MAS模型在土地利用中的應(yīng)用與展望

梁俊杰， 楊木壯*

(廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510006 )

摘要多智能體(Muti-Agent System，MAS)模型是一種復(fù)雜系統(tǒng)模擬仿真模型，能夠在一定的時空內(nèi)對實質(zhì)事物或現(xiàn)象的演變過程進行模擬。該研究基于MAS模型基本內(nèi)涵與原理，對國內(nèi)MAS模型應(yīng)用于土地利用的情況進行分析，總結(jié)前人經(jīng)驗，指出當前研究的不足，并從技術(shù)方法多方融合、研究尺度多元化、MAS驗證手段3個方面提出MAS模型在土地利用中應(yīng)用的展望。

關(guān)鍵詞MAS模型；土地利用；應(yīng)用與啟示

中圖分類號S29；F301.24

基金項目廣東省科技計劃項目(2012A031100011)；教育部人文社科規(guī)劃課題(14YJA630083)。

作者簡介梁俊杰(1991- )，男，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：土地利用與規(guī)劃。*

收稿日期2015-06-05

The Application and Enlightenment of MAS Model in Land Use Change

LIANG Jun-jie, YANG Mu-zhuang*(School of Geographical Sciences, Guangzhou University, Guangzhou, Guangdong 510006)

AbstractMuti-Agent System Model is a complex model, acted as a simulation system ,which is capable of simulating the changing in a certain time and space. Based on the basic connotation and principle of MAS model, the application of MAS model in land use was analyzed. The experiences were summarized and shortcomings were pointed out, the application of MAS model in land use was forecasted from aspects of technical methods multi fusion, research scale diversification, MAS verification means.

Key words MAS model; Land use; Application and enlightenment

土地利用的變化體現(xiàn)區(qū)域多方規(guī)劃的總體方向，體現(xiàn)自然與人文因素間和諧相處的發(fā)展趨勢，對土地資源與社會發(fā)展之間有著重要的權(quán)衡作用。目前，在土地利用變化的研究過程中，已經(jīng)有著成熟的技術(shù)方法，主要有數(shù)理統(tǒng)計方法、實證模型和RS與GIS空間分析技術(shù)相結(jié)合法等。在我國，土地利用變化又以研究土地利用數(shù)量變化為主，雖然近年來RS與GIS研究技術(shù)方法已普及，但在土地利用空間優(yōu)化方面仍存在短板。MAS模型屬于土地利用空間研究方法范疇，是基于復(fù)雜系統(tǒng)理論、運用計算機平臺的一種反映事物在時空動態(tài)度的模擬仿真技術(shù)，能夠解釋土地利用在空間格局上的變化情況。筆者簡單介紹了MAS模型的基本原理，對MAS模型應(yīng)用于土地利用演變的研究進行了梳理，總結(jié)當前研究取得的成效及存在的問題，并提出了今后多智能體模型用于土地利用變化的啟示。

1MAS模型基本內(nèi)涵與原理

1.1MAS模型基本內(nèi)涵20世紀90年代以來，中外學(xué)者將系統(tǒng)論研究的焦點放在復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論(Complex Adaptive System，CAS)，即關(guān)注個體與環(huán)境之間的作用上。復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的核心是適應(yīng)性造就復(fù)雜性，MAS模型是CAS理論的延伸，而CAS又為土地利用變化提供了新的理論指導(dǎo)[1]。1995年，Maes認為MAS就是在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)一組目標的動態(tài)系統(tǒng)。我國學(xué)者劉瓊則認為多智能體系統(tǒng)就是研究多個Agent間相互協(xié)調(diào)運作從而處理系統(tǒng)復(fù)雜問題，達到系統(tǒng)目的的一種智能化系統(tǒng)[2]。目前，不少學(xué)者對MAS系統(tǒng)的一致看法是：MAS模型是由多個智能體組成的集合，是一種以微觀的角度自上而下研究宏觀問題的模型。這些智能體在決策時不僅要考慮自己的行為規(guī)則，更必須要適應(yīng)其他智能體的運作而做出最優(yōu)反應(yīng)，因而所形成的多智能體系統(tǒng)在運行時趨于一種平衡穩(wěn)定的狀態(tài)[3]。由此看來，MAS系統(tǒng)是把一個龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)進行分割，形成若干個小型但彼此互相有交流、協(xié)調(diào)和便于管理的子系統(tǒng)[4]。

1.2MAS模型特點MAS主要探討一定時空內(nèi)事物的動態(tài)度及各智能子系統(tǒng)之間與智能子系統(tǒng)適應(yīng)外部條件而協(xié)調(diào)優(yōu)化運作的機制。不管是時間尺度還是空間尺度，事物中的各系統(tǒng)都存在活動和演變，而活動與演變的軌跡則是根據(jù)系統(tǒng)或者所受外部系統(tǒng)影響相互作用而發(fā)生，形成一個系統(tǒng)環(huán)環(huán)相扣、不斷發(fā)展的復(fù)合性系統(tǒng)。從這一理念出發(fā)，MAS模型的特點有：①動態(tài)性。多智能體系統(tǒng)根據(jù)信息、知識和目的對身邊的環(huán)境做出反應(yīng)，并通過其他智能體來構(gòu)建屬于自己的規(guī)則處理庫，使其適應(yīng)周邊環(huán)境，并對環(huán)境做出反饋。②交互性。智能體相互之間的交流與反饋、智能體與環(huán)境之間的感知與反饋、智能體與對象之間的實施行為與反饋都緊密聯(lián)結(jié)為一體，傳遞信息與共同優(yōu)化。③社會性。無論是MAS當中的多智能體還是在受到外在條件影響的因素都可以在社會各因子上找到，打上深刻的社會烙印，并根據(jù)社會發(fā)展的規(guī)則演變，其本身、過程、目的都與人的行為決策十分相似，都帶有社會性色彩。④整體性。MAS將宏觀和微觀有機結(jié)合起來，通過與外部環(huán)境的交互作用，從個體系統(tǒng)研究發(fā)展到復(fù)雜整體系統(tǒng)研究，得到綜合而全面的一體化結(jié)論。⑤移動性。智能體在任意的網(wǎng)格位置上移動，來符合目標要求，實現(xiàn)對顯示事物的仿真[3]。

1.3MAS模型應(yīng)用架構(gòu)根據(jù)上述描述MAS模型的內(nèi)涵與特征，MAS系統(tǒng)模型在于將智能體、環(huán)境和目標對象結(jié)合起來，并逐層解構(gòu)宏觀視角以其感知能力和反饋能力做出適應(yīng)性判斷。單個智能體不再單單局限于個體，而是擴充延伸到具備相似特征或性質(zhì)的事物，即從一個事物轉(zhuǎn)移到一類事物。多智能體則是由多個智能體組合而成，其中可以根據(jù)層次的劃分，分為一級智能體、二層智能體，以此類推；可以根據(jù)屬性主體劃分為經(jīng)濟智能體、社會智能體、生態(tài)智能體等；可以根據(jù)參與過程功能劃分為調(diào)控智能體、引導(dǎo)智能體、管制智能體、分配智能體、象征智能體等。智能體也必須參與整個系統(tǒng)協(xié)同運作的過程中，分布在系統(tǒng)運作的各個階段。MAS環(huán)境指代的是研究區(qū)域內(nèi)的包括人類活動色彩的社會環(huán)境和自身具備屬性的自然環(huán)境。MAS中的目標對象則是指由智能主體作用于的帶有動態(tài)性、選擇性、多元性和感知的客觀事物。目標對象根據(jù)智能體的特性形成自我的邏輯路徑發(fā)展，再以智能體反饋認知的能力組合新的多智能體系統(tǒng)，以自我調(diào)節(jié)形成更優(yōu)的運作系統(tǒng)。多智能體(MAS)系統(tǒng)的運作機制如圖1所示。

圖1　多智能體(MAS)系統(tǒng)的運作機制

例如在土地利用變化MAS系統(tǒng)當中，智能體可以根據(jù)角色功能分為政府智能體、農(nóng)民智能體、城鎮(zhèn)居民智能體、企業(yè)智能體4大部分。政府智能體主要是對土地數(shù)量、用途和規(guī)劃方向宏觀調(diào)控作用，并且制定相應(yīng)的對土地用途轉(zhuǎn)變的相關(guān)政策；農(nóng)民智能體主要是指農(nóng)戶參與土地整理，對耕地及農(nóng)用地的轉(zhuǎn)化進行核算；城鎮(zhèn)居民智能體指的是城鎮(zhèn)居民參與城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)化的過程中對土地需求、利用以及改造的意愿和行為決策；企業(yè)智能體則主要認為是開發(fā)商對其他土地的配置群體。而目標對象在土地利用變化當中具體可以是農(nóng)用地、商服用地、居住用地、工業(yè)用地、交通用地、綠地等。

根據(jù)上述對多智能體系統(tǒng)在土地利用變化的內(nèi)涵解釋，進一步可構(gòu)建MAS在土地利用變化的模型。如圖2所示，反映MAS模型在土地利用變化的應(yīng)用。目標層指的是土地利用變化所要達到的目標結(jié)構(gòu)，而這一系列的目標是帶有約束意義的，也是可以同時具備，只是側(cè)重點有差別。經(jīng)濟目標關(guān)注土地利用變化后所能帶來的生產(chǎn)性效益；生態(tài)目標側(cè)重土地的生態(tài)價值；社會價值則是通過土地利用變化的過程以期達到社會穩(wěn)定、進步、發(fā)展的目的。完成目標選擇后則是智能體群集對于土地利用的配置行為決策，而這一系列的行為決策則需要通過定量分析，分解成不同可量化的數(shù)學(xué)指標定性測算，通過這些智能體群集的決策行為指標進而模擬土地利用在一定的空間和時間上的演變過程。若模擬結(jié)果不符合目標的選擇，則需要逐層反饋和完善。MAS 模型對用地類型的空間優(yōu)化決策過程可以看作是智能體在參考多個土地利用驅(qū)動因子的基礎(chǔ)上，對用地單元進行空間選擇以追求個體極值用地效用的過程[4]。

圖2　多智能體在土地利用變化研究的運作流程

2MAS在土地利用變化研究中的應(yīng)用回顧

國內(nèi)學(xué)者將MAS模型運用到土地利用變化的研究起步相對較晚，仍處于起步階段，但是隨著近幾年的研究發(fā)展也取得了相當?shù)某晒?。我國學(xué)者主要從模型原理解構(gòu)、技術(shù)方法改進、利益目標和土地利用情景模式4個方面從不同的研究區(qū)域尺度上探究。

2.1MAS模型原理解構(gòu)研究張金杜等在研究北京市土地利用變化動態(tài)模擬中將Agent分為個體、工業(yè)、商業(yè)和政府4個主要智能體，屬于內(nèi)部模型表達微觀個體之間的空間選擇行為，而外部模型則是模擬土地利用變化的主要驅(qū)動力因子，這2個模型則因為自己的特性并通過一種非線性變換，不斷改變模型間的數(shù)據(jù)狀態(tài)，達到共同演化的系統(tǒng)[5]。聶云峰等以復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，認為GIS與多智能體的耦合方式分別是以多智能體為中心和以GIS為中心，再根據(jù)城市環(huán)境的CA實現(xiàn)與城市多智能體的Agent流程實現(xiàn)，達成城市土地利用變化的模擬仿真[6]。劉小平等構(gòu)建多智能體的居住區(qū)位選擇模型(ABMRL)，用來表征各類居民的多智能體層和表征地理環(huán)境的元胞自動層組成，分別對應(yīng)人地關(guān)系中的2個基本要素——人類與自然環(huán)境[7]。袁滿等構(gòu)建設(shè)計了土地利用規(guī)劃多智能體決策框架及土地利用優(yōu)化配置約束體系，結(jié)合遺傳算法的計算框架，利用智能體對染色體初始化，并以此作用多種智能算子，合理地模擬土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)與空間布局方向[8]。

2.2MAS模型技術(shù)方法研究目前，不少學(xué)者將CA與MAS模型結(jié)合分析土地利用的變化。楊青生等以城市郊區(qū)樟木頭鎮(zhèn)為例，將Agent引進元胞自動機模型當中，對傳統(tǒng)CA模型進行改造，能夠體現(xiàn)同質(zhì)性土地變化的自然性、決策主體的人文性、不確定性[9]；同樣，金泉等以多智能體與元胞自動機相結(jié)合模擬上海城市擴展動態(tài)[10]；古琳等在典型的Agent模型上構(gòu)建Repast與Openmap相結(jié)合的土地利用變化模擬及預(yù)測原型系統(tǒng)，證明GIS-Agent模型是確實可行的技術(shù)方法[11]；張鴻輝等在多目標約束下，構(gòu)建長株潭城市群城市土地利用空間優(yōu)化配置的多智能體系統(tǒng)與微粒群集成優(yōu)化算法，優(yōu)化Agent競爭與合作算子，令A(yù)gent的平均適應(yīng)值及效率值均有大幅提高，使土地利用空間優(yōu)化配置結(jié)果更加精確[12]。周淑麗等基于矢量的城市擴張多智能體模型突破傳統(tǒng)柵格數(shù)據(jù)的弱點，從智能體的屬性、偏好權(quán)重出發(fā)，并根據(jù)對象目標設(shè)定對應(yīng)的適宜性指標體系，采用城市土地利用現(xiàn)狀圖，構(gòu)建多智能體城市擴張動態(tài)模型[13]。

2.3MAS模型生態(tài)目標研究劉守帥等建立MAS模型對日本大分市植田地區(qū)的建成區(qū)和綠地環(huán)境變化進行模擬，發(fā)現(xiàn)綠地面積減少，農(nóng)用地銳減，基本消失[14]。郭錦利用多智能體建模仿真平臺上建立植被空間格局動態(tài)模擬模型，分析北京市鷲峰國家森林公園的植被變化，以期合理改善生態(tài)環(huán)境[3]。王東利用多智能體與元胞自動機相結(jié)合的方法對鼎湖區(qū)生態(tài)用地變化模擬，發(fā)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)用地轉(zhuǎn)換變化率偏高，要采取相應(yīng)的措施對生態(tài)用地進行保護[15]。常笑等則以農(nóng)作物物種種類和種植方式為目標，模擬農(nóng)戶的決策行為，利用多智能體方法在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，調(diào)整農(nóng)戶決策行為以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[16]。

2.4MAS模型情景模式研究劉小平等以廣州市海珠區(qū)為例，利用CA與MAS相結(jié)合的技術(shù)方法由環(huán)境層和多智能體層組成的模型，探討居民、房地產(chǎn)商、政府多智能體在不同情景下的決策行為，模擬各行為下城市空間結(jié)構(gòu)的演化過程及土地利用動態(tài)情況，彌補了地理信息系統(tǒng)的過程模擬能力的不足[17]。張鴻輝等則建立包括政府、居民、農(nóng)民3個智能體的城市土地擴張MAS模型，并分別從配置土地資源的空間準則和時間準則條件下模擬長沙市區(qū)2006～2015年的城市土地擴張，深化了對時空2個維度的條件[18]。陳海等主要分析了農(nóng)戶土地利用決策的3種情景模式：農(nóng)戶整體的土地利用決策情景、農(nóng)戶群體的土地利用決策情景、農(nóng)戶個體的土地利用決策情景[19]。付蓉等運用相關(guān)分析和Logistic回歸分析對土地利用變化進行人文驅(qū)動力和空間影響因素分析，特別對耕地、農(nóng)村居民點用地、工礦用地和城鎮(zhèn)用地分別從非空間性影響影子和空間性影響因子2種情景出發(fā)，模擬宜興市土地利用變化[20]。張云鵬等以常州市新北區(qū)為例，從政策特征因子、全局特征因子和空間特征因子構(gòu)建土地利用情景特征因子體系，構(gòu)建城鎮(zhèn)居住主體、農(nóng)村居住主體和政府主體3種智能主體情景，以經(jīng)濟社會發(fā)展快、中、慢3種條件下土地利用情景作為軸線，模擬新北區(qū)土地利用變化[21]。

2.5MAS模型在土地利用變化研究的不足國內(nèi)對MAS應(yīng)用于土地利用變化的研究處于起步階段，雖取得相當可觀的成果，但是仍存在不足。

2.5.1智能主體的預(yù)想與現(xiàn)實存在距離?，F(xiàn)有研究主要從智能主體決策行為出發(fā)，從智能主體決策行為的因素和問題出發(fā)，假設(shè)其決策行為與對象感知信息是即時交換，缺乏對過程反饋時間的考慮；在決策過程中無法同時考慮各智能主體對于對象的作用方式、作用目的、利益分配和隱形利益的存在，沒有進一步分析智能體背后的驅(qū)動原因；對智能體的心理因素考慮偏頗，如農(nóng)用地的主體成分是農(nóng)戶，但是沒有根據(jù)實際情況探討農(nóng)戶對農(nóng)用地變化的意愿表達，只是一味地認為農(nóng)戶意愿完全統(tǒng)一，缺乏對農(nóng)戶心理和利益損失的研究；主要集中于智能主體對目的對象作用的研究，在目的對象對智能體的主動影響方面缺乏研究，也難以對反饋變化進行充分地追蹤。

2.5.2環(huán)境背景的模糊化。國內(nèi)研究對于決策行為的環(huán)境背景主要集中在交通、環(huán)境質(zhì)量、公共設(shè)施效用層面上，但是對于環(huán)境背景中占有重要指向意義的政策因素、法制因素、科教因素等并沒有充分考慮。單單局限于同一個層面上會影響智能主體的行為偏向，沒有將各智能體進行細化或?qū)€別智能體進行獨立分析，也會導(dǎo)致智能主體間的感知能力不完全，造成運作背景失真，呈現(xiàn)斷裂偏差。

2.5.3研究對象的單一性。目前對土地利用變化MAS模型目的對象的研究都較為單一，只是研究各主體對單一用途用地的研究，缺少同時對不同用地變化的模擬。在研究過程中，總是假設(shè)土地變化是以單一勻速的速度變化，但是實際土地變化是一個動態(tài)的過程，在不同時期也會以不同速度發(fā)生變化。另外，目前的研究主要集中在城市用地的變化，缺乏對農(nóng)村用地生態(tài)利益的土地利用變化模擬；在對城郊土地利用的MAS模型研究主要集中在農(nóng)戶、政府這2個智能體，主要分析農(nóng)戶與政府之間的行為博弈，對土地開發(fā)商、城鎮(zhèn)居民等智能體的研究較少。

2.5.4技術(shù)手段注重宏觀層面。當前研究從技術(shù)和智能主體的行為決策當中都比較注重宏觀層次，主要把握宏觀尺度上目標單元和智能體統(tǒng)一變化和決策，而對土地利用變化的建模機制缺乏微觀層次的分析，單純地簡化整個行為決策的過程，缺乏考慮過程中的階段性，不能充分反映土地利用主體的需求與目的。另外，研究數(shù)據(jù)來源參差，沒有統(tǒng)一標準，對智能主體的行為定量分析存在一定的主觀性，一定程度上造成模擬結(jié)果的精準度下降。

3MAS模型用于土地利用研究的展望

3.1 技術(shù)方法多方融合MAS模型以土地利用作為主體，能夠較好地模擬土地利用空間數(shù)量與空間的變化過程。在目標函數(shù)與約束條件、蟻群算法、遺傳算法、元胞自動機算法以及RS、GIS的共同協(xié)助下，土地利用變化的模擬程度大大提高。土地利用變化是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，通過多方的技術(shù)方法融合能夠較好地闡釋其變化過程。未來的MAS模型結(jié)合其他領(lǐng)域的算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘法等，能夠推進土地利用變化的研究進程。

3.2研究尺度多元化由于現(xiàn)有研究主要集中在東部或沿海城市土地空間的變化，對農(nóng)村、山區(qū)土地利用變化的MAS算法研究較少，資料比較缺乏，適用性的模型也不多。我國土地可利用但未開發(fā)主要集中在山區(qū)，利用MAS模型分析山區(qū)土地資源的開發(fā)利用將會大大提高土地利用的效率。另外在研究尺度上，智能體行為決策停留在宏觀層面上，對微觀層面的行為機制和反饋機制卻很少考慮，往后微觀尺度的研究也將是一個重要方向。

老師：同學(xué)們，你們能找個辦法幫助小兔子嗎？學(xué)生：能。老師：我們應(yīng)該怎么幫助他呀？快開動自己的腦筋想一想。學(xué)生1：小白兔我來幫助你。我們一起把南瓜抬回家。學(xué)生2：小白兔你可以請你的好朋友幫助你。老師：請別人幫忙倒是一個好辦法，我怎么沒想到呢！

3.3MAS模型驗證手段對于MAS模擬結(jié)果的驗證主要采用Kappa系數(shù)法，該計算方法是模擬結(jié)果和驗證數(shù)據(jù)之間的吻合程度，利用理想的模擬結(jié)果與現(xiàn)實作商得到。但是由于上述所提及的研究尺度原因、智能體的決策復(fù)雜性，反饋過程的失真性使得Kappa系數(shù)有偏差，也不能完全反映模型的有效性。除此之外，目前MAS的驗證方法一般為對比法，但此方法需要大量可靠的實際數(shù)據(jù)。因此，MAS模型的驗證方法也需繼續(xù)開拓與深化。

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