0105065森林資源系統(tǒng)的計算機仿真與現(xiàn)代化管理(doc)
森林資源系統(tǒng)的計算機仿真與現(xiàn)代化管理* 李 昀** （北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，100083） 崔賽華 （北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，100083） 鄭治剛 （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(chǔ)和最主要的系統(tǒng)方法之一。 關(guān)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(xué)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、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(xué)工 作和系統(tǒng)理論工作者研究的熱點問題。 目前，無論是國外還是國內(nèi)所進行的森林資源的計算機仿真，所使用的數(shù)學(xué)模型不是 經(jīng)驗?zāi)Ｐ途褪墙y(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”及動態(tài)變化規(guī)律作出深刻而準(zhǔn)確的描述和表達。因此，用這樣的數(shù)學(xué)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(zhǔn)確的模擬、試驗和分析，用這樣的模型對森林資源進行計 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(shù)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(xué)模型是我們在已完成的國家自然科 學(xué)基金項目中所推導(dǎo)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)空間和時間空間內(nèi)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(xué)模型 森林資源是森林的數(shù)量和質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)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)量分布結(jié)構(gòu)稱為森林資源分布結(jié)構(gòu)。森 林資源是森林?jǐn)?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(dǎo)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： [pic] (1 ) (2)林木直徑分布結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化方程： [pic] (2 ) (3)林木株數(shù)的直徑·樹高分布結(jié)構(gòu)變化方程： [pic](3 ) (4)混交林的林木直徑分布結(jié)構(gòu)變化方程： [pic] (4 ) (5)混交異齡林的林木株數(shù)的直徑·林齡分布結(jié)構(gòu)變化方程： [pic] (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： [pic] (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） [pic] (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(guān)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)（φ(t)）、死的狀態(tài)（μ(t)）、長的狀態(tài)（ψ(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(guān)系，描述了系統(tǒng)與個體、個體與個體之間的 相互數(shù)量關(guān)系及生滅過程的數(shù)量關(guān)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(xué)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內(nèi)容 森林資源系統(tǒng)計算機仿真的關(guān)鍵是對偏微分方程進行求解，即如何將數(shù)學(xué)模型變?yōu)榉?真模型。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(biāo)進行討論。 3.1森林資源仿真計算的主要目標(biāo) (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)φ(t)、長的狀態(tài)Ψ(t)、死的狀態(tài)μ(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。 ①森林資源的監(jiān)測與預(yù)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β(t)、保存率γ(t)、生長率ψ(t)、死亡率μ(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(yù)測計算，其實質(zhì)就是對模型的基本函數(shù)γ(t)、β(t)、ψ(t)、φ(t)、μ(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(yù)測。 ②森林資源現(xiàn)狀分析計算。 ③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k—1時到K時的ψ（k- 1）、φ(k-1)、μ(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)。 ④計算指標(biāo)參數(shù)體系，對森林資源進行評價。由于描述森林資源分布結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)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(biāo)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(yīng)時間的各種指標(biāo)參數(shù)，形成指標(biāo)參數(shù)體系。可以實現(xiàn)隨時隨地對森林資源進行 科學(xué)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γ(t)、β(t)、φ(t)、Ψ(t)、μ(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(guān)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)及其它基本函數(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)，以及目前的狀態(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(yīng)采取什么經(jīng)營措施，即通過采（μ）多 少，造（φ）多少，長（φ）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(yīng)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，人工計算是不可想象的。 (3)控制的仿真計算 在控制論中，許多復(fù)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)整以及森 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)，在一定時間內(nèi)或在最短的時間內(nèi)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。 森林資源的控制就是通過可控制變量的取值范圍和大小進行調(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(guān)系的協(xié)調(diào)、平衡和發(fā)展及其實 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(xué)（森林的經(jīng)營和管理的科學(xué)）的主要研究內(nèi)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)森林的現(xiàn)狀（靜態(tài)）和林分的狀況及地形、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(biāo)），應(yīng)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 林資源及其環(huán)境時刻都在變化，其中很多因素是人無法控制和預(yù)知的。因此，用一個既 定的方案去要求一個分復(fù)雜而不斷變化著的系統(tǒng)以實現(xiàn)預(yù)先的目標(biāo)，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，做到時時掌握森林資源系統(tǒng)的變化情況以及發(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)營方案及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(biāo)，需要進行仿真的輔助計算，以滿足仿真計算所需的...
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