基于扩展CA的文化传播时空模拟研究

1、收稿日期:2002-03-07;修订日期:2002-04-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(40071071和佛山大学校级重点研究项目作者简介:罗平(1974-,男,湖北荆州,博士生。现主要从事空间信息概念模型、动力学模型等方面研究及G IS 应用系统开发。基于扩展CA 的文化传播时空模拟研究罗平1,2,何素芳1,伍兆强1,杜清运2(11佛山科学技术学院理学院,广东佛山528000;21武汉大学资源与环境科学学院,湖北武汉430072摘要:文化传播影响因素复杂,具有空间上的相邻、不相邻、选择、随机等扩散形式和时间上的遗传特征,其时空模拟必须借助复杂系统研究方法。元胞自动机模型(C A 与

2、G IS 集成在地理过程模拟方面具有很大的优势。文中在分析元胞空间关系和元胞邻居描述的基础上,提出元胞邻居存在几何空间上的邻接形式和空间上不邻接但属性上相关的邻居形式。据此,通过对文化革新扩散的实质、空间形式、影响因素等分析,建立了基于邻居扩展C A 的文化传播系统模型,并利用该模型对文化传播现象进行了实验研究,取得了比较满意的实验结果。关键词:地理信息系统;元胞自动机;文化传播;时空模拟中图分类号:N949;G 122文献标识码:A 文章编号:1001-5221(200204-0371-04地理信息系统(G IS 作为空间数据处理的有效工具,为文化传播模拟提供了一个可行的可视化平台,但当前的

3、G IS 几乎都不能表达真实世界的动态反应,尤其是诸如经济、生态等系统之间的复杂空间过程,必须与动力学模型结合才能进行有效模拟,这也是现代G IS 理论研究的一个重要方向1。用数学模型来说明和预测事物的扩散是瑞典地理学家托尔斯坦哈格斯特朗(T orsten H agerstrand 首创的,但其理论在文化传播的实践应用上存在着一定的局限性:(1文化传播有别于一般地理系统的扩散,文化具有更多的历史遗传性;(2哈氏理论以均质地理空间为基础,致使模型建立过于理想化。空间复杂系统研究的基本思路是应用复杂系统的理论方法,结合地理学的本质规律,采用适当的研究方法,建立空间复杂系统的科学模型2。具有时空计算

4、特征的动力学模型元胞自动机(Cellular Automatta ,简称C A 因在解决空间动力学模型和G IS 不相融方面具有很大的潜力,成为文化传播时空模拟建模的首选工具。论文将在C A 扩展和文化传播系统分析的基础上进行建模和实验研究。1元胞自动机及其邻居定义扩展C A 首先由V on Neumann 和Ulam 在1948年提出,随后被广泛应用于探讨和模拟各类生物与物理系统的演化过程,例如气体的变化,生物的繁殖及演化3,其在地理和环境模拟中有许多独特的优点。第一,C A 具有内在的空间概念,其数据能与G IS 相融4。第二,C A 能够应用简单和局部的转换规则来产生复杂的空间过程。第三

5、,元胞自动机模型“自下而上”的研究思路、强大的复杂计算功能、固有的并行计算能力、高度动态等特征,使得它在模拟空间复杂系统的时空动态演变方面具有很强的能力5。空间关系可以是由空间物体的几何特性所引起的,如距离、方位、连通性、相似性等,也可以是由空间物体的几何特性和非几何特性(包括度量属性、名称属性等共同引起的,如空间分布现象的统计相关、空间自相关、空间相互作用、空间依赖等6。标准C A 是基于几何特性来研究空间物体的空间关系,譬如,二维C A 中通常以规则的空间单元(如四方格网、等边三角形等划分,按照V on.Neumann 型、M oore 型等方法进行规则处理。但这种邻居定义方法制约了其模拟

6、真实世界的能力,直接导致元胞状态转换规则一般不能应用于更远的单元。在现实世界中地理系统更多的是呈现不规则、反馈、迭代等复杂特征,地理实体间的空间关系很多体现在非几何特性上。例如,宗教文化传播并不一定是沿着几何上相邻的文化区传播,艺术表演或服装文化传播往往先在同类同等级别的城市之间传播等。根据C A 思想,理论上某个元胞的邻居应是在特定研究目的下对其下一个状态有影响或有主要影响的元胞的集合。因此,元胞空间关系不仅要考虑空间第22卷第4期2002年12月热带地理TROPIC A L G E OG RAPHY V ol 122,N o 14Dec 1,2002物体的几何特性,还需要考虑空间物体的非几

7、何特性。基于以上分析,对元胞邻居定义进行扩展,认为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。国外有学者利用V oron oi图将空间目标进行划分,可以将有些相离的地理实体转化为邻近关系,但有些复杂相离的空间关系无法解决(譬如文化在城镇系统中的等级扩散传播等,必须采用一种新的思路。基于关系数据库来定义和选择的元胞邻居是一种有益的理论尝试,其基本思想是在记录元胞属性的关系数据库中设计一些基本字段,通过属性值来选择和定义邻居。2文化传播的影响因素和空间形式文化传播是以时空为载体的文化革新信息或其具体物质表现形式在时间和空间两种不同维上的传播与扩散,其内在驱动力是

8、目标空间的“地理场效应”所产生的引力和文化自身作为一个有机体在时间上的延续和更好生存的需要。文化传播的影响因素很多,这里综合为文化传播势能v、空间距离r、空间扩散摩擦力mc和文化惯性yc4种因素。任一文化宿地接受源地文化传播值S数学描述如下: S=f(yc,r,v,mc1(1文化传播势能,主要考虑不同文化区由于生存资源环境、文化习俗和历史积累等的差异。由于在扩散过程中摩擦和信息损失,在其它条件不变的情况下空间距离与文化传播水平呈反比例。空间扩散摩擦力指地形、政治、军事、宗教等因素,会对文化传播产生阻力。空间扩散摩擦力不仅阻碍文化信息的扩散,也使得文化信息在扩散过程中产生变形。可以设计空间扩散摩

9、擦力系数来度量空间诸多因素对文化扩散的阻碍作用,其取值为01之间。文化惯性是指传统的道德、宗教、法制观念一般根深蒂固,总有沿着固有方向发展的趋势。参考前人研究成果,根据文化传播的地理范围、随机性和选择性,将文化传播空间扩散分为邻域接触即扩散、邻域随机扩散、邻域选择扩散、非邻域选择扩散和非邻域随机扩散5种基本形式。邻域接触即扩散指文化不分等级和地区,接触即可扩散,范围只限于局部,一般发生在地理位置相邻的文化区。邻域随机扩散指对于扩散源接触的文化区随机地进行选择扩散。邻域选择扩散指对于扩散源接触的文化区根据要求有选择地进行扩散。非邻域选择性扩散指由于文化信息的种类和层次不同,对于不接触的文化区会选

10、择性地扩散给不同等级文化结点或不同等级的人。非邻域随机扩散指扩散源对于不接触的文化区以随机方式进行扩散。总之,不接触的扩散在文化分布上表现出不连续及镶嵌的特点,由于特定机遇或某种偶发性因素所产生的随机性扩散形态上具备随机性。3基于扩展CA的文化传播系统建模文化传播的实质是文化延续与空间扩散,任一空间域元文化传播状态受自身上一状态和其它目标空间文化传播状态的综合影响,这与元胞自动机的元胞状态转换规则描述形式一致。因此,文化传播可用元胞自动机进行模拟。311元胞空间与数据结构根据文化传播系统分析,文化传播元胞空间是一非均质的地理空间,依照一定分辨率划分为正方形离散网格形成单位元胞,与G IS中的栅

11、格结构基本一致。但由于文化传播真实世界的复杂性,其在空间形态上存在大量的随机扩散、选择扩散和非邻接扩散,依靠几何上的邻接关系定义文化扩散元胞的邻居,与真实世界显然不符。根据前面元胞邻居定义扩展分析,采用基于关系数据库的邻居定义扩展规则。基于扩展C A的文化传播模型中元胞记录数据描述如表1所示。表1文化传播元胞自动机模型中元胞属性数据表T ab11T he cellular attribute data in culture diffusion m odelbased on cellar automata字段名字段类型字段描述UserID字符文化传播元胞编码P osition Location文

12、化传播元胞位置CellularS tate长整文化传播元胞的状态值Neighb orIn form ation字符与邻居定义相关的一些基本信息(如级别、类别、信仰等 BelongCellular字符作为其它元胞的邻居的特殊条件信息,以计算属于哪些元胞的邻居IncludeCellular字符邻居条件定义信息,以计算包含哪些元胞邻居CellularNumber长整元胞邻居数目312元胞扩散规则式(1S=f(yc,r,v,mc描述的是任一宿地在某一状态下受某一源地影响的状况。事实上,真实世界中,任一文化域元往往受多个扩散源影响,某一文化域元接受外界传播量累计值G为:273热带地理22卷G=S i=f

13、(yc,r i,v i,mc i(i=1, 2,N1(2其中,N为该文化传播元胞的邻居数目。文化遗传Yc与该域元的历史状态有关,r i、v i和mc i均与多个扩散源的状况相关。因此,将式(2简单转换,表达形式如下:S t=f1(S t-1,f2(r i,v i,mc i=f3(S t-1, O1,O2,O i,O N(i=1,2,N1(3 S t描述该文化域元即时状态,S t-1描述该域元上一个状态,f1、f2和f3为函数关系,O i为第i个影响该域元的扩散源的状态。式(3是一标准的元胞自动机元胞状态转换规则描述方式。因此,式(2描述的文化传播影响因素概念模型可以由元胞自动机模型很好地进行描

14、述。文化传播元胞转换规则描述如下:S t=S t-1+H i(i=1,2,N1(4H i为该文化传播元胞的第i个邻居元胞状态对其影响的瞬时值。地理空间的非均质性,增加了建模难度。为计算方便,文化源地向文化宿地的传播可以分解为两步:(1文化源地的文化传播各向同性随机扩散;(2文化宿地在源地随机扩散的基础上,经过空间扩散摩擦力的作用或选择,接受到传播量。假设文化传播介质具有随机性,大量的扩散介质运动就是一个随机过程,且该过程是连续的马尔科夫过程,服从前向的柯尔莫哥洛夫扩散方程。哈格斯特朗证明了扩散速度随时间呈正态分布曲线,其累积数量符合逻辑曲线。据此,得到文化传播空间动态随机扩散方程6:C(r,z

15、=C maxer fcr-(z4(z1/2r(z C maxer fc(z-r4(z1/2r<(z(5D(r,z,t=C(r,z1+ae-ktC(r,z1(6式中C(r,z为文化宿地接受文化源地传播随机扩散的饱和值;D(r,z,t为文化宿地在时刻t接受文化源地传播随机扩散的瞬时值;t为时差;a、k为与扩散时间和扩散速度有关的系数; r为文化源地与文化宿地之间的距离;z度量宿地与源地的综合文化水平差异;C max为文化源地的文化传播值;er fc(x为余高斯函数;(z为扩散偏移系数函数;(z为扩散系数函数。H与D(r, z,t存在如下关系:H=mc×D(r,z,t1(7H i=m

16、c i×D(r i,z i,t(i=1,2,N1(8 Mc取值范围为01,其值取决与文化源地与宿地之间经济、社会、文化等条件一致和交通畅通便利程度。因此,对任一文化宿地和源地,在已知C max、r、m、m0和mc的条件下,确定了(z和(z的具体函数后,即可求得某一源地对某一宿地的扩散影响值H i,即文化传播元胞的某一邻居元胞对其状态的扩散影响值。从而根据邻居定义条件元胞状态转换规则,可计算出任一文化传播元胞的状态G值。4流行服装传播实验研究流行服装的传播过程是一典型的文化传播扩散过程,具有空间上的相邻、不相邻、选择、随机等多种空间扩散形式和时间上的遗传特征,其传播通道受很多因素影响,

17、包括交通、经济、政治、宗教信仰、气候条件等诸因素。一般而言,文化习俗、宗教信仰对流行服装传播起巨大选择作用;交通越便利,越容易接受流行服装的扩散影响;经济条件越好,对流行服装感兴趣程度越高;敌对的政治关系对流行服装传播起绝对的限制作用;偶然的事件会对服装传播起一定的作用。因此,在文化传播元胞属性表中,应该存储影响传播的各项因素(标准化为可度量的指标,根据相应的规则和算法来选择文化扩散的距离和方位,这样才能比较真实地反映文化传播系统各元胞单元之间的相互作用,即元胞邻居关系。可以选取一些指标(如该流行服装的销售规模、专卖店的数量等来度量元胞状态。因受具体资料收集等因素影响,本文主要作方法和理论探讨

18、,不涉及具体地理区域。假设一研究区域,基本情况大致描述如下:(1研究区域分为O、A、B、C和D5个行政区,各子区各有一中心城市,O的中心城市为某一流行服装扩散源,区内有铁路与河流(或湖泊;(2B区有铁路与O相通,经济、文化与O相似;(3D区有铁路与O区相通,经济条件与O区基本一致,但受河流阻碍,文化习俗与O区有一定的差异;(4A区无铁路与O相通,区内经济交通落后;(5C区区内居民思想保守。元胞空间为100×75的网格单元,每一网格为一文3734期罗平等:基于扩展C A的文化传播时空模拟研究化传播元胞。在元胞属性表中,对邻居定义作如下规定:(1城市元胞互为邻居;(2各子区有一些增长点元

19、胞(类似于现实世界中的小城镇,各城市元胞与各子区内增长点元胞互为邻居,普通元胞选择高于自己文化传播水平的周围元胞作为邻居,其扩散考虑随机概率。扩散规则定义为:(1元胞在扩散中接触即扩散、接触随机扩散概率各为50%;(2非邻接扩散由属性表中的交通和经济条件进行选择概率确定。在利用笔者自己在MapX 控件上开发的C A 程序,经过t =50次运算后,得到了能基本说明扩散过程的模拟结果(图1,图2。 在图中以颜图1实验区初始状态图Fig 11T he diagram of ex perimental region s first state图2元胞50次运行后状态图Fig 12T he diagra

20、m of cellular state based on fifty calculation色深浅表示元胞状态,颜色越深,表明元胞状态值越大,即流行服装在该空间单元销售量越大。图1为实验区初始状态图,假设在初始状态下某一流行服装刚刚由中心城市O 产生,O 内的一个元胞作为种子点(扩散源,种子点颜色较深。图2显示,经过50次运行后,整个元胞空间的状态发生了很大的变化,清楚显示出服装传播的基本特征:(1扩散系统具备一定规律,带有不确定特征;(2传播具有等级扩散特征和距离衰减特征;(3在子区传播主要还是以邻域扩散为主;(4交通和河流在扩散中起巨大选择作用;(5各子区边界相互扩散效果不明显。在该实验中

21、,属性表的数据调整工作量巨大,在具体实践应用中需要注意,但实验结果基本能说明文化传播过程。5结论将C A 模型与G IS 相结合,可以使得二者互为弥补7。基于元胞属性表的C A 邻居定义扩展使得模型不仅可以模拟相互邻接个体的相互作用,还可以模拟几何上不邻接的个体的相互作用,不仅仅提供了一种更自然的方式去描述人类知识,而且为真实世界进行时空模拟提供了一种更有效的解决方法。由于文化传播存在非邻域扩散、选择扩散、随机扩散等空间形式,基于邻居定义扩展的元胞自动机可以更有效地对其时空过程进行模拟。实验研究表明,文化传播具备一定规律,带有复杂系统不确定的特征,其传播具有等级扩散特征和距离衰减特征,交通和河

22、流等因素在扩散中起巨大选择作用。模拟结果与理论预测基本一致,因此,基于G IS 和C A 的文化传播模型具有重大研究意义。但将模型用于真实世界时空分析与模拟,还有待进一步深入研究。例如,如何科学地度量空间扩散摩擦力等指标,如何解决元胞属性表记录量庞大的问题,以及如何定义邻居等。这些问题的深入分析和研究,将使得C A 模型在众多时空分析领域发挥越来越大的作用。参考文献:1W enzh ong Shi.Developm ent of V oron oi -based cellular autom ata -an in 22周成虎,孙战利,谢一春.地理元胞自动机研究M.北京:科学出版社,1999:2

23、6-3913黎夏,叶嘉安.主成分分析与Cellular Autom ata 在空间决策与城市模拟中的应用J .中国科学(D ,2001,31(8:683-690.4Fulong W u.S imulating artifical cities in a G IS environm ent :urban growth5Batty M ,C ouclelis H.Urban system as Cellular Autom ata J .Environ 2m ental and Planning B ,1997,24(2:159-16416单卫东,包浩生.地理系统非均质空间扩散定量研究J .地理学

24、报,1996,51(4:289-295.7黎夏,叶嘉安.约束性单元自动演化C A 模型及可持续城市发展形态的模拟J .地理学报,1999,54(4:289-298.(英文摘要下转第381页473热带地理22卷THE COOLING F L UCTUA TION EVENTS DURING H OLOCENE IN TR OPICA L CHINAZH ANG W ei 2qiang ,Huang Z hen 2guo ,J I ANGLu 2ming(Guangzhou Institute o f G eography ,Guangzhou 510070,China Abstract :T h

25、e forty seven sam ples of environmental analysis are chosen to discuss the H olocene cooling fluctuation in tropi 2cal China.I t is preliminarily considered that the beginning of H olocene is about 11000aBP and the pattern of climate changes consisted of eight cooling stages and eight warming stages

26、.Only the former seven stages ,except the last one i 1e.the Little Ice Age ,are deduced here.F or convenience the cooling events are called Y D (Y ounger Dryas ,B (Boreal ,(First New G lacial ,(Second New G lacial ,or (T hird New G lacial or First cool age ,(Second cool age and (T hird cool age ,res

27、pectively.All the seven cooling events are com plete in the eastern tropical z one especially in G uangdong.Very little about the cooling events has been kn own in the western tropical z one (Y unnan Province ,that may be due to weak fluctuation of climate there.T he process of cooling fluctuation i

28、s of the same pattern in H ainan Island and the S outh China Sea.T he events of and can be found in all six regions and the dates of the beginning and the end of the events were unanim ous essentially.I t sh ows that the m ost obvious change of climate occurred during 60002500aBP in China s tropical

29、 z one.By com paring the paleoclimate with the climate at present the drop am plitude in tem perature can be deduced in several stages.T he largest was 46of Y D ,the second was 215310of B and ,the third was 12of and and the last was <115of and .I t seems that the y ounger the cooling event was ,t

30、he smaller the drop am plitude in tem perature w ould be.K ey w ords :C ooling fluctuation ;T ropical China ;H olocene(上接第374页THE STU DY ON TEMPORA L AN D SPA TIA L SIMU LA TIONOF CU LTURE DIFFU SION BASE D ON EXTEN DE D CALUO Ping 1,2,HE Su 2fang 1,W U Z ao 2qiang 1,DU Qing 2yun 2(1School o f Nature Science ,Fo shan Univer sity ,Fo shan 528000,China ;2School o f Resources &Enviroment Science ,Wuhan Univer sity ,Wuhan 430072,China Abstract :T he culture diffusion ha