人地关系分析的自主体模拟理论框架及其平台开发研究

论文摘要

本研究以人地关系理论为出发点,提出了地理学研究中基于自主体模拟（ABS,Agent-Based Simulation）的建模理论框架,并通过计算机编程构建了基于GIS的基于自主体模拟环境（GBASE,Gis-Based Agent Simulation Environment）。基于此理论框架和建模平台,对中国历史人口演化做了应用研究,展开了深入分析与讨论。论文撰写遵循文献回顾—理论框架探索—系统分析—系统构建—系统应用—总结讨论的研究思路,将全文分为六章。第一章,从对自主体和基于自主体模拟的概念界定出发,讨论了基于自主体模拟在地理计算中的应用,最终提出面向地理学研究的基于自主体模拟平台开发的必要性。基于自主体模拟是以若干自主体模拟客观世界,以自主体间的交互模拟系统动态性和复杂性的建模方法,它作为地理计算中的又一种新兴的建模方法在地理计算中得到了广泛的应用,主要包括:土地利用类型变化模拟、城市演化模拟、房产选购模拟、人群行为模拟、地理事件模拟、游憩行为模拟以及历史地理演化模拟等等。基于自主体模拟的应用之所以能得到不断拓展,离不开其系统开发平台的不断推陈出新,目前使用的普适性平台主要包括Swarm、NetLogo、Repast等等,但这些平台以及其所基于的建模思想都不是针对地理学应用而建立的,因而当被用于地理学研究的基于自主体建模时存在不足,特别是缺乏地理学研究中的多层次性。因此,本研究提出要建立一个面向地理学研究应用的基于自主体建模的理论框架及其软件平台。第二章,基于对传统人地关系理论的讨论,分析了基于自主体模拟在人地关系定量研究中的作用,提出了基于人地关系理论的基于自主体模拟的理论框架。地理学意义下的基于自主体建模是物理粒子按行为规则在地理环境中进行行为活动的模拟,它反映了人与地理环境交互影响的过程,是人地关系思想的集中体现。基于自主体模拟能有效模拟复杂的人与社会系统的微观交互,并能检验应用于宏观层面的规则的有效性。基于对地理学意义下基于自主体建模的认识,论文提出要建立人地关系意义下基于自主体模型的理论框架必须包含三个关键部件,即:地理环境自动机、个体自主体、组自主体。地理环境自动机是基于元胞自动机对地理环境的建模;个体自主体是对地理环境中具有自主行为决策能力的地理实体的基于自主体建模;而组自主体则是多个个体自主体或组自主体的集合,组自主体和其所包含的个体自主体或组自主体分别属于不同的研究层面,层层嵌套以此反应地理学研究中的多层次性。组自主体是本文提出来的适应具有多层次复杂系统的概念。第三章,在提出人地关系意义下基于自主体模拟的理论框架之后,研究的目标是将之在计算机编程环境中开发实现,成为具有二次开发能力的结合GIS的基于自主体模拟平台,即本文后来开发的GBASE软件平台。因此,第三章从面向Agent的软件工程思想出发,进行了系统需求分析,分别从控件创建需求、用户脚本编写需求、脚本解析需求以及GBASE平台的非功能性需求进行了剖析。为了实现系统的功能性需求和非功能性需求,本研究最终提出以Delphi和FastScript为系统实现技术手段,将系统分为四大模块,即控件生成模块、用户脚本管理模块、类库模块、脚本解析模块,并将理论框架中提出的三大部件对应到系统实现中的三大核心Agent类,从地理学研究的需求出发,分析设计了他们的属性和方法。第四章,为了满足GBASE系统用户二次开发的使用需求,论文深入分析FastScript使用的关键技术,解决了动态控件创建问题、用户代码管理问题、FastScript对地理信息数据的访问、操作问题、动态控件与FastScript以及GBASE平台后台类库综合的问题等系统开发的技术难点。最终实现了GBASE系统,这是一个面向地理学应用,能进行基于自主体模拟的二次开发的软件平台。系统的主要功能包括:用户控件创建、用户脚本编辑以及类库使用功能,其中包含了通过简单函数调用实现地理信息数据导入的功能,方便了地理学研究中结合GIS的基于自主体建模的系统开发。第五章,基于前文提出的人地关系意义下的基于自主体模拟理论框架以及所开发的GBASE平台,我们就中国历史人口地理演变展开了系统应用研究。该应用以地理环境自动机模拟地理环境,以个体自主体模拟人口粒子,将省区定义为组自主体,建立了包含气候、农业、社会影响因素的中国2000年来人口地理演变模型,并在GBASE平台上对该模型进行了编程实现,模拟实现了中国2000年来历史人口地理演变过程,相关的情景模拟分析结果表明:中国各省农业生产潜力的初始差异决定了人口分布的基本格局,是人口分布特征的内在因素,对人口分布演化具有深远的影响;中国人口分布南北格局的转变发生在910A.D.左右,该人口分布格局形成的主要动力在于安史之乱导致的战祸和动荡的社会条件;中国人口东西部分布的显著差异形成于1240-1250A.D.左右,其中,1230-1260A.D.的气候突变对东西部人口分布格局具有关键推动作用;气候变化对2000来历史人口分布的全局演化起了主导驱动作用,并以1230-1260A.D.的气候突变为转折表现为阶段性影响差异;中国历史时期人口重心持续向东南方向转移,且人口重心在纬向上的摆动幅度大于经向在上的变化幅度,即中国历史人口数量在南北方向上的格局变化较东西方向上的格局变化显著。另外,通过该应用,我们也发现了GBASE系统尚存的不足之处,予以了讨论分析。第六章,对论文进行了总结和讨论,展望下一步系统可深化、改进之处。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引论
• 1.1 地理计算
• 1.1.1 地理计算的兴起与发展
• 1.1.2 地理计算的分类
• 1.2 基于自主体模拟
• 1.2.1 自主体
• 1.2.2 基于自主体模拟
• 1.2.3 基于自主体模拟与元胞自动机的耦合
• 1.3 基于自主体模拟在地理计算中的应用
• 1.3.1 土地利用类型变化模拟
• 1.3.2 城市演化模拟
• 1.3.3 房产选购模拟
• 1.3.4 人群行为模拟
• 1.3.5 地理事件模拟
• 1.3.6 游憩行为模拟
• 1.3.7 历史地理演化模拟
• 1.3.8 基于自主体模拟的建模优点
• 1.3.9 基于自主体模拟功能总结
• 1.4 基于自主体模拟的平台研究
• 1.4.1 Swarm平台
• 1.4.2 NetLogo平台
• 1.4.3 研究问题的提出
• 1.5 论文结构
• 第二章 人地关系下基于自主体建模的理论框架
• 2.1 人地关系
• 2.1.1 解读人地关系
• 2.1.2 人对地的作用
• 2.1.3 地对人的作用
• 2.2 人地关系的建模方法
• 2.2.1 人地关系的研究方法
• 2.2.2 基于自主体建模与人地关系研究
• 2.3 人地关系理论下ABS的建模思想及构架
• 2.3.1 建模理论构架概述
• 2.3.2 地理环境自动机
• 2.3.3 个体自主体
• 2.3.4 组自主体
• 2.4 小结
• 第三章 GBASE平台系统设计
• 3.1 面向Agent的系统设计思想
• 3.1.1 从面向对象系统设计到面向Agent系统设计
• 3.1.2 面向Agent系统设计的方法步骤
• 3.2 GBASE平台需求分析
• 3.2.1 控件创建的需求分析
• 3.2.2 脚本编写的需求分析
• 3.2.3 脚本解析的需求分析
• 3.2.4 GBASE平台的非功能需求分析
• 3.3 GBASE系统概要设计
• 3.3.1 系统技术路线
• 3.3.2 系统概要设计
• 3.4 GBASE平台核心Agent类的设计
• 3.4.1 地理环境自动机Agent类的设计
• 3.4.2 个体自主体Agent类的设计
• 3.4.3 组自主体Agent类的设计
• 3.4.4 三个核心类之间的联系
• 3.5 小结
• 第四章 GBASE开发的关键技术问题及系统实现
• 4.1 系统实现中的关键技术问题
• 4.2 FastScript使用的关键技术分析
• 4.2.1 FastScript简介
• 4.2.2 FastScript使用的关键技术
• 4.3 GBASE系统实现
• 4.3.1 控件创建的实现
• 4.3.2 脚本编辑的实现
• 4.3.3 类库的实现
• 4.4 小结
• 第五章 GBASE系统应用——基于自主体模拟认识2000年来中国历史人口地理演化
• 5.1 中国历史人口研究简述
• 5.2 中国历史人口地理演变的基于自主体建模
• 5.2.1 模型结构概述
• 5.2.2 地理环境自动机建模
• 5.2.3 组自主体建模
• 5.2.4 个体自主体建模
• 5.3 中国历史人口地理演变模型的实现及结果分析
• 5.3.1 模型检验
• 5.3.2 农业生产潜力的作用分析
• 5.3.3 南北方人口分布格局的转变及其动力分析
• 5.3.4 东西部人口分布格局的形成及其动力分析
• 5.3.5 现代人口分布形成的动力分析
• 5.3.6 人口重心的转移轨迹分析
• 5.4 应用实例小结
• 5.5 GBASE系统应用小结
• 第六章 总结与讨论
• 6.1 总结
• 6.2 讨论
• 参考文献
• 后记