森林生態(tài)學(xué)建模與仿真

葛劍平，一962年生，東北林業(yè)大學(xué)教授，農(nóng)學(xué)博十。多年來(lái)一直從事森林生態(tài)學(xué)和森林經(jīng)營(yíng)學(xué)研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，主持完成國(guó)家自然科學(xué)基金、林業(yè)部和省級(jí)科研課題五項(xiàng)，現(xiàn)為國(guó)家科技攻關(guān)專題負(fù)責(zé)人。曾獲林業(yè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、國(guó)家教委霍英東肯年教師獎(jiǎng)和國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。

目 錄

1數(shù)學(xué)模型的基本概念與類型

1.1基本概念

1.1.1模型變量與過(guò)程

1.1.2數(shù)學(xué)仿真（模擬）

1.1.3系統(tǒng)及系統(tǒng)分析

1.2數(shù)學(xué)模型的類型

1.3模型建立的方法與步驟

1.3.1建模方法

1.3.2建模步驟

2生態(tài)學(xué)建模的基本理論與原則

2.1生態(tài)學(xué)建模的物理學(xué)理論與原則

2.1.1熱力學(xué)基本概念和定理

2.1.2以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)原理

2.1.3生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境

2.1.4生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和演替

2.1.5以物理學(xué)理論為基礎(chǔ)的建模方法

2.2以生態(tài)學(xué)原理為基礎(chǔ)的建模方法

3生態(tài)學(xué)建模的數(shù)學(xué)理論

3.1地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本理論和方法

3.1.1半方差及半方差圖的結(jié)構(gòu)分析

3.1.2半方差圖擬合模型

3.1.3空間局部?jī)?nèi)插法

3.1.4空間局部?jī)?nèi)插法的類型

3.5地統(tǒng)計(jì)分析軟件系統(tǒng)

3.2概率統(tǒng)計(jì)模擬理論

3.2.1產(chǎn)生均勻分布隨機(jī)數(shù)的數(shù)學(xué)方法

3.2.2均勻隨機(jī)數(shù)的檢驗(yàn)

3.2.3產(chǎn)生其它分布隨機(jī)數(shù)的數(shù)學(xué)方法

4量綱分析

4.1量和單位

4.2量綱分析

4.3Buckinghamπ定理

4.4量綱分析在生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用

4.4.1確定模型參數(shù)的量綱

4.4.2應(yīng)用量綱分析建立面向過(guò)程的林分生長(zhǎng)模型

5模擬程序與語(yǔ)言

5.1模擬程序和語(yǔ)言的類型

5.2面向數(shù)學(xué)方程和結(jié)構(gòu)圖的程序與語(yǔ)言

5.3面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)

5.4數(shù)學(xué)模擬與“5S”技術(shù)

6森林生態(tài)學(xué)模型分類

6.1以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的模型分類

6.1.1動(dòng)態(tài)模型

6.1.2矩陣模型

6.1.3隨機(jī)模型

6.1.4多變量模型

6.1.5最優(yōu)化及其它模型

6.2以生物組織等級(jí)為基礎(chǔ)的模型分類

6.2.1全球尺度模型

6.2.2景觀和區(qū)域模型

6.2.3群落尺度模型

6.2.4植物生理生態(tài)模型

6.3以系統(tǒng)特性為基礎(chǔ)的模型分類

6.4以干擾理論為基礎(chǔ)的生態(tài)學(xué)模型類型

6.5全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)中的模型類型

6.5.1全球變化條件下的生態(tài)系統(tǒng)生理綜合模型

6.5.2生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)斑塊模型

6.5.3斑塊尺度至區(qū)域尺度的模型

6.5.4元素循環(huán)及氣候反饋的區(qū)域一

全球尺度植被動(dòng)態(tài)模型

6.6氣候模擬及模型類型

6.6.1氣候模擬概念及模型類型

6.6.2GCM模型類型

6.6.3GCM模型對(duì)全球氣候變化的預(yù)測(cè)

7林隙動(dòng)態(tài)理論及模型

7.1基本概念

7.1.1林隙

7.1.2斑塊

7.1.3斑塊鑲嵌體

7.1.4林隙的時(shí)空尺度

7.1.5以林隙為基礎(chǔ)的森林動(dòng)態(tài)理論

7.2林隙模型（GapM0del）

7.2.1基本原理

7.2.2模型的結(jié)構(gòu)

7.3林隙模型的發(fā)展趨勢(shì)

8林隙動(dòng)態(tài)模型――JABOWA與FOR ET模型

8.1JABOWA模型結(jié)構(gòu)和公式

8.1.1樹木生長(zhǎng)方程

8.1.2葉面積的計(jì)算

8.1.3樹高與直徑之間的定量關(guān)系

8.1.4樹木徑生長(zhǎng)方程

8.2環(huán)境因子與樹木生長(zhǎng)

8.2.1環(huán)境的生態(tài)作用

8.2.2光強(qiáng)分布與光強(qiáng)響應(yīng)函數(shù)

8.2.3積溫與樹木生長(zhǎng)

8.2.4土壤濕度與樹木生長(zhǎng)

8.2.5土壤水分飽和與樹木生長(zhǎng)

8.2.6土壤養(yǎng)分與樹木生長(zhǎng)

8.2.7樹木之間的競(jìng)爭(zhēng)

8.3樹木死亡過(guò)程

8.4樹木更新過(guò)程

8.4.1陽(yáng)性樹種的更新過(guò)程

8.4.2中性樹種的更新過(guò)程

8.4.3耐蔭性樹種的更新過(guò)程

8.5FORET模型程序分析

8.5.1主程序

8.5.2樹種參數(shù)輸入子程序INPT

8.5.3樣地初始化子程序PL0TIN

8.5.4產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù)子程序RANDOM

8.5.5產(chǎn)生正態(tài)隨機(jī)數(shù)子程序GGNORD

8.5.6樹木死亡過(guò)程子程序KILL

8.5.7更新過(guò)程子程序BIRTH

8.5.8萌生過(guò)程子程序3PROUT

8.5.9樹木生長(zhǎng)過(guò)程子程序GROW

8.5.10結(jié)果輸出子程序OUTPT

8.6紅松林結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的FORET模擬結(jié)果

8.6.1參數(shù)估計(jì)

8.6.2模型運(yùn)行和結(jié)果分析

9林隙動(dòng)態(tài)模型――FORSKA模型

9.1模型中的生態(tài)過(guò)程與計(jì)算公式

9.1.1樹木生長(zhǎng)過(guò)程

9.1.2樹木生長(zhǎng)與環(huán)境

9.1.3胸徑生長(zhǎng)過(guò)程

9.1.4樹冠大小的變化過(guò)程

9.1.5樹高方程

9.1.6更新過(guò)程

9.1.7樹木死亡過(guò)程

9.1.8萌生過(guò)程

9.2模型變量、參數(shù)和參數(shù)估計(jì)

9.2.1模型變量和參數(shù)

9.2.2參數(shù)估計(jì)

9.2.3靈敏性分析

9.3模型程序結(jié)構(gòu)分析

9.3.1主程序MAIN

9.3.2數(shù)據(jù)塊子程序SYSVAR

9.3.3立地和運(yùn)行參數(shù)讀取子程序GETMOD

9.3.4樹種參數(shù)子程序GETSPE

9.3.5控制參數(shù)讀取子程序GETOUT

9.3.6產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù)子程序GETRAN

9.3.7程序初始化子程序INITIA

9.3.8樹木變量讀取子程序IN

9.3.9樹木更新子程序ETBL

9.3.10樹木生長(zhǎng)子程序TVXT

9.3.11樹木死亡子程序SKOT

9.3.12林分特征輸出子程序STAND

9.3.13結(jié)果輸出子程序0UT

9.3.14產(chǎn)生泊松分布隨機(jī)數(shù)子程序PRAND

9.4紅松林結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的FORSKA模擬結(jié)果

9.4.1參數(shù)估計(jì)

9.4.2模擬結(jié)果分析

9.5FORSKA模型的發(fā)展

10sPACE森林動(dòng)態(tài)的空間模型

10.1模型結(jié)構(gòu)

10.1.1確定樹木分布位置的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

10.1.2重復(fù)樣地邊界法

10.1.3確定樹木鄰體的計(jì)算方法

10.2模型程序分析

10.2.1更新過(guò)程

10.2.2樹木生長(zhǎng)過(guò)程

10.3紅松林動(dòng)態(tài)的SPACE模擬結(jié)果與分析

10.3.1參數(shù)估計(jì)

10.3.2模擬結(jié)果與分析

11森林生態(tài)系統(tǒng)流模型

11.1以微分方程組為基礎(chǔ)的流模型

11.1.1模型結(jié)構(gòu)

11.1.2生理生態(tài)過(guò)程之間以及與環(huán)境之間的聯(lián)接

11.1.3模型的應(yīng)用范圍

11.2生物地球化學(xué)循環(huán)模型（FOREST－BGC）

11.2.1模型結(jié)構(gòu)

11.2.2氣象驅(qū)動(dòng)變量

11.2.3生態(tài)過(guò)程日變化亞模型

11.2.4生態(tài)過(guò)程年變化亞模型

11.2.5模型應(yīng)用

12森林生態(tài)學(xué)模型研究概況及趨勢(shì)

12.1以等級(jí)理論為基礎(chǔ)的生態(tài)學(xué)模型研究

12.2以空間為基礎(chǔ)的森林生態(tài)學(xué)模型研究

12.2.1以林隙動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)氣候變化下的森林演介

12.2.2以GIS為基礎(chǔ)的空間模型的研究

12.3以植物生理過(guò)程為基礎(chǔ)的模型研究

12.3.1大氣C02濃度變化與森林生長(zhǎng)

12.3.2降水變化與森林生長(zhǎng)

12.3.3植物生長(zhǎng)脅迫模型

12.4森林生態(tài)系統(tǒng)流模型研究概況

12.4.1生態(tài)系統(tǒng)流模型與生理模型的結(jié)合

12.4.2生態(tài)系統(tǒng)流模型與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合

12.4.3生態(tài)系統(tǒng)流模型與一般環(huán)流模型的結(jié)合

12.5預(yù)測(cè)全球植被變化模型的研究

12.6森林生態(tài)學(xué)模型的發(fā)展趨勢(shì)

12.6.1異質(zhì)性與時(shí)空尺度

12.6.2社會(huì)經(jīng)濟(jì)模型與生態(tài)模型的聯(lián)接

12.6.3生態(tài)學(xué)模型的可視化

12.6.4模型檢驗(yàn)和驗(yàn)證

12.6.5新理論的應(yīng)用前景

參考文獻(xiàn)

附錄1FORET模型源程序清單

附錄2FORSKA模型源程序清單

附錄3SPACE模型源程序清單 2100433B

本書系統(tǒng)地介紹了森林生態(tài)學(xué)建模與仿真的基本概念、數(shù)學(xué)理論、量綱分析、模擬程序和語(yǔ)言，以及建模的基本原則和理論，從多個(gè)方面對(duì)森林生態(tài)學(xué)模型進(jìn)行了分類，選擇當(dāng)前較為著名的各類模型進(jìn)行剖析，評(píng)述了各類模型的建模理論、方法、應(yīng)用范圍及存在的問(wèn)題；對(duì)林隙模型進(jìn)行了改進(jìn)，并應(yīng)用于紅松林結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過(guò)程的模擬；最后綜述了現(xiàn)代森林生態(tài)學(xué)建模研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)。

本書可供從事森林生態(tài)學(xué)、植物生態(tài)學(xué)和森林經(jīng)營(yíng)學(xué)的研究人員閱讀，亦可作為林業(yè)院校相關(guān)專業(yè)研究生的教材和參考書。

本書將管理科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分類總結(jié)，在闡述了系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真等的概念內(nèi)涵、基本理論、基本方法與技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞基于MATLAB和NetLogo兩種工具軟件的管理科學(xué)問(wèn)題的建模與仿真進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)例講解與分析。本書中，在MATLAB工具軟件應(yīng)用部分，圍繞管理領(lǐng)域中的預(yù)測(cè)問(wèn)題、分類問(wèn)題、評(píng)價(jià)問(wèn)題、優(yōu)化問(wèn)題等幾類主要問(wèn)題，對(duì)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)、層次分析法、遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法等在內(nèi)的建模仿真方法的基本原理、應(yīng)用步驟、實(shí)例、程序代碼等進(jìn)行了詳細(xì)講解；在NetLogo工具軟件部分，強(qiáng)調(diào)了建模仿真技術(shù)的操作性，通過(guò)層層深入的實(shí)例逐步明晰了該建模仿真技術(shù)的操作步驟，后結(jié)合網(wǎng)絡(luò)危機(jī)信息傳播演化仿真這一綜合實(shí)例系統(tǒng)地講解了如何對(duì)某一管理科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行模型構(gòu)建與仿真。

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體系工程已經(jīng)成為目前系統(tǒng)工程領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)，也是系統(tǒng)工程未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。對(duì)體系工程的研究是從很多不同的領(lǐng)域和應(yīng)用中起步的，既需要理論創(chuàng)新，也需要實(shí)踐探索和總結(jié)。建模與仿真方法可以為體系工程研究提供多種方式的支持，建模可以在很大程度上幫助我們更好地理解系統(tǒng)的設(shè)想并開展分析，而通過(guò)仿真得到數(shù)值結(jié)果可以幫助了解體系的動(dòng)態(tài)行為。

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