wolf ram[7]提出了著名的元胞自動機184模型。

3.4 元胞自動機利用在空間數據挖掘中的應用

傳統的元胞自動機忽略了地理現象演變的時空差異性，模型模擬結果的精度受到了一定的限制。柯新利、邊馥苓[8]提出了基于空間數據挖掘的分區異步元胞自動機模型，并以杭州市土地利用變化為例進行了實證研究。

4 對地理元胞自動機應用研究的反思

經過30年的發展，元胞自動機在地學研究中的應用受到國內外學者的普遍關注。隨著元胞自動機理論研究的不斷深入，其在各個領域也得到了廣泛應用，并取得了很多有意義的研究成果。同時，地理元胞自動機的應用研究還存在一些不足。

4.1 元胞自動機模型與多智能體模型的集成研究不夠

元胞自動機模型是由元胞、元胞空間、鄰居及規則構成，缺乏主觀影響因素，沒有將“人”這一因素納入影響因素中。而智能體的出現較好地彌補了元胞自動機的這一不足。智能機在遵循自組織功能的基礎上，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，元胞自動機與智能體技術的結合將是元胞自動機模型以后的發展趨勢，也是今后的研究熱點。

4.2 技術集成有所欠缺

將元胞自動機與遙感、地理信息系統等技術相結合，是今后發展的趨勢。遙感、地理信息系統和元胞自動機都可以處理動態行為。將相關技術進行集成，既能充分利用地理信息系統空間數據處理、顯示的優勢，還吸收了元胞自動機進行時空分析的功能，但如何進行技術的完美集成，將是今后突破的重點。

參考文獻：

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

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

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

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

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

[6]余雷，薛惠鋒.基于元胞自動機的傳染病傳播模型研究[J].計算機工程與應用，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.基于空間數據挖掘的分區異步元胞自動機模型研究[J].中國圖象圖形學報，2010（6）：921-930.