人地關(guān)系分析的自主體模擬理論框架及其平臺(tái)開發(fā)研究.pdf

1、本研究以人地關(guān)系理論為出發(fā)點(diǎn),提出了地理學(xué)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(jì)算機(jī)編程構(gòu)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(tái),對(duì)中國歷史人口演化做了應(yīng)用研究,展開了深入分析與討論。論文撰寫遵循文獻(xiàn)回顧-理論框架探索-系統(tǒng)分析-系統(tǒng)構(gòu)建-系統(tǒng)應(yīng)用-總結(jié)討論的研究

2、思路,將全文分為六章。 第一章,從對(duì)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(jì)算中的應(yīng)用,最終提出面向地理學(xué)研究的基于自主體模擬平臺(tái)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(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性的建模方法,它作為地理計(jì)算中的又一種新興的建模方法在地理計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)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。基于自主體模擬的應(yīng)用之所以能得到不斷拓展,離不開其系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的不斷推陳出新,目前使用的普適性平臺(tái)主要包括Swarm、NetLogo、Repast等等,但這些平臺(tái)以及其所基于的建模思想都不是針對(duì)地理學(xué)應(yīng)用而建立的,因而當(dāng)被用于地理學(xué)研究的基于自主體建模時(shí)存在不足,特別是缺乏地理學(xué)研究中的多層次性。因此,本研究提出要建立一個(gè)面向地理學(xué)研究應(yīng)用的基于自主體建模的理論框架及其軟件平臺(tái)。 第二章,基于對(duì)傳統(tǒng)人地關(guān)

4、系理論的討論,分析了基于自主體模擬在人地關(guān)系定量研究中的作用,提出了基于人地關(guān)系理論的基于自主體模擬的理論框架。地理學(xué)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(jìn)行行為活動(dòng)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(guān)系思想的集中體現(xiàn)?；谧灾黧w模擬能有效模擬復(fù)雜的人與社會(huì)系統(tǒng)的微觀交互,并能檢驗(yàn)應(yīng)用于宏觀層面的規(guī)則的有效性?；趯?duì)地理學(xué)意義下基于自主體建模的認(rèn)識(shí),論文提出要建立人地關(guān)系意義下基于自主體模型的理論框架必

5、須包含三個(gè)關(guān)鍵部件,即：地理環(huán)境自動(dòng)機(jī)、個(gè)體自主體、組自主體。地理環(huán)境自動(dòng)機(jī)是基于元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)地理環(huán)境的建模；個(gè)體自主體是對(duì)地理環(huán)境中具有自主行為決策能力的地理實(shí)體的基于自主體建模；而組自主體則是多個(gè)個(gè)體自主體或組自主體的集合,組自主體和其所包含的個(gè)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(yīng)地理學(xué)研究中的多層次性。 組自主體是本文提出來的適應(yīng)具有多層次復(fù)雜系統(tǒng)的概念。 第三章,在提出人地關(guān)系意義下基于自主

6、體模擬的理論框架之后,研究的目標(biāo)是將之在計(jì)算機(jī)編程環(huán)境中開發(fā)實(shí)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(tái),即本文后來開發(fā)的GBASE軟件平臺(tái)。因此,第三章從面向Agent的軟件工程思想出發(fā),進(jìn)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(tái)的非功能性需求進(jìn)行了剖析。為了實(shí)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(shí)現(xiàn)技術(shù)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(duì)應(yīng)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的三大核心Agent類,從地理學(xué)研究的需求出發(fā),分析設(shè)計(jì)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(guān)鍵技術(shù),解決了動(dòng)態(tài)控件創(chuàng)建問題、用戶代碼管理問題、FastScript對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的訪問、操作問題、動(dòng)態(tài)控件與FastScript以及GBASE平臺(tái)

8、后臺(tái)類庫綜合的問題等系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)。最終實(shí)現(xiàn)了GBASE系統(tǒng),這是一個(gè)面向地理學(xué)應(yīng)用,能進(jìn)行基于自主體模擬的二次開發(fā)的軟件平臺(tái)。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(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入的功能,方便了地理學(xué)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(guān)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(tái),我們就中國歷史人口地理演變展開了系統(tǒng)

9、應(yīng)用研究。該應(yīng)用以地理環(huán)境自動(dòng)機(jī)模擬地理環(huán)境,以個(gè)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(huì)影響因素的中國2000年來人口地理演變模型,并在GBASE平臺(tái)上對(duì)該模型進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn),模擬實(shí)現(xiàn)了中國2000年來歷史人口地理演變過程,相關(guān)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(duì)人口分布演化具有深遠(yuǎn)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?jiǎng)恿υ谟诎彩分畞y導(dǎo)致的戰(zhàn)禍和動(dòng)蕩的社會(huì)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(duì)東西部人口分布格局具有關(guān)鍵推動(dòng)作用；氣候變化對(duì)2000來歷史人口分布的全局演化起了主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)幅度人于經(jīng)向在上的變化幅度