多智能体与元胞自动机结合及城市用地扩张模拟

1、地理科学SCIENTIA GEOGRA H4 ICA SNICA第27卷第4期2007年 08JJVol 27 No 4A ug, 2 0 0 7多智能体与元胞自动机结合及城市用地扩张模拟杨青生'；黎夏”(中山大学地理科学与规划学院，广东广州5 1027S 2广东商学院旅游环境学院.广东广州510320)摘要：运用多智能体(Agent)和元胞门动机(CA)结介來模拟城市川地扩张的方法,将形响和决定用地类型转变 的主体作为Agml引进元胞门动机模熨中,Agent在(人确定的城市发展概率的难础上，通过门身及其周圉环境 的状况综合备种因素的影响做出决策决定元胞下一时刻的城市发展概率。运用Ag

2、ent的决策结果，对CA模 熨中以随机变吊体现的不确定性通过Agmt决策行为给予地理意义的新解释。以城市郊区一樟木头氛为例，对 19881993年城市用地扩张进行了模拟研究取得了良好的模拟效果。关 键 词：智能体(Agent);元胞口动机;不确定性；城市模拟中图分类号：P2(耳IV984文献标识码：A 文章编号:1(X)0- 0690( 2(X)7)04 - 0542- ()7地理科学SCIENTIA GEOGRA H4 ICA SNICA第27卷第4期2007年 08JJVol 27 No 4A ug, 2 0 0 7地理科学SCIENTIA GEOGRA H4 ICA SNICA第27卷第

3、4期2007年 08JJVol 27 No 4A ug, 2 0 0 7收稿日期：2006- 01- 26修订日期：2006- 06- 19基金项目:I杰出青年基金资助项14( 40525002)：国家自然科学基金资助项口(4871105); “ 985工程”GE与遍感的地丁IJ科技创新平台项II ( 1052033(X)4(X)0()6)作者简介：杨靑生(1974-)，男,青海乐都人,博士研究生,研究方向:遥感和地理信息系统.E-mail qj¥ang2OO2g> 163c con*通讯联系人：黎£1.教授。E-mail gpk zmi «ki cn

4、69; 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 城市系统是复朵的非线性系统I。模拟城市 系统时，元胞自动机(Cellu lar Autcniata CA )已能 很好地模拟出与实际非常接近的城市格局和形 态刃。CA模拟的城市系统主要体现城市増长的 自然性、均衡性、同质性、同步性特征。为了反 映城市系统的非线性、不确定性特征，CA模拟城市 系统时，引入随机变最，通过随机变量体现城市 CA模型的不确定性H，'141 o这种通过随机变最体 现的不确定性缺乏明确的地理意

5、义。城市发展模拟的CA模型中，对城市土地利用 类型转变中支配用地类型转变主体(决策者)的决 策行为尚未考虑，而这种决策行为往往对丄地利用 类型的转变具有决定性作用。同时也反映了土地 利用类型转变的不确定性、人文性特点。本文将支配土地利用类型转变的主体(决策 者)引入CA模型中，将其作为Agent* Agent根据 H身的状态以及周I韦I环境的状况动态地影响乃至 决定元胞土地利用类熨的转变。基于.Agent- CA 模空，木文以郊区农业用地转变为居住用地为例， 把土地利用类世转变的主体(决策者)一土地使用 权所有者作为土地利用类型转变的Agenl结介CA 模熨进行了郊区居住川地增长的动态模拟。1

6、 CA> Agent与土地利用变化1 1元胞自动机元胞H动机是一种通过简单.的局部运算模拟 空间上离散、时间上离散的复杂性现象的模m|2|o 元胞自动机由以卜五个主要部分组成：元胞 (cell)、状态(State)、邻近范围(ne 妙 boihood)、转 换规则函数(transfer finction)、时间(tanporal)o 元胞门动机的基木运算法则是：某元胞在F -时刻 (/+ 1)的状态是该元胞上时刻"丿的状态及周围 邻近范围元胞状态的函数，即：S“' =)(I)其中，S'"为元胞在下一时刻的状态，S'为该元胞 在f时刻的状态,M为

7、f时刻该元胞邻近范闱的状 况，f为转换规则函数。(：A模型能通过局部运算形成全局的复杂模 式。CA的这种优点已经引起不同领械学者的注 意，它已被成功运川在物理、化学、生物、生态和城 市模拟中。1 2 A gentAgent(智能体、代理)，指具有“智能”的实体。 它可根据门身的特点及周围环境的状况，综介考虑 545地 理 科 学27卷族类要素后，在自身具备的经验、知识的指引卜，做 出某种决策，并以一定的行为方式体现决策的结 果，是具有属性与方法的类对象的实例，4,o Agent 为了达到某个持定的目标在与外部环境相互作用 的基础上,通过对环境状态的认识以及和其他A- gpn啲协作，门律地对问题

8、做出决策。Agent 般 具有以下四种基本特征。1）自律性：A紳t拥有内部自治机制和问题 解决机制，能够控制门（2的行为和内部状态。无需 他人的干涉即可根据自己的知识和捕捉到的信息 进行判断和行为决策。A gen t自律性的高低在很 大程度上决定了其智能的高低。2）社会性：Agent不是孤立的，而是一个相互 作用的群体。Agent间可以按照某种协议或者语 言进行通信和对话。从而形成一个小组来协作完 成某一特定的任务。3）反应性:指Agen俱有外部环境的反射作 用。能够识别外部环境的变化并作出适当反应。 这种反应可以是简虹的反射，也可以是深思熟虑的 反应。4）口发性:指A胃enl具有对目标的能动

9、性， 为了达到目标A gen t能够口发地参加到某些处理 或者协作中。除了这四种基本的特征外A吕ent还具有其他 的一些特征如合理性、适应性、诚实性、移动性、心 理性等等。从Agent具有的上述基本特征中，可以 设讣的内部基本功能结构。首先。它必须 有通信处理模块,能够处理消息和事件、实现通信 协议和协作协议。其次，它应该有问题求解和协作 控制模块,能够进行规划、推理、协作和控制。笫 三,应该有知识管理模块，能够对知识进行管理。1 3 土地利用变化CA模型研究概况门从U Lin, on 11 din anil捉出元胞门动机模 型1 15 161 Ju,经过 Conway1 ,Wolfran1

10、""等的发展, CA己成功地应用到城市发展的研究中。Couclelis 较早地研究了城市系统的CA模型，她认为CA的 模拟结果可以作为各种真实城市的类比物（an沪 bg）1，R, o Batty和他的同事也在城市CA方而作了 大斌的研究，他们采用了起源于计算科学和生物学 的CA进行城市模拟，得到了很好的模拟效果。 Porrens （）' su Ilk an等也作了相关的CA模型研 究"I。黎夏、叶嘉安对东莞的城市扩张进行了模 拟肉瞬M儒絢巒弹树斓聯臊捕捉 取CA的转换规则门切。周成虎，杜淸运等对不同 地区的土地利用变化进行了具体的模拟研究11 3,1 oL

11、 3 1城市CA的元胞空间城市増长模拟中元胞门动机的元胞空间主要 以规则的格网为主,这样的处理有利于讣算机的门 动化处理，又容易与大量的地理数据集成使用。格 网犬小的确定对模型模拟精度是很車要的,视地区 特征、土地利用状况等特征而定,一般采用30m x 3（） m, 5（） m x 50 in, 1 （X） ni x 1（X） in 等大小的格网。 当研究区域确定时，元胞的人小対模型的运篦呈有 非常大的影响。如果尺寸过大，难以体现城市发展 变化的特征;尺寸过小时，数据量非常大，迭代运粥 耗时很长。L3 2城市CA的状态变最传统兀胞自动机只冇一个状态变吊，主芟体现 局部的繁衍、再生变化通过局部的

12、转换规则，反馈 全局的分布特征。城市的増长除局部的繁衍、再生 外，还有区域尺度上的吸弓I、集聚作用。CA为反映 城市的这种变化特征，将传统元胞门动机的状态变 量进行了扩展,除每个元胞的土地利用类型外，主 要引入了土地元胞本少的属性（海拔高度、坡度、 湿度、土地适宜性等）变量，区域尺度上的吸引、集 聚、分形变量（元胞到市中心的距离、元胞到镇中 ，匚、的0 ：离、到河流的出1离、到主要交通线的距离 等）约束性条件变ft （城市规划用地类型、农III、 绿地、公共设施的位置等）。将传统元胞H动机的 状态变城经过这种扩展.CA模拟城市系统时既能 反映城市增长的局部繁衍、再生变化.乂能反映区 域尺度上的

13、吸引、集聚、分形特征。L 3 3城市CA的邻近范围L Ian Von iu*un aim最早提岀的元胞I动机的 邻近范围主要是元胞周围的3x3邻近范围，或在 3 x 3邻近范围中剔除元胞周围四个角方向元胞后 剩的4元胞邻域。为适应城市土地增长的模拟，有 将邻域扩展为5x5 7x7“的，不同大小的邻域对 城市土地增长的模拟影响很大具体选择邻域时, 要以地区的实际特征出发，通过测试可选取最优 的邻域模板WL 3 4城市CA的转换规则转换规则是CA模型中最主要的组成部分。 城市发展模拟屮的转换规则主要有转换矩阵"I 多准则判断（MCE）"层次分析法（AHP）Z和灰 席黑诽线唏曜罷

14、锻成型代概率模型朗、人工神经网络模型（叭遗传算 法（绚、决策树方法等。对传统元胞门动机模型在状态变量、邻近范 围、转换规则等方而的扩展后，元胞II动机己能较 好地模拟城市增长的门然性、均衡性、同质性、同步 性。为了反映城市系统的非线性、不确定性特征, CA模拟城市系统时，引入随机变暈，通过随机变 量体现城市CA模型的不确定性。通过随机变呈体现城市CA模型不确定性的 研究，能获取与实际城市布局比较致的城市布局 形态，但对随机变量所农达的具体禽义无法理解。 因此 在城市CA模型屮有必要引进具有明确意义 的变量來体现城市发展的人文性、非线性、不确定 性特征。Agent可根据自身的特点及周圉环境的 状

15、况,综合考虑各类要素后，在H身具备的经验、知 识的指引卜；做出决策并以一定的行为方式体现 决策的结果。城市发展模拟时将决定非城市用地 转变为城市用地的决策者作为Agem结介CA模 熨模拟城市发展。Agent结介CA模型的城市发展 模拟，可以用Agent明确的决策行为反映CA模熨 的随机性和不确定性。2 Agent- CA 模型2 1基于逻辑回归的CA模型与城市发展模拟元胞的城市发展概率与元胞邻近范围的用地 类型和系列空间距离变量（离道路的距离、离市 中心的距离、离镇中心的距离等）相关,这种关系 可以用逻辑回归模型农达，基于逻辑回川的城市用值，在Q冲,con（丿为条件函数，如果元胞为城 市元胞，

16、则值为1,否则为（）con（SQ为条件函数， 取/（） 1/间的值。如果元胞的约來性很人，无法转 变为城市用上也该值为（1如果完全没有约束性， 该值为L- Y为/（） 1/间的随机数.a为控制随机变 量大小的参数。每次迭代过程中，与给定的阈值比较.如 果P行大于给定的阈值，则元胞i丿在这次迭代中 转换为城市用地。2 2 Agent- CA模型式（2）中，城市系统的不确定性通过随机变量 体现。这种随机性缺乏地理意义的解释。城市发 展时,非城市用地转变为城市用地的过程与决定用 地类型转变的丄体关系非常紧密.如城镇郊区居民 居住用地的扩展，主要是在道路两侧一定的区域 内.离原居民地在一定距离范I韦I

17、内的土地元胞，该 土地元胞所有者经过对木身的经济条件、家庭人口 状况、劳动力状况、不同的用地类世.产生的市场价 值、邻近范閑土地利川状态、区域发展态势等方而 的综介考虑，决定该土地元胞用地类粮的归属。居 民的这种决策行为可以通过Agen凍模拟实现，在 CA模型中引进支配这类土地利用类型转变的主 体一土地元胞使用权所有者，作为Agpnt Agent 在CA确定的元胞城市发展概率的基础上，掌握门 刃及其环境的状态，依据I 口具备的知识，动态地 做出决策，彩响或决定元胞的城市发展概率。本文以郊区农业用地转变为居住用地为例，以#地 理 科 学27卷#地 理 科 学27卷CA模型如下:P.i ；=朋 x

18、 化；=(| + (- InY 丿X x con(S；丿 x Q； (2)1 + exp( - Zi)其中,表1从经验数据中获取的A呂决策规则Tab 卜 1 I'he decisbn ni Ips of A gen t obtaheil fnm experience-家庭人口的扩张需要新建住启用地-政附允许该地块转换为居住用地#地 理 科 学27卷(4)WaSemrc JounlMcUonPublishing House. All rights reserved, Zf = do + a Xi +兀2 + (lnXn= urlxin)73x3-1= 1 + （- hvf（5丿式（2）中

19、,卩；.侬示川寸刻i j元胞在道路、商业 中心、居住中心等因索的影响卜发展为城市用地的概率；Oo,山，an为各个变量的回归系数,X|,咒3 ,心为区域空间变量,如离公路的最短距离，离铁路的最短距离、离商业中心、居住中心的最短距-该地块转换为居住用地（出租）的市场价人于农用地的市 场价垄价-该地块为他所拥冇的地块中离道路最近的地块-Agt具竹将该地块转换为居住用地的经济条件-该地块的邻近范田用地类型thenagent| k|artiHi= 1 (转换为居住用地)els<*igenlf kactons 0 (不转换为居住用地)end if4期杨青生等：多智能体与元胞门动机结介及城市用地扩张模

20、拟547土地元胞所有者为.Agent .Agent根据自身的劳动 力状况、家庭人口条件、经济条件、不同用地类熨产 生的市场价值及其所拥有元胞的邻近范围用地状 况，动态地综介各要素的影响做出农业用地是否 转换为居住用地的决策，决定元胞是否转换为城市 用地。通过调査部分已经转换为居住用地A阳nt的 变量状态，从这些经验数据中提取了决定元胞是否转换为居住用地的规则：对每个研究元胞旷在第f次迭代过程中.如 果存在任一 Agent决定将其转换为城市用地则在 这次迭代中其状态发生转换，即：如果，存在任一agent I k. action = 1 tliendecisbn ijj= 1否则，decis bn

21、 ij jj - 0A genl与CA结介时，首先用MCE方法确定基 于CA的元胞城市发展概率，用CA确定该地块是否 转换为居住用地再用血品讪/判断这些地块 的Agents否决定将其转换为居住用地。其中，A- 帘泌的加性、方法、转换规则可以根据迭代时间的变 化动态调整,保持与AgentM性变化的一致性。A- gpnt-CA模型按式（6）决定元胞的状态变化：如果P； $ > PthreshoH and decision/ ijI jj = 1 （6丿 那么"元胞在第f次迭代时转换为居民用地 A gen L CA模型模拟城市用地扩张的流程如 图1。3模型应用本文以樟木头镇为例，运用

22、该镇19卅年 1993年的数据进行了模拟研究。模拟过程小使用 的A呼nt和CA的变量如表2获収确镣猶碗瑞瞒脚1綁喬Publi總際欝總爍鸞畫张料血。其中，土地利用类型数据从TWI遥感图像分 类获取,W图像的空间分辨率为3（） m x 3（）皿经 氨采样后得到50 mx 50m格网的城市用地;离道 路的距离、离居民地的距离、离Ji 4流的距离通过 A ixG E的最短距离函数获取;邻近范围3x3窗口 居住用地元胞数由A ixG IS的ne ghlx）r（）函数动态表2 Agent- CA城市扩张模拟中的变量Table 2 The varhl)l< i)u Lit hg uii)aii an*

23、 as with A gml and CACAAgent土地利用类型土地利用类割离逍路的距离劳动力状况家庭人口状况离屈比地的距离经济条件离河沆的距离农产品币场价邻域3x3谢口居住用地元胞数居住用地市场价Fjp 1 fhe fbw chart of s inu lat iig u i>aii <levek)|inmtw iti Agent- CA model资料。地理空间数据的采集、预处理用AnCIS软 件进行处理，遥感图像数据用ERDAS软件处理。 整个模型用Visual Basic结介Ar（OI）j«：ts开发的程 序迭代模拟。模拟时，以1988年和1993年的历史数据

24、为训 练样本旨先运用逻辑回归确定CA模型的参数。 同时根据历史经验Agenda性数据获取gent的 决策规则（农1）,运用A肝nt的决策观则动态确定 元胞的城市发展概率。Age,U- （A模型模拟时初始城市用地來自于 1988年TM遥感图像分类得到的城市用地。将已 城市化元胞、水体、道路、城市绿地等不可能转变为 居住用地的元胞约束值设为（1经过200次迭代 运算（图2为模拟过程图），模拟出了 1993年的城 市用地（图3B）,图3 A是从遥感图像中获取的实 际城市用地。研究结果反映了该地区城市土地利 用的变化状况，体现了 Agent在CA基础上根据自 身及周围的环境条件做出决策后的变化,为CA

25、模 型中以随机变量体现的不确定性给了 了明确意义 的解释。由于樟木头镇在1988- 1993年处于快速#地 理 科 学27 &#地 理 科 学27 &樟木头镇 T=0T=25T 二 50T=l00T=175城市用地非城市用地03 6km#地 理 科 学27 &#地 理 科 学27 &A实际城市用地1988 年1993 年1988年（初始）图2樟木头镇19981993年城市扩张模拟过程图卜百 2 Sin u kition of uri)an <lerel()|in mt w itli Ageti t- CA ii Zliaiigjiiu k)u T(h n

26、fnm 1988 k> 1993B模拟城市用地#地 理 科 学27 &549地 理 科 学27 &城市用地 二非城市用地024 km图3樟木头镇1994 1993年实际城市（A ）与模拟城市（B）对比卜直 3 The <tm pai*K<N)of tie actual uiban ex pans ( A) and shi u la ted urban expansnn ( B) ii Zliangiiu t<)u ia n4期杨庁生等：多智能体与元胞门动机结介及城市用地扩张模拟551法。逐点对比法注垂每个元胞尺度上的一致性，而 总体形态法更注雨总体布局格

27、局的一致性。本文 模拟的逐点对比粘度达到89. 1%, Kappa系数为 0 5Q这表明该模型取得了较好的效果，表3是模 拟精度评价混淆矩阵。同时,对反映城市总体形态 的Moran I指数进行了计算，1988年的Moran I指 数值为Q 307 1993年实际城市用地的Moran I指 数值为Q 476 1993年模拟城市用地的Moran I指 数值为(1 489。可见模拟的总体形态与实际非常 接近。同Ht, Moran I指数值从1988年的0 307增 加到1993年的()48Q反映了城市用地越来越集 中的趋势。表3基于Agent- CA模型的精度评价混淆矩阵Tab 卜 3 Pnxl i

28、rt r)n ami nuy of urt> an (i evelopm entfmm the A ge» t- (IA m «lel1993年模拟不转变转变止确比不转变3引214795肱转变31042857骇总特度89 MKa|paQ 594结论CA模拟城市系统时，为了反映城市发展的随 机性和不确定性特征,在模型中引入一随机变量, 用随机变量体现城市(人模型的不确定性。通过 随机变城体现城市CA模熨不确定性的研究能获 取与实际城市布局比较一致的城市布局形态但对 随机变量所表达的具体含义无法理解。在实际模 拟中，有必要研究具有明确意义的变量反映城市系 统的随机性和不确

29、定性特征。分析元胞用地类型转换的决策者行为的基础 上，在CA模型中，引入决定土地利用变化的主体 (决策者)作为Agent A gen I根据自身的劳动力状 况、家庭人口条件、经济条件、不同用地类型产生的 市场价值及其元胞的邻近范m用地状况等条件,动 态地综合考虑齐要索的影响做出农业用地是否转 换为居住用地的决策，决定元胞是否发展为城市用 地。A gen H故出的非城ill用地是否转换为城l|j用 地的决策规则是木模型的核心。Agent-CA模拟城市土地利用的变化过程，反 映了土地变化的模式也反映了变化过程，体现了 体现了土地变化过程中决策主体的人文性、不确定 性特点。运用Agent的决策结果，

30、对CA模型中以 随机变量体现的不确定性通过Agent决策行为给 了地理意义的新解释，对模型的理解具有重要的作 fflo参考文献：I 1周成虎，孙站利，谢-祚.地理元胞I动机研究|M .北京:科 学出版社,1999 1* 161| 2| Batty M. U ri)aii stmi s as celkilai* «uitanata| J Env h>m)ent and P kuin iig 11 1997 24: 159- 164.3 W anl D R M uriuv A T Ph bin SR. A skichastioilly amstmh(k(l cellularm or

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