人地關系分析的自主體模擬理論框架及其平臺開發(fā)研究.pdf

1、本研究以人地關系理論為出發(fā)點,提出了地理學研究中基于自主體模擬(ABS,Agent-Based Simulation)的建模理論框架,并通過計算機編程構建了基于GIS的基于自主體模擬環(huán)境(GBASE,Gis-Based Agent Simulation Environment)。基于此理論框架和建模平臺,對中國歷史人口演化做了應用研究,展開了深入分析與討論。論文撰寫遵循文獻回顧-理論框架探索-系統(tǒng)分析-系統(tǒng)構建-系統(tǒng)應用-總結(jié)討論的研究

2、思路,將全文分為六章。 第一章,從對自主體和基于自主體模擬的概念界定出發(fā),討論了基于自主體模擬在地理計算中的應用,最終提出面向地理學研究的基于自主體模擬平臺開發(fā)的必要性?；谧灾黧w模擬是以若干自主體模擬客觀世界,以自主體間的交互模擬系統(tǒng)動態(tài)性和復雜性的建模方法,它作為地理計算中的又一種新興的建模方法在地理計算中得到了廣泛的應用,主要包括：土地利用類型變化模擬、城市演化模擬、房產(chǎn)選購模擬、人群行為模擬、地理事件模擬、游憩行為模擬以

3、及歷史地理演化模擬等等?；谧灾黧w模擬的應用之所以能得到不斷拓展,離不開其系統(tǒng)開發(fā)平臺的不斷推陳出新,目前使用的普適性平臺主要包括Swarm、NetLogo、Repast等等,但這些平臺以及其所基于的建模思想都不是針對地理學應用而建立的,因而當被用于地理學研究的基于自主體建模時存在不足,特別是缺乏地理學研究中的多層次性。因此,本研究提出要建立一個面向地理學研究應用的基于自主體建模的理論框架及其軟件平臺。 第二章,基于對傳統(tǒng)人地關

4、系理論的討論,分析了基于自主體模擬在人地關系定量研究中的作用,提出了基于人地關系理論的基于自主體模擬的理論框架。地理學意義下的基于自主體建模是物理粒子按行為規(guī)則在地理環(huán)境中進行行為活動的模擬,它反映了人與地理環(huán)境交互影響的過程,是人地關系思想的集中體現(xiàn)。基于自主體模擬能有效模擬復雜的人與社會系統(tǒng)的微觀交互,并能檢驗應用于宏觀層面的規(guī)則的有效性?；趯Φ乩韺W意義下基于自主體建模的認識,論文提出要建立人地關系意義下基于自主體模型的理論框架必

5、須包含三個關鍵部件,即：地理環(huán)境自動機、個體自主體、組自主體。地理環(huán)境自動機是基于元胞自動機對地理環(huán)境的建模；個體自主體是對地理環(huán)境中具有自主行為決策能力的地理實體的基于自主體建模；而組自主體則是多個個體自主體或組自主體的集合,組自主體和其所包含的個體自主體或組自主體分別屬于不同的研究層面,層層嵌套以此反應地理學研究中的多層次性。 組自主體是本文提出來的適應具有多層次復雜系統(tǒng)的概念。 第三章,在提出人地關系意義下基于自主

6、體模擬的理論框架之后,研究的目標是將之在計算機編程環(huán)境中開發(fā)實現(xiàn),成為具有二次開發(fā)能力的結(jié)合GIS的基于自主體模擬平臺,即本文后來開發(fā)的GBASE軟件平臺。因此,第三章從面向Agent的軟件工程思想出發(fā),進行了系統(tǒng)需求分析,分別從控件創(chuàng)建需求、用戶腳本編寫需求、腳本解析需求以及GBASE平臺的非功能性需求進行了剖析。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的功能性需求和非功能性需求,本研究最終提出以Delphi和FastScript為系統(tǒng)實現(xiàn)技術手段,將系統(tǒng)分為四

7、大模塊,即控件生成模塊、用戶腳本管理模塊、類庫模塊、腳本解析模塊,并將理論框架中提出的三大部件對應到系統(tǒng)實現(xiàn)中的三大核心Agent類,從地理學研究的需求出發(fā),分析設計了他們的屬性和方法。 第四章,為了滿足GBASE系統(tǒng)用戶二次開發(fā)的使用需求,論文深入分析FastScript使用的關鍵技術,解決了動態(tài)控件創(chuàng)建問題、用戶代碼管理問題、FastScript對地理信息數(shù)據(jù)的訪問、操作問題、動態(tài)控件與FastScript以及GBASE平臺

8、后臺類庫綜合的問題等系統(tǒng)開發(fā)的技術難點。最終實現(xiàn)了GBASE系統(tǒng),這是一個面向地理學應用,能進行基于自主體模擬的二次開發(fā)的軟件平臺。系統(tǒng)的主要功能包括：用戶控件創(chuàng)建、用戶腳本編輯以及類庫使用功能,其中包含了通過簡單函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)導入的功能,方便了地理學研究中結(jié)合GIS的基于自主體建模的系統(tǒng)開發(fā)。 第五章,基于前文提出的人地關系意義下的基于自主體模擬理論框架以及所開發(fā)的GBASE平臺,我們就中國歷史人口地理演變展開了系統(tǒng)

9、應用研究。該應用以地理環(huán)境自動機模擬地理環(huán)境,以個體自主體模擬人口粒子,將省區(qū)定義為組自主體,建立了包含氣候、農(nóng)業(yè)、社會影響因素的中國2000年來人口地理演變模型,并在GBASE平臺上對該模型進行了編程實現(xiàn),模擬實現(xiàn)了中國2000年來歷史人口地理演變過程,相關的情景模擬分析結(jié)果表明：中國各省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的初始差異決定了人口分布的基本格局,是人口分布特征的內(nèi)在因素,對人口分布演化具有深遠的影響；中國人口分布南北格局的轉(zhuǎn)變發(fā)生在910A.D

10、。左右,該人口分布格局形成的主要動力在于安史之亂導致的戰(zhàn)禍和動蕩的社會條件；中國人口東西部分布的顯著差異形成于1240-1250A.D.左右,其中,1230-1260A.D.的氣候突變對東西部人口分布格局具有關鍵推動作用；氣候變化對2000來歷史人口分布的全局演化起了主導驅(qū)動作用,并以1230-1260A.D.的氣候突變?yōu)檗D(zhuǎn)折表現(xiàn)為階段性影響差異；中國歷史時期人口重心持續(xù)向東南方向轉(zhuǎn)移,且人口重心在緯向上的擺動幅度人于經(jīng)向在上的變化幅度