森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真及其應(yīng)用

1、11/11森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真及其應(yīng)用張冰峰* 張冰峰, 碩士研究生, 要緊研究方向: 森林資源系統(tǒng)治理的仿真技術(shù)（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)代化治理的理論依據(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)仿真確實(shí)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)

2、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)模型確實(shí)是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，同時(shí)多為常微分方程，這些模型都不是依照森林資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生滅過(guò)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依照森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生滅過(guò)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(guò)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。它不管是在理論上，依舊在實(shí)際應(yīng)用中都有重要的意義。2 森林面積資源仿確實(shí)數(shù)學(xué)模型2.1仿確實(shí)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(,t)： 表

3、示同齡純林面積的林齡分布密度函數(shù)(,t)： 表示同齡純林的相對(duì)采消率函數(shù) : 表示單位時(shí)刻內(nèi)林齡的變化率，即林齡與時(shí)刻的換算量P(,0)： 表示方程的初始條件(t) ： 表示 t 時(shí)刻，單位時(shí)刻內(nèi)造林更新并郁閉成林的面積(t) : 表示t時(shí)刻單位時(shí)刻內(nèi)的造林更新率(t) : 表示t時(shí)刻單位時(shí)刻內(nèi)的郁閉成林率： 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 ： 表示平均年齡：表示t時(shí)刻樹種混交的隸屬度為,平均年齡數(shù)為的分布密度函數(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)

4、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： （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： =.+(k)(k) - （4）M(k) ： 為消耗率矩陣 H(k) ： 為

5、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 (k) ： 為k分期的造林更新率 (k) ： 為k分期的郁閉成林率 ： 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確實(shí)仿真模型，便可依照分布參數(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 森林面積資源仿確實(shí)計(jì)算設(shè)計(jì)31仿確實(shí)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)資料通過(guò)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)

6、行準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)仿真。而為了獵取這些參數(shù)和數(shù)據(jù)所進(jìn)行的計(jì)算設(shè)計(jì)稱為仿確實(shí)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)、 (k)、(k)等，要提取出這些參數(shù)能夠通過(guò)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(guò)遙感圖象的衛(wèi)片、航片的判讀材料獵取。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，以后的變化趨勢(shì)給出合理的假定和較準(zhǔn)確的可能，使之符合以后實(shí)際進(jìn)展情況。參數(shù)的外推，通常的做法是對(duì)過(guò)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，采納平行外推、

7、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)先明白評(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)就專門容易計(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)= 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: = =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

8、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。 同樣還能夠建立許多指標(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(guò)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)為森林面積資源治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(guò)仿真計(jì)算設(shè)計(jì)，確定仿確實(shí)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)、操縱、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)算其要緊的內(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(guò)程的仿真計(jì)算造林更新率(k)反映了森林資源的“生”，消耗率

9、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)(k)、M(k)、(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)刻給出不同的狀態(tài)值，則可模擬任意時(shí)刻的森林面積資源。因此，該仿真模型能模擬任意時(shí)刻森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化和生滅過(guò)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)治理、系統(tǒng)治理、信息治理、動(dòng)態(tài)治理提供了理論依據(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

10、期的森林面積資源S(k)和S(k+1)，就能夠仿真計(jì)算出k分期的造林更新率(k) 、郁閉成林率(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)(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)的改變必定引起森林面積資源的狀態(tài)改變。從而能夠?qū)Ω鞣N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)操縱的仿真計(jì)算從方程（3）和（4）式都能夠看出，若已知k和k+1時(shí)的狀態(tài)值S(k)和S(k+1)，k

11、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(guò)渡到理想的狀態(tài)值。我們能夠通過(guò)調(diào)控參數(shù)(死)、（生）、（保存率）的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，這確實(shí)是森林面積資源的操縱計(jì)算。實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)同齡純林的面積資源變化操縱確實(shí)是通過(guò)采伐（）和造林更新（或） 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)進(jìn)展定量描述的模擬、試驗(yàn)、操縱、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、操縱、優(yōu)化、決策的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算；還能夠用森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真操縱計(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)

12、算機(jī)仿真在森林資源系統(tǒng)治理中的應(yīng)用通過(guò)森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真，能夠模擬森林面積資源在任意時(shí)刻內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和生滅過(guò)程；能夠在專門短時(shí)刻里或在隨意的時(shí)刻里就能觀看到森林面積資源動(dòng)態(tài)變化和生滅過(guò)程的全過(guò)程；以及可能某些參數(shù)如造林更新率、采伐率和枯死率等對(duì)森林資源變化的阻礙，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(guò)程的特點(diǎn)和森林環(huán)境產(chǎn)生的阻礙等提供科學(xué)而有效的技術(shù)方法，也為森林面積資源的戰(zhàn)略進(jìn)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(guò)森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真，能夠?qū)Ω鞣N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)

13、化，為其決策找出最佳方案，最好措施，最優(yōu)策略。能夠協(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；能夠協(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、進(jìn)展的狀態(tài)。通過(guò)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)阻礙因素比較多組成要素比較復(fù)雜的巨大操縱系統(tǒng)，專門難用物理模型來(lái)進(jìn)行仿真，假如用描述森林面積資源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和生滅過(guò)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)合操縱、最優(yōu)操縱、自適應(yīng)操縱

14、、過(guò)程操縱等等新的調(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)體系等系統(tǒng)分析提供迅速準(zhǔn)確的方法，同時(shí)對(duì)森林面積資源的現(xiàn)代化治理提供理論依據(jù)和技術(shù)方法。森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真關(guān)于森林施業(yè)案（森林經(jīng)營(yíng)方案）的編制將產(chǎn)生重要變革。因?yàn)槟壳熬幹频氖I(yè)案不可能隨時(shí)隨地模擬森林資源的動(dòng)態(tài)變化，不可能時(shí)時(shí)、處處掌握森林資源變化的速度和方向，因而專門難達(dá)到調(diào)控的目的，使經(jīng)營(yíng)方案無(wú)法得以實(shí)施，成為一個(gè)“空”的方案。而計(jì)算機(jī)仿真則能夠?qū)ι仲Y源的動(dòng)態(tài)變化、生滅過(guò)程，各種經(jīng)營(yíng)措施所產(chǎn)生的阻礙，森林資源與環(huán)境的關(guān)系等等進(jìn)行種種試驗(yàn)、模擬、對(duì)比、優(yōu)化等，因而能夠?qū)ι仲Y源的結(jié)構(gòu)做到時(shí)時(shí)、處處進(jìn)行調(diào)控，以便真正、完全達(dá)到結(jié)構(gòu)調(diào)整的目的，使實(shí)施打算、方案等更科學(xué)、更準(zhǔn)確，因而用森林資源的計(jì)算機(jī)仿真完全能夠代替目前編制施業(yè)案的方法。5 結(jié)論從前面的論述不難看出，有了描述森林面積資源的數(shù)理方程后，將數(shù)理模型變?yōu)榉抡婺Ｐ停憧蓪?shí)現(xiàn)森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)森林面積資源的動(dòng)態(tài)變化和生滅過(guò)程進(jìn)行各種模擬、試驗(yàn)、分析計(jì)算。森林面積資源的計(jì)算機(jī)仿真是森林資源仿確實(shí)重要組成部分，也為森林資源的現(xiàn)代化治理提供了理論依據(jù)和重要的系統(tǒng)方法。由于森林是一個(gè)受許多因素阻礙的復(fù)