森林資源系統(tǒng)計算機仿真理論

1、 7 / 7森林資源系統(tǒng)的計算機仿真與現(xiàn)代化管理昀*李昀，1968年出生，博士，副教授。主要研究方向：資源與環(huán)境信息管理。Email:liyun（林業(yè)大學信息學院，100083）賽華（林業(yè)大學信息學院，100083）治剛（國家林業(yè)局規(guī)劃院，100714）摘要本文論述了森林資源系統(tǒng)的計算機仿真理論和方法，它是森林資源現(xiàn)代化管理的理論基礎和最主要的系統(tǒng)方法之一。關鍵詞森林資源 模型 計算機仿真 現(xiàn)代化管理1 引言森林資源系統(tǒng)的計算機仿真，就是借助描述森林資源系統(tǒng)的數(shù)學模型，在計算機上對森林資源系統(tǒng)的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程進行各種模擬、試驗和計算分析。由于計算機仿真具有模擬、試驗、協(xié)調(diào)、控制、優(yōu)化、

2、運籌、決策等功能，使得其成為現(xiàn)代化管理理論的依據(jù)和最主要的系統(tǒng)方法之一。因此，森林資源系統(tǒng)的計算機仿真是林業(yè)科學工作和系統(tǒng)理論工作者研究的熱點問題。目前，無論是國外還是國所進行的森林資源的計算機仿真，所使用的數(shù)學模型不是經(jīng)驗模型就是統(tǒng)計模型，并多為常微分方程。它們都不是根據(jù)森林資源的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程而推出的數(shù)理方程，這些模型都不能從空間和時間狀態(tài)同時對森林資源的“生”、“長”、“死”與動態(tài)變化規(guī)律作出深刻而準確的描述和表達。因此，用這樣的數(shù)學模型進行的計算機仿真不可能對森林資源的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程作深刻、精確的描述和表達，不能對森林資源進行準確的模擬、試驗和分析，用這樣的模型對森林資

3、源進行計算機仿真很難建立起森林資源現(xiàn)代化管理的計算機仿真理論和技術方法。本文論述的森林資源系統(tǒng)計算機仿真所使用的數(shù)學模型是我們在已完成的國家自然科學基金項目中所推導的描述森林資源動態(tài)變化和生滅過程的數(shù)理方程，這些模型是維數(shù)不等的偏微分方程，描述了森林資源的狀態(tài)空間和時間空間的動態(tài)變化規(guī)律、生滅過程和運動軌跡。因此，森林資源系統(tǒng)的計算機仿真是屬于分布參數(shù)系統(tǒng)的計算機仿真。2 森林資源系統(tǒng)仿真的數(shù)學模型森林資源是森林的數(shù)量和質(zhì)量的統(tǒng)一標度和表達，是森林具有財產(chǎn)和價值的屬性部分。目前，森林資源一般是指森林的面積資源和立木蓄積資源。森林資源是由森林各種各樣維數(shù)不等的數(shù)量分布結(jié)構(gòu)組成，森林的這種數(shù)量分布

4、結(jié)構(gòu)稱為森林資源分布結(jié)構(gòu)。森林資源是森林數(shù)量分布結(jié)構(gòu)的總稱，是各種特定（具體）的森林資源分布結(jié)構(gòu)的集合體，每一種特定的森林資源分布結(jié)構(gòu)表示了一種特定（具體）的森林資源。根據(jù)森林資源是由許許多多一維、二維n維等數(shù)量分布結(jié)構(gòu)組成，并依據(jù)森林資源分布結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程推導出了描述森林資源分布結(jié)構(gòu)動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程的數(shù)理方程。(1)同齡純林的林齡面積分布結(jié)構(gòu)變化方程： (1 )(2)林木直徑分布結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化方程： (2 )(3)林木株數(shù)的直徑·樹高分布結(jié)構(gòu)變化方程：(3 )(4)混交林的林木直徑分布結(jié)構(gòu)變化方程： (4 )(5)混交異齡林的林木株數(shù)的直徑·林齡分布結(jié)構(gòu)

5、變化方程： (5 )(6)混交異齡林的面積按混交系數(shù)·平均年齡分布的分布結(jié)構(gòu)變化方程： (6 )(7)森林資源分布結(jié)構(gòu)變化方程的一般形式（通式方程） (7 )以上均為方程的連續(xù)型模型。森林資源的計算機仿真就是用上述方程的離散型模型。離散型模型一般可用向量的形式或矩陣的形式表示，由于篇幅關系上述方程的離散型模型從略。在上述方程中，（1）至（6）式是描述森林資源某些具體分布結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程的數(shù)理方程；（7）式是描述森林資源各種連續(xù)型、階梯型分布結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程的數(shù)理方程，是通式方程，（1）至（6）式是（7）式的具體化。由于森林資源是由各種分布結(jié)構(gòu)組成，因此森林資源

6、就得到了描述。上述所有模型都把自己所描述的系統(tǒng)（分布結(jié)構(gòu)）在t時的狀態(tài)（P(t)），起始狀態(tài)（p(o)）、t時刻生的狀態(tài)（(t)）、死的狀態(tài)（(t)）、長的狀態(tài)（(t)）等有機的連系在一起，充分地表示了它們之間的數(shù)量關系，描述了系統(tǒng)與個體、個體與個體之間的相互數(shù)量關系與生滅過程的數(shù)量關系，深刻地揭示了森林資源系統(tǒng)的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程，描述了森林資源在時間空間上運動的軌跡。同時這些模型都有解，且解唯一，并具有連續(xù)依賴變量而變化。這些都為森林資源的計算機仿真提供了可靠的數(shù)學模型，堅實的理論依據(jù)和數(shù)理方法。3 森林資源計算機仿真計算的主要容森林資源系統(tǒng)計算機仿真的關鍵是對偏微分方程進行求解，即如

7、何將數(shù)學模型變?yōu)榉抡婺Ｐ?。由仿真模型可以研制適合于森林資源特點的分布參數(shù)系統(tǒng)仿真軟件，從而在計算機上實現(xiàn)仿真計算。本文對如何具體編制仿真軟件不作討論，只對如何通過仿真實現(xiàn)各種仿真目標進行討論。3.1森林資源仿真計算的主要目標(1)模擬森林資源的動態(tài)變化和生滅過程的仿真計算描述森林資源分布結(jié)構(gòu)動態(tài)變化和生滅過程的連續(xù)型模型離散化變?yōu)殡x散型模型。將其任意時間t的起始（初值）狀態(tài)p(0)、生的狀態(tài)(t)、長的狀態(tài)(t)、死的狀態(tài)(t)等值代入方程，可得到系統(tǒng)（森林資源分布結(jié)構(gòu)）在各個不同時間，不同的生、長、死狀態(tài)下的狀態(tài)值，從而在計算機上實現(xiàn)森林資源分布結(jié)構(gòu)動態(tài)度化和生滅過程的模擬仿真計算。森林資源

8、的監(jiān)測與預測計算。監(jiān)測就是通過各種調(diào)查、統(tǒng)計、遙感等方法和手段，即時獲得各個時間段上系統(tǒng)的造林更新率(t)、保存率(t)、生長率(t)、死亡率(t)等參數(shù)代入方程，計算出各時間段上森林資源（系統(tǒng)）的狀態(tài)值，進行動態(tài)監(jiān)測。利用模型進行預測計算，其實質(zhì)就是對模型的基本函數(shù)(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等進行外推，外推值代入方程計算，實現(xiàn)對某系統(tǒng)未來的預測。森林資源現(xiàn)狀分析計算。森林資源再現(xiàn)計算。有了森林資源現(xiàn)在的狀態(tài)值S（k）和k1時到K時的（k-1）、(k-1)、(k-1)的值就可以計算過去（k-1）的森林資源的狀態(tài)值，實現(xiàn)森林資源的再現(xiàn)。計算指標參數(shù)體系，對森林資源進行評價。由于描述森

9、林資源分布結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型是數(shù)理方程即理論模型，因而所有描述森林資源質(zhì)量和數(shù)量的指標參數(shù)都可以通過它的狀態(tài)函數(shù)而計算出來。通過模擬仿真計算，只要計算出它任意時間后狀態(tài)值，就可以計算出相應時間的各種指標參數(shù)，形成指標參數(shù)體系。可以實現(xiàn)隨時隨地對森林資源進行科學的評價。(2)對經(jīng)營方案，措施等進行優(yōu)化的仿真計算模型中的(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等基本函數(shù)值的大小，在實際生產(chǎn)中和森林資源經(jīng)營和管理活動中的經(jīng)營措施和經(jīng)營方案等有密切的關系。而這些基本函數(shù)的值在已知t時的狀態(tài)值P(t)，起始狀態(tài)（初值）的值P(0)與其它基本函數(shù)值的情況下，無論是通過方程的連續(xù)型模型還是離散型模型都可以求出。在

10、實際生產(chǎn)中就是在已知經(jīng)營森林資源者所需要的狀態(tài)或要達到的狀態(tài)P(t)，以與目前的狀態(tài)即起始狀態(tài)P(0)，如何從目前的狀態(tài)P(0)達到所需要或要達到的狀態(tài)P(t)，應采取什么經(jīng)營措施，即通過采（）多少，造（）多少，長（）多少才能達到所要求的狀態(tài)，即通過什么樣的經(jīng)營措施和方案才能達到。這些都可以通過方程分別求得每一個基本函數(shù)的值，該值就是應該采取的措施值，這一完整的經(jīng)營方案，經(jīng)營措施的優(yōu)化過程，通過系統(tǒng)的仿真模型編制成仿真軟件，在計算機上通過仿真計算完全可以實現(xiàn)。并且可以對多個方案，各種可能的經(jīng)營措施進行模擬、試驗、對比等仿真計算，尋求最優(yōu)或最佳方案和措施。這是計算機仿真的一大優(yōu)點，人工計算是不可

11、想象的。(3)控制的仿真計算在控制論中，許多復雜系統(tǒng)的控制問題都是利用系統(tǒng)的仿真計算而實現(xiàn)可控計算和討論，把仿真計算作為實現(xiàn)可控計算的工具和方法之一。同樣森林資源的結(jié)構(gòu)調(diào)整以與森林資源的最優(yōu)控制等都可以通過描述森林資源的數(shù)理方程在計算機上進行仿真計算來實現(xiàn)。森林資源的結(jié)構(gòu)調(diào)整其實質(zhì)是森林資源的分布結(jié)構(gòu)調(diào)整。就是由現(xiàn)在的一種不合理（不理想）的分布結(jié)構(gòu)狀態(tài)出發(fā)，在一定時間或在最短的時間通過不斷的調(diào)整控制變量，平穩(wěn)過渡到理想（合理）的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，是一個控制問題。在林業(yè)實際生產(chǎn)中，森林資源分布結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要是通過采伐和造林更新達到調(diào)控的目的，在目前的科技水平下林木的生長速度還無法做到控制。森林資源的控制

12、就是通過可控制變量的取值圍和大小進行調(diào)控，在使得路徑最短（最優(yōu)）或時間最短（最優(yōu)）或結(jié)構(gòu)最佳等的情況下由目前的狀態(tài)過渡到理論或要求的狀態(tài)。這一討論和分析過程同樣也可以通過仿真計算而實現(xiàn)。例如森林資源的可持續(xù)發(fā)展的定量描述只有通過描述森林資源的數(shù)理方程而建立的控制理論和方法、仿真理論和方法才能建立和完成。同樣，森林資源與環(huán)境和人類社會關系的協(xié)調(diào)、平衡和發(fā)展與其實現(xiàn)也只有通過森林資源的控制理論和方法與森林資源的仿真理論和方法才能建立和實現(xiàn)。(4)運用森林資源的計算機仿真替代傳統(tǒng)的經(jīng)營方案編制森林經(jīng)理學（森林的經(jīng)營和管理的科學）的主要研究容之一是編制施業(yè)案或稱經(jīng)營方案等。過去編制經(jīng)營方案是根據(jù)森林的

13、現(xiàn)狀（靜態(tài)）和林分的狀況與地形、土壤、氣候等因素，并且根據(jù)編制人員理論和經(jīng)驗而確定森林資源今后5年或10年或更長時間對經(jīng)營的目的（要達到目標），應采取的措施如撫育、間伐等編制一個實施方案。這樣編制出的方案是一個靜態(tài)、一成不變的東西，是憑人的某種主觀意識和經(jīng)驗而編制的。而森林資源與其環(huán)境時刻都在變化，其中很多因素是人無法控制和預知的。因此，用一個既定的方案去要求一個分復雜而不斷變化著的系統(tǒng)以實現(xiàn)預先的目標，這是很難想象的。事實上生產(chǎn)中幾乎所有編制的經(jīng)營方案都無法實踐，都行不通。借助森林資源的數(shù)理模型，在計算機實現(xiàn)森林資源系統(tǒng)動態(tài)變化和模擬仿真，從而達到制定各種最佳方案并加以實施，做到時時掌握森林

14、資源系統(tǒng)的變化情況以與發(fā)展趨勢。因此，用建立森林資源計算機仿真計算和決策支持系統(tǒng)代替經(jīng)營方案與其編制完全可能和可行。3.2 森林資源仿真的輔助計算為了實現(xiàn)各種仿真計算的目標，需要進行仿真的輔助計算，以滿足仿真計算所需的參數(shù)，指標、數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)的技術方法，使得仿真計算有較好的效果。其容主要有基本參數(shù)的提取，參數(shù)的延伸、指標參數(shù)體系的計算，將n階轉(zhuǎn)移矩陣變?yōu)橐浑A轉(zhuǎn)移矩陣的計算等。(1)基本參數(shù)的提取的計算在進行森林資源的計算機仿真計算時，需要基本參數(shù)即郁閉成林率(t)，生長率(t)，死亡率(t)才能進行各種模擬計算。這些參數(shù)的獲取主要是通過森林資源的各種調(diào)查資料如連續(xù)定位調(diào)查的材料；各種圖面材料

15、；遙感的衛(wèi)片或航片；森林資源的各種檔案等，從它們當中進行提取、統(tǒng)計而獲得。因此形成了較為完整的參數(shù)提取方法。(2)基本函數(shù)值外延的計算利用數(shù)學模型對森林資源進行預測，其實就是對模型的基本函數(shù)(死)、（生）、（長）等進行外推。根據(jù)這些基本函數(shù)的物理意義、特點和規(guī)律可以從許多外推的數(shù)學方法中選取適合于基本函數(shù)的特點和需要的外推方法進行外推計算。其方法一般有平均法、曲線擬合法、參數(shù)辯識法、時間序列法等等。(3)指標參數(shù)體系的計算在森林資源仿真計算時，不僅需要計算出森林資源的狀態(tài)值而且需要計算出許多評價森林資源質(zhì)量和數(shù)量的各種指標參數(shù)，而每一項指標參數(shù)是從某一方面和某一角度定量的刻畫系統(tǒng)的動態(tài)變化規(guī)律

16、和特點。而所有的各種指標參數(shù)構(gòu)成了指標參數(shù)體系，指標參數(shù)體系是從各個方面較完整地描述了系統(tǒng)數(shù)量和質(zhì)量的特點。對各種指標參數(shù)的計算給出公式或計算方法并編成軟件，在森林資源仿真計算時可隨時調(diào)用。(4)將n階轉(zhuǎn)移矩陣變?yōu)橐浑A轉(zhuǎn)移矩陣的計算在進行森林資源系統(tǒng)分析中，特別是在林業(yè)資源預測或監(jiān)測中，怎樣將步長為n年的轉(zhuǎn)移頻率矩陣變?yōu)橐荒甑钠骄D(zhuǎn)移頻率矩陣，以便達到逐年對森林資源進行系統(tǒng)分析以與預測、監(jiān)測、結(jié)構(gòu)調(diào)整和其它用途的目的，是一項經(jīng)常遇到的重要實際問題和技術方法。目前我國的森林資源調(diào)查都有一定的間隔期，一般是每五年進行一次或更長時間，由此得到的各種轉(zhuǎn)移矩陣其步長為5年或更長。而生產(chǎn)中需要對森林資源的

17、變化進行每年的分析，這就需要如何將步長為n年的轉(zhuǎn)移矩陣變?yōu)椴介L為1年的轉(zhuǎn)移矩陣。有了這樣的計算公式與其軟件就能順利進行森林資源計算機仿真中的各種數(shù)值的年度計算。4 森林資源的計算機仿真在森林資源中的作用由于森林資源仿真具有模擬、試驗、控制、協(xié)調(diào)、優(yōu)化、決策等功能和作用，因此，在森林資源的現(xiàn)代管理中具有重要的理論意義和十分廣泛的用途。其作用如下：(1)森林資源的現(xiàn)代化管理提供了理論依據(jù)通過森林資源的計算機仿真可以隨時隨地的模擬和掌握森林資源的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程，這為森林資源的科學（定量）管理提供了理論依據(jù)。通過森林資源仿真的控制計算，可以實現(xiàn)隨時隨地控制森林資源的變化速度和方向，滿足各種經(jīng)營

18、目的的要求和需要。因此它是森林資源各種管理的理論基礎和依據(jù)。通過仿真計算可以制定經(jīng)營和管理森林資源的各種方案和措施，并可進行優(yōu)化，這是實踐森林資源現(xiàn)代化管理的關鍵，同時也是各種管理活動的依據(jù)和憑證。用計算機仿真代替森林經(jīng)營方案，給方案帶來了科學性和信息化，為森林資源的科學管理，信息化管理提供了依據(jù)。總之森林資源的計算機仿真可以為森林資源的許多管理理論和活動提供可靠的理論依據(jù)。(2)為森林資源現(xiàn)代化管理提供重要的系統(tǒng)方法由于森林資源的計算機仿真可以模擬森林資源的動態(tài)變化和生滅過程，因而它為森林資源的監(jiān)測與預測，森林資源的再現(xiàn)和狀態(tài)分析等提供了具體的計算方法。通過森林資源的各種模擬、試驗與優(yōu)化等的

19、仿真計算，為確定森林資源整體結(jié)構(gòu)目標、整體功能目標與發(fā)展戰(zhàn)略目標等提供了具體的計算方法。通過模擬仿真計算為計算森林資源的各種評價指標參數(shù)提供了具體計算方法和技術。各種指標參數(shù)不僅能從各個方面對森林資源的數(shù)量和質(zhì)量進行評價，為決策服務，也為森林資源信息系統(tǒng)的信息反饋等提供了具體的途徑。通過模型的基本函數(shù)（生）、（死）等的模擬、試驗、優(yōu)化等仿真計算，將為各種經(jīng)營和管理森林資源的方案、措施的試驗、對比、優(yōu)化等提供了具體的計算方法；為森林資源管理制定多方案以與最佳經(jīng)營方案和措施提供了具體分析和計算的方法，以計算機仿真替代傳統(tǒng)的經(jīng)營方案與其編制將提供較為完整的方法和技術。森林資源的仿真和控制計算，不僅為

20、隨時隨地了解和掌握森林資源的動態(tài)變化規(guī)律和生滅過程，而且為時時處處能控制森林資源的變化速度和方向等提供了具體計算理論和方法，是森林資源實現(xiàn)可控計算最主要的途徑之一，為森林資源的結(jié)構(gòu)調(diào)整、森林資源的各種控制（如時間、過程、路徑、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等控制與其復合控制）提供了具體試驗、分析、計算的具體方法；同時仿真的控制計算為優(yōu)化提供了具體計算手段，是各種方案、措施的試驗、對比、優(yōu)化等提供了具體計算和分析的方法；森林資源仿真的控制計算將為森林資源的可持續(xù)發(fā)展的定量描述有可能提供具體分析、計算的方法和手段；為森林資源與生態(tài)環(huán)境和人類關系的協(xié)調(diào)等提供具體計算的方法。總之森林資源的計算機仿真為森林資源的科學管理、信

21、息管理、動態(tài)管理、優(yōu)化管理、系統(tǒng)管理、綜合管理、目標管理、數(shù)字化管理以與科學決策、定量決策、動態(tài)決策、目標決策等現(xiàn)代化管理提供各種實踐的具體方法和手段。5 結(jié)論通過前面的論述，有了描述森林資源動態(tài)變化與生滅過程的數(shù)理方程，通過將數(shù)理模型變?yōu)榉抡婺Ｐ?，則完全可以實現(xiàn)森林資源的計算機仿真計算，并可建立起森林資源的計算機仿真理論和方法。有了森林資源的計算仿真，就可以對森林資源動態(tài)變化和生滅過程進行模擬計算；可以為森林資源的戰(zhàn)略發(fā)展，林業(yè)方針政策，各種經(jīng)營措施、林業(yè)規(guī)劃方案等的制定和決策等提供依據(jù)；通過仿真可以對各種策略、方案、決策、措施等進行種種試驗，優(yōu)化等，可找出其中最“佳”，最“優(yōu)”、最“合適”

22、的策略、方案、措施等；有了森林資源的計算機仿真則可進行各種控制計算，使森林資源的結(jié)構(gòu)調(diào)整成為可能。這些為森林資源的各種現(xiàn)代化管理提供了理論依據(jù)和具體實踐的方法和技術。森林資源的計算仿真是森林資源現(xiàn)代化管理最主要的系統(tǒng)方法之一。由于森林資源管理的計算機仿真包括的容很多，面很廣，同時森林資源是一個巨大的復雜系統(tǒng)，因此它們的計算機仿真也是很復雜的，本文只能作極為簡單的概述。參考文獻1 留瑜, 冶剛. 論森林的數(shù)量分布結(jié)構(gòu). 系統(tǒng)工程理論與實踐, 1996, 16(4)2 冶剛, 周蜀林. Deduction of the transformation equations of numerical distribution structures of the forest. Systems Science and systems engineering (ICSSS93), International Academic Publishers3 冶剛, 賽華. Theoreticat and thchnotogy for forest yesources modern management. word manag