西递村空间结构演变元胞模型

（东南大学建筑学院城市与建筑遗产保护教育部重点实验室）

【摘要】西递村作为空间自组织进化的典型案例，很多学者都从不同的视角进行过深入的研究和探讨。但已进行的研究主要是以静态的的方式描述和总结，缺乏动态的、演进的方式研究。在当前复杂系统的背景之下，越来越多学者认为城市结构复杂的时空动态变化往往比其最终形成的空间格局更为重要。本文以元胞自动机数学模型为基础建立西递村的空间结构自组织演化模型，期望能够为西递村落空间自组织研究提供新的研究视角。

【关键词】自组织；元胞自动机；复杂系统；空间演化

随着人们对复杂系统研究的逐步深入，城市作为一个复杂巨系统[1]，越来越多学者认为城市结构复杂的时空动态变化往往比其最终形成的空间格局更为重要[2][3]。中国传统村落空间常常作为城市空间自组织研究的典型案例，因为这些村落空间往往没有经过建筑师或规划师的精心创造，自下而上的发展与进化，更加接近于在岁月中逐渐生长的城市。以这些村落空间演化过程作为研究对象，探索村落空间结构与形态的动态演变对于研究城市空间结构演变具有重要意义。

1 徽州村落空间自组织结构演变机制分析

徽州古村落空间的研究长久以来一直吸引着众多的学者，他们从不同的学术角度研究它的形态、生成及影响因素[4]。概括起来主要有以下几个方面：

徽州古村落多为北方望族避难迁居形成，由于“天人合一”的思想，村落的布局往往与地形和谐。随后的村落空间结构的发展基本按照原有的形态背景逐步扩展。以西递为例，从早期的依山而居，到中期的逐水而居，再到后期沿街而居，村落的空间结构呈带状发展。带状空间延伸过长，必然带来空间生长的不经济性，因此村落空间自组织演化的“趋圆性”特征促使村落空间最终发展演化成为“船形”。村落空间形态的这种自生长特征是促使空间演化的内在持续动力。

徽州古村落的空间结构的发展经历了从定居、发展、繁荣到衰败的过程，在这样的一个自组织生长演替过程中，宗族观念起着异常重要的作用。对于风水的笃信与不同的理解，常常左右着徽州民居以及村落所具有的风格和特点。徽州古村落通常依山傍水而建反映的就是其风水的理念。从发展初期依山而建的、无明确道路系统的无序状态发展到沿河而居，有明确的道路系统和村落中心的有序状态，再发展到逐路而居，沿主体道路系统纵深发展的繁盛阶段。其演化过程反映了组织程度低到组织程度高的过程演化，表现为组织层次跃升的过程，是有序程度通过跃升得以提升的过程[5]。

2 空间自组织结构动态模拟方法――元胞自动机

自组织领域涉及的是事物自发、自主形成结构的过程，在这个过程中存在特有的自组织特征、条件、环境和动力学规律，因此需要寻找一种特定的方法[5]。村落空间自组织结构通常表现为自下而上的发展和演化过程，在没有规划控制的情况下，居民受到宗法制度文化影响，自发地择优选择居住区位。也就是说，村落的空间结构是通过种子点（村落中心）的形成而逐渐扩散开的。根据这样的形成过程和特点，我们选择元胞自动机模型作为村落空间自组织结构动态研究的基本模型。

2.1 元胞自动机简介

元胞自动机是定义在一个由具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上，并按照一定局部规则，在离散的时间维上演化的动力学系统[6]。元胞空间为一规则网格，一个元胞就是一个网格单元，在某时刻的状态取决于、而且仅仅取决于上一时刻该元胞的状态以及该元胞的所有邻域元胞的状态。

2.2 元胞自动机构成元素

元胞自动机的构成元素包括；元胞空间，邻域，离散时间，边界条件，转化规则等等。其中，转换规则是根据元胞当前状态及其邻域状况确定下一时刻该元胞状态的动力学函数，是模拟最核心的部分，整个的模拟过程都会受到转换规则的影响和控制。

3西递村落空间结构元胞自动机演化模型

传统的元胞自动机是定义在一个规则的、具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间。但西递模型的空间单元是不规则的土地地块，并且每个地块具有各自的空间属性。从这个意义上，我们将模型的空间单元定义为智能体。智能体的空间属性通过地理信息系统的数据库管理。

3.1 元胞的定义

元胞单元，即智能体的活动表现为两种形态，未发展用地与发展用地。未发展用地为“死”的阶段，发展用地则为“生”的阶段。元胞空间以2004年合肥市测绘研究院实测地形图为参考，初始状态根据历史资料的记载为主要依据，较接近于乾隆时期的土地利用状态。

3.2 村落土地增长区域与模式的定义

在西递村的村落空间演化模拟中，村落空间的增长主要表现为农业用地转化为村民宅居地用地，这个过程受到两方面作用，一方面来自土地的宏观或全局因素，例如地形因素的影响、人口增长的因素导致发展模式的变化。另一方面来自土地的局部因素，例如，土地开发周边的邻域情况，地块与前边溪、后边溪的距离、地块与村落中心的距离等等。地块局部因素主要通过村落土地增长转换规则来定义，而全局因素则通过阈值的设定来调整。

3.3 村落土地增长转换规则的定义

西递村落的土地增长转换规则采用多准则判断（multi criteria evaluation, 简称MCE）的方法，该方法最初由Wu & Webser在1998年提出[7]。转换规则表明对于一个自组织城市，土地发展往往是一个历史依赖的过程，也就是说过去的土地发展对现在和未来都会产生影响。影响的范围由邻域范围决定。在西递模型中，地块并非是基于单元格的，因此，对邻域范围的定义是具有与中心地块具有共同的交点或边线的相邻地块。运用多准则判断的方法在某种程度上接近于土地利用评价。

3.4 演化模型的平台――RePast

Repast[8]是基于多智能体技术的建模平台，系统实现了基于智能体建模与地理信息系统的紧密耦合。建模系统本身用于实现不同系统间的通信以维持智能体和环境。开发语言包括Java, Python和框架三种，西递村采用的是Java建模，以Repast J3.1为基本模板。在模拟运行过程中，窗口可以显示出模拟过程中重要的参数和控制数据。

4 结论

综上所述，村落空间地块的元胞自动机模型可以较为忠实地反映村落空间发展的自组织过程。由于缺乏西递村落每隔数年的定时遥感图像，考古资料也很少，无法对模型进行准确的检验和校正。模型参数和控制系数的调整参考了历史研究和考古资料，是较为含糊的数值，仅作为西递村落空间发展研究的参考。模型研究价值体现在处于复杂系统背景下的村落空间自组织研究，如何动态地描述其非均衡、非线性的空间发展特征，而不是始终停留在语言与字面上的文字分析。

未来，该模型可以考虑将元胞自动机模型与多智能体模型相结合，更加关注于社会与人文的因素有可能对村落空间结构和形态产生影响和变化。

参考文献

[1]周干峙，城市及其区域------一个典型的开放的复杂巨系统，城市发展研究，2002，（1）：1-4.

[2] Batty M., Cities and Complexity，the MIT Press，Cambridge, Massachusetts, London, England，2004.

[3]黎夏，叶嘉安，刘小平，地理模拟系统在城市规划中的应用，城市规划，30卷6期，2006。

[4]段进，龚恺，陈晓东，张晓冬，彭松著，空间研究1---世界文化遗产西递古村落空间解析，东南大学出版社，2006。

[5]吴彤著，自组织方法论研究，清华大学出版社，2001。

[6]周成虎著，地理元胞自动机研究，科学出版社，1999。

[7]Wu F，Webster C J. Simulation of land development through the integration of cellular automata and multicriteria evaluation. Environment and Planning B,25: 103-126. 1998.

[8]repast.省略/

* 国家自然科学基金项目“基于空间信息技术的历史文化名城保护体系应用研究”（编号：50878044）。