西遞村空間結構演變元胞模型

（東南大學建筑學院城市與建筑遺產保護教育部重點實驗室）

【摘要】西遞村作為空間自組織進化的典型案例，很多學者都從不同的視角進行過深入的研究和探討。但已進行的研究主要是以靜態的的方式描述和總結，缺乏動態的、演進的方式研究。在當前復雜系統的背景之下，越來越多學者認為城市結構復雜的時空動態變化往往比其最終形成的空間格局更為重要。本文以元胞自動機數學模型為基礎建立西遞村的空間結構自組織演化模型，期望能夠為西遞村落空間自組織研究提供新的研究視角。

【關鍵詞】自組織；元胞自動機；復雜系統；空間演化

隨著人們對復雜系統研究的逐步深入，城市作為一個復雜巨系統[1]，越來越多學者認為城市結構復雜的時空動態變化往往比其最終形成的空間格局更為重要[2][3]。中國傳統村落空間常常作為城市空間自組織研究的典型案例，因為這些村落空間往往沒有經過建筑師或規劃師的精心創造，自下而上的發展與進化，更加接近于在歲月中逐漸生長的城市。以這些村落空間演化過程作為研究對象，探索村落空間結構與形態的動態演變對于研究城市空間結構演變具有重要意義。

1 徽州村落空間自組織結構演變機制分析

徽州古村落空間的研究長久以來一直吸引著眾多的學者，他們從不同的學術角度研究它的形態、生成及影響因素[4]。概括起來主要有以下幾個方面：

徽州古村落多為北方望族避難遷居形成，由于“天人合一”的思想，村落的布局往往與地形和諧。隨后的村落空間結構的發展基本按照原有的形態背景逐步擴展。以西遞為例，從早期的依山而居，到中期的逐水而居，再到后期沿街而居，村落的空間結構呈帶狀發展。帶狀空間延伸過長，必然帶來空間生長的不經濟性，因此村落空間自組織演化的“趨圓性”特征促使村落空間最終發展演化成為“船形”。村落空間形態的這種自生長特征是促使空間演化的內在持續動力。

徽州古村落的空間結構的發展經歷了從定居、發展、繁榮到衰敗的過程，在這樣的一個自組織生長演替過程中，宗族觀念起著異常重要的作用。對于風水的篤信與不同的理解，常常左右著徽州民居以及村落所具有的風格和特點。徽州古村落通常依山傍水而建反映的就是其風水的理念。從發展初期依山而建的、無明確道路系統的無序狀態發展到沿河而居，有明確的道路系統和村落中心的有序狀態，再發展到逐路而居，沿主體道路系統縱深發展的繁盛階段。其演化過程反映了組織程度低到組織程度高的過程演化，表現為組織層次躍升的過程，是有序程度通過躍升得以提升的過程[5]。

2 空間自組織結構動態模擬方法——元胞自動機

自組織領域涉及的是事物自發、自主形成結構的過程，在這個過程中存在特有的自組織特征、條件、環境和動力學規律，因此需要尋找一種特定的方法[5]。村落空間自組織結構通常表現為自下而上的發展和演化過程，在沒有規劃控制的情況下，居民受到宗法制度文化影響，自發地擇優選擇居住區位。也就是說，村落的空間結構是通過種子點（村落中心）的形成而逐漸擴散開的。根據這樣的形成過程和特點，我們選擇元胞自動機模型作為村落空間自組織結構動態研究的基本模型。

2.1 元胞自動機簡介

元胞自動機是定義在一個由具有離散、有限狀態的元胞組成的元胞空間上，并按照一定局部規則，在離散的時間維上演化的動力學系統[6]。元胞空間為一規則網格，一個元胞就是一個網格單元，在某時刻的狀態取決于、而且僅僅取決于上一時刻該元胞的狀態以及該元胞的所有鄰域元胞的狀態。

2.2 元胞自動機構成元素

元胞自動機的構成元素包括；元胞空間，鄰域，離散時間，邊界條件，轉化規則等等。其中，轉換規則是根據元胞當前狀態及其鄰域狀況確定下一時刻該元胞狀態的動力學函數，是模擬最核心的部分，整個的模擬過程都會受到轉換規則的影響和控制。

3西遞村落空間結構元胞自動機演化模型

傳統的元胞自動機是定義在一個規則的、具有離散、有限狀態的元胞組成的元胞空間。但西遞模型的空間單元是不規則的土地地塊，并且每個地塊具有各自的空間屬性。從這個意義上，我們將模型的空間單元定義為智能體。智能體的空間屬性通過地理信息系統的數據庫管理。

3.1 元胞的定義

元胞單元，即智能體的活動表現為兩種形態，未發展用地與發展用地。未發展用地為“死”的階段，發展用地則為“生”的階段。元胞空間以2004年合肥市測繪研究院實測地形圖為參考，初始狀態根據歷史資料的記載為主要依據，較接近于乾隆時期的土地利用狀態。

3.2 村落土地增長區域與模式的定義

在西遞村的村落空間演化模擬中，村落空間的增長主要表現為農業用地轉化為村民宅居地用地，這個過程受到兩方面作用，一方面來自土地的宏觀或全局因素，例如地形因素的影響、人口增長的因素導致發展模式的變化。另一方面來自土地的局部因素，例如，土地開發周邊的鄰域情況，地塊與前邊溪、后邊溪的距離、地塊與村落中心的距離等等。地塊局部因素主要通過村落土地增長轉換規則來定義，而全局因素則通過閾值的設定來調整。

3.3 村落土地增長轉換規則的定義

西遞村落的土地增長轉換規則采用多準則判斷（multi criteria evaluation， 簡稱MCE）的方法，該方法最初由Wu Webser在1998年提出[7]。轉換規則表明對于一個自組織城市，土地發展往往是一個歷史依賴的過程，也就是說過去的土地發展對現在和未來都會產生影響。影響的范圍由鄰域范圍決定。在西遞模型中，地塊并非是基于單元格的，因此，對鄰域范圍的定義是具有與中心地塊具有共同的交點或邊線的相鄰地塊。運用多準則判斷的方法在某種程度上接近于土地利用評價。

3.4 演化模型的平臺——RePast

Repast[8]是基于多智能體技術的建模平臺，系統實現了基于智能體建模與地理信息系統的緊密耦合。建模系統本身用于實現不同系統間的通信以維持智能體和環境。開發語言包括Java， Python和Microsoft.Net框架三種，西遞村采用的是Java建模，以Repast J3.1為基本模板。在模擬運行過程中，窗口可以顯示出模擬過程中重要的參數和控制數據。

4 結論

綜上所述，村落空間地塊的元胞自動機模型可以較為忠實地反映村落空間發展的自組織過程。由于缺乏西遞村落每隔數年的定時遙感圖像，考古資料也很少，無法對模型進行準確的檢驗和校正。模型參數和控制系數的調整參考了歷史研究和考古資料，是較為含糊的數值，僅作為西遞村落空間發展研究的參考。模型研究價值體現在處于復雜系統背景下的村落空間自組織研究，如何動態地描述其非均衡、非線性的空間發展特征，而不是始終停留在語言與字面上的文字分析。

未來，該模型可以考慮將元胞自動機模型與多智能體模型相結合，更加關注于社會與人文的因素有可能對村落空間結構和形態產生影響和變化。

參考文獻

[1]周干峙，城市及其區域------一個典型的開放的復雜巨系統，城市發展研究，2002，（1）：1-4.

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

[3]黎夏，葉嘉安，劉小平，地理模擬系統在城市規劃中的應用，城市規劃，30卷6期，2006。

[4]段進，龔愷，陳曉東，張曉冬，彭松著，空間研究1---世界文化遺產西遞古村落空間解析，東南大學出版社，2006。

[5]吳彤著，自組織方法論研究，清華大學出版社，2001。

[6]周成虎著，地理元胞自動機研究，科學出版社，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]http://repast.sourceforge.net/

* 國家自然科學基金項目“基于空間信息技術的歷史文化名城保護體系應用研究”（編號：50878044）。