0105064森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真及其應(yīng)用(doc)
森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真及其應(yīng)用* 張冰峰** （北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，100083） 摘要 本文論述了森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真理論、方法及其應(yīng)用。森林面積資源仿真是 進(jìn)行森林面積資源現(xiàn)代化管理的理論依據(jù)和重要的系統(tǒng)方法之一，具有廣泛的應(yīng)用 。 關(guān)鍵詞 森林面積資源 計(jì)算機(jī)仿真 應(yīng)用 1 引言 仿真技術(shù)已成為研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，在生態(tài)環(huán)境和林業(yè)上的應(yīng)用已成為研 究的熱點(diǎn)之一。森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真就是對(duì)描述森林面積資源的數(shù)學(xué)模型在計(jì)算 機(jī)上進(jìn)行各種模擬、試驗(yàn)和分析，以便描述森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡。 目前國(guó)內(nèi)外林業(yè)上進(jìn)行的森林和森林資源的計(jì)算機(jī)仿真所使用的數(shù)學(xué)模型不是統(tǒng)計(jì)模型 就是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑶叶酁槌Ｎ⒎址匠?，這些模型都不是根據(jù)森林資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和 生滅過程而推導(dǎo)出來(lái)的數(shù)理方程，因而它們不能精確的對(duì)森林資源系統(tǒng)進(jìn)行描述。本文 所使用的模型是根據(jù)森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生滅過程而推導(dǎo)出來(lái)的數(shù)理方程， 是偏微分方程，它能對(duì)森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生滅過程做出精確的表達(dá)，能建 立科學(xué)的森林面積資源的仿真理論。它無(wú)論是在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用中都有重要的 意義。 2 森林面積資源仿真的數(shù)學(xué)模型 2.1仿真的連續(xù)型數(shù)學(xué)模型 描述森林面積資源的方程一般有： 2.1.1 同齡純林的林齡面積分布結(jié)構(gòu)變化方程[1]： P([pic],t)： 表示同齡純林面積的林齡分布密度函數(shù) μ([pic],t)： 表示同齡純林的相對(duì)采消率函數(shù) [pic] : 表示單位時(shí)間內(nèi)林齡的變化率，即林齡與時(shí)間的換算量[pic] P([pic],0)： 表示方程的初始條件 φ(t) ： 表示 t 時(shí)刻，單位時(shí)間內(nèi)造林更新并郁閉成林的面積 β(t) : 表示t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)的造林更新率 γ(t) : 表示t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)的郁閉成林率 [pic]： 為干擾項(xiàng) 2.1.2 面積按樹種混交系數(shù)·平均年齡分布結(jié)構(gòu)變化方程[2]： A： 表示林分的樹種組成系數(shù)或比例 [pic]： 表示平均年齡 [pic]：表示t時(shí)刻樹種混交的隸屬度為[pic],平均年齡數(shù)為[pic]的分布密度函數(shù) 連續(xù)型模型在理論分析中是比較方便的，但不適合實(shí)際計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析。為了與現(xiàn)實(shí) 中采集的數(shù)據(jù)相結(jié)合和實(shí)現(xiàn)森林面積資源數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)仿真，須對(duì)模型離散化。 2.2 離散型模型 為了便于討論，下面以同齡純林的林齡面積分布結(jié)構(gòu)變化方程為例，給出該模型離散 化后以向量形式表示的代數(shù)方程和以矩陣形式表示的矩陣方程。 （1）式離散化后的向量代數(shù)方程形式為[1]： [pic] （3） S(k+1): 表示k+1 分期同齡純林面積向量 H(k): 表示面積的林齡轉(zhuǎn)移矩陣 S(k): 表示k分期同齡純林面積向量 M(k): 表示消耗率矩陣 G(k) : 表示同齡純林因突然大面積的火災(zāi)、濫砍亂伐等干擾因素使森林減少的面積向量S(0 ) : 表示初始條件向量 （1）式離散化后的矩陣方程為[1]： [pic] =[pic].[pic]+ γ(k)β(k) [pic][pic]-[pic] （4） M(k) ： 為消耗率矩陣 H(k) ： 為林齡面積轉(zhuǎn)移矩陣 Si(k+1) ： 為k+1 分期第i齡級(jí)的面積 Si(k) ： 為k分期第i齡級(jí)的面積 β(k) ： 為k分期的造林更新率 γ(k) ： 為k分期的郁閉成林率 [pic] ： 為k分期第i齡級(jí)的同齡純林因突然的干擾因素使森林減少的面積 離散化后上述矩陣方程可視為是同齡純林面積資源仿真的仿真模型，便可根據(jù)分布參 數(shù)的仿真語(yǔ)言編制仿真軟件，從而在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算。 3 森林面積資源仿真的計(jì)算設(shè)計(jì) 3．1仿真的輔助計(jì)算設(shè)計(jì) 要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)森林面積資源的仿真計(jì)算，需要許多參數(shù)和數(shù)據(jù)，而這些參數(shù)和數(shù) 據(jù)必須預(yù)先從許多圖面資料、調(diào)查數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)資料經(jīng)過提取、統(tǒng)計(jì)、分析或外推而得到 。有了這些準(zhǔn)確的參數(shù)和數(shù)據(jù)才能進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)仿真。而為了獲取這些參數(shù)和數(shù)據(jù) 所進(jìn)行的計(jì)算設(shè)計(jì)稱為仿真的輔助計(jì)算設(shè)計(jì)，一般有： 3.1.1參數(shù)的提取 這些參數(shù)包括H(k)、M(k)、 γ(k)、β(k)等，要提取出這些參數(shù)可以通過林業(yè)上的連續(xù)清查（一類調(diào)查）、二類調(diào)查 (經(jīng)理調(diào)查)、檔案材料以及林場(chǎng)自行設(shè)計(jì)的記錄檔案，也可通過遙感圖象的衛(wèi)片、航片 的判讀材料獲取。 3.1.2參數(shù)的外推 要利用上述模型進(jìn)行森林面積資源的預(yù)測(cè)，必須進(jìn)行參數(shù)的外推。因?yàn)樵陬A(yù)測(cè)時(shí)我們 首先必須對(duì)這些參數(shù)函數(shù)的動(dòng)態(tài)特性，未來(lái)的變化趨勢(shì)給出合理的假定和較準(zhǔn)確的估計(jì) ，使之符合未來(lái)實(shí)際發(fā)展情況。參數(shù)的外推，通常的做法是對(duì)過去的統(tǒng)計(jì)資料或調(diào)查資 料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究，采用平行外推、曲線擬合、參數(shù)辯識(shí)、時(shí)序模型等方法得出它的 函數(shù)方程，就可進(jìn)行參數(shù)外推。 3.1.3指標(biāo)參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì) 在計(jì)算機(jī)仿真時(shí)往往需要對(duì)森林的面積資源進(jìn)行評(píng)估，則需要預(yù)先知道評(píng)估時(shí)所使用 的許多指標(biāo)參數(shù)，而這只要確定了各種指標(biāo)參數(shù)的計(jì)算公式和方法，在仿真時(shí)就很容易 計(jì)算出各種指標(biāo)參數(shù)，對(duì)森林的面積資源進(jìn)行適時(shí)而客觀的評(píng)價(jià)。 例如：計(jì)算某林業(yè)局某樹種的總面積： 已知某樹種各個(gè)林齡的面積數(shù)即分布結(jié)構(gòu)，則可利用下面的公式計(jì)算出它的結(jié)構(gòu)總面 積： 結(jié)構(gòu)總面積：S(k)= [pic] Si(k)表示k分期林齡為i的面積數(shù) ； 計(jì)算某林業(yè)局某樹種的面積占林業(yè)局總面積的比率[pic]: [pic]=[pic] [pic]=S(k)為k時(shí)某樹種分布結(jié)構(gòu)的總面積 S總(k)為k時(shí)某林業(yè)局的總面積 同樣利用上式可計(jì)算出某樹種在林業(yè)局的森林覆被率。 同樣還可以建立許多指標(biāo)參數(shù)的計(jì)算公式和方法，如結(jié)構(gòu)齡級(jí)的齡組面積、林齡分布 率及其特征數(shù)等，以及各種經(jīng)營(yíng)指標(biāo)參數(shù)如成過熟林系數(shù)、育林系數(shù)、可采系數(shù)、撫育 系數(shù)、擇伐指數(shù)等一些指標(biāo)參數(shù)，都可直接給出計(jì)算的公式和方法。這些指標(biāo)參數(shù)為森 林面積資源管理提供各種定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 3.2 仿真計(jì)算的設(shè)計(jì) 通過仿真計(jì)算設(shè)計(jì)，確定仿真的目標(biāo)和要達(dá)到的目的。計(jì)算機(jī)仿真具有模擬、試驗(yàn)、 協(xié)調(diào)、控制、優(yōu)化、決策等功能和作用。森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算其主要的內(nèi)容 有： 3.2.1 模擬森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化和生滅過程的仿真計(jì)算 造林更新率β(k)反映了森林資源的“生”，消耗率矩陣M(k)反映了森林資源的“死”。從 方程（3）和（4）式都不難看出，當(dāng)已知k分期的森林面積資源S(k)，將它和提取或預(yù)估 出的參數(shù)β(k)、M(k)、γ(k)的值代入方程，就可仿真計(jì)算出k+1分期的森林面積資源S(k +1)。對(duì)上述參數(shù)在不同的時(shí)間給出不同的狀態(tài)值，則可模擬任意時(shí)間的森林面積資源。 因此，該仿真模型能模擬任意時(shí)間森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化和生滅過程。利用這種計(jì)算 可進(jìn)行森林面積資源的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)、森林面積資源的再現(xiàn)和現(xiàn)狀分析等。森林面積資源 的仿真計(jì)算為森林面積資源的科學(xué)管理、系統(tǒng)管理、信息管理、動(dòng)態(tài)管理提供了理論依 據(jù)和技術(shù)方法。 3.2.2 各種經(jīng)營(yíng)措施、方案的優(yōu)化仿真計(jì)算 若已知k分期和k+1分期的森林面積資源S(k)和S(k+1)，就可以仿真計(jì)算出k分期的造 林更新率β(k) 、郁閉成林率γ(k) 、消耗率M(k)。而這些不同的參數(shù)就代表了不同的經(jīng)營(yíng)措施，因?yàn)椴煌膮?shù)β(k)、M( k)反映了不同的造林更新措施和不同的采伐方式或措施。同樣，它也反映了森林面積資 源的不同經(jīng)營(yíng)方案，例如改變?nèi)我涣铸g的采伐面積，引起參數(shù)M(k)改變，而參數(shù)的改變 必然引起森林面積資源的狀態(tài)改變。從而可以對(duì)各種參數(shù)不同的取值進(jìn)行模擬、試驗(yàn)和 優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)森林面積資源各種經(jīng)營(yíng)措施、方案的優(yōu)化仿真計(jì)算。 3.2.3 結(jié)構(gòu)調(diào)整最優(yōu)控制的仿真計(jì)算 從方程（3）和（4）式都可以看出，若已知k和k+1時(shí)的狀態(tài)值S(k)和S(k+1)，k時(shí)的 狀態(tài)值為起始值，k+1時(shí)的狀態(tài)值為要求達(dá)到的值或理想的狀態(tài)值，如何使目前的狀態(tài)值 平穩(wěn)的過渡到理想的狀態(tài)值。我們可以通過調(diào)控參數(shù)μ(死)、β（生）、γ（保存率）的值 來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是森林面積資源的控制計(jì)算。實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)同齡純林的面積資源變化控制 就是通過采伐（μ）和造林更新（β或γ） 的調(diào)整而實(shí)現(xiàn)的。同樣還可進(jìn)行森林面積資源的結(jié)構(gòu)調(diào)整的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算；森林面積 資源可持續(xù)發(fā)展定量描述的模擬、試驗(yàn)、控制、優(yōu)化、決策的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算；森林面 積資源與生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)關(guān)系協(xié)調(diào)的試驗(yàn)、模擬、控制、優(yōu)化、決策的計(jì)算機(jī)仿真 計(jì)算；還可以用森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真控制計(jì)算代替?zhèn)鹘y(tǒng)森林資源經(jīng)營(yíng)方案的編制 。 4 森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真在森林資源系統(tǒng)管理中的應(yīng)用 通過森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真，可以模擬森林面積資源在任意時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化規(guī) 律和生滅過程；可以在很短時(shí)間里或在隨意的時(shí)間里就能觀察到森林面積資源動(dòng)態(tài)變化 和生滅過程的全過程；以及估計(jì)某些參數(shù)如造林更新率、采伐率和枯死率等對(duì)森林資源 變化的影響，為定量地了解科學(xué)地分析森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其生滅過程的特 點(diǎn)和森林環(huán)境產(chǎn)生的影響等提供科學(xué)而有效的技術(shù)方法，也為森林面積資源的戰(zhàn)略發(fā)展 、林業(yè)方針政策、各種經(jīng)營(yíng)措施、林業(yè)規(guī)劃方案等等的制定、決策等提供大量的參數(shù)和 決策依據(jù)。 通過森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真，可以對(duì)各種經(jīng)營(yíng)措施、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、決策等方案和 策略進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)、比較、優(yōu)化，為其決策找出最佳方案，最好措施，最優(yōu)策略?？梢?協(xié)調(diào)和調(diào)整森林面積資源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成要素與要素、要素與整體（系統(tǒng)）的關(guān)系，維 持森林面積資源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡和穩(wěn)定，并促使系統(tǒng)走向組織化、有序化；可以協(xié)調(diào)、 調(diào)控森林面積資源與環(huán)境、森林面積資源與人（社會(huì)）的關(guān)系，從而使森林生態(tài)系統(tǒng)處 于協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、平衡、發(fā)展的狀態(tài)。 通過森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真，為森林面積資源的各種調(diào)控提供依據(jù)和方法。森林 面積資源系統(tǒng)是一個(gè)影響因素比較多組成要素比較復(fù)雜的巨大控制系統(tǒng)，很難用物理模 型來(lái)進(jìn)行仿真，如果用描述森林面積資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和生滅過程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算 機(jī)數(shù)字仿真，則森林面積資源系統(tǒng)的復(fù)合控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、過程控制等等 新的調(diào)控方法將成為可能，從而為森林面積資源的預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)分析、結(jié)構(gòu)調(diào)整、 指標(biāo)參數(shù)體系等...
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