分区异步元胞自动机模型及其应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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柯新利 著

图书标签:

• 元胞自动机
• 异步
• 分区
• 模型
• 应用
• 计算
• 并行计算
• 复杂系统
• 自组织
• 非线性动力学

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030507488

版次：1

商品编码：12082338

包装：平装

丛书名： 博士后文库

开本：16开

出版时间：2016-08-01

用纸：胶版纸

页数：233

字数：300000

正文语种：中文

内容简介

　　针对传统元胞自动机模型难以表达地理现象及其演化规律和演化速率空间异质性从而制约地理元胞自动机模型模拟精度的不足，作者对传统的元胞自动机模型进行改进并提出了分区异步元胞自动机模型。一方面，在对元胞空间分区的基础上，采用分区转换规则代替统一转换规则，以表达地理现象及其演化规律的空间差异；另一方面，在元胞自动机模型中引入异步演化速率以表达地理现象演化速率的空间异质性。结果表明，与传统元胞自动机模型相比，分区异步元胞自动机模型在逐点对比精度和MoranI指数两方面都具有明显的优势。依托分区异步元胞自动机模型，在综合考虑自然资源禀赋和社会经济条件区域差异的基础上，开展了土地利用的区际优化配置与未来情景分析，为区域土地资源的合理开发和可持续利用提供科学依据。
　　《分区异步元胞自动机模型及其应用》可以作为土地利用变化、土地利用建模、土地资源优化配置、土地资源可持续利用，以及城市扩张等领域的科研人员与从业人员及相关专业本科生与研究生的参考书。

内页插图

目录

《博士后文库》序言
前言
上篇 分区异步元胞自动机模型的理论与方法
第1章 绪论
1．1 引言
1．2 土地利用变化元胞自动机模型研究进展
1．3 主要研究内容
主要参考文献
第2章 分区异步元胞自动机概念模型
2．1 地理元胞自动机模型基本理论
2．2 空间分异规律
2．3 地理过程及其空间差异性
2．4 分区异步元胞自动机概念模型
2．5 小结
主要参考文献
第3章 基于空间聚类的元胞空间分区
3．1 基于空间聚类的元胞空间分区
3．2 基于双约束空间聚类的元胞空间分区
3．3 小结
主要参考文献
第4章 基于C5．0决策树算法的元胞转换规则获取
4．1 元胞转换规则
4．2 C5．0决策树算法
4．3 基于C5．0决策树算法的元胞转换规则获取
4．4 小结
主要参考文献
第5章 分区异步元胞自动机模型演化速率获取
5．1 元胞演化速率
5．2 分区异步元胞自动机模型元胞演化速率获取
5．3 小结
主要参考文献
第6章 分区异步元胞自动机模型的实现
6．1 模型总体架构
6．2 模型实现
6．3 实证研究
6．4 小结
主要参考文献
第7章 分区异步元胞自动机模型尺度敏感性研究
7．1 地理元胞自动机的尺度问题
7．2 元胞尺度敏感性分析
7．3 速率格网尺度敏感性分析
7．4 小结
主要参考文献
第8章 分区异步元胞自动机模型总结与展望
8．1 分区异步元胞自动机模型构建总结
8．2 研究展望
主要参考文献

下篇 分区异步元胞自动机模型的应用
第9章 基于分区异步元胞自动机模型的耕地区际优化布局
9．1 引言
9．2 研究区域与数据来源
9．3 模型与方法
9．4 武汉城市圈耕地利用布局优化
9．5 小结
主要参考文献
第10章 基于土地利用效率区域差异的建设用地区际优化配置
10．1 研究背景
10．2 以土地利用效率区域差异为依据的建设用地区际优化方法
10．3 武汉城市圈及其土地利用变化
10．4 土地利用效率区域差异下的武汉城市圈建设用地区际优化配置
10．5 小结
主要参考文献
第11章 基于资源禀赋和经济发展区域差异的耕地优化布局
11．1 研究背景
11．2 武汉城市圈概况
11．3 基于资源禀赋和经济发展区域差异的耕地优化布局方法
11．4 基于资源禀赋和经济发展区域差异的耕地优化布局结果
11．5 小结
主要参考文献
第12章 权衡粮食安全与经济发展区域差异的土地资源优化配置
12．1 引言
12．2 研究区域与数据来源
12．3 权衡粮食安全与经济发展区域差异的土地资源优化配置方法
12．4 权衡粮食安全与经济发展区域差异的武汉城市圈土地资源优化配置
12．5 小结
主要参考文献
第13章 协调城市扩张、耕地保护与生态保育的土地优化布局
13．1 研究背景
13．2 武汉市土地利用概况
13．3 城市扩张、耕地保护与生态保育的协调方法
13．4 协调城市扩张、耕地保护和生态保育的武汉市土地利用布局
优化
13．5 小结
主要参考文献
第14章 气候变化背景下城市扩张合理模式选择
14．1 引言
14．2 武汉城市圈土地利用与气候变化
14．3 城市群扩张与气候变化的耦合模型
14．4 气候变化背景下武汉城市圈城镇扩张合理模式分析
14．5 小结
主要参考文献
第15章 基于生产力总量平衡的耕地区际优化配置
15．1 研究背景
15．2 基于生产力总量平衡的耕地区际优化配置方法
15．3 基于生产力总量平衡的中国耕地生产力区际优化配置
15．4 小结
主要参考文献
编后记
彩图

前言/序言

　　地理元胞自动机模型是地理模拟的主流工具，在地理学研究，尤其是城市扩张模拟与优化等领域发挥了巨大的作用。已有研究对地理元胞自动机模型的转换规则获取、邻域效应、元胞形状等方面开展了较为深入和系统的研究。然而，由于忽略了地理现象及其演化规律与演变速率的空间异质性，传统元胞自动机模型对现实地理世界的表达能力受到了约束。一方面，传统地理元胞自动机模型忽略了地理现象演化规律的空间异质性，元胞空间内所有的元胞都采用统一的转换规则；另一方面，传统地理元胞自动机模型忽略了地理现象演变速率的空间异质性，元胞空间内所有的元胞都按统一的演变速率进行演变。因此，传统的地理元胞自动机模型难以表达地理现象及其演化规律和演变速率的空间异质性，成为地理元胞自动机模型发展的瓶颈。
　　针对上述问题，本书提出并实现了分区异步元胞自动机模型：一方面，在对元胞空间分区的基础上分别求取各分区的转换规则，以分区转换规则代替统一转换规则，以表达地理现象演化规律的空间异质性；另一方面，在元胞自动机模型中引入异步演变速率，赋予不同的元胞不同的演变速率，以表达地理现象演化速率的空间异质性。通过改进，缩短了元胞自动机模型与现实地理现象演变过程的差异，从而使得分区异步元胞自动机模型更好地表达现实地理现象的演化过程。
　　本书包括上、下两篇，上篇主要介绍分区异步元胞自动机模型的理论与方法，下篇主要介绍分区异步元胞自动机模型的应用。
　　在分区异步元胞自动机模型的理论与方法部分，从元胞自动机模型的研究进展出发，分别讨论了分区异步元胞自动机模型的概念模型、基于空间聚类的元胞空间分区、元胞转换规则的获取方法、分区异步元胞自动机模型演化速率获取和分区异步元胞自动机模型的实现。在此基础上，开展了分区异步元胞自动机模型尺度敏感性研究。
　　在分区异步元胞自动机模型的应用部分，分别介绍了基于分区异步元胞自动机模型的耕地区际优化布局、基于土地利用效率区域差异的建设用地区际优化配置、基于资源禀赋和经济发展区域差异的耕地优化布局、权衡粮食安全与经济发展区域差异的土地资源优化配置，以及协调城市扩张、耕地保护与生态保育的土地优化布局、气候变化背景下城市扩张合理模式选择和基于生产力总量平衡的耕地区际优化配置等内容。

好的，这是一本关于复杂系统建模与计算的图书简介，它将深入探讨非线性动力学、统计物理学与计算机模拟的交叉领域，完全不涉及您提到的“分区异步元胞自动机模型及其应用”这一特定主题。 --- 复杂系统建模与计算：非平衡态的动力学、涌现与信息流 作者：[此处留空，模拟真实书籍的出版信息] 出版社：[此处留空] 装帧：精装/平装 页数：约650页 建议读者：物理学、数学、计算机科学、工程学、生态学及经济学领域的高级本科生、研究生、科研人员以及对复杂系统感兴趣的专业人士。 内容概述 本书旨在提供一个全面而深入的视角，审视那些由大量相互作用单元构成的宏观系统所展现出的涌现（Emergence）现象。我们关注的焦点在于非平衡态下的系统行为，即系统如何持续地从外界获取能量和物质，并在远离热力学平衡的状态下维持或演化出复杂的结构与功能。 全书结构围绕三个核心支柱构建：理论基础、核心模型与计算方法、以及跨学科应用案例。我们摒弃了对平衡态统计力学的标准叙述，转而聚焦于开放系统、时空关联性以及信息传递在系统演化中所扮演的关键角色。 第一部分：非平衡态动力学的理论基石 本部分为后续复杂的建模工作奠定坚实的理论基础。 第一章：从微观到宏观的桥梁：拉格朗日与哈密顿框架的拓展 本章首先回顾了经典力学在描述保守系统时的完备性，随后引入了耗散项和外部驱动力，将理论框架拓展至非保守系统。重点分析了非保守系统的李雅普诺夫指数在区分混沌与周期行为中的作用。我们详细探讨了随机过程理论，特别是朗之万方程在处理热噪声和布朗运动时的适用性，并引入了福克-普朗克方程来描述概率密度函数的演化，为理解微观涨落如何影响宏观输运特性做铺垫。 第二章：信息论与复杂性度量 复杂系统的核心在于其信息的产生、传输与耗散。本章引入了香农熵和条件熵的概念，用于量化系统的无序程度。随后，重点介绍了互信息（Mutual Information）和传递熵（Transfer Entropy）。传递熵作为一种非对称的度量工具，是分析系统内不同子单元间因果关系和信息流方向的关键，尤其在分析时间序列数据时具有不可替代的价值。我们还探讨了有效复杂性（Effective Complexity）和算法信息论在区分随机性与结构化复杂性方面的挑战与进展。 第三章：非线性动力学与自组织临界性 本章深入探讨了分岔理论在系统从有序向无序转变过程中的作用。重点分析了周期倍增和准周期行为的出现机制。随后，本章将焦点转移至自组织临界性（SOC），详细阐述了沙堆模型（Sandpile Model）作为核心范例，如何说明系统在没有外部参数调谐的情况下，自发地达到一个临界状态，并在该状态下产生幂律分布的事件（如雪崩）。这种内在的自组织机制是理解许多自然现象（如地震、森林火灾）的关键视角。 第二部分：核心计算模型与算法 本部分专注于构建和求解描述复杂系统的数学框架，重点介绍数值模拟技术及其对复杂系统分析的适用性。 第四章：连续时间动力学与场论方法 本章主要讨论基于偏微分方程（PDEs）的场论模型，特别是那些描述物质和能量分布的模型。详细分析了反应-扩散系统，如著名的图灵模式形成机制，以及如何通过非均匀稳定态的失稳来解释生物形态发生的起源。我们对哈密顿-雅可比方程在描述快速演化过程中的应用进行了阐述，并讨论了如何使用有限元法（FEM）和谱方法对高维或涉及复杂边界条件的PDE进行高效求解。 第五章：离散空间上的格子动力学与随机行走 本章转而研究离散模型，特别是那些描述粒子、Agent或单元状态在空间网格上相互作用的模型。除了对基本伊辛模型（Ising Model）在铁磁性和相变中的经典应用进行回顾外，重点分析了非平衡玻尔兹曼方程的格子气体（Lattice Gas）和格子玻尔兹曼（Lattice Boltzmann Method, LBM）的数值实现。LBM因其处理复杂流体边界和多相流动的效率而受到重点介绍，其核心在于恢复运动学方程到Navier-Stokes方程的过程。 第六章：基于Agent的建模（ABM）与多尺度模拟 Agent-Based Modeling（ABM）是研究社会、生态和经济复杂性的强大工具。本章详细介绍如何构建具有异质性（Heterogeneity）、局部交互规则和学习能力的Agent。我们探讨了有限理性（Bounded Rationality）Agent在市场动态中的作用，以及如何利用多尺度建模（Multi-scale Modeling）框架，例如将微观ABM结果映射到宏观连续模型中的方法论。重点分析了如何处理和可视化ABM中产生的庞大、非结构化的模拟数据。 第三部分：跨学科的动力学应用 本部分将前述的理论和方法应用于实际的复杂系统案例中，展示了复杂系统科学的普适性。 第七章：生态系统中的竞争与共存 本章关注生态系统中的物种动态。从经典的Lotka-Volterra方程出发，我们引入了空间异质性、随机环境扰动以及多物种竞争排斥原则的修正。重点分析了Metapopulation Models（元种群模型）如何描述栖息地破碎化对物种灭绝风险的影响。此外，我们利用信息流分析来量化食物网中关键物种的稳定性贡献。 第八章：经济系统中的波动、风险与非线性定价 在金融和经济领域，系统远非市场有效。本章分析了基于异质性Agent的金融市场模型（HANK Models），它们如何产生超出标准经济学预测的资产价格波动和泡沫。我们应用随机波动模型（Stochastic Volatility Models）来描述市场的不确定性，并探讨了“黑天鹅”事件的涌现机制。通过计算系统风险的传染矩阵，揭示了金融网络中关键节点的脆弱性。 第九章：生物网络与稳态维持 本章聚焦于分子生物学和细胞生物学中的复杂网络。详细考察了基因调控网络（GRNs）的拓扑结构，特别是如何利用布尔网络和微分方程网络来描述开关行为和稳态锁定。我们讨论了代谢网络的鲁棒性，并分析了细胞如何通过反馈回路和冗余设计来抵抗外部干扰，维持稳态（Homeostasis）。对生物信号转导级联中的增益和噪声传递进行了量化分析。 --- 本书的特点： 强调物理学的视角： 确保读者理解复杂性背后的基本物理原理，而非仅仅停留在现象描述。 方法论的深度： 对LBM、ABM、传递熵计算等前沿计算工具进行了详尽的算法介绍和应用实例。 跨越学科的整合： 明确展示了相同数学结构（如幂律、网络拓扑）在物理、生物和经济系统中的普适性。 本书不仅是一本教材，更是一份深入探索非平衡世界动力学奥秘的路线图。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名“分区异步元胞自动机模型及其应用”瞬间就吸引了我的注意，因为它似乎提供了一种对复杂系统进行建模的全新视角。我一直以来都对元胞自动机（CA）这类基于简单规则涌现出复杂宏观行为的模型非常着迷。但同时也意识到，标准的CA模型在模拟现实世界时，其同步更新的假设往往过于理想化，无法充分捕捉到许多自然和人为系统中普遍存在的时空差异和局部交互。因此，“分区异步”的处理方式，在我看来，正是解决这一问题的关键所在。我设想，本书的核心内容很可能集中在如何设计和实现这种分区异步的CA框架。这包括如何科学地界定“分区”，以及如何在不同分区之间实现灵活的“异步”更新，也许是基于事件驱动，或是基于某种局部阈值的判断。这背后涉及到的算法设计、并行计算策略，甚至可能的硬件加速方法，都将是书中值得深入探讨的亮点。而“及其应用”则将抽象的理论模型与具体的现实场景联系了起来。我非常渴望看到，作者是如何将这种新颖的模型应用于解决实际问题的。例如，书中是否会详细介绍如何利用它来模拟区域经济发展的差异性，或者如何分析不同地理区域的疫情传播动态，甚至如何优化复杂工业流程的调度？我期待书中能够提供足够详实的案例分析，展示分区异步CA模型在解决那些传统模型难以应对的问题时，所展现出的独到之处和卓越的效能，从而为我提供新的思路和解决问题的工具。

评分☆☆☆☆☆

光是看到“分区异步元胞自动机模型”这个书名，就让我产生了一种迫不及待想要翻阅的冲动。我对计算科学和建模领域一直抱有浓厚的兴趣，尤其是那些能够模拟出复杂现象的底层机制的模型。元胞自动机（CA）无疑是其中的佼佼者，它用最简单的规则构建起无限的可能性。但长期以来，CA的同步更新机制总让我觉得不够“真实”，毕竟现实世界中很多过程都是此起彼伏，并非整齐划一。所以，“分区异步”这几个字，仿佛为我打开了一扇新的大门，预示着一种更贴近现实的建模方式。我非常好奇书中是如何定义“分区”的？是基于地理位置，还是基于某种功能属性？而“异步”又具体体现在哪些方面？是随机的、概率的，还是有某种内在的驱动机制？我猜想，书中一定对这些问题的处理方式进行了详尽的论述，并且会提供严谨的数学框架来支撑这些设计。而且，模型本身的设计固然重要，但“及其应用”更能点燃我的热情。它意味着这本书不仅是理论的探索，更是对实际问题的解决方案。我渴望看到，这种新型的CA模型是如何被“搬”到现实世界中去的。书中是否会展示如何用它来模拟城市发展中的交通拥堵，如何预测自然灾害的传播路径，甚至如何理解微生物群落的动态演替？我希望书中能有足够详实的案例，让我看到这种模型的强大之处，以及它如何为解决那些棘手的实际问题提供了新的视角和工具。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题，尤其是“分区异步元胞自动机模型”，勾勒出了一幅充满学术深度与工程潜力的图景。我对这类研究方向的兴趣由来已久，深知元胞自动机在刻画复杂系统自组织特性方面的强大能力。然而，标准的元胞自动机模型通常假定全局同步更新，这在面对真实世界中普遍存在的时空异质性时，显得有些力不从心。因此，“分区异步”的处理方式，无疑是该领域的一个重要突破口。我推测，书中很可能对这一核心概念进行了系统性的梳理和理论推导，探讨了如何设计有效的区域划分策略，以及不同异步更新机制（例如，基于概率的、基于事件的）对模型行为的影响。这背后涉及的算法设计、并行计算思想，以及如何权衡模型精度与计算效率，都将是书中值得深入挖掘的内容。更重要的是，“及其应用”这四个字，将理论模型与实际问题紧密联系起来。我迫切希望了解，作者是如何将这一抽象的模型应用于具体场景的。书中是否会涵盖特定领域的案例研究？例如，在环境科学领域，如何用分区异步模型来模拟污染物在不同地理区域的扩散和转化，并考虑不同区域间排放源和吸收汇的异步交互？或者在社会动力学研究中，如何模拟信息在不同社群间的传播，并体现出社群内部和社群之间的传播速度和模式差异？这种模型能够带来哪些传统模型无法比拟的优势，例如更高的计算效率、更强的鲁棒性、或者更能捕捉到现实世界中的细微动态？这些都是我非常期待从书中找到答案的问题，相信它能为我提供宝贵的见解和方法论上的启示。

评分☆☆☆☆☆

从这本书的书名“分区异步元胞自动机模型及其应用”来看，它似乎触及了一个非常前沿且具有高度实践价值的研究方向。我对元胞自动机（CA）的理论基础有着一定的了解，知道它在模拟物理、生物、社会等复杂系统中扮演着重要的角色。然而，传统的CA模型大多基于全局同步的更新规则，这在一定程度上限制了它们对现实世界中普遍存在的非均匀性和异步性现象的刻画能力。因此，“分区异步”这一概念的引入，让我看到了突破这一局限性的希望。我推测，书中必然会深入探讨如何将整个模型空间划分成若干个互不相同但又相互影响的子区域，并在此基础上实现各子区域的独立、异步更新。这其中可能涉及对分区策略（如固定网格、自适应划分）、异步更新机制（如随机选择、基于状态的触发）、以及信息在区域间传递方式的详细阐述。我相信，作者一定在理论层面进行了严谨的推导，构建了一套完整的数学框架来描述这种新型模型的特性。更重要的是，本书还强调了“及其应用”，这表明它并非仅仅停留在理论研究层面，而是将模型与实际问题紧密结合。我非常期待看到，书中是如何运用这一强大的工具来解决现实世界中的挑战的。例如，在城市规划领域，如何利用分区异步CA模型来模拟城市扩张和基础设施建设的动态过程，并考虑不同区域发展速度的差异？或者在生态环境保护方面，如何模拟不同地理单元中物种迁徙和资源竞争的异步演化？我希望书中能够提供一些令人信服的案例研究，展示这种模型在提升模拟精度、加速计算效率、以及提供更深入洞察方面的独特价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名引起了我极大的好奇，尤其是“分区异步元胞自动机模型”这个概念。我一直对复杂系统和模拟感兴趣，而元胞自动机（CA）作为一种基础的模型，其简洁的规则如何能够涌现出令人惊叹的复杂行为，总是让我着迷。但传统的一致性、同步更新的CA模型，在处理大规模、高维度的问题时，往往面临计算效率的瓶颈，也难以真实地反映许多自然和社会现象中存在的局部、非同步的交互特性。“分区异步”的提法，暗示了一种在模型设计和计算策略上的创新，或许能够突破这些限制。我猜想，书中可能会深入探讨如何有效地将整个系统划分为若干个区域，并允许这些区域独立、异步地进行状态更新。这其中涉及到如何定义区域的大小、形状，以及异步更新的策略（例如，是随机选择区域，还是按照某种优先级顺序），这些都是非常有挑战性的问题，也可能带来性能上的巨大提升。同时，对于“模型及其应用”这部分，我更加期待。元胞自动机早已被广泛应用于交通流模拟、森林火灾蔓延、疾病传播、生态系统演化等领域。但我相信，引入了“分区异步”这一特性的模型，其适用范围和模拟精度可能会得到进一步的拓展。我非常期待书中能提供一些具体的应用案例，展示这种新型模型在解决实际问题时，是如何展现出其独特的优势和魅力的。例如，在城市交通模拟中，如何利用分区异步模型更真实地刻画不同区域（如市中心、郊区）交通状况的差异和相互影响？或者在生物系统中，如何模拟不同细胞群体的异步生长和分化过程？这些都是我非常感兴趣的方面，相信本书能够给我带来深刻的启发。