元胞自动机在景观格局优化中的应用

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引言
景观格局是指大小和形状不一的景观斑块在空
景观格局优化尚处在研究初期， 没有准确的定 义， 优化的理论尚处于探索阶段， 其主要原因是， 在 景观尺度上的格局和过程时空动态演变规律尚缺乏 定量描述。本文在回顾景观格局优化方法研究进展 的基础上， 指出以景观模拟演化为核心的景观格局 优化模式具有优越性； 而基于元胞自动机 （ +@0030AG 的空间直观模型， 由于元胞自动机固 A3C/EACA，+H） 有的特点， 在解决一系列技术难点的前提下， 有望解 决这一模式在目前发展中受到的限制。
’1 卷第 3 期
秦向东等： 元胞自动机在景观格局优化中的应用
［*4］ 见典型的元胞自动机有以下几个特点 ：
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元胞都具有有限个离散状态和预定义的邻居， 每个 元胞的当前状态以及邻居的状况决定了下一时刻该 元胞的状态， 即元胞状态的转变受规则控制， 而且这 个规则是全局一致的。 !"# 元胞自动机模型在地理学中的应用 !"#$%& 在 ’( 世纪 )( 年代认识到元胞自动机模 拟地理复杂现象的优势， 首先正式采用元胞自动机 的概念来模拟美国五大湖边底特律地区城市的迅速 扩展
间上的排列， 它决定着资源和物理环境的分布形式
［4］ 和组合 ， 是景观异质性的重要表现， 同时又是各种
生态过程在不同尺度上作用的结果。景观空间格局 对过程 （物流、 能流和信息流） 具有重要影响， 而过程 也会创造、 改变和维持空间格局。景观格局优化对 于提高景观的抗干扰能力、 恢复能力、 系统稳定性和
胞自动机的空间直观模型在模拟景观空间格局与过
［,］ 程相互作用的研究中被广泛应用的主要原因 。
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元胞自动机模型的原理和应用
在模拟景观空间格局与过程相互作用的研究中，
［,］ 基于元胞自动机的空间直观模型被广泛应用 ， 这是
一类可以模拟和预测复杂地理过程的特殊的模型。 $"# 元胞自动机模型的原理 所谓元胞自动机模型是指一类由许多相同单元 组成 的， 根据一些简单的邻域规则 （ -$./01230224 即能在系统水平上产生复杂结构和行为的时 35&$） ［67］ 间、 空间离散型动态模型 。利用元胞自动机模拟 景观格局在各种自然条件和人为影响下的演化， 可 以明确而直接地为景观格局优化提供依据。 典型的元胞自动机模型的机理如下： 将研究区 域划分成若干个大小形状一致的单元， 这些单元称 为元胞， 是元胞自动机的最基本组成单位， 所有的元 胞空间网点集合构成元胞空间。在元胞空间中每个
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资 源 科 学 &’()*&+’( (+,’-+’
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［+］ 总体上表现景观格局的演变过程 。这也是基于元
对景观变化和景观功能的模拟是一个很复杂的 问题， 比较成功的案例有 #$%%$&’ 等对农业景观的研 ［"， (］ 究 ， 其中的优化模型建立了不同管理措施下的养 分平衡， 构建的优化判别标准考虑到了经济和生态 两方面因素， 如农民的农业收入， 流域的氮流失。这 个优化模型通过计算优化不同土地利用方式和施肥 措施下的最大产出值作为判别标准， 建立了一个空 间直观的动态生态系统模拟模型进行数量模拟， 利 用基于随机过程的蒙特 ) 卡罗方法来模拟检测优化 结果的可信度。 !"! 以景观模拟演化为核心的景观格局优化模式 根据以往文献， 可以大致总结出以景观模拟演 化为核心的景观格局优化模式： 构建状态空间， 其中 每一状态表示所有不同的土地利用方式和各类可能 影响景观格局的管理措施的一种组合。对每一种组 合所对应的景观初始格局， 用景观演化模型模拟一 段指定时间里景观演变情况， 同时获得这段时间里 景观功能效益 （经济、 生态、 社会效益） 。比较每一种 组合导致的景观最终状态， 或者* 并且比较每一种组 合得到的总效益数值， 即可得到最佳的土地利用方 式和景观管理措施的一种组合。 这种格局优化模式在大量模拟预测结果形成的 状态空间中搜索景观格局的优化方案。它真正从景 观的结构和功能相互作用机制出发， 理论上清晰而 完备， 优化的客观性和自动化程度较高， 而且模拟演 化过程本身就验证了优化措施的效果和可实现性。 为了体现景观生态学的原则和要求， 这里的景观演
作者简介： 秦向东， 男， 江苏人， 博士生， 主要研究方向为景观生态规划。 !;"#$%： <=>?@ABCD B>?A1 </E
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资
源
科
学
8, 卷第 9 期
理功能， 难以刻画景观要素空间上水平方向的相互 作用 。为了体现景观生态学对格局优化的要求， 人们越来越求助于空间直观模型。 !"# 空间直观模型应用于景观格局优化 景观格局更多地要考虑景观的空间分布和数量 配置， 其功能和过程是通常的数学模型无法表达出 来的， 计算机技术的发展为其提供了解决办法。在 景观变化和景观格局优化中， 通过计算机将数学模 型与空间位置结合起来， 编制计算机程序进行生态 过程在空间上的模拟， 即空间直观模型。空间景观 模型需要输入与空间位置联系的植被、 土壤、 气象等 参数， 并且定义一系列空间上的生态过程规则， 根据 空间每一位置上的对象某一时刻状态变量按相应的 变化规则模拟下一时刻的状态变量， 如空间直观景 观模型能够计算景观内的水分循环和物质流动， 是
收稿日期： 修订日期： !$$8 5 4! 5 49； !$$% 5 $! 5 !8 基金项目： 国家 “"%9” 项目 （编号： 。 !$$!+:4446$8）
［9］
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景观格局优化方法研究进展
由于景观格局优化的问题从本质上说是利用景
观生ห้องสมุดไป่ตู้学原理解决土地合理利用的问题， 随着景观 生态学原理日益渗透到土地合理利用的问题中， 格
［**］
（*）同质性、 齐性： 元胞空间内的每个元胞的变 化都服从相同规律； 元胞的分布方式相同， 大小、 形 状相同， 空间分布规则整齐； （’）空间离散： 元胞分布在按照一定规则划分 的离散的元胞空间上； （2）时间离散： 系统的演化按照等间隔时间分 步进行； 即 !5* ! 时刻的状态构形只对下一时刻， 时刻的状态构形产生影响； （3）状态离散有限： 元胞自动机的状态只能取 有限个离散值； （4）同步计算 （并行性） ： 各个元胞在 ! 5 * 时刻 的状态变化是独立的行为， 相互没有任何影响。 （6）时空局部性： 每一个元胞状态的下一时刻 ! 取决于其周围邻域中的元胞的当前 ! 5 * 的状态， 时刻的状态， 即所谓时间、 空间的局部性。 一般认为， 某个领域的模拟问题能否借助元胞 自动机完成， 取决于具体问题是否符合上述几点限 制条件。 $"# 元胞自动机的本质特征 必须指出， 以上元胞自动机的几个特征， 很大程 度上， 是常见的、 标准的元胞自动机的一些共性， 或 者是在实现时为了适应现有工程技术条件 （主要是 数据获取和计算机设备） 而具备的特点， 不能把它们 都当作元胞自动机的本质特征， 否则就会得出一些 狭隘的结论。例如， 景观生态学许多研究者就认为， 元胞自动机不太适宜模拟某些生态系统过程 （如物 质循环、 能量流动） ， 模拟过程也难以体现景观变化 的机理。这就是把以上几个典型元胞自动机的特点 （元胞的大小形状相同； 状态用离散数值表示， 可具 有的状态总数有限； 先验的邻域定义明确而一致； 局 部转化规则在所有位置一致） 当作其不能更改的本 质特征而造成的固步自封。本文认为， 元胞自动机 最本质的特征只有以下三个， 注意它们并不是从以 上几个一般特征中抽取几个然后换一种表达方法： （*） 状态的表达在空间上的离散性。状态值本 身可以是连续值， 也可以是多元向量。在复杂多样 的景观中， 甚至可以在不同的地点采用不同质的状 态表达， 元胞大小、 形状各异， 当然， 这会给计算机的 实现带来较大困难， 但也可以通过空间位置相互对 应的若干个元胞自动机共同模拟来解决。 （’） 状态变化的表达在时间上的离散性。状态 变化可以不局限于相邻时刻的依赖性， 例如， !5*
［#］ 。因此， 在 局优化成了土地利用规划的核心内容
缺乏专门的可以指导格局定量优化的理论的情形 下， 景观格局优化的方法和技术仍然逐渐丰富起来， 尽管直接而明确地应用格局和过程相互作用规律来 进行优化的工作仍然很少。 然而， 传统的直接来自于土地利用格局优化的 景观格局优化方法， 如线性规划、 灰色系统规划、 层 次分析法、 系统动力学模型等等， 缺乏定量的空间处
［"］ 物质输入和过程在空间位置上的函数 。 ［!］
化模型常采用空间直观模型。 !"$ 元胞自动机应用于以模拟演化为核心的景观 格局优化中的合理性 景观格局优化的方法经历了由定性分析评估到 定量计算、 由静态优化到动态模拟、 由固定条件下的 孤立寻优到可变条件下的趋势分析、 由数量配置为 主到预测空间变化的过程， 定量、 可变、 动态的空间 模拟将是景观格局优化方法研究的主要方式。 景观格局变化与景观过程改变互为因果， 了解 格局演变时空规律及其演变驱动机制是结合生态过 程进行景观格局分析和优化的前提与基础。但现阶 段对景观格局、 过程和功能相互作用的研究还不够 成熟， 还不能满足对景观格局优化的理论指导要求。 将上述两方面结合起来看， 一方面景观格局优化 对动态的空间模拟提出越来越高的要求， 另方面空间 模拟迟迟得不到景观尺度上定量化规律的有力支持， 使得传统 “自上而下” 的优化思路难以依靠模型实现 自动化； 要在目前景观生态学的基础研究水平上解决 这个矛盾， 似乎只有采纳复杂性科学所倡导的复杂性 研究方法— — — “自下而上” 的构模方法， 针对特定的生 态过程， 将生态过程结合到景观格局分析中。 在这方面， 元胞自动机具有天然优势。基于元 胞自动机的空间直观模型不关心景观尺度上定量化 的规律， 而是直接在较低的一个尺度上， 从景观组成 单元入手， 模拟它们的状态和局部相互作用， 即能在
［!］ 。 生物多样性有着重大作用
景观格局优化研究建立在对不同景观类型、 景 观的空间格局与景观过程以及功能之间关系深入理 解的基础上， 首先找到景观格局对过程的影响方式， 建立起数量关系； 其次利用景观生态学的理论和方 法， 在数学和计算机工具的协助下建立景观格局变 化的模拟模型与优化标准； 最后进行生态、 经济和社 会综合价值的多目标优化。结果是凭借对原有景观 要素的优化组合或引入新的成分， 调整或构建了新 的景观格局， 增加了景观的异质性和稳定性， 改善了 受威胁或受损生态系统的功能， 创造出优于原有景 观生态系统的综合效益， 形成新的高效、 和谐的人工 自然景观或管理景观 。
元胞自动机在景观格局优化中的应用
! 秦向东4， ，闵庆文4
（4F 中国科学院地理科学与资源研究所， 北京
摘
北京 4$$4$4；!F 中国科学院研究生院，
4$$$#"）
要： 在景观格局优化方法的发展过程中， 以景观模拟演化为核心的景观格局优化模式已显示出优越性， 这
种模式在大量景观变化模拟预测结果形成的状态空间中搜索景观格局的优化方案， 优化的客观性和自动化程度较 高。但由于目前在景观尺度上的格局和过程相互作用规律尚缺乏定量的描述， 限制了这种优化模式的发展。而基 于元胞自动机的空间直观模型， 由于元胞自动机固有的特点， 在解决一系列技术难点的前提下， 有望解决这一模式 在目前发展中受到的限制。本文介绍了元胞自动机的原理和在景观生态学中的已有应用， 认为元胞自动机获得广 泛应用的原因在于， 它有且仅有以下 9 个最本质的特征： 状态的表达在空间上的离散性； 状态变化的表达在时间上 的离散性； 状态转变的空间相关性。在此基础上， 阐释了元胞自动机应用于景观格局演化的一般优势和相对优势， 以及它在景观格局优化应用中存在的困难。针对这些困难， 提出了部分的解决方案。最后对于以基于广义元胞自 动机的空间直观模型为核心的景观格局优化模式， 提出了一个可能的体系结构和流程图。 关键词： 元胞自动机； 景观格局优化； 空间直观模型；景观模拟演化