空间动态模型建模方法

北京大学学报(自然科学版)，第40卷，第2期，2004年3月 ActaS(1enIlanImNaturallum Unwe硌l㈨sPekl—sIs，Vol4(，，No2(Mar，2004) 空问动态模型建模方法" 马修军2’ 邬 』匕京大学信息科学中心，北京，10087l；’ 伦” 谢昆青2’ jE京大学遥感与GIs研究所．北京，l∞871) 摘要GIs支持窀间动态模型的关键是空间动态过程的计算和表达。对空间动态模型进行了形 式化分析．给出了空间一时间离散状态表达、空间交互过程和时间反馈控制方法的理论描述。基于 空间动态模型理论方法，对GIs地图代数进行了扩展，增加了表达空间动态系统的过程和关系(流) 的数据模型和操作元语，并使用软件组件技术实现了支持空间动态模型的GIs组件一嘶nam-cGc。 泼组件基于微软组件对象模型(coM／DcOM)实现，可支持vB、Dephj、v讪alc++等通用开发环境， 也支持vBA、vBscRI町、JAvAscRI盯等脚本语言环境，为空间动态模型的建模语言提供r丰富的 选择余地。作为该组件创建动态过程模型的应用实例．使用VBA创建了经典的“生命游戏”的元胞 rl动机模型。 关键词 空间动态模型；cIs；组件对象模型；建模语言 中图分类号P208；P9l O引 言 随遥感、遥测和地面观测技术的快速发展，为理解地球表面过程机理，各种系统的、长期的 对地监测和观测项目积累了海量的地理时空数据。基于这些数据，使用GIs创建模拟地球表 面过程的数学模型，是充分使用这些数据的核心需求和挑战。20世纪90年代以来，GIs与空 间模型结合定量描述自然资源、环境和生态问的研究实例越来越多““]。简单的空间模型 可以用目前cIs系统的宏语言或建模语言来实现，但较复杂的空间模型却很难实现，尤其是那 螳水文学、地貌学和生态学中涉及动态过程的空问模型。 GIs支持空间模型是在地图代数(M印Algebra)和制图模型语言(canogmphicModellinghn． guage)思想的基础上发展起来的”’⋯。然而，地图代数适于表达GIs空间分析，却不适合表达 空间模型：首先地图代数的操作元语是英语短语而不是严格意义上的数学描述，导致模型之间 的比较和组合存在着语义上的歧义；其次不同位置之间的空间关系和空问交互是空间模型的 核心，而地图代数的操作元语对其表达很弱；最后地图代数是为静态制图过程分析设计的，不 支持空问动态过程表达。 20世纪90年代后期以来，一些研究试图用现代高等代数的形式化定义方法，给出地图代 数严格的数学描述，以支持空间模型”7“。在形式化的方法中，吸收了图像代数”J、数学形态 学、元胞自动机等相邻学科的一些重要思想，增加了表示空间关系运算的数据类型和操作元 )国家自然科学摹金资助项目【40071064) 收稿日期：2003．03．10；鞋回日期：2003．04．22 279 万方数据 北京大学学报(自然科学版 第40卷 语，使地图{弋数成为空间数据分析和空间模型共同的数学基础。但上述这些研究，都是针对某 个问题进行的研究，尚未形成完整的Gls支持空间模型的理论框架和形式化定义方法。 本文通过对空间动态模型的形式化分析，提出了一个GIs创建空间动态模型的建模方法， 包括时间空间的离散化、空间过程和关系的形式化、时间反馈控制、以及建模语言等。基于该 理论方法．本文对GIs地图代数操作元语进行了扩展，使其支持空间交互动态过程的表达，并 以软件组件的形式实现，支持使用通用脚本语言实现空间动态模型。 1空间动态模型建模方法 1．1空间动态模型的形式化 模型是对所研究对象的抽象和简化。所谓空间动态模型是现实世界中地球表面特定位置 上的属性或状态随其驱动力的时间变化而变化的数学表达’2⋯“。空间现象从一个分布状态 到另一个分布状态的变化，可用表示如下： S(￡+1)=厂(S(￡)，，(￡))， 其中，s表示空间现象状态分布模式．，为影响状态变化的输入函数，f表示时间，，(s(￡)， ，(f))表示状态变化过程函数。 近年来，有很多的研究探讨空间动态系统的建模方法”。8”’”1，这些研究表明空间动态系 统的数据模型是状态(state)、过程(Process)、关系或流(RelationorFlow)组成的三元组。本文在 此三元组的基础上，进一步细化空间动态系统的数据模型为下面表示的五元组：{x，O，s，y， r}。其中，x为动态输入状态集、O为初始状态集、s为动态过程序列、y为输出状态集，r为 时间控制。 空间动态模型的逻辑组成如图l所示。动态输入状态集表示时间序列的动态输入变量， 初始状态集确定模型的初始条件，动态过程序列集为动态计算过程中的中间变量，动态输出状 态集为时间序列的动态输出变量，时间控制确定模型的起始时间，结束时间和时间步长，空间 交互反馈是状态变量之间的空间相互作用函数。 1．2空间动态模型建模方法 1．2．1状态：时间空间离散化 空间动态模型因子的输入、输出状态的表达均需要在时空离散化后，进行赋值。目前cIs 对空间离散化表达的数据模型有3类4’“”。，即对象(要素)(Feature)的模型、场(Field)模型以 及网络(Network)模型。关于使用何种数据模型进行空间离散化的表达，一直存在着很多争 论。由于场模型可以作为空间连续变化的函数，从语义上非常接近于空间模型的概念模型，而 且目前GIs绝大多数空间分析是基于栅格数据结构的，因此本研究选择栅格数据结构表达的 场模型作为空间离散化的模型。空间动态模型的状态、过程和关系(流)都基于栅格数据模型 进行表达。 根据事物或对象变化的频率和历时不同，时间的离散化也有很多方法。最简单的是等时 间长度的离散。时间数据库中最短的且不可分割的时间段称为记时单位(chmnon)，类似于长 度单位中的km、n·和cm，记时单位可为a、d、h、min、s和ms等。等时间长度离散的优点是容易 控制动态模型的时间参数，包括开始时刻、结束时刻和时间步长，很容易和模型语言的循环控 280 万方数据 第2期 马修军等：空间动态模型建模方法 ———————————————————————————————————————————————————————————————————————～——————————————————————————— 图I空间动态模型的逻辑组成 F19I ne109icdst兀lctureofspat“dyn姗lcmodel 制语句相结合。 时空离散化后，空间动态模型建模的一个重要考虑因素是如何确定模型的时间分辨率和 空问分辨率，， 1．2．2空间过程：流或邻域规则 过程是空间动态模型中引起状态变化的驱动力函数，是模型的核心。过程函数有作用于 单个点上的简单过程和作用于多个点上的空间交互过程之分，计算特点有所不同”’⋯7。空间 动态模型的关键是空间交互过程描述，有根据空间拓扑网络路径的物质．能量流动数学方程， 也有根据邻域转换规则的统计或推理函数。 物质一能量流函数通常是模拟地表物质在重力的作用 下在地表的扩散过程。物质在流向网络中的流动汇积过 程，如图2所示，可以这样定义，任意给定点的状态等于该 点初始状态加上所有流入该点的状态之和，可用下式进行 表示： '厂(c。)=s(c。)+∑s。。 乱 su Su su J J ／ ／ r“ Su≯ ．严 s“r ／ 弋 *．产JsHr ／ S- ＼ 彳 Su．s／． 5u 、 ， ／ Sv ＼ ／ Su S“ Su S(“) 万方数据 北京大学学报(自然科学版) 第40卷 圈3邻域划分方式：冒口、区域和距离 F唱3Tv严8ofneIghl)0计modp8nlt㈨1：wmdow，z⋯andDlstance 1．2．3时间反馈控制 简单的时间序列模型是对同一个函数输入Ⅳ个不同的参数重复Ⅳ次计算，返回Ⅳ个结 果，这类简单的时间序列模型可以通过GIs的批命令按时间序列顺序执行即可实现。复杂的 空间动态模型往往是具有反馈机制的随时间变化的现实世界的抽象模型，，时刻的输出是 反馈 r+l时刻的输入，循环迭代计算，如图4所示。这种循 环反馈机制，要求空间动态模型语言支持循环，分支条 件判断等机制，大大超出了传统GIs的宏语言的范畴。 2地图代数扩展 2．1数据类型集 图4时间反馈机制 一个集合^，连同定义在A上的一个或若干个运 9194Ti⋯gke6baco⋯tr01mec“⋯m算所构成的系统称为代数系统。传统的地图代数是一 个以图层集为定义域及其作用在其上的图层运算所构成的代数系统。空间动态系统的状态可 以用图层表达，但系统的复杂过程和关系规则的表达则需要其他的数据类型支持。为支持更 复杂的模型建模需要，本文的地图代数包括4种基本数据类型集合：{图层(cid)，空间单元 (cell)，数值(Number)，模板(Template)}，如图5所示。地图代数的所有的运算都是基于这4 种数据类型组成的集合。 图层(Gid)表示一个图层数据；空间单元(cell)表示一个格网数据；数值(NurrIber)为普通 的实数；模板(Template)与图像代数中的定义和意义相同，用于标识邻域单元及其运算规则。 2．2操作元语(运算符) 一元运算符对上述4种类型的数据之一进行操作，返回相同的数据类型。对于地图代数 而言主要是对图层(G瑚)进行的运算。广__厂—r_，—T、作元喜二篇篇≯卜禳旦蜘靳㈣。镂作元语，，：旷一矿可以定义为： *0==。舯、F耳s恼d二手dl，(m)=№n(z))In(f)=，(m(。))，f∈E}阔司稠其中，L∈L表示图层空间格网单元，m(z)∈F才忑E捌二耋重旱墨苎竺堡：。二苎操作元语是作用于模板删㈣。1面言∥ 图层每个格网单元的函数。 ‘ 基于图层的一元运算是空间单元对空间 图5地图代数数据模型 单元的计算，可以使用行扫描的顺序进行，但 。195 D8‘8mod。1。‘m8p819。‰ 万方数据 第2期 马修军等：空问动态模型建模_：方法 ——一————————————————一———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一 诸如扩散和流向等特殊意义的运算则须按不同的顺序进行计算。 二元运算符则比一元操作具有更复杂的语义，可对4种数据类型的任意两种进行操作。 对于2个图层的二元操作元语，，：矿×矿一矿，最简单的二元运算为加法和乘法，可以用下 式表示： 帆+n={(f，^(f))l^(Z)=m(f)+n(z)，f∈￡}， m×n=}(z，^(f))l^(f)=m(z)×n(z)，Z∈L}。 当然其中并不是任意2种数据类型进行二元操作都是有意义的，例如一个空间单元和一 个图层的操作就没有意义，下面各式列出了地图代数二元操作的运算约束规则。无意义操作 可以通过语法规则进行限制。 Number×Numbe广’Number． Nurnber×Cell—}Cell． NumberxTemplate—Template， Number×Gdd—，Gdd． Cell×Template—Template， Te“plate×Cell—Template， Template×Template—TemplaIe， Cidx嘶d—G州。 2．3空间动态交互过程 空间交互运算与时间过程相结合，非常适合表达空间交互动态过程模型，既可以表示元胞 自动机模型的邻域交互规则的自动演化，也可用于连续微分方程动态模型的有限差分的数值 解法。 令m‘为动态输入，空间交互动 表1地圈代数操作与空间动态模型过程的对应关系 态过程可用下式表示： m⋯=，((m：+m：)oR)， 该公式可用于表示连续微分方程 的动态模型。如果月为邻域流向，m。 为动态输入变量，则(％+m；)oR为 该点的流人流出状态数量，，((m，+ m：)@R)为有限差分方程。 1铀le1 n㈣8pondi“gIel“onofm8palgebm ope州ionst08pat“dyn帅i。pmeesse8 地图代数 空间动态模型 一元操作 图层与图层的二元操作 图层与模板的二元操作 圉层与模板的二元操作+时间 单点过程 垂直交互过程 水平交互过程和邻城关系 汇流迭代过程、水平交互动态过程 该公式也可用于表达元胞自动机动态模型。R为元胞邻域，m‘为动态输入变量，则(m， +m：)oR为元胞邻域状态集合．，((m，+m：)oR)为邻域转换规则。 本文地图代数的操作元语与空间动态模型过程的对应关系如表l所示。 3 GIS空间动态模型组件与建模语言 借助计算机组件技术，本文依据空间动态模型的建模方法和地图代数的扩展要求，遵循 OpencIs规范。设计并实现了一个支持空间动态模型的GIs组件(DvnamicGc)。 DynamicGc组件支持传统GIs空间分析功能，包含了传统GIs的邻域运算(滤波，移动平均 283 万方数据 北京大学学报(自然科学版) 第40卷 等)、面域运算(统计特定类别或区域，计算像元间距离或耗费距离等)、单点运算(关系运算，比 较运算等)。同时还包括模型计算所需的常用的数学函数(三角函数、指数对数函数、幂函数、 绝对值等)、代数运算符(加减乘除、乘方等)、逻辑运算(与、或、非)，以及地图运算表达式。 为支持空间动态模型，Dyna【IlicGc组件主要是增加了时间序列的计算接口(IDyna商cop)。 时间序列接口(IDynamicop)由ItimeI“put和Itimeoutput两个接口组成，构成动态模型的动态输 入和输出语句。时间序列输入是一个数据系列，连接到一个图层，也可以连接到一个单点或一 系列图层。如雨强数据输入，它按时间顺序组成数据输入序列，与雨量计控制面积图相连，动 态的更新每一时刻的流域各像元的雨强数据。时间序列的输出同样可以是一个单点上的时间 剖面曲线，也可以是一系列图层。如在流域出口输出径流过程数据。 GIs空间动态模型组件(Dyna商cGc)是基于wIND0wsOLE，cOM环境，使用ATL模板和 Vc++实现的，包括一个支持图形可视化Activex控件和一系列支持IdisDatch接口的OLE自 动化对象组成。图形可视化Activex控件(DvnamicviewconLml)既包含单个图层的显示控制，也 包含对多图层的类动画的时间序列显示控制。支持动态空间模型计算的OLE自动化对象可 以被VBA、VBscRIPr、JAvAscRIPT等脚本语言直接操纵，也可以使用vc++、vB、DELPHI等 高级编程语言操纵，为空间动态模型的创建带来了很大的灵活性。 下面用一个元胞自动机(cA)动态模型作为实例演示该动态组件的使用方法。元胞自动 机是一个具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上，按一定邻域原则，在离散的时间维上 演化的动力学系统。元胞自动机最基本的组成包括元胞、状态、元胞空间、邻居、规则五部分。 本例使用conway的“生命游戏”(Gameoflife)作为实例，元胞及元胞空间为GIs栅格图像，有 “生”和“死”两个状态分别由1和0表示，采用8邻域，状态转换规则如下： 1)一个元胞状态为“生”，如果8个相邻元胞中有2个或3个元胞的状态为“生”，则该元胞 继续保持为“生”，否则状态为“死”； 2)一个元胞状态为“死”，如果8个相邻元胞中正好有3个元胞的状态为“生”，则该元胞 下一时刻状态为“生”，否则状态保持为“死”； 3)其他所有情形下，元胞状态为“死”。 一个3×3的模板，中央像元为lO，其余为1，进行卷积运算，如果数值在[1，8]之间则元胞的状 态为“死”，[1l，18]之间状态为“生”。下一次计算保持3，12，13的元胞状态为“生”，其他所有 元胞状态为“死”。 PdvateSubCommandButlonl—Click() DimLifeImgAsNewDynamicGC．IGeoRaster’dimlifei啪gevadable I．ifeImgName=“LifeImg．map”’nameofthelifeG打d6le LifeImg．蹦etteNarne=AlL256’5eIIhenameofthePalette LifeI“g．Display DimAliveFillerasnewDvnaⅡdcGC．Filter AliveFiller={1，l，l，l，10，1，1，1，1，0} DimAliveReclassiferasnewDvn蛐icGC．Reclassi矗er AliveReclassifer={3，3，l；12，12，l；13，13，1} ’Dvnamicmodule 284 万方数据 第2期 马修军等：空间动态模型建模方法 f’orj=lTo5 TbmpLifeImg=LifeImg．Filter(AliveFllter) “feI。ng=T色mpufeImg．Reclass(AliveReclass) “feImg．Di8play Nexti FndS¨h 4结 论 本文在前人研究的基础上，系统总结了时空离散的GIs空间动态模型理论方法，并对模型 通用过程及其空间交互关系进行了形式化表达，该过程的抽象表达为GIs数据模型及其分析 功能在概念模型上与空问动态模型建立了有效的交流途径，使科学家和GIs开发人员具有了 共同的概念模型。 为支持空间动态模型，本文还对GIs传统地图代数进行了扩展，扩展了地图代数的数据类 型和操作元语，并给出操作元语与空间动态模型过程的对应关系，使得基于地图的空间分析与 基于方程的空间动态模型具有了一致的表达结构。 在地图代数和空间动态模型的理论基础上，遵循0penGIs的有关规范，基于wIND0ws 0LE，c0M组件对象模型环境，本文设计并实现了一个支持空间动态模型的GIs组件—— (DynaIllicGC)。该组件可以被VBA、vBsCRI町、JAvAscRIPr等脚本语言直接操纵，也可以使用 Vc++、VB、DELPHI等高级编程语言操纵，为空间动态模型的建模语言提供了丰富的选择余 地。 这些概念和思想可以融合到当前的GIs软件的开发中去，作为GIs支持空间动态模型的 理论基础，将GIs从先进的空间数据显示和查询引擎工具，变为地理表面过程建模工具，具有 广泛的应用前景。 参考文献 l BumughPA EnⅥmnmen山Modeli“gw油ceographicalI山mationsystemsIn：Kempz Innovationsincls4． L叻don：Ta订ofandFraDcjs．】997143一153 2 BurroughPADyn帅icModeuiIlgandGeocomputationIn：kngIeyP．Br00kssM，McDonnellR，Macmlll蚰B G㈣mputation：AP6merChichester，NewYorktJohnWileyands0Ils，1998165—19l 3 G('0dchildMF，Sl。yaenLT，P＆rksB0．etal GlSandEnvlronmen诅lModell“g：Pmgres自舯dR㈣rchIssues F0nCollins，Colo：GISWoddB00ks．19961l—16 4(1椭dchildMF．ParksB0，St。yanLT Envlmnment胡M0deli“gwithGISNewYork：OxfordUnl煳i‘yPress， 199335～50 5 B8唧JK B。yondM8ppl“g：Concepts，Algo枷llIls，andI龇sinGIS．FonCouiIls：CISWodd，199339～57 6 T0mlinD canoFaphlcM0deul“gIn：MagLllreD，G00dchildM，RhindD GeographicallnfoH衄lionsyskms：蹦n． clplesandApplicatlonsNewYork：JollnWil。y蚰dsons，199l361～374 7 PLlllarDMapSc“pt：AM印AlgebraPmFa㈣“gh“gu89eInco。poratmgNeighborhoodAn出yslsGeoI山砷atica， 200l，5(2)：145一J63 8 T出吖amaM，couclellsH M8pDynamics=Int。grati“gcellularAutomataandcIs￡hmughGeo-Algebm．Intemationd JoumdofGeogmphicallnfomauonsclence．1997，(11)：73—9l 285 万方数据 北京大学学报(自然科学版) 第40卷 Rluer【；X，wils。nJ，DaVldsonJ ImageAlg曲ra：AnOveⅣi⋯ComputerVl啪n，Graphlcs．andIm89ePmcPss mg，1990，(49)：297—33l 马修军．周贵云，邬伦Dy㈣ccc：支持空间动态模型的GJs组件对象设计与实现地理学与国土研究 2002，18(3)：18．22 邬伦，‘§修军，田原基于场模型的空IM动态数据建模与空间动态模型语言设计地理学与国土研究 2000．16‘4)：73～76 c。odcb】ldMF，Hajn】“gR，WjseS，叭_1月持g『al卅gCISandSpalJdDa括An司ys” tern8nondJoumalofGe0舯phicdIIlfomatlonsystems，1992，(6)：407—423 Vlll8r DeslgnofMu¨ParadjgmInt。酗ti“gM0deⅡl“gT00lsforEcologicdRese盯ch Ⅲ，2000，(15)：169一177 PmblⅢsa埘∞州K胁esIn— EnvironmentdModelll“gson Burro“ghPA，McDonneURA Pd“clpksofG。09raphlcalInfomlatIonSystemsNewYork：O山rdUni螂ltyP雌 199835—74 邬伦，刘宁，马修军，等地理信息系统——方法、原理及应用北京：科学出版社，200l们～74 TheMethodforM0delingonSpatialDynaIIIicProcess 圳讹咖n。’ 彤u2un2’胧缸呻in91’ (”＆，时如r蜘删如nSc口唧5，＆^i昭踟￡l州时，＆蚵嘴，，0似7，； ，m蛐啦0，mmok&mi增＆GJs．PP枷曙u血删寸，Beii怄，J0∞7j) AbstmctAmemodology南rmodellng叩ahaldynaml。pmcessesbasedonGIS18pmpoBedItincludesⅢlesof 8pace-llmediscretization，theoqof8p缸idinteractlo”processaIldmethodsoftimercontrolBasedontIIetheory， som。叩atiaJ-te⋯poralrep陀sen协ti。nsch趼marep雌ntedtoelp卸dintoM8pAlgebraofGlS，addopemtlon f)兀mltlVes吣e。pressdatamodeIs0f8patidinteractlo“pmcess，andthu8provldeand刚tIlmichmisforG1st0 8uppon8p8tlald”a眦modelAndaGIscomponent(namedDynamicGC)，whichs“Pp0^s8呻tialdynamlc mo(|ellmg．1sdeslgnedandim—ementedThedeslg“refe酶IotheOpenGJs5peei6cation日andusesOLE，cOM technologyDynamlcGCcanbeusedinsuchdevelopI“genviro唧nlasVB．【)ephi，Vi蛐alC++，VBAanda vanety0fsc“PIla“gIl89es(VBscRI阿，JAVAscRI¨)．Thecl删cal“lifegame”ofcellul且rau岫m吣nisimpIe． memedunderVBA㈣㈣ent拈蛆印plic8抽nex8mpkdusingoyn哪icGc∞mponen协抽buMs叫m由一 namlcmodel Keywords8patlaldynam记modeI；GIS；COM，DCOM；硼odellangIlage 286 万方数据 空间动态模型建模方法 作者： 马修军， 邬伦， 谢昆青 作者单位： 马修军,谢昆青(北京大学信息科学中心,北京,100871)， 邬伦(北京大学遥感与GIS研究所 ,北京,100871) 刊名： 北京大学学报(自然科学版) 英文刊名： ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS PEKINENSIS 年，卷(期)： 2004，40(2) 引用次数： 7次 参考文献(15条) 1.Burrough P A Environmental Modeling with Geographical Information Systems 1997 2.Burrough P A Dynamic Modelling.Geocomputation 查看详情 1998 3.GoodchildMF.Steyaert L T.Parks B O GIS and Environmental Modeling: Progress and Research Issues 1996 4.GoodchildMF.Parks B O.Steyart L T Environmental Modeling with GIS 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来越多,各类复杂的应用需求与日俱增,对GIS提出了越来越高的需求：要求GIS不但能存储和管理海量的空间数据,还要求支持对现实世界相似的数字仿真 模型.基于GIS建立空间模型,特别是空间动态模型非常困难的原因主要有两个：一是模型专家与GIS开发人员之间的概念差异;二是目前GIS系统缺乏支持 空间交互动态过程的表现能力.为此该文提出一种基于时空偏离散化的GIS空间动态模型的理论和方法,对空间动态模型的通用过程进行了抽象和形式化表 达,对GIS地图代数进行了扩展,增加了表达空间交互过程的数据模型和操作元语,可作为GIS支持空间动态模型的算法基础. 2.期刊论文 马修军.周贵云.邬伦 GIS空间动态模型组件的设计与实现 -地理学与国土研究2002,18(3) 组件重用技术为GIS与空间模型的集成提供了新的解决.该文设计的空间动态模型的GIS组件- DynamicGC,它在传统GIS数据模型的基础上,增加了 表达空间动态系统的过程和关系(流)的数据模型和对象接口,为GIS环境下创建复杂动态过程模型提供了新的工具和解决方案.该组件基于微软组件对象模 型(COM/DCOM)实现,充分考虑了互操作性、模型建模语言以及模型系统的可获取性需求,由一系列支持动态数据计算的OLE自动化对象集组成,可支持VB、 Dephi、 Visual C等通用开发环境,也支持VBA、VBSCRIPT、JAVASCRIPT等脚本语言环境.使用VBA创建了经典的"生命游戏"的元胞自动机模型的实现,作为 该组件创建动态过程模型的应用实例. 3.期刊论文 李书娟.曾辉.夏洁.张磊 景观空间动态模型研究现状和应重点解决的问题 -应用生态学报2004,15(4) 分析了景观空间动态模型研究的现状及今后的重点发展方向.论文重点介绍了随机景观模型、邻域规则模型和景观过程模型(包括渗透模型、个体行 为模型和空间生态系统模型)3类景观空间模型的发展现状、存在的主要问题以及对这些模型途径进行完善的有关工作,并从确证性分析、有效性分析与敏 感性分析等3个方面阐述了模型检验技术的发展现状.最后,总结了未来景观空间动态模型发展中应重点解决的主要问题,即模型算法的优化、尺度转换、 模型的复杂化与简化、模型检验与评价,通用模型的建立以及传统模型与社会经济因素衔接问题. 4.期刊论文 郑鑫.ZHENG Xin GIS与元胞自动机模型应用探讨 -南阳师范学院学报2007,6(3) 通过对地理信息系统(GIS)与元胞自动机结合的可行性进行分析,在此基础上利用空间动态模型组件技术,使GIS与元胞自动机模型进行嵌套结合,从而 构建了基于GIS的元胞自动机模拟流行病传播模型,并以SARS病毒传播为例验证了该模型的可靠性. 5.期刊论文 邬伦.马修军.田原 基于场模型的间动态数据建模及空间动态模型语言设计 -地理学与国土研究 2000,16(4) 目前空间数据库的研究集中于基于对象（Object）空间数据模型的研究，而基于场（Field）空间数据模型的研究相对进展较慢，将来的需求要求空 间数据库增加基于场模型的功能，特别是考虑到空间动态过程模拟的需要。该文的目的是设计一种能镶嵌在GIS系统里的空间动态模型语言，为模拟复杂 时空过程提供数据库管理和算法优化支持，并支持逻辑清晰的模型框架结构。该语言可为自然资源管理和生态环境应用提供定量和模拟工具，扩展了空 间数据库基于场模型的应用。 6.学位论文 杜小娅 基于GIS和CA的城市土地利用神经网络预测模型研究 2005 城市是一个典型的地理空间复杂系统，其动态发展变化具有高度的复杂性，研究城市发展空间动态模型成为当前地理学研究的热点和难点课题。元 胞自动机（Cellular Automata）的提出，为城市空间动态模型的研究提供了有效的手段。 元胞自动机是一种时空离散的局部动力学模型，是复杂 系统研究的一个典型方法。其“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、高度动态特征以及具有空间概念等特征，使它特 别适合用于空间复杂系统的时空动态模拟研究，也适合应用于地理空间复杂系统的动态模拟。 本文研究的核心就是利用复杂系统相关的理论方法 如人工神经网络和元胞自动机自身特有的时空结构特征，结合地理系统的复杂性特征，利用GIS相关的理论技术，采用有关复杂系统的最新理论和方法构 建时空动态模型，来模拟和预测地理过程，并以城市这个复杂系统为例，进行相关的时空动态模拟的建模过程探讨。 对城市空间结构的研究主要 是研究城市土地利用的空间结构及其演变。本文首先构建基于元胞自动机的城市空间动态模型，对元胞自动机用于模拟城市土地利用演变的模型框架和 构成元素进行了相关的定义和扩展。然后作者对元胞自动机与GIS的集成用于模拟地理时空动态过程进行了相关的理论探讨。 利用元胞自动机模型 框架来模拟城市土地利用时空动态结构，关键是构建模型的转换规则，元胞自动机转换规则制定的好坏直接影响着模拟的可靠度和可信度。针对土地利 用结构的时空模拟和预测，作者在总结国内外相关的研究内容和前人研究经验基础上，提出将元胞自动机和人工神经网络相结合，构建基于元胞自动机 的城市土地利用神经网络预测模型，采用MATLAB这个强大的数值统计软件作开发平台，对其城市土地利用类型转化方面的发展变化进行动态的模拟与预 测。在模型中作者将随机过程与人工神经网络方法相结合，改进并优化了模型。该模型构建了土地利用元胞时空数据库，用人工神经网络模型学习土地 利用的转换规则，并通过时空反演实现土地利用结构的预测。此模型的构建具有一定的理论上及技术上的参考价值。 7.学位论文 陈思源 农地非农化空间结构及其形成机制研究 2007 农地非农化是指农业用地转变为居住,交通,工业商业等城乡建设用地的过程。当前,农地非农化是我国土地资源利用中的一个主要趋势,也是农地保 护中的一个焦点问题。 农地非农化的发展历程是人类不断地改善自己的生产生活环境过程,也是人地关系不断发生变化的过程。农地非农化是多种 经济活动在空间集聚形成的地理实体,它的兴起和发展自然、社会、经济和人口因素的影响,在不同的历史阶段、不同的地区、不同的社会经济发展水平 下,农地非农化的发展性质、发展速度、规模、空间结构和形态也产生深刻的影响。 恩格斯说：“一切的基本形式是空间和时间”.就农地非农化 这一复杂系统而言,农地非农化空间结构就是农地非农化实体的地域空间投影。农地非农化空间结构是构成农地非农化发展变化的空间形式特征,它不仅 是自然环境和物质空间实体,也是农地非农化有机体的内外矛盾相互斗争的结果。 农地非农化是一个复杂的自然--社会--经济系统,在不同的国家 和地区,由于自然条件、社会经济发展水平不同,农地非农化的发展历程和发展轨迹不一样,反映这一历程和轨迹的外部表现--农地非农化的空间结构形态 也不尽相同。但是,在一定的历史时期和特定的区域,其内在的影响因素和规律是确定的。农地非农化这一特定的现象在特定的时间里,性质往往由少量的 因素所决定,其外部空间边界是具体的、明确的。由于这一内在规律的确定性,导致农地非农化外在形态特征和空间结构也不会轻易、快速地改变。所以 说,农地非农化的空间结构和形态特征具有整体上的动态性和阶段上的相对稳定性。这正是论文研究的出发点和选题依据。 农地非农化空间结构研 究,就是研究农地非农化系统的区域空间分布、区域分异、结构、演化以及它们之间相互联系的基本问题。 论文以农地非农化的空间结构为研究对 象。首先在系统总结农地非农化空间结构研究的基础上,论述了研究的科学意义与实践意义；针对当前农地非农化空间问题研究的理论与方法不足,根据 农地非农化空间结构的动态性、综合性、地域性的特点,确定论文的研究对象、研究目标和研究内容,设计论文研究的技术路线。 农地非农化空间 结构研究涉及的基本理论包括农地非农利用的经济学分析,农地非农利用的空间结构分析、农地利用的最优配置理论以及土地可持续利用理论等。定量描 述农地非农化空间结构的研究方法包括GIS与GIS空间分析方法以及空间建模与空间动态模型。农地非农化空间结构的是一个复杂系统,按照复杂系统解析 的基本思想,对农地非农化的空间系统特征和形成机制进行研究。从系统论的角度,对农地非农化的空间结构的整体性、空间结构演化、空间结构与区域 分异的关系等方面进行研究。在对农地非农化空间结构系统特征研究的基础上,研究其形成机制,包括农地非农化空间结构形成的内在驱动和约束机制,以 及在两者相互作用下的外在表现。 在上述理论研究的指导下,论文从宏观着手,在均质范围内进行实证研究,研究的对象转为中国农地非农化空间结 构特征研究。 实证研究的范围开始为中国东部、中部、西部三大区域间的农地非农化空间结构差异,进而缩小为雀区间差异,通过对中国农地非农 化的区域配置效率的实证研究,得到中国农地非农化与区域经济增长在空间上的关系。 接着,论文的研究视角再次缩小,研究尺度从宏观和中观尺度 转向微观尺度,研究对象的属性从均质转为异质,研究区域转为经济快速发展的苏锡常地区。 再者,以苏锡常地区的农地非农化空间分布信息为研究 对象,提取1990年到2001间该地区的非农土地利用变化信息。采用方法是两期遥感图像比较,处理手段主要是采用伪归一化植被指数法.通过遥感图像处理 技术,论文从技术手段上回答农地非农化研究的一个基本问题--如何确定农地非农化的发生地点? 在对苏锡常地区不同时期遥感图像的处理基础上 ,获得研究区农地非农化的变化信息。采用相关分析软件,研究苏锡常地区土地利用的非农变化的空间结构特征。包括对数量、形状、空间分布及空间组 合等内容的定量描述,系统描述了该区域1990-2001年非农用地增量的空间特征和2001年非农用地的现状空间特征分析；进而从经济和交通发展的角度,对 苏锡常地区非农土地利用的空间结构特征形成原因加以分析。 土地资源的空间配置效率提高是土地资源合理和可持续利用的核心问题之一。在对 苏锡常地区的农地非农化空间结构有了充分研究的基础上,论文研究的视角转向苏锡常地区的非农用地空间格局的调控和优化。从理论上阐述农地非农化 空间结构调控的目标与原则,论述农地非农化空间结构调控的方法与步骤,提出苏锡常地区非农用地空间格局调控的战略方向、规模和结构。 更进 一步,随着研究对象的缩小,论文研究领域进一步拓宽。论文的研究对象从农地非农化的空间结构研究提升到其利用管理的政策研究。构建农地非农利用 的管理体系,对我国现行农地非农利用管理政策进行分析,分析我国农地非农利用管理面临的新挑战。从农地资源管理、农地向非农用地转用过程管理以 及非农用地管理三个方面,对农地非农利用管理体系加以研究,提出我国农地非农利用改革的政策建议。论文研究以空间问题为主线,以农地非农 化为研究对象,遵循理论——实践——理论的总体思路,分别在农地非农化空间问题研究的理论层面、技术层面和政策层面获得相关研究结论。主要结论 如下： (1)农地非农化空间结构具有明显的系统特征,包括其整体性与集合效应,系统的稳定性与自组织性、系统结构的层次性等方面； (2)从区域分异角度,农地非农化的空间结构具有明显的区域分异特征,并且与研究的尺度密切相关； (3)农地非农化空间结构的形成,主要受其内在 驱动和相关约束机制综合作用,在此作用下,其外在表现有着自身的空间表达规律； (4)就苏锡常地区的TM图像而言,利用TM5和TM4两个波段的归一 化植被指数(Landsat TM NDVI)进行计算,能够很好地把非农用地和其它土地类型区分开； (5)随距离变化,苏州、无锡和常州三市主城区的农地非 农化发生比例呈距市中心距离递减关系,但是其递减程度不同； (6)苏锡常地区非农用地的空间结构体系呈现双带状结构,一条为苏锡常城市带,另 一条为江阴、张家港、常熟、昆山城市带,并具有正三角形的网络体系特征,其形成受多个因素影响,其中城市经济发展和交通网络体系对非农用地空间结 构的形成影响较为重要； (7)可以通过促进经济、人口、资源在空间布局上协调,探索建立城市化过程中集体土地供给制度,加强城乡结合部基础设 施建设等措施推进我国农地非农利用管理制度改革。 引证文献(13条) 1.张耀南.罗立辉.汪洋.吴永林.星智 基于空间建模语言的普氏原羚生存能力模型的构建[期刊论文]-地理与地理信 息科学 2008(6) 2.唐立文.廖学军.汪荣峰 基于四叉树的海量空间数据模型研究[期刊论文]-装备指挥技术学院学报 2007(02) 3.张志平.姜晓峰 基于WEB的实验课签到系统设计与实现[期刊论文]-苏州大学学报（工科版） 2006(02) 4.杨青生.黎夏 基于动态约束的元胞自动机与复杂城市系统的模拟[期刊论文]-地理与地理信息科学 2006(05) 5.杨青生.黎夏 基于粗集的知识发现与地理模拟——以深圳市土地利用变化为例[期刊论文]-地理学报 2006(08) 6.周利军.张淑花.臧淑英 地图代数在用地选址模拟中的应用——以大庆地区为例[期刊论文]-测绘与空间地理信息 2006(05) 7.袁泉 基于元胞自动机的地理时空动态模拟系统[学位论文]硕士 2006 8.乔淑娟 基于GIS的城市地下管网空间数据模型及其可视化研究[学位论文]硕士 2006 9.张奋 基于矢量图形的校园地理信息系统技术研究[学位论文]硕士 2005 10.吴占洲 工作流技术在土地利用规划管理系统中的应用[学位论文]硕士 2005 11.张云坤 WEB方式下RFID签到系统[学位论文]硕士 2005 12.张永忠 基于GIS和CA方法的野火蔓延时空动态过程模拟[学位论文]博士 2005 13.何勇 GIS过程建模与集成化研究[学位论文]博士 2004 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_bjdxxb200402015.aspx 下载时间：2009年10月9日