元胞自动机在地理学中的应用综述

郭珂

摘 要：由于元胞自动机在模拟空间复杂系统的时空演变方面具有巨大的优势，因此，经常被用于复杂系统的建模与模拟。元胞自动机与地理学结合有较强的优势，通过分析元胞自动机在地理学各领域的应用现状，提出了现阶段元胞自动机存在的不足之处。

关键词：元胞自动机；地理学；研究综述

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：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 元胞自动机概述

1.1 元胞自动机的定义

元胞自动机是由冯·诺依曼在20世纪40年代首先提出的一种离散模型，其采用“自底而上”的方式，将地理空间划分为一个一个的元胞单元，通过元胞单元之间的相互作用，利用循环的方式达到了元胞演化的目的。元胞自动机是描述自然界复杂现象常用的工具，最初被用于模拟生命系统特有的自复制现象。元胞自动机的组成可以分为四个部分，即元胞、元胞空间、邻居及规则。

1.2 地理元胞自动机

在地理元胞自动机模型中，转换规则包括三部分：全局转换概率、邻域影响概率和单元约束条件。此时的转换规则只考虑了确定的客观影响因素，并未考虑政策等不确定因素的影响。但是，在地理现象发展的过程中，国家政策、行政变化会对地理现象的变化造成重要影响，必须予以考虑。因此，在地理元胞自动机模型的转换规则中引入随机因子这一变量，加入政策等相关不确定因素，优化元胞转化规则。

2 元胞自动机和地理学问题结合的优势

20世纪80年代，元胞自动机已开始应用于地理现象的演化模拟。元胞自动机模型能通过简单的微观局部规则揭示自然发生的宏观行为，且元胞自动机本身具有的强大的模拟、建模功能，使其能较好地应用于地理学中复杂地理现象的研究。

2.1 强大的计算能力

元胞自动机具有强大的复杂性计算能力，主要体现在在其完备的计算特性和突出的计算能力上。该特性使元胞自动机在模拟自然灾害、环境影响及生态演变等复杂地理现象时具有巨大的优势，成为模拟复杂地理现象的有力工具。

2.2 易于构建模型

元胞自动机模型具有时间离散性和空间离散性。而这一特征使元胞自动机易于从概念模型转换为计算机物理模型，进而便于应用计算机构建模型。

2.3 应用的广泛性

元胞自动机模型具有高度的靈活扩展性，允许人们根据研究对象的特点对模型的各个组成部分进行扩展，建立独有的扩展模型。扩展性的特点极大促进了元胞自动机在各个领域的广泛应用。在地理学相关方面的研究中，元胞自动机模型已经成功地应用在土地利用变化模拟、城市扩展变化等各个方面。

2.4 易于技术集成

元胞自动机具有空间离散性的特征，采用的是离散的网格模型。遥感、地理信息系统采用的栅格数据也是将空间分割成有规则的网格，两者在数据结构形式上是一致的，可以实现数据的共享，便于技术的集成。在实际应用中，将元胞自动机与地理信息系统相结合，元胞自动机可以直接处理地理信息系统的栅格数据，利用自己强大的模拟、建模功能，生成模型结果。地理信息系统可以导入元胞自动机的模型结果，利用自身的显示功能显示结果，进而实现两者的结合。

3 元胞自动机在地理学各领域的应用

元胞自动机模型与地理学相结合就成为了地理元胞自动机，充分利用了元胞自动机模拟复杂时空动态行为的功能。笔者通过分析元胞自动机在地理学各领域的应用，来研究复杂多变的地理现象。

3.1 元胞自动机在城市扩展中的应用

城市扩展研究是当前城市研究的热点问题。元胞自动机因其强大的空间运算能力，可以有效地模拟城市扩展的时空演化过程，成为学者研究城市扩展的有力工具。

我国地理学界的研究重点集中在基于元胞自动机的LUCC和城市增长模拟方面[1]。冯永玖[2]等以上海市嘉定区为例进行了模拟，利用遥感数据校正的logistic-CA数据模拟中小尺度的城市生长和演化；尹长林[3]等探讨了元胞自动机城市增长模型对尺度的敏感性问题，并以长沙市为例进行了实证研究；马爱功[4]应用元胞自动机模型来模拟河谷型城市增长；杨青生、黎夏[5]运用多智能体和元胞自动机结合来模拟城市用地扩展的方法。

3.2 元胞自动机在模拟流行病传播中的应用

现有的模拟流行病的数学模型是建立在常微分方程的基础上，该模型容易忽略传播过程的局部特性，而元胞自动机能够有效地克服这一缺点。余雷[6]等通过建立元胞自动机模型的方法，模拟疾病传播的过程，并以SARS传播过程为例进行了实证研究。在此基础上，考虑到人员移动、及时就医等影响因素，对各个影响因素进行了具体考察，提出了控制传染病传播的途径。

3.3 元胞自动机在交通方面的应用

元胞自动机因其离散性的特点，在交通流和交通网络等方面的研究中得到了广泛应用。1983年，Wolf ram[7]提出了著名的元胞自动机184模型。

3.4 元胞自动机利用在空间数据挖掘中的应用

传统的元胞自动机忽略了地理现象演变的时空差异性，模型模拟结果的精度受到了一定的限制。柯新利、边馥苓[8]提出了基于空间数据挖掘的分区异步元胞自动机模型，并以杭州市土地利用变化为例进行了实证研究。

4 对地理元胞自动机应用研究的反思

经过30年的发展，元胞自动机在地学研究中的应用受到国内外学者的普遍关注。随着元胞自动机理论研究的不断深入，其在各个领域也得到了广泛应用，并取得了很多有意义的研究成果。同时，地理元胞自动机的应用研究还存在一些不足。

4.1 元胞自动机模型与多智能体模型的集成研究不够

元胞自动机模型是由元胞、元胞空间、邻居及规则构成，缺乏主观影响因素，没有将“人”这一因素纳入影响因素中。而智能体的出现较好地弥补了元胞自动机的这一不足。智能机在遵循自组织功能的基础上，包含了人类的主观影响，较好地反映了人类的决策行为。因此，元胞自动机与智能体技术的结合将是元胞自动机模型以后的发展趋势，也是今后的研究热点。

4.2 技术集成有所欠缺

将元胞自动机与遥感、地理信息系统等技术相结合，是今后发展的趋势。遥感、地理信息系统和元胞自动机都可以处理动态行为。将相关技术进行集成，既能充分利用地理信息系统空间数据处理、显示的优势，还吸收了元胞自动机进行时空分析的功能，但如何进行技术的完美集成，将是今后突破的重点。

参考文献：

[1]柯新利，边馥苓.地理元胞自动机研究综述[J].咸宁学院学报，2009（3）：103-106.

[2]冯永玖，刘妙龙，韩震.集成遥感和GIS的元胞自動机城市生长模拟——以上海市嘉定区为例[J].长江流域资源与环境，2011（1）：9-13.

[3]尹长林，张鸿辉.元胞自动机城市增长模型的空间尺度特征分析[J].测绘科学，2008（5）：78-81.

[4]马爱功.基于元胞自动机的河谷型城市扩展研究——以兰州市为例[D].兰州：兰州大学，2009.

[5]杨青生，黎夏.多智能体与元胞自动机结合及城市用地扩张模拟[J].地理科学，2007（4）：542-548.

[6]余雷，薛惠锋.基于元胞自动机的传染病传播模型研究[J].计算机工程与应用，2007（2）：196-198.

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

[8]柯新利，边馥苓.基于空间数据挖掘的分区异步元胞自动机模型研究[J].中国图象图形学报，2010（6）：921-930.