森林资源系统的计算机仿真和现代化管理139763.docx

森林资源系统的计算机仿真与现代化管理李 昀*李昀，1968年出生，博士，副教授。主要研究方向：资源与环境信息管理。Email:liyun（北京林业业大学信息息学院，11000883）崔赛华（北京林业业大学信息息学院，11000883）郑治刚（国家林业业局规划院院，1000714）摘要 本本文论述了了森林资源源系统的计计算机仿真真理论和方方法，它是是森林资源源现代化管管理的理论论基础和最最主要的系系统方法之之一。关键词 森林资源源 模模型 计算机仿仿真 现代化管管理1 引言森林资源系系统的计算算机仿真，就就是借助描描述森林资资源系统的的数学模型型，在计算算机上对森森林资源系系统的动态态变化规律律和生灭过过程进行各各种模拟、试试验和计算算分析。由由于计算机机仿真具有有模拟、试试验、协调调、控制、优优化、运筹筹、决策等等功能，使使得其成为为现代化管管理理论的的依据和最最主要的系系统方法之之一。因此此，森林资资源系统的的计算机仿仿真是林业业科学工作作和系统理理论工作者者研究的热热点问题。目前，无论论是国外还还是国内所所进行的森森林资源的的计算机仿仿真，所使使用的数学学模型不是是经验模型型就是统计计模型，并并多为常微微分方程。它它们都不是是根据森林林资源的动动态变化规规律和生灭灭过程而推推出的数理理方程，这这些模型都都不能从空空间和时间间状态同时时对森林资资源的“生”、“长”、“死”及动态变变化规律作作出深刻而而准确的描描述和表达达。因此，用用这样的数数学模型进进行的计算算机仿真不不可能对森森林资源的的动态变化化规律和生生灭过程作作深刻、精精确的描述述和表达，不不能对森林林资源进行行准确的模模拟、试验验和分析，用用这样的模模型对森林林资源进行行计算机仿仿真很难建建立起森林林资源现代代化管理的的计算机仿仿真理论和和技术方法法。本文论述的的森林资源源系统计算算机仿真所所使用的数数学模型是是我们在已已完成的国国家自然科科学基金项项目中所推推导的描述述森林资源源动态变化化和生灭过过程的数理理方程，这这些模型是是维数不等等的偏微分分方程，描描述了森林林资源的状状态空间和和时间空间间内的动态态变化规律律、生灭过过程和运动动轨迹。因因此，森林林资源系统统的计算机机仿真是属属于分布参参数系统的的计算机仿仿真。2 森林资资源系统仿仿真的数学学模型森林资源是是森林的数数量和质量量的统一标标度和表达达，是森林林具有财产产和价值的的属性部分分。目前，森森林资源一一般是指森森林的面积积资源和立立木蓄积资资源。森林林资源是由由森林各种种各样维数数不等的数数量分布结结构组成，森森林的这种种数量分布布结构称为为森林资源源分布结构构。森林资资源是森林林数量分布布结构的总总称，是各各种特定（具具体）的森森林资源分分布结构的的集合体，每每一种特定定的森林资资源分布结结构表示了了一种特定定（具体）的的森林资源源。根据森林资资源是由许许许多多一一维、二维维n维等数量量分布结构构组成，并并依据森林林资源分布布结构的动动态变化规规律和生灭灭过程推导导出了描述述森林资源源分布结构构动态变化化规律和生生灭过程的的数理方程程。(1)同龄龄纯林的林林龄面积分分布结构变变化方程： (1 )(2)林木木直径分布布结构结构构变化方程程： (22 )(3)林木木株数的直直径·树高分布布结构变化化方程：(3 )(4)混交交林的林木木直径分布布结构变化化方程： (4 )(5)混交交异龄林的的林木株数数的直径··林龄分布布结构变化化方程： (5 )(6)混交交异龄林的的面积按混混交系数··平均年龄龄分布的分分布结构变变化方程： (6 )(7)森林林资源分布布结构变化化方程的一一般形式（通通式方程） (77 )以上均为方方程的连续续型模型。森森林资源的的计算机仿仿真就是用用上述方程程的离散型型模型。离离散型模型型一般可用用向量的形形式或矩阵阵的形式表表示，由于于篇幅关系系上述方程程的离散型型模型从略略。在上述方程程中，（11）至（66）式是描描述森林资资源某些具具体分布结结构的动态态变化规律律和生灭过过程的数理理方程；（77）式是描描述森林资资源各种连连续型、阶阶梯型分布布结构的动动态变化规规律和生灭灭过程的数数理方程，是是通式方程程，（1）至至（6）式式是（7）式式的具体化化。由于森森林资源是是由各种分分布结构组组成，因此此森林资源源就得到了了描述。上述所有模模型都把自自己所描述述的系统（分分布结构）在在t时的状态态（P(t)），起始始状态（pp(o)）、t时刻生的的状态（(t)）、死的的状态（(t)）、长的的状态（(t)）等有机机的连系在在一起，充充分地表示示了它们之之间的数量量关系，描描述了系统统与个体、个个体与个体体之间的相相互数量关关系及生灭灭过程的数数量关系，深深刻地揭示示了森林资资源系统的的动态变化化规律和生生灭过程，描描述了森林林资源在时时间空间上上运动的轨轨迹。同时时这些模型型都有解，且且解唯一，并并具有连续续依赖变量量而变化。这这些都为森森林资源的的计算机仿仿真提供了了可靠的数数学模型，坚坚实的理论论依据和数数理方法。3 森林资资源计算机机仿真计算算的主要内内容森林资源系系统计算机机仿真的关关键是对偏偏微分方程程进行求解解，即如何何将数学模模型变为仿仿真模型。由由仿真模型型可以研制制适合于森森林资源特特点的分布布参数系统统仿真软件件，从而在在计算机上上实现仿真真计算。本本文对如何何具体编制制仿真软件件不作讨论论，只对如如何通过仿仿真实现各各种仿真目目标进行讨讨论。3.1森林林资源仿真真计算的主主要目标(1)模拟拟森林资源源的动态变变化和生灭灭过程的仿仿真计算描述森林资资源分布结结构动态变变化和生灭灭过程的连连续型模型型离散化变变为离散型型模型。将将其任意时时间t的起始（初初值）状态态p(0)、生的状状态(t)、长的状状态(t)、死的状状态(t)等值代入入方程，可可得到系统统（森林资资源分布结结构）在各各个不同时时间，不同同的生、长长、死状态态下的状态态值，从而而在计算机机上实现森森林资源分分布结构动动态度化和和生灭过程程的模拟仿仿真计算。森林资源源的监测与与预测计算算。监测就就是通过各各种调查、统统计、遥感感等方法和和手段，即即时获得各各个时间段段上系统的的造林更新新率(t)、保存率率(t)、生长率率(t)、死亡率率(t)等参数代代入方程，计计算出各时时间段上森森林资源（系系统）的状状态值，进进行动态监监测。利用用模型进行行预测计算算，其实质质就是对模模型的基本本函数(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等进行外外推，外推推值代入方方程计算，实实现对某系系统未来的的预测。森林资源源现状分析析计算。森林资源源再现计算算。有了森森林资源现现在的状态态值S（kk）和k1时到K时时的（k-1）、(kk-1)、(k-1)的值就可可以计算过过去（k-1）的森森林资源的的状态值，实实现森林资资源的再现现。计算指标标参数体系系，对森林林资源进行行评价。由由于描述森森林资源分分布结构的的数学模型型是数理方方程即理论论模型，因因而所有描描述森林资资源质量和和数量的指指标参数都都可以通过过它的状态态函数而计计算出来。通通过模拟仿仿真计算，只只要计算出出它任意时时间后状态态值，就可可以计算出出相应时间间的各种指指标参数，形形成指标参参数体系。可可以实现随随时随地对对森林资源源进行科学学的评价。(2)对经经营方案，措措施等进行行优化的仿仿真计算模型中的(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等基本函函数值的大大小，在实实际生产中中和森林资资源经营和和管理活动动中的经营营措施和经经营方案等等有密切的的关系。而而这些基本本函数的值值在已知tt时的状态态值P(t)，起始状状态（初值值）的值PP(0)及其它基基本函数值值的情况下下，无论是是通过方程程的连续型型模型还是是离散型模模型都可以以求出。在在实际生产产中就是在在已知经营营森林资源源者所需要要的状态或或要达到的的状态P(t)，以及目目前的状态态即起始状状态P(0)，如何从从目前的状状态P(0)达到所需需要或要达达到的状态态P(t)，应采取取什么经营营措施，即即通过采（）多少，造（）多少，长（）多少才能达到所要求的状态，即通过什么样的经营措施和方案才能达到。这些都可以通过方程分别求得每一个基本函数的值，该值就是应该采取的措施值，这一完整的经营方案，经营措施的优化过程，通过系统的仿真模型编制成仿真软件，在计算机上通过仿真计算完全可以实现。并且可以对多个方案，各种可能的经营措施进行模拟、试验、对比等仿真计算，寻求最优或最佳方案和措施。这是计算机仿真的一大优点，人工计算是不可想象的。(3)控制制的仿真计计算在控制论中中，许多复复杂系统的的控制问题题都是利用用系统的仿仿真计算而而实现可控控计算和讨讨论，把仿仿真计算作作为实现可可控计算的的工具和方方法之一。同同样森林资资源的结构构调整以及及森林资源源的最优控控制等都可可以通过描描述森林资资源的数理理方程在计计算机上进进行仿真计计算来实现现。森林资源的的结构调整整其实质是是森林资源源的分布结结构调整。就就是由现在在的一种不不合理（不不理想）的的分布结构构状态出发发，在一定定时间内或或在最短的的时间内通通过不断的的调整控制制变量，平平稳过渡到到理想（合合理）的结结构状态，是是一个控制制问题。在在林业实际际生产中，森森林资源分分布结构的的调整主要要是通过采采伐和造林林更新达到到调控的目目的，在目目前的科技技水平下林林木的生长长速度还无无法做到控控制。森林资源的的控制就是是通过可控控制变量的的取值范围围和大小进进行调控，在在使得路径径最短（最最优）或时时间最短（最最优）或结结构最佳等等的情况下下由目前的的状态过渡渡到理论或或要求的状状态。这一一讨论和分分析过程同同样也可以以通过仿真真计算而实实现。例如如森林资源源的可持续续发展的定定量描述只只有通过描描述森林资资源的数理理方程而建建立的控制制理论和方方法、仿真真理论和方方法才能建建立和完成成。同样，森森林资源与与环境和人人类社会关关系的协调调、平衡和和发展及其其实现也只只有通过森森林资源的的控制理论论和方法与与森林资源源的仿真理理论和方法法才能建立立和实现。(4)运用用森林资源源的计算机机仿真替代代传统的经经营方案编编制森林经理学学（森林的的经营和管管理的科学学）的主要要研究内容容之一是编编制施业案案或称经营营方案等。过过去编制经经营方案是是根据森林林的现状（静静态）和林林分的状况况及地形、土土壤、气候候等因素，并并且根据编编制人员理理论和经验验而确定森森林资源今今后5年或或10年或或更长时间间对经营的的目的（要要达到目标标），应采采取的措施施如抚育、间间伐等编制制一个实施施方案。这这样编制出出的方案是是一个静态态、一成不不变的东西西，是凭人人的某种主主观意识和和经验而编编制的。而而森林资源源及其环境境时刻都在在变化，其其中很多因因素是人无无法控制和和预知的。因因此，用一一个既定的的方案去要要求一个分分复杂而不不断变化着着的系统以以实现预先先的目标，这这是很难想想象的。事事实上生产产中几乎所所有编制的的经营方案案都无法实实践，都行行不通。借借助森林资资源的数理理模型，在在计算机实实现森林资资源系统动动态变化和和模拟仿真真，从而达达到制定各各种最佳方方案并加以以实施，做做到时时掌掌握森林资资源系统的的变化情况况以及发展展趋势。因因此，用建建立森林资资源计算机机仿真计算算和决策支支持系统代代替经营方方案及其编编制完全可可能和可行行。3.2 森森林资源仿仿真的辅助助计算为了实现各各种仿真计计算的目标标，需要进进行仿真的的辅助计算算，以满足足仿真计算算所需的参参数，指标标、数据及及处理数据据的技术方方法，使得得仿真计算算有较好的的效果。其其内容主要要有基本参参数的提取取，参数的的延伸、指指标参数体体系的计算算，将n阶转移矩矩阵变为一一阶转移矩矩阵的计算算等。(1)基本本参数的提提取的计算算在进行森林林资源的计计算机仿真真计算时，需需要基本参参数即郁闭闭成林率(t)，生长率率(t)，死亡率率(t)才能进行行各种模拟拟计算。这这些参数的的获取主要要是通过森森林资源的的各种调查查资料如连连续定位调调查的材料料；各种图图面材料；遥感的卫卫片或航片片；森林资资源的各种种档案等，从从它们当中中进行提取取、统计而而获得。因因此形成了了较为完整整的参数提提取方法。(2)基本本函数值外外延的计算算利用数学模模型对森林林资源进行行预测，其其实就是对对模型的基基本函数(死)、（生）、（长）等等进行外推推。根据这这些基本函函数的物理理意义、特特点和规律律可以从许许多外推的的数学方法法中选取适适合于基本本函数的特特点和需要要的外推方方法进行外外推计算。其其方法一般般有平均法法、曲线拟拟合法、参参数辩识法法、时间序序列法等等等。(3)指标标参数体系系的计算在森林资源源仿真计算算时，不仅仅需要计算算出森林资资源的状态态值而且需需要计算出出许多评价价森林资源源质量和数数量的各种种指标参数数，而每一一项指标参参数是从某某一方面和和某一角度度定量的刻刻画系统的的动态变化化规律和特特点。而所所有的各种种指标参数数构成了指指标参数体体系，指标标参数体系系是从各个个方面较完完整地描述述了系统数数量和质量量的特点。对对各种指标标参数的计计算给出公公式或计算算方法并编编成软件，在在森林资源源仿真计算算时可随时时调用。(4)将nn阶转移矩矩阵变为一一阶转移矩矩阵的计算算在进行森林林资源系统统分析中，特特别是在林林业资源预预测或监测测中，怎样样将步长为为n年的转转移频率矩矩阵变为一一年的平均均转移频率率矩阵，以以便达到逐逐年对森林林资源进行行系统分析析以及预测测、监测、结结构调整和和其它用途途的目的，是是一项经常常遇到的重重要实际问问题和技术术方法。目目前我国的的森林资源源调查都有有一定的间间隔期，一一般是每五五年进行一一次或更长长时间，由由此得到的的各种转移移矩阵其步步长为5年年或更长。而而生产中需需要对森林林资源的变变化进行每每年的分析析，这就需需要如何将将步长为nn年的转移移矩阵变为为步长为11年的转移移矩阵。有有了这样的的计算公式式及其软件件就能顺利利进行森林林资源计算算机仿真中中的各种数数值的年度度计算。4 森林资资源的计算算机仿真在在森林资源源中的作用用由于森林资资源仿真具具有模拟、试试验、控制制、协调、优优化、决策策等功能和和作用，因因此，在森森林资源的的现代管理理中具有重重要的理论论意义和十十分广泛的的用途。其其作用如下下：(1)森林林资源的现现代化管理理提供了理理论依据通过森林资资源的计算算机仿真可可以随时随随地的模拟拟和掌握森森林资源的的动态变化化规律和生生灭过程，这这为森林资资源的科学学（定量）管管理提供了了理论依据据。通过森林资资源仿真的的控制计算算，可以实实现随时随随地控制森森林资源的的变化速度度和方向，满满足各种经经营目的的的要求和需需要。因此此它是森林林资源各种种管理的理理论基础和和依据。通过仿真计计算可以制制定经营和和管理森林林资源的各各种方案和和措施，并并可进行优优化，这是是实践森林林资源现代代化管理的的关键，同同时也是各各种管理活活动的依据据和凭证。用计算机仿仿真代替森森林经营方方案，给方方案带来了了科学性和和信息化，为为森林资源源的科学管管理，信息息化管理提提供了依据据。总之森林资资源的计算算机仿真可可以为森林林资源的许许多管理理理论和活动动提供可靠靠的理论依依据。(2)为森森林资源现现代化管理理提供重要要的系统方方法由于森林资资源的计算算机仿真可可以模拟森森林资源的的动态变化化和生灭过过程，因而而它为森林林资源的监监测与预测测，森林资资源的再现现和状态分分析等提供供了具体的的计算方法法。通过森森林资源的的各种模拟拟、试验及及优化等的的仿真计算算，为确定定森林资源源整体结构构目标、整整体功能目目标及发展展战略目标标等提供了了具体的计计算方法。通通过模拟仿仿真计算为为计算森林林资源的各各种评价指指标参数提提供了具体体计算方法法和技术。各各种指标参参数不仅能能从各个方方面对森林林资源的数数量和质量量进行评价价，为决策策服务，也也为森林资资源信息系系统的信息息反馈等提提供了具体体的途径。通过模型的的基本函数数（生）、（死）等等的模拟、试试验、优化化等仿真计计算，将为为各种经营营和管理森森林资源的的方案、措措施的试验验、对比、优优化等提供供了具体的的计算方法法；为森林林资源管理理制定多方方案以及最最佳经营方方案和措施施提供了具具体分析和和计算的方方法，以计计算机仿真真替代传统统的经营方方案及其编编制将提供供较为完整整的方法和和技术。森林资源的的仿真和控控制计算，不不仅为随时时随地了解解和掌握森森林资源的的动态变化化规律和生生灭过程，而而且为时时时处处能控控制森林资资源的变化化速度和方方向等提供供了具体计计算理论和和方法，是是森林资源源实现可控控计算最主主要的途径径之一，为为森林资源源的结构调调整、森林林资源的各各种控制（如如时间、过过程、路径径、结构优优化等控制制及其复合合控制）提提供了具体体试验、分分析、计算算的具体方方法；同时时仿真的控控制计算为为优化提供供了具体计计算手段，是是各种方案案、措施的的试验、对对比、优化化等提供了了具体计算算和分析的的方法；森森林资源仿仿真的控制制计算将为为森林资源源的可持续续发展的定定量描述有有可能提供供具体分析析、计算的的方法和手手段；为森森林资源与与生态环境境和人类关关系的协调调等提供具具体计算的的方法。总之森林资资源的计算算机仿真为为森林资源源的科学管管理、信息息管理、动动态管理、优优化管理、系系统管理、综综合管理、目目标管理、数数字化管理理以及科学学决策、定定量决策、动动态决策、目目标决策等等现代化管管理提供各各种实践的的具体方法法和手段。5 结论通过前面的的论述，有有了描述森森林资源动动态变化及及生灭过程程的数理方方程，通过过将数理模模型变为仿仿真模型，则则完全可以以实现森林林资源的计计算机仿真真计算，并并可建立起起森林资源源的计算机机仿真理论论和方法。有有了森林资资源的计算算仿真，就就可以对森森林资源动动态变化和和生灭过程程进行模拟拟计算；可可以为森林林资源的战战略发展，林林业方针政政策，各种种经营措施施、林业规规划方案等等的制定和和决策等提提供依据；通过仿真真可以对各各种策略、方方案、决策策、措施等等进行种种种试验，优优化等，可可找出其中中最“佳”，最“优”、最“合适”的策略、方方案、措施施等；有了了森林资源源的计算机机仿真则可可进行各种种控制计算算，使森林林资源的结结构调整成成为可能。这这些为森林林资源的各各种现代化化管理提供供了理论依依据和具体体实践的方方法和技术术。森林资资源的计算算仿真是森森林资源现现代化管理理最主要的的系统方法法之一。由由于森林资资源管理的的计算机仿仿真包括的的内容很多多，面很广广，同时森森林资源是是一个巨大大的复杂系系统，因此此它们的计计算机仿真真也是很复复杂的，本本文只能作作极为简单单的概述。参考文献1 李留瑜, 郑冶刚. 论森林林的数量分分布结构. 系统工工程理论与与实践, 19966, 166(4)2 郑冶刚, 周蜀林. Dedductiion oof thhe trransfformaationn equuatioons oof nuumeriical disttribuutionn strructuures of tthe fforesst. SSysteems SSciennce aand ssysteems eenginneeriing (ICSSSS933), IInterrnatiionall Acaademiic Puublissherss3 郑冶刚, 崔赛华. Theeoretticatt annd tthchnnotoggy ffor foreest yesoourcees mmoderrn maanageementt. woord mmanaggemennt Goonferrenctt 99 the gtbooat mmanaggemennt reevotuutionn 4 于景元等, 林龄.面积转移移方程解的的性质. 应用数学学学报, 19944, 144 (144)5 郑治刚, 崔赛华等等. 森林林资源现代代化管理的的理论基础础和技术方方法的研究究. 国家家自然科学学资金资助助项目研究究成果年报报, 管理理科学, 1997719988, 科学学出版社, 19999年Compuuter Simuulatiion aand MMordeen Maanageementt ofForesst Reesourrces SysttemLi Yuun(Schoool oof Innformmatioon Scciencce,Beijjing Foreestryy Univversiity,11000883) Cui Saihhua (Schhool of IInforrmatiion SSciennce,Beijjing Foreestryy Univversiity,11000883) Zhenng Zhhiganng (Acaademyy of Foreest IInvenntoryy andd Plaanninng, NNatioonal Foreestryy Burreau,1007714 )Abstrract Thiss papper ddels withh thoory aand mmethoodolyyg abbout compputerr simmulattion of fforesst reesourrces systtem. Compputerr simmulattion is aa esssenciial tthoryy andd onee impportaant mmethood off forrest resoourcees mmordeen maanageementt.Key WWordss Foorestt RessourccesmodeelCompputerr SimmulattionMordden MManaggemennt