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空间理论与空间复杂模型研究

毕巍强  
【摘要】: 空间问题是人类认知的一个古老而永恒的主题,“空间”这只“看不见的手”对人类行为和社会发展的约束是与生俱来、无处不在的。大至国家“生存空间”的压力,小至日常生活中“私域空间”的狭小,甚至哲学选择中的“生存或毁灭”难题,无不表现出某种因效用空间的有限而无法最大化地排列不同效用的二难处境。 从本质上讲,人类社会最稀缺的就是时间和空间,人类一切社会经济活动的根本形式是最大限度地获取时间和空间——在有限的时间内尽可能多的实现各种需要以便相对延长其时间;通过占有或扩大“空间”来摆脱“空间”的约束,以便获得尽可能大的自由度,因此,从空间角度分析人类的社会发展及经济行为具有重要的理论意义和实践价值。本文为空间分析提出了一种新的范式,提供了一种“以时间和空间为基准来理解世界”的可能性。而这正是传统空间研究中所缺少的。 空间过程是空间的演化形式,它包括生态环境、人类社会经济和地理系统三种基本运动形式。空间分析是指分析、模拟、预测和调控空间过程的一系列理论和技术。在空间信息和GIS空间数据管理能力日趋完善的形势下,空间研究获得了前所未有的发展机遇,因此,有必要提出新的空间分析的理论和方法体系,从而认识和把握地理空间和广义社会、经济空间的运动规律,进行虚拟、预测和调控区域空间的演化过程。该体系应能够和谐地包容空间分析领域已取得的各方面的成果,其中包括空间机理分析和空间复杂系统模型等。 本文在系统研究国内外空间发展理论的基础上,着力于从理论和应用相结合的角度,采用实证与规范研究、定性与定量分析相结合的手段,对空间发展进行了较为系统的研究。 本文以广义空间理论、空间复杂模型和空间信息处理为主要研究方法,以空间动态模拟和预测为主要应用目标,尝试提出新的地理空间分析的理论体系和复杂空间模型。 由于空间现象的复杂性,空间过程模拟的理论方法和技术手段仍处于探索阶段,有许多实际问题还有待解决。尽管目前国外在该领域的动态模拟已进入研究阶段,有了一些较成熟的成果,但国内相应水平的独立的空间分析模型仍极为稀少,在充分学习前人工作的基础上,本文在以下几个方面作了进一步探索。 理论方面 尝试探讨有关地理系统的区域空间、文化空间、信息空间、市场制度、博弈规 则以及它们之间客观关系的基本问题。尝试探讨某些特定的社会场、信息场、资源 场是如何被创造出来的,并在空间分异中起着什么作用。以揭示社会空间的运动规 律。 用非线性理论,尝试探讨有关区域空间的非均衡演化机理,探讨有关居住空间 分异、社会稳定与可持续发展之间的内在联系和运行规律。通过剖析影响空间分异、 社会稳定的主元要素,提出了保障社会进化应遵循的结构机理。 尝试突破静态研究的巢臼,从空间理论分析与非线性动态模型相结合的角度,对城 市空间发展进行研究,试图建立空间发展的系统理论,这种探索有助于拓展城市空 间研究的疆界。 尝试突破社会科学、自然科学各自封闭研究的局限,采用社会学分析方法与定 量模型相结合的方法进行研究,以揭示空间发展的深层机制,形成较为系统的理论。 技术方面: 引入Rough集理论、小波算法、遗传算法和神经网络等方法,探讨以模型的局 域转换规则。由于演化规则是元胞自动机模型的核心,它决定着元胞自动机的动态 演化过程,在这一领域的突破,将揭示元胞自动机的本质规律。 引入场与能量的概念,力图克服传统物理学不能完全解释社会经济运行规律的 局限,现代的场思维能够用来分析一切自然和社会的力量及运行规律。特别是在元 胞自动机模型的应用中,能量概念的引入和拓展,有助于打破元胞单元均质化的限 制,揭示空间演化的规律。 引入拓扑分析,探讨空间演化过程中空间关系对空间结构的影响,揭示空间非 均质性及其社会发展的规律。 在元胞、状态、元胞空间的概念基础上,本文首次引入一个非常重要的概念: 核化元胞及中心核团构形。它是指在某一时刻,在元胞空间上所有元胞状态呈非均 质空间分布。从而拓展了元胞自动机的概念体系。并给出了确定核化元胞的具体方 法。 在元胞状态多元化的基础上,将元胞及其状态进行封装,给出了不同种类的元 胞。并将其运用到广义经济空间中,同时给出了确定元胞参数的具体方法,从而拓 展了元胞自动机的理论体系和应用范畴。 在空间技术应用中,本文提出了一种新的神经网络结构,称为粗神经网络,并 给出了基于粗神经网络的遥感多传感器数据融合模型。该模型不仅能解决传统神经 网络所能解决的问题,且可应用于遥感传感器的输出不只是一个数值的情况 本文在以下几点上比其它类似研究更为强调: 一是空间分析的模型化研究。大多数地理空间研究从定性的角度对问题作了广 泛的研究,这对于揭示问题的本质是必需的:并有助于发现事物的规律性本文吸 收了这些成果,从事物产生和运行机理的深度去考查,解析事物、构建了空间复杂 模型,特别是元胞自动机模型,利用元胞自动


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