地理模拟系统：元胞自动机与多智能体

黎夏，叶嘉安，刘小平，杨青生

北京：科学出版社，2007

国际上地理研究和城市研究中关于元胞自动机(Cellular Automata，CA)的讨论始于1980年代末期。近年来，越来越多的学者利用CA模型与GIS结合来模拟城市发展，并取得了很多有意义的成果，已经成为国际上模拟城市系统演化的主流技术之一。在国内，有关CA的研究也是当前地理学界的研究热点之一。在国内的城市规划研究中，也不少使用CA模拟城市土地使用变化研究案例。2007年出版的《地理模拟系统：元胞自动机与多智能体》一书，是一本系统化论述CA和GIS结合模拟城市演化的原理和方法的专著。本书的第一、第二作者也是国际上研究CA模型的著名学者。

全书首先介绍了CA与GIS结合的一般原理与方法，然后根据作者近年来的研究成果，对CA最核心的内容——转换规则，进行了深入的分析，提出了多种获取转换规则的方法并且提供了一系列应用案例，包括城市形态模拟、城市土地使用变化模拟等等。作者又引入了多智能体系统(Multi-Agent Systems，MAS)，与CA结合，弥补各自的不足。多智能体系统(Multi-Agent Systems，MAS)是从计算机学科里发展起来的一种全新的分布式计算技术。国际上，对地理空间多智能体的研究始于1990年代末期。多智能体系统的核心是通过模拟微观个体的相互作用，达到模拟宏观全局变化的目的。CA与MAS结合可以全面反映影响土地利用格局演变的自然、人文因素。在本书中，作者提出了一个新概念——地理模拟系统（Geographical Simulation Systems）；其核心技术就是元胞自动机（CA）与多智能体系统（MAS）运用于模拟城市系统。

全书由14个章节组成，内容上大致可分为三部分。第一部分包括第1-3章。在第一部分中，作者首先介绍了元胞自动机和多智能体系统各自的特点及其在地理模拟中的研究意义；随后提出了基于元胞自动机和多智能体系统的地理模拟系统，阐述了其研究内容、技术手段及其与GIS的关系，介绍了地理模拟系统的数据源及获取方法。第二部分包括第4-10章，是全书中篇幅最重的部分。在这一部分中，作者介绍了CA与GIS结合来对复杂资源环境系统进行模拟的一般原理和方法，对模型有效性进行验证的方法，列出了国际上地理元胞自动机的常用模型。在第5章、第6章中，作者总结了如何利用启发式方法来定义CA的转换规则，包括介绍了多准则判断方法、SLEUTH模型和主成分分析等。对CA的纠正和参数自动获取进行了研究，例如采用神经网络、遗传算法和数据挖掘等技术来改善CA的模拟效果；并探讨CA的动态转换规则获取方法，以使得模型能适应快速变化的复杂资源环境的特点，并将一些最新的计算科学技术，如支持向量机和非线性核学习机等，引进CA非线性转换规则的获取中。第7章以城市复杂系统的模拟为例，显示了地理模拟系统在演变规律的探索、过程优化等方面的应用；第8章结合案例进一步阐述如何将CA应用到城市与区域规划中，作为辅助规划的有效工具；第9章对地理元胞自动机的不确定性进行了研究。第10章介绍元胞自动机在其他地学领域的应用。本书的第三部分包括第11-14章，介绍了多智能体系统的原理及在地理模拟中的应用。其中，第11章介绍多智能体的基本原理及其与CA、GIS的集成；第12章讨论了基于多智能体系统的空间决策行为及土地利用格局演变的模拟；结合案例与CA进行了对比研究。第13章建立了基于多智能体和元胞自动机的城市土地利用的微观规划模型；第14章还讨论了利用多智能体系统对城市工业及基本就业空间增长过程进行微观模拟的方法。最后作者在附录中提供了使用ArcGIS和ArcObjects 9.0设计CA的例子，提供了程序的源代码，这对读者更好地学习、掌握CA的实现方法提供了帮助。

需要指出的是，本书是一本面向从事地理研究人员的著作。地理学研究的对象、研究方法、研究目的与城市规划的研究有所不同。书中讨论的CA和MAS更加适宜于模拟城市系统的演化，而不是寻求最佳规划对策。对于从事城市规划的读者，CA和MAS可以为城市规划研究，提供更多的技术、方法手段；本书是一个系统学习CA和MAS的基本原理和方法的途径，也是一个了解相关研究最新进展的渠道。（供稿：范凌云 钮心毅）