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1、第20卷第6期地理与地理信息科学Vol.20No.62004年11月GeographyandGeo-InformationScienceNovember2004基于复杂适应系统理论与CA模型的城市增长仿真1,21,221,21,2郭鹏,薛惠锋,赵宁,吴晓军,张凡(1.西北工业大学资源与环境信息化工程研究所,陕西西安710072;2.西北工业大学自动化学院,陕西西安710072)摘要:将复杂适应系统理论与CA模型结合,构建城市增长仿真模型,并应用该模型对西安市的城市增长过程进行仿真。结果表明,在CA中引入适应性思想更能反映城市发展的客观规律,尤其是对“城
2、市空心化”的模拟;其中一些结论对城市规划具有积极的指导意义。关键词:复杂适应系统;元胞自动机;城市增长;仿真;西安中图分类号:P209;TU984文献标识码:A文章编号:1672-0504(2004)06-0069-04复杂系统研究是当前系统科学的主要研究方向[1]1城市增长的复杂性探讨之一。复杂适应系统(ComplexAdaptiveSystem,CAS)是一类具有代表性的复杂系统,是Holland在多城市运动的高度复杂性决定了城市空间增长的年研究复杂系统的基础上提出的。其基本思想是:动态模拟是一项异常艰巨的工作,它的复杂性来源CAS的复杂性起源于其
3、中的个体(ActiveAgent)适应于以下方面:1)城市系统本身具有分层的组织与交互性,正是这些个体与环境以及与其它个体间的相互结构,每一特定层的单元都是构造上层单元的一个作用,不断改变着它们自身和环境,导致在整体层次“生成模块”,不同层之间存在各种不规则的交互;2)城[1]上出现新的结构、现象和更复杂的行为。20世纪市的总体发展方向由许多独立单元并行交互的结果40年代Ulam提出元胞自动机模型(CellularAutoma2所决定,每个单元的行为和决策依赖于自身的状态和tonModel,CA),VonNeumann将其用于研究自复制系一些有限的、相
4、关单元的行为;3)城市空间扩展具有自统的逻辑特性,且很快用于研究自组织系统的演变适应性,每个生成模块能够随系统经验的增加不断被过程,其中对城市地理系统自组织过程的模拟是热重新组合和改造;4)城市空间扩展过程中存在各种政[2-9]点。CA的基本思想是复杂的系统可以由一些治因素、人为因素、随机因素和偶然事件的影响和干简单的局部规则来产生。一个CA模型通常包括单预,特别是人的参入,使其更为复杂。[9]元、状态、邻近范围和转换规则4要素,单元是其鉴于这些复杂性,本文提出仿真分析,用自然选最小单位,而状态则是单元的主要属性。根据转换择的概念来代替显性最大化的概念
5、,尽量体现城市规则,单元可以从一个状态转换为另外一个状态,转扩展过程中生物演化和自然选择的特征,即把城市换规则基于邻近函数来实现。空间扩展解释为:对在“生态效益”和“经济效益”形CAS理论的提出,对于解释经济、军事等复杂适成的压力下生成的探索性行为进行选择的一个适应应系统中的复杂现象和问题具有重要意义和应用前性机制。正如熊彼特所认为,人类社会的演化根据景;而CA作为一种时间、空间、状态都离散,(空间上日常惯例进行选择,而日常惯例由一般的行为经验的)相互作用和(时间上的)因果关系皆局部的网格和习惯构成,它们形成人类行为选择的价值体系,并[10]动力学模型
6、,它“自下而上”的研究思路,强大的复且通过技术演化过程内植于人类演化过程之中。杂计算功能、固有的并行计算能力、高度动态特征以本文将复杂适应性系统模型与传统CA模型相结合,及具有空间概念等特征,使其在模拟空间复杂系统提出了适应性CA模型的概念。的时空演变方面具有很强的能力,在地理学研究中[9]2适应性CA模型具有天然优势。本文试图在CA模型中引入CAS理论中的适应度概念,同时在“环境”中考虑宏观控2.1整体思路制因素,将该模型应用于西安城市发展规划中,以获CA的核心思想是“系统的复杂性源于规则”,简得一些有意义的结论。单的规则就可以创造出一个纷繁复杂的世
7、界。但是收稿日期:2004-06-08;修订日期:2004-09-12基金项目:西北工业大学研究生创业种子基金项目(Z20040027);西安市科委项目(GG200368)作者简介:郭鹏(1980-),男,硕士研究生,研究方向为空间智能决策、复杂系统建模。E-mail:campuswalkman@163.com©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第70页地理与地理信息科学第20卷[11]Holland认为
8、,复杂现象的宏观体现往往是无数个中,对下一轮仿真产生影响。因此,土地单元的状态体适应环境和影响
