復(fù)雜系統(tǒng)理論與Agent模型在土地變化科學(xué)中的研究進(jìn)展

1、地理學(xué)報(bào)ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第66卷第11期2011年11月V ol.66,No.11Nov,2011收稿日期:2011-05-04;修訂日期:2011-09-02基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB951504;國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40930101;40971218;國際科技合作項(xiàng)目(2010DFB10030Foundation:National Basic Research Program of China,No.2010CB951504;National Natural Science Foundation of China,No.40930

2、101;No.40971218;Key Project of InternationalCooperation,No.2010DFB10030作者簡介:余強(qiáng)毅(1986-,男,博士研究生,主要研究方向?yàn)橥恋刈兓M。E-mail:yuqiangyi通訊作者:唐華俊(1960-,男,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事土地利用變化、遙感和GIS 應(yīng)用方面研究。E-mail:hjtang1518-1530頁復(fù)雜系統(tǒng)理論與Agent 模型在土地變化科學(xué)中的研究進(jìn)展余強(qiáng)毅1,2,吳文斌1,2,唐華俊1,2,楊鵬1,2,陳仲新1,2,陳佑啟1,2(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京100081;2

3、.農(nóng)業(yè)部資源遙感與數(shù)字農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京100081摘要:基于復(fù)雜系統(tǒng)理論與Agent 模型,分別從理論與方法的角度梳理并總結(jié)了當(dāng)前土地變化科學(xué)的研究進(jìn)展。復(fù)雜系統(tǒng)理論為研究土地變化所處的“耦合的人類自然系統(tǒng)”及其復(fù)雜性問題提供理論支撐;而基于Agent 的模擬作為研究復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具,為傳統(tǒng)土地變化模擬提供新的方法支持。當(dāng)前,ABMs 與土地變化模型相結(jié)合(ABM/LUCC,無論是模型構(gòu)建還是模型應(yīng)用均取得了顯著進(jìn)展。然而,其也存在諸多問題,尤其是理論與應(yīng)用脫節(jié),使很多建模者容易陷入“為建模而建模”的誤區(qū)。此外,現(xiàn)有的ABM 模型設(shè)計(jì)較為隨意,模型間差異太大,不利于跨區(qū)域比較研究的開

4、展。因此,雖然ABM 是認(rèn)識復(fù)雜系統(tǒng)的有效方法,但是建模之前離不開對系統(tǒng)復(fù)雜性的深入研究;基于Agent 的土地變化模擬的意義在于充分表達(dá)“人類自然”系統(tǒng)的綜合復(fù)雜關(guān)系,從而合理的預(yù)測土地變化(結(jié)構(gòu)與功能的動態(tài)過程,解釋并評價(jià)土地變化的可能影響。關(guān)鍵詞:Agent 模型;人類自然系統(tǒng);土地利用/土地覆蓋;土地變化科學(xué);土地系統(tǒng)1引言在“土地利用科學(xué)”(Land Use Science研究土地系統(tǒng)(Land System中,土地利用(Land Use與土地覆蓋(Land Cover的自然狀態(tài)、時(shí)空變化以及與其相關(guān)的社會經(jīng)濟(jì)、政治文化、生態(tài)環(huán)境等過程1-2。是當(dāng)今地理科學(xué)3、全球變化4-5、資源環(huán)

5、境6-7、城市化8-9、公共管理與規(guī)劃10-12、生態(tài)安全13-14與糧食安全15-16等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著全球變化與可持續(xù)發(fā)展研究的深入開展,土地利用與土地覆蓋變化的核心地位越發(fā)凸顯。尤其是,國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP與國際全球環(huán)境變化人類行為計(jì)劃(IHDP先后開展了LUCC (Land Use and Land Cover Change項(xiàng)目與GLP (Global Land Project項(xiàng)目,極大促進(jìn)了“土地變化科學(xué)”(Land Change Science的誕生和發(fā)展17。作為土地利用科學(xué)的子研究領(lǐng)域,土地變化科學(xué)以“耦合的人類自然系統(tǒng)”(Coupled Human and Nat

6、ural Systems18為對象,重點(diǎn)分析研究土地利用與覆蓋變化的過程、原因、結(jié)果及效應(yīng)19-20等問題。土地利用與土地覆蓋從本質(zhì)上反映“人類自然”系統(tǒng)的綜合復(fù)雜性,而這種復(fù)雜性在以往的研究中并未得到充分重視,是傳統(tǒng)土地變化研究不足之處21?！皬?fù)雜系統(tǒng)理論”(Complex System Theory是復(fù)雜性科學(xué)(Complex Science下的子領(lǐng)域,是哲學(xué)層面上的一種新的存在論、認(rèn)識論觀點(diǎn)。該理論興起于20世紀(jì)80年代,與11期余強(qiáng)毅等:復(fù)雜系統(tǒng)理論與Agent模型在土地變化科學(xué)中的研究進(jìn)展“一般系統(tǒng)理論”(General System Theory完全對立,認(rèn)為系統(tǒng)由無數(shù)處于底層的微

7、觀主體所構(gòu)成,動態(tài)性、無序性及多層次耦合性等是系統(tǒng)的基本特征;同時(shí),微觀主體的活動與系統(tǒng)宏觀功能或特征之間會產(chǎn)生協(xié)同影響22。復(fù)雜系統(tǒng)理論可以很好地解釋土地系統(tǒng)的復(fù)雜性問題,同時(shí)也能為土地變化科學(xué)提供新的理論指導(dǎo)。多主體系統(tǒng)(Multi-Agent Systems,MAS或基于主體的模擬(Agent-based Modeling,ABM等方法是研究復(fù)雜系統(tǒng)的重要手段,他們與傳統(tǒng)土地變化模型相結(jié)合,極大的豐富與發(fā)展了土地變化模擬研究方法。本文試圖從理論與方法的角度,總結(jié)復(fù)雜系統(tǒng)理論與Agent模型(Agent-based Models,ABMs在土地變化科學(xué)中的研究與應(yīng)用進(jìn)展,并就目前該領(lǐng)域存在

8、的一些重要問題進(jìn)行討論,為土地變化科學(xué)的發(fā)展提供部分研究思路。2復(fù)雜系統(tǒng)理論為土地變化科學(xué)提供新的理論指導(dǎo)復(fù)雜系統(tǒng)理論作為一種新的存在論、認(rèn)識論觀點(diǎn),發(fā)展至今已逐步被廣泛接受。復(fù)雜系統(tǒng)以不同形式、不同狀態(tài)、不同規(guī)模廣泛存在于生物學(xué)(細(xì)胞生物個體、生態(tài)學(xué)(生物個體生態(tài)系統(tǒng)、地理學(xué)(土地覆蓋類型景觀系統(tǒng)、社會學(xué)(居民社區(qū)、管理學(xué)(車輛城市交通系統(tǒng)、以及經(jīng)濟(jì)學(xué)(股民股市等研究領(lǐng)域23,不同視角下復(fù)雜系統(tǒng)的特征不盡相同。因此,由于學(xué)科的不同,學(xué)術(shù)界對于“什么是復(fù)雜系統(tǒng)?”“什么是系統(tǒng)復(fù)雜性?”以及“什么因素導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性的存在?”等問題,仍沒有形成統(tǒng)一定義24,25。結(jié)合土地系統(tǒng)的一些特點(diǎn),筆者認(rèn)為復(fù)

9、雜系統(tǒng)除了無序性、動態(tài)性等基本特性外,還具有以下一些重要特征23,26-31。首先是多層級性(Multi-scale and Hierarchical,這是導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性的關(guān)鍵問題。所謂多層級性,就是需要至少從兩個層次的角度去考量一個現(xiàn)象,層級關(guān)系越多,系統(tǒng)越復(fù)雜。系統(tǒng)越往高層,越表現(xiàn)出宏觀性功能或特征,越往底層,系統(tǒng)可分解為無數(shù)的微觀主體。二是自組織適應(yīng)性(Autonomous and Adaptive。即指在系統(tǒng)宏觀特性的要求下,每一微觀主體通過各自明確的任務(wù)自我約束,并不斷通過決策過程來優(yōu)化行為,實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求與環(huán)境條件間的最優(yōu)適應(yīng)。三是控制性與突發(fā)涌現(xiàn)性(Controllable and

10、 Emergent。從系統(tǒng)層面看,系統(tǒng)對每一主體的任務(wù)有所要求,而主體在完成任務(wù)的過程中,對整個系統(tǒng)產(chǎn)生非線性影響,即“系統(tǒng)不等于主體之和”或“系統(tǒng)特征并非主體均具有”。因此,隨著主體的運(yùn)動,系統(tǒng)的特征會不斷變化,其給每個主體賦予的任務(wù)也會不斷改變,這種上下級間的因果關(guān)系與反饋?zhàn)饔檬菑?fù)雜系統(tǒng)保持動態(tài)的根本原因,使得系統(tǒng)宏觀特征很難精確預(yù)測。四是異質(zhì)性與相互作用性(Heterogenetic and Interactive。復(fù)雜系統(tǒng)中的主體之間有差異,導(dǎo)致他們的行為與決策依據(jù)各不相同。而主體與主體之間、主體與系統(tǒng)之間又存在特定的關(guān)系或規(guī)則,這使得主體之間的行為可能相互影響,而某一特定主體的行為在

11、時(shí)間上可能產(chǎn)生路徑依賴(圖1。土地系統(tǒng)是土地利用與土地覆蓋的總和,人類活動與自然因素的綜合作用使得土地利用與覆蓋格局不斷變化,土地圖1復(fù)雜系統(tǒng)及其研究方法Fig.1Complex systems and its research approaches1519地理學(xué)報(bào)152066卷變化及其影響成為全球變化與可持續(xù)發(fā)展研究中人們最為關(guān)心的熱點(diǎn)問題32。然而,熱點(diǎn)導(dǎo)向下誕生與發(fā)展的土地變化科學(xué),其理論研究一直落后于應(yīng)用研究。各種類型的地理算法33-34、土地變化模型技術(shù)35、以及“3S”集成分析技術(shù)36-37等都在土地變化相關(guān)研究中得到長足的應(yīng)用與發(fā)展,尤其是土地變化模型研究,已成為土地變化科學(xué)的重

12、要內(nèi)容38。然而,到目前為止,土地變化科學(xué)仍沒有形成統(tǒng)一的理論體系39,現(xiàn)有的理論多借鑒相鄰學(xué)科理論與方法:如地理學(xué)中的景觀論40與區(qū)位論41、社會學(xué)中的行為論42-43、相關(guān)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論44以及人地關(guān)系論45-46等。理論研究滯后于應(yīng)用研究容易導(dǎo)致學(xué)科范式的缺失,不利于研究方法朝科學(xué)化、系統(tǒng)化與規(guī)范化的方向發(fā)展47,造成一般性研究與跨區(qū)域?qū)Ρ妊芯亢茈y得以開展,成為阻礙土地變化科學(xué)發(fā)展的制約性問題2,32,48。目前,地理學(xué)者對地理系統(tǒng)復(fù)雜性的認(rèn)知已成共識,他們呼吁地理學(xué)研究需要在復(fù)雜性科學(xué)視角下進(jìn)行范式轉(zhuǎn)型47。在此框架下,土地變化科學(xué)的理論體系將會得到極大的豐富與完善,從理論上認(rèn)識土地系統(tǒng)復(fù)

13、雜性也成為對其模擬與分析的基礎(chǔ)49。首先,土地系統(tǒng)是人類社會與自然系統(tǒng)的耦合18,其內(nèi)部有復(fù)雜的層級或平行關(guān)系50,是典型的復(fù)雜系統(tǒng)51。土地系統(tǒng)的復(fù)雜性主要來自于兩大子系統(tǒng)的不同特質(zhì)、子系統(tǒng)內(nèi)部及子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互影響等。其次,除了復(fù)雜系統(tǒng)的一般特性外,土地系統(tǒng)還表現(xiàn)出時(shí)空異質(zhì)性30,49,尺度敏感性52-53,自然與社會綜合性54,以及系統(tǒng)反饋效應(yīng)55-56等特征。土地系統(tǒng)的復(fù)雜性問題是土地變化科學(xué)的難點(diǎn)之一,關(guān)于這一問題的理論研究仍需繼續(xù)強(qiáng)化。具體表現(xiàn)在描述、理解及解釋土地利用的時(shí)空格局及其動態(tài)變化過程57、實(shí)現(xiàn)土地變化模擬過程中的尺度轉(zhuǎn)換58、表達(dá)人類活動與自然環(huán)境的相互作用關(guān)系

14、、以及闡明土地系統(tǒng)的控制與反饋機(jī)制等。3作為復(fù)雜系統(tǒng)研究的重要方法,ABM為土地變化模擬提供新思路認(rèn)識復(fù)雜系統(tǒng)的方法包括實(shí)驗(yàn)觀測、理論解釋、以及模型模擬59等。實(shí)驗(yàn)方法能夠直接表現(xiàn)不同層級間的非線性作用效果;理論方法有助于認(rèn)識系統(tǒng)復(fù)雜性的存在,同時(shí)梳理復(fù)雜系統(tǒng)的多重上下關(guān)系。然而認(rèn)識復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵還在于如何對其進(jìn)行動態(tài)模擬,即如何表達(dá)微觀主體活動及其對系統(tǒng)宏觀層面的影響。具體包括:充分認(rèn)識并度量系統(tǒng)的復(fù)雜程度,在此基礎(chǔ)上對微觀主體的行為進(jìn)行表達(dá)。通過計(jì)算模擬再現(xiàn)系統(tǒng)過去某一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)格局或重現(xiàn)某一段時(shí)刻的動態(tài)過程。對模型參數(shù)化過程進(jìn)行敏感性分析與不確定性分析,并進(jìn)行模型校正與驗(yàn)證。在充分合理解

15、釋系統(tǒng)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上,通過模擬微觀主體行為,同時(shí)考慮其與系統(tǒng)控制要求的協(xié)同,對系統(tǒng)的未來格局或變化過程進(jìn)行估計(jì)。整個過程遵循一般性、可比較性及可重復(fù)性等原則,以減少估計(jì)誤差。如果按目的劃分,復(fù)雜系統(tǒng)模擬包括解釋與預(yù)測兩方面主要內(nèi)容60-61。在復(fù)雜系統(tǒng)模擬研究方面,多主體系統(tǒng)(MAS用數(shù)學(xué)的概念、方法和理論,將真實(shí)世界的復(fù)雜系統(tǒng)抽象化表達(dá),并深入分析,從定性或定量的角度來刻畫實(shí)際問題(圖1。MAS與人工智能,尤其是其子領(lǐng)域分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligence, DAI的研究內(nèi)容相交叉,二者相互借鑒、相互補(bǔ)充,不斷推動復(fù)雜系統(tǒng)模擬技術(shù)的發(fā)展62-

16、63。人們可根據(jù)不同的理論基礎(chǔ)和研究需要來設(shè)計(jì)MAS64-65,其中,MAS將Agent用以表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)中能動的微觀主體,此外將Agent所處的外部環(huán)境,包括系統(tǒng)規(guī)則,以及物質(zhì)、信息、能量傳入等設(shè)計(jì)在內(nèi)63,以增強(qiáng)模型的真實(shí)性29。值得注意的是,MAS的設(shè)計(jì)一般較為復(fù)雜,而人們相對更為關(guān)注MAS中Agent的行為特征,因此MAS可簡化為基于Agent的模擬(ABM。由于ABM是通過模擬微觀主體的行為過程來表達(dá)系統(tǒng)宏觀層面的作用結(jié)果,因此又被稱之為“自底而上”(Bottom-up的建模方法。ABM已經(jīng)在不同學(xué)科得到廣泛應(yīng)用。例如,生態(tài)學(xué)研究生物個體與環(huán)境之間的相互11期余強(qiáng)毅等:復(fù)雜系統(tǒng)理論與A

17、gent 模型在土地變化科學(xué)中的研究進(jìn)展關(guān)系,隨之IBM (Individual-based Modeling便用以代替ABM 而出現(xiàn)在生物學(xué)模擬中31;地理學(xué)關(guān)注的是地表二維空間內(nèi)要素的時(shí)空分布及其組合特征,為此,地表空間內(nèi)位置固定的等面積網(wǎng)格被定義為復(fù)雜系統(tǒng)中的微觀主體,這類特殊的ABMs 被稱之為元胞自動機(jī)(Cellular Automata ,CA,是地理系統(tǒng)空間自組織研究中的重要模型工具66(圖1。同時(shí),ABM 在研究人類行為復(fù)雜性方面已取得重要進(jìn)展。在美國科學(xué)院院報(bào)的一期專刊中,許多學(xué)者以復(fù)雜系統(tǒng)理論與人類自組織決策行為的研究為主題,撰文討論了ABM 自身發(fā)展、ABM 在經(jīng)濟(jì)學(xué)與政

18、策管理中的應(yīng)用、及ABM 的模擬平臺(如RePast ,Swarm ,NetLogo ,AgentSheets ,Ascape ,Cormas ,StarLogo對比等方面的問題。學(xué)者們一致認(rèn)同,ABM 為社會學(xué)研究帶來了全新的視角,并為深入研究人類社會動態(tài)過程提供新的方法變革67。對于土地變化科學(xué)而言,模型模擬是認(rèn)識土地系統(tǒng)復(fù)雜性的重要方法49,同時(shí)也是土地變化科學(xué)的重要研究內(nèi)容38。復(fù)雜系統(tǒng)理論為土地變化科學(xué)提供新的理論指導(dǎo),而作為復(fù)雜系統(tǒng)研究的重要工具,ABM 為土地變化模擬提供新思路,如CA 可用作表達(dá)自然要素空間格局變化的基礎(chǔ),而ABMs 可以表達(dá)引起土地變化的人類決策過程(圖1。建

19、模新思路主要體現(xiàn)在兩個方面:一是建模角度的轉(zhuǎn)換,傳統(tǒng)土地變化模型偏好“自頂而下”(Top-down的構(gòu)建策略,即首先確定某區(qū)域宏觀層面土地變化的總體速率與特征,然后逐級向下分配至最小微觀尺度的地理單元,這在預(yù)測土地變化結(jié)果方面或許存在特定優(yōu)勢,然而卻在很大程度上難以解釋土地變化的原因42;同時(shí)難以充分表達(dá)不同空間尺度間的反饋和關(guān)聯(lián)55,有明顯的尺度限制性。二是模型動態(tài)特征的轉(zhuǎn)換,傳統(tǒng)土地變化模型比較側(cè)重人類自然關(guān)系中自然環(huán)境部分的研究,而人類主體作用在模型中得不到顯性描述38;同時(shí),傳統(tǒng)模型更加側(cè)重表達(dá)土地系統(tǒng)的空間格局變化結(jié)果,而難以體現(xiàn)其變化過程的動態(tài)特征68。復(fù)雜系統(tǒng)理論為土地變化模擬提

20、供“自底而上”的建模策略,并體現(xiàn)很好的時(shí)間動態(tài)過程,尤其是在表達(dá)“人類自然”相互作用復(fù)雜關(guān)系、闡述土地變化機(jī)理、轉(zhuǎn)化尺度、以及分析土地變化反饋機(jī)制等方面有著重要的指導(dǎo)作用。4基于Agent 的模擬與土地變化模型的結(jié)合及應(yīng)用土地變化科學(xué)屬于夸學(xué)科綜合,而土地變化模擬作為其研究的主要方法及重要內(nèi)容,也具有很強(qiáng)學(xué)科交叉性。在早期的土地變化問題研究中,人們對“人類自然”系統(tǒng)的復(fù)雜性問題并未充分認(rèn)識。如早期的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型,僅側(cè)重于研究分析土地變化的數(shù)量和速率特征,對變化的空間分布并未給予太多考慮38。而隨著自然復(fù)雜系統(tǒng)中地理要素空間自組織問題逐步受到重視,尤其是隨著遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,土地利用

21、格局及其變化的空間顯性化表達(dá)成為可能。在此階段,土地變化經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型與CA 模型開始結(jié)合,形成了基于網(wǎng)格的土地變化空間模型(圖2。土地變化空間模型中的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模塊側(cè)重于計(jì)算土地變化的總體數(shù)量,并研究分析影響土地變化幅度的直接因子和潛在因素;而其CA 模塊側(cè)重于綜合考慮諸 多限制因素和轉(zhuǎn)換規(guī)則,將變化的數(shù)2基于Agent 的模擬與土地變化模型的結(jié)合Fig.2Integration of agent-based modeling and land change models1521地理學(xué)報(bào)152266卷量逐步分配到一定的土地利用空間單元中,并分析土地利用的空間格局和生態(tài)環(huán)境的空間變異性關(guān)系。目前比

22、較成熟的土地變化空間模型包括CLUE系列、GEOMOD系列、SLEUTH以及CA_Markov等38,69。ABMs與土地變化模型的結(jié)合70(ABM/LUCC或MAS/LUCC相對較晚,ABM/LUCC 的關(guān)鍵問題在于如何將人類行為整合進(jìn)土地變化的研究框架54,相對于土地變化空間模型,其更傾向于研究土地變化動態(tài)過程中人類決策選擇的重要作用,因此亦可稱之為土地變化決策模型(圖2。近年來,一些領(lǐng)域內(nèi)的知名期刊出版了許多關(guān)于ABM/LUCC研究的?？?8,71-72,極大的推動了ABM/LUCC模型的發(fā)展。這些ABM/LUCC模型各具特色,他們從各自的角度出發(fā),研究土地系統(tǒng)變化過程中的復(fù)雜性問題。若

23、從其對“人類自然”系統(tǒng)復(fù)雜性的解釋角度來看,當(dāng)前ABM/LUCC的建模思路可以大致分成兩大類型。第一類可稱之為“主體決策模型”。這類模型中,主體一般被定義成個人或者家庭,主體與地塊之間存在較為固定的空間對應(yīng)關(guān)系(同一主體可擁有多個地塊,但非同一地塊可歸屬多個主體,主體的行為對該地塊的土地利用方式與格局具有決定性作用。構(gòu)建“主體決策模型”需根據(jù)主體屬性合理的確定不同主體類別,并定義主體的相關(guān)土地利用行為?！爸黧w決策模型”大都關(guān)注主體行為或結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化,以及這些變化過程對宏觀層面土地利用方式與格局的影響。人類行為的多樣性與決定性以及“主體地塊”的對應(yīng)性導(dǎo)致地塊的土地利用方式亦呈多樣化態(tài)勢,因此這

24、類模型比較適合農(nóng)業(yè)土地利用變化方面的研究(表1。第二類可稱之為“空間決策模型”。這類模型的核心是一張二維格網(wǎng)圖(類似于CA,每一個空間網(wǎng)格代表土地利用變化的基本單元?？臻g網(wǎng)格的土地利用如何變化取決于其綜合的自然經(jīng)濟(jì)社會屬性,最終表現(xiàn)為宏觀層面的土地利用格局動態(tài)變化過程。“空間決策模型”相對于傳統(tǒng)土地變化空間模型的最大革新是將人的行為偏好、人口結(jié)構(gòu)、政策條件等因素定義成網(wǎng)格經(jīng)濟(jì)社會屬性的重要方面,以此體現(xiàn)人類在土地利用變化過程中的主體地位。此類模型重點(diǎn)研究的是網(wǎng)格地塊的土地利用方式及格局發(fā)生變化的可能性,因此模型中人與地塊的空間對應(yīng)關(guān)系并不需要非常明確,人口數(shù)量可能存在動態(tài)變化(新生或死亡且一定

25、程度上可以在不同地塊間流動(遷入或遷出,以此改變地塊的綜合屬性特征,由此造成網(wǎng)格地塊土地利用格局的變化。綜合來看,這類模型較多應(yīng)用在城市擴(kuò)張,居民定居選擇等研究領(lǐng)域,尤其是政策分析與評價(jià)等問題(表2。發(fā)展ABM/LUCC的目的是將其用以研究“人類自然”系統(tǒng)復(fù)雜性問題,但如果嚴(yán)格按照以上總結(jié)的ABM/LUCC建模的兩大主要思路,這種“人類自然”綜合復(fù)雜性極容易被拆分開來研究:“主體決策模型”偏重于社會學(xué)領(lǐng)域,認(rèn)為土地利用格局僅是人類土地利用行為復(fù)雜性的直接表現(xiàn),容易忽視土地變化過程中的自然社會綜合適應(yīng)性問題;而“空間決策模型”大多以CA為基礎(chǔ),對人類社會的復(fù)雜性問題關(guān)注不夠。實(shí)際上,一些研究已經(jīng)

26、考慮將兩套建模思路相結(jié)合,如Entwisle等人的農(nóng)用地模型與Evans等人的LUCIM模型中(均為“主體型”,都考慮了人口結(jié)構(gòu)變動以及人口遷徙等因素;而An等人的IMSHED模型(“空間型”又同時(shí)考慮了人與地塊的對應(yīng)問題,如新建居民點(diǎn)位置與砍伐薪柴的范圍等。為了更好的表達(dá)“人類自然”綜合復(fù)雜性,當(dāng)前一些研究已經(jīng)開始嘗試將ABM模塊、LUCC模塊以及其他模型模塊互相嵌套,發(fā)展多尺度、多層次的綜合模型,用以研究土地系統(tǒng)變化的過程、原因、結(jié)果及效應(yīng)等綜合復(fù)雜性問題。如AgriPoliS與SERD等模型將ABM/LUCC與碳氮循環(huán)模型進(jìn)行整合,研究土地利用變化過程的生態(tài)效應(yīng);而MP-MAS與FEAR

27、LUS將ABM/LUCC與其他生物物理模型進(jìn)行整合,研究土地利用的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出及其經(jīng)濟(jì)社會生態(tài)綜合效應(yīng);此外一些城市擴(kuò)張模型將CA與ABMs結(jié)合,并將效益分析、情景分析等方法整合在內(nèi),為政策評價(jià)提供了更為可靠的依據(jù)。不容否認(rèn),ABM 為土地變化模型的發(fā)展起到了新的助推作用,能廣泛應(yīng)用于城市(農(nóng)業(yè)土地利用變化模擬,自然資源管理等領(lǐng)域21,同時(shí)還是土地利用政策分析與規(guī)劃、參與式模擬、檢驗(yàn)社會學(xué)理論或概念、解釋土地利用功能等的重要方法96。但是ABM/LUCC 的構(gòu)建,依然離不開復(fù)雜系統(tǒng)理論的指導(dǎo),否則難以實(shí)現(xiàn)建模的真正目的。5討論5.1如何協(xié)同理論研究與應(yīng)用研究是土地變化科學(xué)面臨的首要問題理論研究與方

28、法應(yīng)用的對立統(tǒng)一是所有學(xué)科發(fā)展所要面臨的共性問題,這也是本文展開討論的立足之點(diǎn)。土地變化科學(xué)的誕生與發(fā)展得益于全球變化研究與可持續(xù)研究的不斷推動,其核心研究內(nèi)容,如土地利用變化的過程、原因、結(jié)果及效應(yīng)等問題,均體現(xiàn)著巨大的應(yīng)用導(dǎo)向性,導(dǎo)致該領(lǐng)域的理論研究一直滯后于應(yīng)用研究。理論與應(yīng)用的螺旋式交錯景觀類型/模型名稱主要研究人員最近文獻(xiàn)/地點(diǎn)主要研究內(nèi)容備注農(nóng)用地A g r i P o l i S H a p p e ,K e l l e r m a n 等201173/丹麥研究農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因素,模擬農(nóng)戶在追求利益最大化過程中相對應(yīng)的土地利用方式的動態(tài)變化,并評估其生態(tài)影響軟件包/多處應(yīng)用農(nóng)

29、戶農(nóng)場空間對應(yīng)農(nóng)用地MP -MA S S c h r e i n e m a c h e r s .,B e r g e r 等201174/多個區(qū)域研究農(nóng)業(yè)技術(shù),市場動態(tài),環(huán)境變化,以及政策干預(yù)對農(nóng)戶土地利用行為的影響軟件包/多處應(yīng)用農(nóng)戶地塊空間對應(yīng)農(nóng)用地F E A R L U S P o l h i l l ,G o t t 等201075/蘇格蘭研究并模擬地塊為追求最大收益而伴隨的土地利用的動態(tài)變化,其中,地塊最大收益可以看成是多個圖層屬性的疊加(自然、社會經(jīng)濟(jì)、政策、以及決策者偏好等S w a r m -b a s e d 軟件包/多處應(yīng)用農(nóng)戶地塊空間對應(yīng)農(nóng)用地I L L U MMi

30、l l e r ,Wa l s h 等201076/厄瓜多爾研究相對封閉海島居民的生計(jì)與環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系,并模擬環(huán)境變化,尤其是入侵作物的擴(kuò)張對農(nóng)戶土地利用決策的影響N e t L o g o /A r c G I S 農(nóng)戶地塊空間對應(yīng)農(nóng)林用地Me n a ,Wa l s h 等201177厄瓜多爾研究人類行為以及“人類自然系統(tǒng)”的復(fù)雜性,并模擬與之相關(guān)的毀林開荒、粗放農(nóng)業(yè)、人口遷徙與結(jié)構(gòu)變化等動態(tài)過程R e P a s t -b a s e d 通過G P S 空間連接農(nóng)林用地L U D A S L e 等201078/越南研究并模擬土地利用動態(tài)變化以及農(nóng)戶社會經(jīng)濟(jì)屬性的動態(tài)變化過程,同時(shí)

31、對相關(guān)土地利用政策進(jìn)行評價(jià)N e t L o g o -b a s e d 農(nóng)戶地塊空間對應(yīng)農(nóng)用地V a l b u e n a ,V e r b u r g等201079/荷蘭研究影響農(nóng)戶土地利用行為的內(nèi)(外部因素,并模擬農(nóng)戶的決策選擇對土地利用格局的影響N e t L o g o -b a s e d 農(nóng)戶地塊空間對應(yīng)農(nóng)用地L U C -A S M潘理虎,黃河清等201080/中國研究并模擬不同農(nóng)戶類型以及自然環(huán)境、政府和企業(yè)的補(bǔ)貼機(jī)制綜合影響下的農(nóng)戶的土地利用行為R e P a s t -b a s e d 農(nóng)用地陳海等201058/中國研究農(nóng)戶間的相互作用及市場因素的影響,并探討不同尺

32、度下農(nóng)戶土地利用決策過程通過G P S 空間連接農(nóng)-林-草地S E R D G a u b e 等200981/澳大利亞研究并模擬不同情景下的“社會經(jīng)濟(jì)”與“社會生態(tài)”兩大過程,通過土地利用變化過程將二者在機(jī)理上進(jìn)行整合農(nóng)戶地塊空間對應(yīng)農(nóng)林用地L U C I ME v a n s ,K e l l e y 等200882/美國研究移民潮、人口變動,以及農(nóng)戶追求收益最大化等因素對土地利用的影響,并模擬歷史的毀林造田棄田再生林過程農(nóng)戶地塊空間對應(yīng)農(nóng)用地E n t w i s l e ,Wa l s h 等200883/泰國研究并模擬農(nóng)戶層面的人口動態(tài)變化對自然環(huán)境變化的響應(yīng)及其對土地利用格局的影響

33、農(nóng)戶地塊空間對應(yīng)R e P a s t /A r c G I S 農(nóng)用地B a k k e r 與v a n D o o r n 200984/從農(nóng)戶異質(zhì)性的角度解釋土地利用變化的過程模型僅起解釋作用發(fā)展是科學(xué)健康發(fā)展的常態(tài),相反如果理論與應(yīng)用出現(xiàn)脫節(jié)則往往容易造成危機(jī)的出現(xiàn)47。近年來,隨著ABM 技術(shù)的發(fā)展,這種關(guān)注微觀主體、自底而上的建模策略逐漸開始被用于土地變化模型研究當(dāng)中,然而許多研究卻重視ABMs 的應(yīng)用而忽視對“人類自然”系統(tǒng)綜合復(fù)雜性的理論探索。許多在模型構(gòu)建之前需要反復(fù)推敲與考慮問題,經(jīng)常會被建模者所忽視。諸如:建模的目的何在?目的設(shè)置是否合理?模型是否能夠合理表達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜性

34、及相關(guān)的空間動態(tài)過程?模型是否能夠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的校正與校驗(yàn)?模型的構(gòu)建與其他當(dāng)前主流的ABM/LUCC 之間是否存在可比較性?97等。因此,ABM 雖然是認(rèn)識復(fù)雜系統(tǒng)的最有效方法,但ABMs 的構(gòu)建首先離不開對復(fù)雜系統(tǒng)或者系統(tǒng)復(fù)雜性的理論研究。這是因?yàn)锳BM/LUCC 的構(gòu)建不是研究目的,其真正目的在于通過ABM 充分表達(dá)“人類自然”系統(tǒng)的綜合復(fù)雜關(guān)系,從而合理的解釋與預(yù)測土地系統(tǒng)在宏觀層面的結(jié)構(gòu)或功能的變化。5.2完善概念化設(shè)計(jì)與改進(jìn)計(jì)算化設(shè)計(jì)是ABM/LUCC 模型設(shè)計(jì)的兩大核心內(nèi)容模型的概念化設(shè)計(jì)(Conceptual與計(jì)算化設(shè)計(jì)(Computational是模型構(gòu)建的兩方面重要內(nèi)容,兩者

35、相互依存。如果模型的概念性弱,則不利于模型對真實(shí)世界的合理表達(dá);景觀類型/模型名稱主要研究人員最近文獻(xiàn)/地點(diǎn)主要研究內(nèi)容備注城市用地MA S U S F e i t o s a 等201185/巴西將人口動態(tài)模型與景觀動態(tài)模型相結(jié)合,從社會人口動態(tài)、家庭偏好、以及政策因素等方面綜合研究城市隔離現(xiàn)象N e t L o g o -b a s e d 城市用地A L MA -C F i l a t o v a 等201186/虛擬計(jì)算研究并模擬土地市場、價(jià)格、稅收、以及生態(tài)服務(wù)價(jià)值等因素對沿海城市土地利用格局及其生態(tài)效應(yīng)的影響N e t L o g o -b a s e d 城市農(nóng)用地C H A L

36、 MS Ma g l i o c c a 201187/虛擬計(jì)算研究農(nóng)戶、房地產(chǎn)開發(fā)者、房屋購買者的經(jīng)濟(jì)理性與相互作用,并模擬房地產(chǎn)的價(jià)格對城鄉(xiāng)交錯帶土地利用的一般性影響城市用地MO L A -A B ML i g m a n n -Z i e l i n s k a 等201088/美國將宏觀層面的土地利用配置要求與微觀層面的定居選擇相結(jié)合以評價(jià)城市擴(kuò)展中的土地利用規(guī)劃效率耦合“自底而上”與“自頂而下”模型城市農(nóng)用地A g e n t L A C h e n ,L i 等201089/中國研究地塊在綜合因素作用下的農(nóng)地適宜性,模擬并比較不同情景下的城市-農(nóng)田沖突區(qū)域動態(tài)格局,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置R

37、e P a s t -b a s e d 城市農(nóng)用地MO S O Z h a n g ,Z e n g 等201090/中國研究政府規(guī)劃要求與居民(農(nóng)戶決策偏好等因素對農(nóng)用地轉(zhuǎn)變成為城市用地的影響,并模擬城市擴(kuò)張情景城市用地S O ME Z e l l n e r ,B r o w n 等201091/虛擬計(jì)算研究景觀質(zhì)量、居住點(diǎn)距服務(wù)中心的距離等因素對居民居住偏好的影響,并模擬這一系列動態(tài)關(guān)系對土地利用格局的作用S w a r m -b a s e d 曾基于多平臺開發(fā)城市農(nóng)用地D E E D R o b i n s o n ,B r o w n 等200992/美國研究并模擬城鄉(xiāng)交錯帶的土

38、地利用格局動態(tài)變化,以及由此產(chǎn)生的生態(tài)效益問題,并評價(jià)相關(guān)土地利用政策的效果A r c G I S -b a s e d 林地I MS H E D A n ,L i u 等201093/中國研究并模擬自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人口擴(kuò)張與結(jié)構(gòu)變化(如出生、死亡、結(jié)婚等過程及其相應(yīng)的景觀生態(tài)效應(yīng)對大熊貓棲息地的影響S w a r m /A r c G I S 林地農(nóng)用地H E L I A Ma n s o n 200794/墨西哥研究并模擬人口增長、土地利用趨勢、以及技術(shù)使用、政策約束綜合作用下的土地利用變化情景(如毀林開荒、發(fā)展農(nóng)業(yè)等C +/I d r i s i G I S 城市農(nóng)用地S L UD GE P

39、 a r k e r 等200495/虛擬計(jì)算研究城市土地收益與農(nóng)業(yè)土地生產(chǎn)力的對立關(guān)系及其外部效應(yīng),并模擬其對城鄉(xiāng)交錯帶的土地利用格局動R e P a s t -b a s e d 反之,則可能無法精確體現(xiàn)模擬的細(xì)節(jié)。ABM基于的是“假使會怎樣”的設(shè)計(jì)理念,如何能讓其保持動態(tài)性,且又能對這一動態(tài)過程合理解釋,是模型設(shè)計(jì)首先需要考慮的問題98,這就使得ABMs的概念化設(shè)計(jì)及其重要。如何強(qiáng)調(diào)ABM/LUCC的概念性,同時(shí)又不削弱其計(jì)算性?這除了需要對系統(tǒng)復(fù)雜性進(jìn)行深入研究之外,還需要大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者虛擬實(shí)驗(yàn)加以支持99。當(dāng)前ABM/LUCC的研究仍處于起步階段,建模者根據(jù)自己的研究興趣構(gòu)建模型

40、,無論是模型概念化設(shè)計(jì)還是計(jì)算化設(shè)計(jì)都較為隨意,導(dǎo)致不同模型間差異太大,不利于跨區(qū)域比較研究的開展48,100。Grimm等人建議建模者考慮ODD (Overview,Design concepts,Details標(biāo)準(zhǔn)化建模程序101,他們在后續(xù)的統(tǒng)計(jì)對比研究中,發(fā)現(xiàn)許多研究應(yīng)用了這一思路,使得模型的功能性與可復(fù)制性大為提高97,102。Parker 等人基于對已有ABM/LUCC的對比,提出了ABM/LUCC的一般性概念設(shè)計(jì)模式,應(yīng)至少包括土地利用行為、人口結(jié)構(gòu)與動態(tài)、土地變化、外部環(huán)境、以及多模型連接等方面的內(nèi)容,并稱之為“MR POTATOHEAD”103。因此,完善概念化設(shè)計(jì)是ABM/

41、LUCC模型構(gòu)建的基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上,應(yīng)不斷開展后續(xù)研究,改進(jìn)模型算法,同時(shí)注重對相關(guān)研究的借鑒,最終形成理論上可行、技術(shù)上合理的模型體系。5.3從土地變化模擬到景觀動態(tài)模擬是土地變化模擬模型未來發(fā)展的一般趨勢傳統(tǒng)土地利用變化模型僅強(qiáng)調(diào)土地利用類型變化,如耕地、林地、建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)換;對景觀動態(tài)過程,如耕地內(nèi)部農(nóng)作物空間格局動態(tài)變化關(guān)注甚少104。這是因?yàn)?從時(shí)間尺度上看,景觀動態(tài)較之土地變化一般更為頻繁。對于這一點(diǎn),傳統(tǒng)模型雖具有較強(qiáng)的空間表達(dá)性,但相對缺乏時(shí)間動態(tài)性,即其雖然能在空間上描繪土地利用變化的格局,但是卻由于數(shù)據(jù)獲取等因素的限制,不能在時(shí)間上體現(xiàn)土地利用變化的動態(tài)過程。從土地系統(tǒng)

42、的宏觀特征看,景觀動態(tài)過程對其的影響遠(yuǎn)不及土地利用變化,因此較容易被建模者忽視。如農(nóng)作物空間格局(景觀動態(tài)過程之一是一個地區(qū)或生產(chǎn)單位作物種植結(jié)構(gòu)、熟制與種植方式的空間表達(dá),其反映了人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在空間范圍內(nèi)利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的狀況,是人類根據(jù)當(dāng)前的自然環(huán)境條件、以及經(jīng)濟(jì)政策條件等進(jìn)行作物結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化的依據(jù),然而這一動態(tài)過程在傳統(tǒng)土地變化模型中卻難以得到體現(xiàn)。ABM/LUCC具有多層級性,能通過模擬主體決策行為表達(dá)土地變化與景觀動態(tài),正好與傳統(tǒng)土地變化模型形成互補(bǔ)。此外,ABM/LUCC的動態(tài)性強(qiáng),且能很好的解釋人類行為與土地利用之間的協(xié)同關(guān)系,可用以研究全球變化下人類活動及適應(yīng)等問題。5.4多

43、尺度與多維度土地變化模型整合研究具有重大意義多尺度模擬是ABMs的基本特點(diǎn),只需稍對模型規(guī)則加以定義就能實(shí)現(xiàn)尺度轉(zhuǎn)化, ABMs與LUCC模型的結(jié)合,為研究土地變化動態(tài)過程的尺度效應(yīng)問題提供了很好的解決思路。然而,復(fù)雜系統(tǒng)理論的意義遠(yuǎn)不僅限于研究“微觀主體活動宏觀系統(tǒng)狀態(tài)”這一簡單問題,其還需考慮多重反饋機(jī)制、系統(tǒng)綜合效應(yīng)等問題。對土地系統(tǒng)而言,系統(tǒng)反饋與綜合效應(yīng)包括:工業(yè)化城市化與生態(tài)安全的對立、人口膨脹與糧食安全的對立、全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展的對立等一系列重大問題。為此,基于ABM/LUCC開展多尺度、多維度研究意義重大。早期的ABM/LUCC一般將人類行為與地塊特征簡單等同一致(Cel

44、ls as Agents,而最近一些綜合模型的出現(xiàn),將ABM/LUCC下分成多個模塊,將Agent行為過程(或動態(tài)過程與土地利用變化過程相獨(dú)立,并通過生物物理機(jī)制或經(jīng)濟(jì)學(xué)機(jī)理進(jìn)行結(jié)合(Cells with Agents,使模型更具合理性。此外,這些綜合模型還將ABM/LUCC與其他效益模型相整合,綜合分析土地利用變化的各種結(jié)果(如AgriPoliS、MP-MAS、FEARLUS、SERD等模型,為土地變化科學(xué)開展多尺度、多維度綜合研究起到了很好的示范。6結(jié)語近年來,無論在理論研究方面,還是在方法應(yīng)用方面,復(fù)雜系統(tǒng)理論與ABMs在土地變化研究中的應(yīng)用,極大的推動了土地變化科學(xué)的發(fā)展。具體來說,二

45、者在理解土地系統(tǒng)的“人類自然”綜合復(fù)雜性,模擬土地變化的格局、過程和機(jī)制,評估土地變化的綜合影響,為政策評價(jià)、主體決策智力支持等方面發(fā)揮了重要作用。但是,理論研究滯后于應(yīng)用研究依然是該領(lǐng)域面臨的突出問題,土地變化科學(xué)需要在復(fù)雜系統(tǒng)理論及相關(guān)理論的指導(dǎo)下,繼續(xù)加強(qiáng)自身理論體系建設(shè)。此外,ABM/LUCC模型發(fā)展仍然面臨諸多難點(diǎn)和挑戰(zhàn),以上討論的幾個問題,包括與其他傳統(tǒng)土地變化模型均存在的共性化問題,如模型的校正與驗(yàn)證,大尺度應(yīng)用等,還有待于未來進(jìn)一步深入研究?？傊?正是因?yàn)檫@些難點(diǎn)與挑戰(zhàn)的存在,為土地變化科學(xué)的未來發(fā)展指明了新的方向。參考文獻(xiàn)(References1Aspinall R.Edit

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