森林面積資源的計算機仿真技術應用

1、 森林面積資源的計算機仿真與其應用* 本文為國家自然科學基金資助項目。冰峰* 張冰峰, 碩士研究生, 主要研究方向: 森林資源系統(tǒng)管理的仿真技術（林業(yè)大學信息學院，100083）摘要 本文論述了森林面積資源的計算機仿真理論、方法與其應用。森林面積資源仿真是進行森林面積資源現(xiàn)代化管理的理論依據(jù)和重要的系統(tǒng)方法之一，具有廣泛的應用。關鍵詞森林面積資源 計算機仿真 應用1引言仿真技術已成為研究各種復雜系統(tǒng)的重要工具，在生態(tài)環(huán)境和林業(yè)上的應用已成為研究的熱點之一。森林面積資源的計算機仿真就是對描述森林面積資源的數(shù)學模型在計算機上進行各種模擬、試驗和分析，以便描述森林面積資源的動態(tài)變化規(guī)律和運動軌跡。目

2、前國外林業(yè)上進行的森林和森林資源的計算機仿真所使用的數(shù)學模型不是統(tǒng)計模型就是經(jīng)驗模型，并且多為常微分方程，這些模型都不是根據(jù)森林資源的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程而推導出來的數(shù)理方程，因而它們不能精確的對森林資源系統(tǒng)進行描述。本文所使用的模型是根據(jù)森林面積資源的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程而推導出來的數(shù)理方程，是偏微分方程，它能對森林面積資源的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程做出精確的表達，能建立科學的森林面積資源的仿真理論。它無論是在理論上，還是在實際應用中都有重要的意義。2森林面積資源仿真的數(shù)學模型2.1仿真的連續(xù)型數(shù)學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構變化方程1： P(,

3、t)： 表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采消率函數(shù): 表示單位時間林齡的變化率，即林齡與時間的換算量P(,0)： 表示方程的初始條件(t) ： 表示 t 時刻，單位時間造林更新并郁閉成林的面積(t) :表示t時刻單位時間的造林更新率(t):表示t時刻單位時間的郁閉成林率：為干擾項2.1.2 面積按樹種混交系數(shù)·平均年齡分布結構變化方程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，但不適合實際計算和統(tǒng)計分析。為了與現(xiàn)實中采集的數(shù)據(jù)相結合和實現(xiàn)森林面積資源

4、數(shù)學模型的計算機仿真，須對模型離散化。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構變化方程為例，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、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) ： 為林齡面積轉

5、移矩陣Si(k+1) ： 為k+1 分期第i齡級的面積 Si(k)：為k分期第i齡級的面積(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)的仿真語言編制仿真軟件，從而在計算機上實現(xiàn)仿真計算。3森林面積資源仿真的計算設計31仿真的輔助計算設計要在計算機上實現(xiàn)森林面積資源的仿真計算，需要許多參數(shù)和數(shù)據(jù)，而這些參數(shù)和數(shù)據(jù)必須預先從許多圖面資料、調(diào)查數(shù)據(jù)、統(tǒng)計資料經(jīng)過提取、統(tǒng)計、分析或外推而得到。有了這些準確的參數(shù)和數(shù)據(jù)才能進行準確的計算機仿真。而為了獲

6、取這些參數(shù)和數(shù)據(jù)所進行的計算設計稱為仿真的輔助計算設計，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)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)、檔案材料以與林場自行設計的記錄檔案，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行森林面積資源的預測，必須進行參數(shù)的外推。因為在預測時我們首先必須對這些參數(shù)函數(shù)的動態(tài)特性，未來的變化趨勢給出合理的假定和較準確的估計，使之符合未來實際發(fā)展情況。參數(shù)的外推，通常的做法是對過去的統(tǒng)計資料或調(diào)查資料進行統(tǒng)計分析研究，采用平行外推、曲線擬合、參數(shù)辯識、時序模型

7、等方法得出它的函數(shù)方程，就可進行參數(shù)外推。3.1.3指標參數(shù)計算設計在計算機仿真時往往需要對森林的面積資源進行評估，則需要預先知道評估時所使用的許多指標參數(shù)，而這只要確定了各種指標參數(shù)的計算公式和方法，在仿真時就很容易計算出各種指標參數(shù)，對森林的面積資源進行適時而客觀的評價。例如：計算某林業(yè)局某樹種的總面積：已知某樹種各個林齡的面積數(shù)即分布結構，則可利用下面的公式計算出它的結構總面積：結構總面積：S(k)= Si(k)表示k分期林齡為i的面積數(shù) ；計算某林業(yè)局某樹種的面積占林業(yè)局總面積的比率:=S(k)為k時某樹種分布結構的總面積S總(k)為k時某林業(yè)局的總面積同樣利用上式可計算出某樹種在林業(yè)

8、局的森林覆被率。 同樣還可以建立許多指標參數(shù)的計算公式和方法，如結構齡級的齡組面積、林齡分布率與其特征數(shù)等，以與各種經(jīng)營指標參數(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)等一些指標參數(shù)，都可直接給出計算的公式和方法。這些指標參數(shù)為森林面積資源管理提供各種定量的評價指標。3.2 仿真計算的設計通過仿真計算設計，確定仿真的目標和要達到的目的。計算機仿真具有模擬、試驗、協(xié)調(diào)、控制、優(yōu)化、決策等功能和作用。森林面積資源的計算機仿真計算其主要的容有：3.2.1 模擬森林面積資源的動態(tài)變化和生滅過程的仿真計算造林更新率(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

9、程（3）和（4）式都不難看出，當已知k分期的森林面積資源S(k)，將它和提取或預估出的參數(shù)(k)、M(k)、(k)的值代入方程，就可仿真計算出k+1分期的森林面積資源S(k+1)。對上述參數(shù)在不同的時間給出不同的狀態(tài)值，則可模擬任意時間的森林面積資源。因此，該仿真模型能模擬任意時間森林面積資源的動態(tài)變化和生滅過程。利用這種計算可進行森林面積資源的監(jiān)測和預測、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算為森林面積資源的科學管理、系統(tǒng)管理、信息管理、動態(tài)管理提供了理論依據(jù)和技術方法。3.2.2 各種經(jīng)營措施、方案的優(yōu)化仿真計算若已知k分期和k+1分期的森林面積資源S(k)和S(k+1)，

10、就可以仿真計算出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)營措施，因為不同的參數(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。從而可以對各種參數(shù)不同的取值進行模擬、試驗和優(yōu)化，實現(xiàn)森林面積資源各種經(jīng)營措施、方案的優(yōu)化仿真計算。3.2.3 結構調(diào)整最優(yōu)控制的仿真計算從方程（3）和（4）式都可以看出，若已知k和k+1時的狀態(tài)值S(k)和S(k+1)，k時的狀態(tài)值為起始值，k+1時的狀態(tài)值為要

11、求達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)(死)、（生）、（保存率）的值來實現(xiàn)，這就是森林面積資源的控制計算。實際生產(chǎn)中對同齡純林的面積資源變化控制就是通過采伐（）和造林更新（或） 的調(diào)整而實現(xiàn)的。同樣還可進行森林面積資源的結構調(diào)整的計算機仿真計算；森林面積資源可持續(xù)發(fā)展定量描述的模擬、試驗、控制、優(yōu)化、決策的計算機仿真計算；森林面積資源與生態(tài)環(huán)境和人類社會關系協(xié)調(diào)的試驗、模擬、控制、優(yōu)化、決策的計算機仿真計算；還可以用森林面積資源的計算機仿真控制計算代替?zhèn)鹘y(tǒng)森林資源經(jīng)營方案的編制。4 森林面積資源的計算機仿真在森林資源系統(tǒng)管理中的應用通過森林面

12、積資源的計算機仿真，可以模擬森林面積資源在任意時間的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程；可以在很短時間里或在隨意的時間里就能觀察到森林面積資源動態(tài)變化和生滅過程的全過程；以與估計某些參數(shù)如造林更新率、采伐率和枯死率等對森林資源變化的影響，為定量地了解科學地分析森林面積資源的動態(tài)變化規(guī)律與其生滅過程的特點和森林環(huán)境產(chǎn)生的影響等提供科學而有效的技術方法，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算機仿真，可以對各種經(jīng)營措施、規(guī)劃、設計、決策等方案和策略進行各種實驗、比較、優(yōu)化，為其決策找出最佳方案，最好措施，最優(yōu)策略。可

13、以協(xié)調(diào)和調(diào)整森林面積資源的部結構組成要素與要素、要素與整體（系統(tǒng)）的關系，維持森林面積資源系統(tǒng)的動態(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）的關系，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算機仿真，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)是一個影響因素比較多組成要素比較復雜的巨大控制系統(tǒng)，很難用物理模型來進行仿真，如果用描述森林面積資源系統(tǒng)動態(tài)變化和生滅過程的數(shù)學模型進行計算機數(shù)字仿真，則森林面積資源系統(tǒng)的復合控制、最優(yōu)控制、自適應控制、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

14、資源的預測和監(jiān)測、動態(tài)分析、結構調(diào)整、指標參數(shù)體系等系統(tǒng)分析提供迅速準確的方法，同時對森林面積資源的現(xiàn)代化管理提供理論依據(jù)和技術方法。森林面積資源的計算機仿真對于森林施業(yè)案（森林經(jīng)營方案）的編制將產(chǎn)生重要變革。因為目前編制的施業(yè)案不可能隨時隨地模擬森林資源的動態(tài)變化，不可能時時、處處掌握森林資源變化的速度和方向，因而很難達到調(diào)控的目的，使經(jīng)營方案無法得以實施，成為一個“空”的方案。而計算機仿真則可以對森林資源的動態(tài)變化、生滅過程，各種經(jīng)營措施所產(chǎn)生的影響，森林資源與環(huán)境的關系等等進行種種試驗、模擬、對比、優(yōu)化等，因而可以對森林資源的結構做到時時、處處進行調(diào)控，以便真正、完全達到結構調(diào)整的目的，

15、使實施計劃、方案等更科學、更準確，因而用森林資源的計算機仿真完全可以代替目前編制施業(yè)案的方法。5結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?，便可實現(xiàn)森林面積資源的計算機仿真，對森林面積資源的動態(tài)變化和生滅過程進行各種模擬、試驗、分析計算。森林面積資源的計算機仿真是森林資源仿真的重要組成部分，也為森林資源的現(xiàn)代化管理提供了理論依據(jù)和重要的系統(tǒng)方法。由于森林是一個受許多因素影響的復雜的系統(tǒng)，對整個森林資源管理系統(tǒng)實現(xiàn)計算機仿真是一個較大的工程，對這一復雜的生態(tài)系統(tǒng)的計算機仿真還有待于我們進一步的研究。參考文獻1 治剛. 同齡純林的林齡分布結構變化方程. 系統(tǒng)

16、工程理論與實踐, 1996, 16(4)2 治剛. 混交異齡林的面積按樹種混交系數(shù)與平均年齡分布結構變化方程. 系統(tǒng)工程理論與實踐, 1995,123 肖田元等. 系統(tǒng)仿真導論. 清華大學, 2000年第1版Thecomputer simulation for forest area resources and its applicationZhang Bingfeng(College of Information, BeijingForestUniversity)Abstract This paper deals with the theory and methods of the computer simulation for forest area resources and the application of it. The computer simulation for fore