虚拟地理环境中基于个体的时空计算模型研究.pdfVIP

中国GIS 协会理论与方法研讨会（南京，2005）交流论文 虚拟地理环境网址： 虚拟地理环境中基于个体的时空计算模型研究* ——以医院内 SARS 传播过程模拟为例 周洁萍，龚建华，李文航，朱军 中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室 摘要：面向个体的时空建模与计算分析，逐渐成为人地系统复杂性地理问题探索的一种重要 方法。对应于传统 GIS 中用 “点”表达房子、树等地理对象，“个体”作为面向 “人”（地理 环境主体）GIS 的最基本单位，在虚拟地理环境中用智能体进行表达。本文主要讨论虚拟地 理环境中，个体对象建模、时空四维计算模型建立、以及计算模型的可视化表达。最后，以 SARS 在医院内部的时空传播为案例，建立原型系统并开展了初步应用实验。 关键字：虚拟地理环境，个体，智能体，时空计算模型，可视化 1 引言 1.1 地理信息科学中时空模型研究现状和发展 在地理信息科学中，时间、空间、属性是地理实体的三个基本属性 （Goodchild，1992 ）， 时空分析及时空建模已经成为近年来地理信息科学发展的一个重要方向。在地理信息系统研 究领域中，空间分析和空间特征建模的讨论已有近30年的时间，而时间特征建模的讨论历史 不长，尤其是时空分析、时空建模的讨论开始得更晚。1992年Gail Langran发表其博士论文 “地理信息系统中的时间”，则标志着GIS时空模型研究的正式开始 （Langran ，1992 ）。地 理信息系统中，解决GIS环境下的时空分析和时空建模问题主要侧重在两个方面，一是侧重 在GIS基础数据和数据库模型方面的研究，包括时空数据库的建立、基于时空数据库的时空 分析和推理，以及对时空数据的可视化研究（余江峰等，2005 ）；另一个是GIS与地理时空 模拟模型的集成，主要解决GIS环境下的时间分析尤其是时空模拟能力不足的问题 （Goodchild，1992 ）。本文主要从第二个方面开展研究工作。 传统的地理空间分析模型以图形信息、拓扑关系和属性描述信息为基础。传统GIS通常 将图形与拓扑关系信息放在一个结构表中，通称为几何图形信息，而属性数据用关系数据库 管理，图形数据用文件方法管理。GIS在这样的地理空间数据结构上，完成对空间数据的分 析、数据挖掘以及采取相应的数学分析模型完成空间推演与模拟。而将时态加为GIS的基本 特征之一后，时态GIS与地理时空模拟模型集成方面有了很大突破，从宏观和微观两个方面 有了较大发展。一种是基于微分方程的系统动力学模型、社会物理学模型等过程数据模型， 该类模型主要是宏观模型，根据人们对系统总体规律的认识，用一个或几个变量随时间的演 化来模拟整个系统的时空变化，此类方法在对地理宏观尺度上为地理时空模拟提供了一个较 好的解决方法。另一种是基于微观对象之间的相互作用，以 “自下而上”的方法实现整个系 统时空变化的模拟，包括细胞自动机、多智能体模型，这类模型除了适用于微观尺度，能以 微观对象相互作用 “自下而上”地形成宏观地理现象 “突现”，还因为这类模型仅用建模原 则进行模型建立而没有用到固定的数学方程，具有一定程度得不确定性，因而更符合复杂性 系统的发展特点。 虽然GIS在时空分析时空建模方面已经取得了较大的进展，但其根本上还是对基于点、 * 国家自然科学基金项目,中国科学院遥感应用研究所知识创新工程项目（CX020021） 1 中国GIS 协会理论与方法研讨会（南京，2005）交流论文 虚拟地理环境网址： 线、面的时空分布问题进行研究，在地理学对 “人－地”关系研究中对 “人”的研究，特别 是对微观空间层次的时间分析和时空建模还存在较大的空白。 1.2 面向“人”（地理环境主体）的GIS 传统地理学的人地关系对于“人”的定义是模糊的、抽象的，粒度研究层次也比较粗， 而对于 “地”及其空间，却有很深、很广泛的研究。传统地理信息科学在研究地球表层系统 的 “人－地”关系中，主要侧重于对 “地”的研究，而其重要的研究手段——地理信息系统 (GIS) ，相应的是以一个面向“地”的基本理念而设计并发展的，而不是面向 “人”来思考 与设计的。在我国的地理研究中，艾南山认为人地关系注意“地”，而忽视“人”（艾南山， 1999