基于多智能体的耕地利用决策模拟探讨——以长浏平丘陵区
本文是一篇决策模拟论文，本研究探讨政府、企业、农户三类智能体的行为、决策及有关影响因素，并在NetLogo平台上利用研究区2000年的耕地利用现状模拟出研究区2015年与2030年的耕地利用变化状况与布局情况，以期为更好地掌握未来耕地利用变化发展的趋势、更加合理地进行土地利用提供决策支持。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
自20世纪90年代以来，国际地圈生物圈计划（IGBP）和全球环境变化人文因素计划（IHDP）共同将土地利用/覆被变化(LUCC)列为全球环境变化的核心计划，土地利用/覆被变化自此成为全球变化的焦点问题，也逐渐成为国内外学者们的研究热点，得到了社会的广泛关注[1]。人类通过对自然资源的开发、利用和经营来满足其自身生存发展及生活需要，同时其行为活动也对土地结构及土地利用方式的改变有着剧烈影响[2]。土地利用变化直观地体现了人类的行为活动，通过土地利用决策模拟模型来揭示自然生态环境与人类活动之间的关系，阐明人类的土地利用决策行为变化机制是当前学术研究者们讨论的热点问题之一。
耕地作为人类生活和生存发展最基本的生产条件和资源，是粮食生产最重要的物质基础，更是维持社会可持续发展的重要研究内容，对国家和社会有着不可估量的价值[3-4]。因此耕地在不同时期所表现出的不同状态，可间接地表明人类活动对生态环境的影响以及该地区的土地利用情况[5]。在我国高速城市化进程中，人类活动在耕地利用变化上的干预程度增加，耕地利用主体的决策行为越来越受重视，人文因素逐渐成为影响耕地利用变化的重要因素。城市扩张——耕地转用——耕地变化的动态过程，宏观空间上表现为城镇建设用地、耕地利用方式及过程的变化，而实际则为各级政府、开发商和周边其他土地使用者以及农户等主体在效用最大化的前提下做出的选择和决策，但现有农村耕地利用变化选取驱动因子进行驱动机制的研究多从自然、经济、社会等方面考虑，忽视耕地利用变化中主体决策行为的影响。
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1.2国内外研究进展
1.2.1耕地利用变化研究现状及知识图谱分析
耕地作为重要的土地利用类型，其随时间变化规律与空间变化分布趋势的研究历来受到学者们的广泛关注。主要集中在耕地资源利用的时空变化特征、耕地变化驱动机制、耕地变化效应、耕地变化研究的尺度与方法等方面[7-10]。
耕地资源的时空变化研究主要是通过遥感数据或各类统计调查数据，进行各种尺度耕地变化动态监测、构建耕地空间数据库，从总体上分析耕地资源时空演变规律，空间结构及区域差异等。赵晓丽等在遥感技术的基础上提取中国耕地空间数据并分析了耕地变化的全过程，揭示了近30年来耕地变化的时空特征[11]；李鑫和欧名豪基于1980-2009年江苏省的耕地数据，构建耕地与耕地变化指数，采用探索性空间数据分析方法（ESDA）揭示了耕地空间分布格局与变化规律[12]；杜国明等基于遥感数据，揭示了耕地规模与结构变化特征，为高标准农田建设、农田水利工程建设、土地整治工程等提供了数据基础，并采用景观指数数理统计法从耕地空间结构与布局、景观斑块特征角度研究在区域水田变化过程中的耕地景观演化规律[13-14]。
耕地利用变化是自然经济社会等多因素共同作用的结果[15-17]，其驱动机制研究主要通过定性或定量的方法分析影响区域耕地变化的因子，揭示不同尺度区域耕地变化的动力机制。当前学术界认为耕地利用变化是自然因素和社会经济因素两大系统共同影响而产生的结果。其中起决定性作用的为地质、土壤、水文、气候等自然驱动力，但社会经济驱动力的影响在短时间内表现更为明显，主要包括经济与政策等因素。众多学者已对耕地变化及其驱动机制开展了大量探究。
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第二章研究区概况
2.1地理位置
长浏平丘陵区是湖南省经济发展较快速的地带，人口的聚集度高，土地受利用和被影响程度高；该区域涵盖了多种地形，地貌类型复杂多样，地域分异显著；其次该区域的基础资料和相关数据比较容易获得，开展实地调研较为便利，课题组以往也有研究基础，有利于本研究的正常开展。
鉴于上述情况，选取长浏平丘陵区（湖南省长沙市和岳阳市平江县）作为研究区，该区域位于湖南省东北部，湘江下游，由6个区（望城区、岳麓区、开福区、天心区、芙蓉区、雨花区）、2个县级市（宁乡市、浏阳市）和2个县（长沙县、平江县）组成，东邻江西省宜春市、萍乡市和九江市修水县，南临株洲和湘潭两市，西连娄底市与益阳市，北抵岳阳县与湖北通城县。大致介于东经111°53′114°15′，北纬27°51′28°42′之间，2018年长浏平丘陵区土地面积为15930.42 km2。具体位置如图2-1所示。
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2.2自然概况
2.2.1地形地貌
长浏平丘陵区地形起伏比较大，地貌类型多种多样，地质构造较为复杂。东部以丘陵地山为主，属幕阜——罗霄山系北段，西部为雪峰山脉的东端边缘，中部是长衡丘陵盆地向洞庭湖平原过渡地带，湘江由南至北贯穿中部，两岸形成地势低平的冲积平原，因此地势东西两端高，中间低，略似马鞍状。东北——西南走向分布有幕阜山、连云山、大围山、九岭山等，峡谷相间，大围山七星岭是研究区的最高峰，海拔为1607.9米，望城区乔口湛湖是研究区的最低点，海拔为23.5米。
2.2.2土壤与植被
研究区范围内成土母质种类主要有花岗岩、灰岩、变质岩、砂砾岩、板页岩风化物、紫色砂页岩风化物和第四纪红色黏土七大种类，主要发育以红壤、水稻土为主的9个土类，21个亚类，89个土属，221个土种。其中，水田为水稻土类，有淹育性、渗育性、潴育性、潜育性、矿物性、沼泽性水稻土等6个亚类，30个土属，105个土种。境内以红壤为主，因地形不同而有非地带性土壤，如黄壤、黄棕壤及冲积土等。浏阳河、捞刀河、南川河谷地以冲积土为主；大围山、连云山、九岭山脉以松散的紫色土为主；丘陵地带以粘重的红壤、黄壤为主。区域内大都土层深厚，保水、保肥能力较强，含磷钾丰富，呈微酸性至酸性，适种性广，宜于稻、油、果、蔬、茶等多种作物生长。植被以亚热带常绿阔叶林为主，为自然生长和引进栽培树，主要林木有松、栎、杉、樟、椿、楠、茶、油茶、毛竹、柑橘等，还有较为丰富的野生湿地植物资源。
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第三章理论基础与方法.............................20
3.1智能体的相关概念....................................20
3.1.1智能体的概念与特性....................20
3.1.2智能体的结构.......................21
第四章多智能体耕地利用决策模拟模型的构建....................28
4.1智能体行为与土地利用空间格局..........................28
4.1.1土地利用行为及智能体分类..................................28
4.1.2智能体是土地利用变化的施行者...............................29
第五章多智能体耕地利用模型的实现........................37
5.1基础数据来源与准备.....................37
5.2数据处理................................37
第五章多智能体耕地利用模型的实现
5.1基础数据来源与准备
本模型的基础数据主要分为三部分：
（1）遥感和GIS数据。获取湖南省2000年与2015年的遥感影像数据，对遥感数据进行处理后得到研究区2000年和2015年的土地利用现状数据；湖南省行政区划图；DEM数据采用中科院计算机网络信息中心的地理空间云数据，分辨率为30m；通过91卫图下载研究区电子地图、交通、水系等GIS数据。
（2）农户问卷调查数据。主要包括农户个体属性、家庭属性、经济属性和土地属性，为制定农户智能体的决策行为倾向提供基础数据。
（3）社会经济数据。通过湖南省统计年鉴与统计公报收集研究区的人口增长数据和人口分布数据，工农业产值数据等。
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第六章结论与讨论
6.1主要结论
本研究以湖南省长浏平丘陵区为例，在多智能体系统理论的基础上构建多智能体模型框架，采用GIS、Logistic回归模型、问卷调查等方法与软件，建立多智能体耕地利用模拟模型，探讨政府、企业、农户三类智能体的行为、决策及有关影响因素，并在NetLogo平台上利用研究区2000年的耕地利用现状模拟出研究区2015年与2030年的耕地利用变化状况与布局情况，以期为更好地掌握未来耕地利用变化发展的趋势、更加合理地进行土地利用提供决策支持。本文得到以下主要结论。
（1）划定了智能体及其决策规则。本文划定了政府、企业、农户三类智能体，探讨了这三类智能体在进行土地利用行为时的选择倾向、价值观和利益诉求等，分析了影响智能体做出行为决策的因素。研究得出影响智能体进行耕地利用的因素包括自然、经济和社会等方面的因素，即高程、坡度等自然因素，距离变量、密度变量等因素，农户的个体属性、家庭属性、经济属性、土地属性等因素，并且在SPSS平台中利用Logistic回归模型分析得出了最主要的因素。通过分析三类智能体之间的相互关系，设计了各类智能体的行为决策规则。
（2）构建了多智能体耕地利用决策模型。基于上述研究，构建了多智能体模型框架，通过分析影响智能体行为决策的因素及其之间的相互关系、智能体行为与环境之间的相互关系，设计智能体及其行为决策规则。由于是从微观智能体（政府、企业、农户）入手，智能体及其与环境相互作用，使宏观土地利用发生变化，从微观到宏观，从个体到全局，因此是自下而上建立了多智能体交互模型，结合其活动范围的环境特征，构建研究区耕地利用变化模拟模型，定量分析各智能体对耕地利用变化的影响，模拟耕地利用变化的复杂过程并分析预测耕地利用变化趋势。
参考文献（略）
