地理学基础理论研究的方法变革及其发展前景

西方科学赖以发展的两大基础可以归结为源于欧氏几何学的形式逻辑和通过系统实验寻找因果关系。地理学如果不将自身作为一门“例外主义”的学科，无疑也要借助形式逻辑和系统实验发展基础理论体系。遗憾的是，逻辑思想只有借助数学方法才能发挥理论演绎的威力，而传统数学不适宜于地理系统空间结构与功能的描述；另一方面，系统实验必须是可以重复的受控试验，由于地理系统的不可控性，地理研究无法利用常规的实验方法寻找因果关系。地理学的理论研究如今正在经历着方法的变革：一方面，分形等后现代数学理论为地理学提供了有效的定量描述手段；另一方面，细胞自动机等仿生科学理论为地理学提供了模拟实验工具。不仅如此，由于新方法的引入，传统的实证研究方法也重新焕发生机。将数学、实证和计算机模拟三种方法有效结合，地理学的基础理论体系必将建立起来，发展前景将十分广阔。     

基于关系数据库的CA模型扩展和时空模拟实验研究

具备时空计算特征的元胞自动机 (CA)模型与地理信息系统 (GIS)集成在地理过程模拟方面具有很大的优势 ,但标准CA在邻居规则等方面的严格定义制约了CA对真实世界的模拟能力。在分析了元胞空间关系和元胞邻居描述的基础上 ,该文提出元胞邻居不仅存在几何空间上的邻接形式 ,还存在空间上不邻接但属性上相关的邻居形式。传统思路的模型扩展很难完全解决CA的局限性 ,基于关系数据库来定义和选择元胞邻居是一种有益的理论尝试。以时空为载体的文化革新扩散系统具有多空间扩散形式和遗传特征 ,相对于标准CA基于关系数据库的CA扩展模型可以更真实地对其进行时空模拟 ,笔者以服装传播为典型案例做实验研究 ,取得了比较满意的实验结果。认为基于关系数据库的CA扩展模型比较适用于具有多空间扩散形式的复杂系统的过程模拟。     

基于GIS的细胞自动机模型与人地关系的复杂性探讨

探讨人地非线性关系可以揭示地理系统空间复杂性的许多简单本质 ,具有重要的理论意义和实践价值。以地理信息系统 (GIS)为技术支持 ,建立以细胞自动机 (CA)为核心的综合集成模型 ,将成为人地关系复杂性研究的主要方向。建议在CA GIS集成技术的基础上 ,一方面引入人工神经网络、进化算法、多重智能体系 (MAS)以及后现代数学分析方法 ,另一方面面向具体研究对象开发包括自然、人文地理要素在内的集成区域动力学模型 ,据此发展智能化综合集成模型体系 ,形成人地关系复杂性的模拟研究实验室。本文提出了开发智能化CA GIS模拟方法的初步设想。     

基于城市流和层级性的城市群扩展模型构建

城市群是具有网络关系与层级性的区域空间,一直是中国推进城镇化与区域协调发展的主体单元。本文综合考虑城市群的网络与层级性特征,运用城市流刻画城际网络交互作用,采用分层广义线性模型（HGLM）揭示城市群分层驱动机制。同时,选取长江中游城市群开展实证研究,通过与元胞自动机（CA）耦合,构建HGLM-CA模型模拟城市群空间扩展。将模拟结果与Logistic-CA模型、BBO-CA模型进行比对,据此评析HGLM-CA模型的优劣与改进方向。实证结果表明：城市群空间扩展是多层驱动因素共同作用的结果,城市流不仅会推动城市群空间扩展,而且对元胞层因素起到重要的调节作用,使之具有城际分异性;HGLM-CA模型相比Logistic-CA模型模拟精度更高,说明顾及城市流与层级性的城市群空间扩展模拟结果更为精准;与智能模型BBO-CA相比,HGLM-CA模型模拟精度较低,但其便于从层级性角度把握城市群空间扩展机制。     

Application of lattice gas techniques to the study of sediment erosion and transport caused by laminar sheetflow

In order to gain a deeper understanding of the dynamics of erosion and sediment transport on hillslopes, it seems important to clarify the role of some basic mechanisms involved in these processes. While there is evidence that this cannot be done using the theoretical framework of river hydraulics, the use of numerical analysis could be of considerable help. The nature of the problem requires a technique capable of solving Navier–Stokes equations at low Reynolds number, with geometrically complex boundaries and solid particles moving inside the flow field. All these requirements make a novel method, known as lattice gas automaton LGA, a natural candidate for the study of the hydrodynamics of sheetflows. However, due to the recent introduction of this technique, there is a lack of a clear definition of its operational limits. Considering the case of a viscous sheetflow on an erodible rough boundary, we argue that by using LGA the stream Reynolds number can be increased only at the expense of a reduction of the boundary shearing stress. Accordingly, LGA cannot profitably be used to study the beginning of sediment motion and transport. On the other hand, a further evolution of LGA, known as the lattice Boltzmann method, seems highly promising for the numerical study of the erosion processes that eventually lead to drainage network evolution along hillslopes. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

从高维特征空间中获取元胞自动机的非线性转换规则

元胞自动机 (CA) 具有强大的空间模拟能力,能够模拟和预测复杂的地理现象演变过程。CA 的核心是如何定义转换规则,但目前CA转换规则获取往往是基于线性方法来进行,例如采用多准则判断 (MCE) 技术。这些方法较难反映地理现象所涉及的非线性等复杂特征。为此提出了利用新近发展的核学习机来获取地理元胞自动机非线性转换规则的新方法。该方法是通过核函数产生隐含的高维特征空间,把复杂的非线性问题转化成简单的线性问题,为解决复杂非线性问题提供了一种非常有效的途径。利用所提出的方法自动获取地理元胞自动机的转换规则,不仅大大减少了建模所需的时间,也较好地反映地理现象复杂的特性,从而改善了CA模拟的效果。     

基于元胞自动机的城市发展密度模拟

元胞自动机CA越来越多地被用于模拟复杂的城市系统,但这些模拟基本不考虑城市的发展密度。不同的城市发展密度会对城市的形态有很大的影响,有必要将城市的发展密度引进CA的城市模拟中,以获得更好的模拟结果。本文将密度梯度函数引进了CA模型的转换规则中,并定义‘灰度’来反映状态的转换。利用该模型对不同可能的城市发展组合进行了模拟,为城市规划提供了辅助依据。     

基于元胞模型的河道纵剖面调整动态模拟

纵剖面的调整是河道演化的重要内容,其对于河道整治及水沙灾害机理研究都具有重要意义。利用多年观测资料可以较为精确地分析和推断河道纵剖面的调整过程。但是,这种方法不能从过程机理上对纵剖面的调整进行模拟分析。而自然条件下河道边界条件的复杂性使得对河道纵剖面演化的物理过程模拟有很大困难。元胞自动机是一个时间、空间和状态都离散的动力模型,是研究复杂系统动态演化过程的有力工具。本文以黄河尾闾河道为例,利用一维元胞模型对河道纵剖面的调整进行动态模拟。模拟揭示了河道纵剖面在初始形态、不同水沙组合以及河道延伸等情况下的演化规律与趋势。     

水系元胞自动机的设计与实现

水系元胞自动机模型是应用元胞自动机理论对水系的形成与发展的随机过程进行模拟的模型。本文使用DEM作为基础数据,针对水系元胞自动机模型的建模过程和模型结构,详细阐述了将其抽象为计算机中具体的数据模型,以及使用C#程序设计语言实现该模型对水系进行模拟的具体过程,模拟了南流江流域局部地区的水系发展过程,为元胞自动机与水文学研究的结合提供了参考。     

多层次矢量元胞自动机建模及土地利用变化模拟

城市规划对土地利用变化起着重要的引导作用,各层次规划相互支撑、互为补充,自上而下影响着土地利用格局的演变。矢量元胞自动机以不规则的地理实体作为基本单元,可以更逼真地表达客观复杂的城市用地空间结构。然而,当面向具有层次协同性、空间引导性和管控传导性等特征的城市规划时,其元胞多层次体系构造、层次间协同方法和转换规则获取等关键问题凸显出来。本文以江阴市2007年、2012年、2017年3期土地利用现状数据为基础,在多层次矢量元胞自动机建模基础上,模拟了2017年土地利用变化,通过模拟结果与用地现状对比分析,对模型个别参数进行了修正,进一步提高了模型的可行性与适用性,进而预测了2022年城市土地利用格局。模拟结果显示,中心城片区建设用地发展已经趋于饱和,澄南、澄东南和澄东片区建设用地扩张较为明显,有逐步形成“中心城区—城镇组团—村庄”三级城乡空间聚落体系的趋势。最后利用FoM指标对模拟结果进行了评价,得到整体和各片区的精度基本都大于或接近于0.21,表明模拟结果精度较高,其构建的模型在面向多层次规划的用地变化模拟方面具有更好的效果。