森林資源系統的計算機仿真和現代化管理

1、森林資源系統的計算機仿真與現代化管理李 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:（北京林業(yè)業(yè)大學信信息學院院，10000883）崔賽華（北京林業(yè)業(yè)大學信信息學院院，10000883）鄭治剛（國家林業(yè)業(yè)局規(guī)劃劃院，11007714）摘要 本本文論述述了森林林資源系系統的計計算機仿仿真理論論和方法法，它是是森林資資源現代代化管理理的理論論基礎和和最主要要的系統統方法之之一。關鍵詞 森林資資源 模型型 計算機機仿真 現現代化管管理1 引言森林資源系系統的計計算機仿仿真，就就是借助助描述森森林資源源系統的的數學模模型，在在計算機機上對森森林資源源系統的的動

2、態(tài)變變化規(guī)律律和生滅滅過程進進行各種種模擬、試試驗和計計算分析析。由于于計算機機仿真具具有模擬擬、試驗驗、協調調、控制制、優(yōu)化化、運籌籌、決策策等功能能，使得得其成為為現代化化管理理理論的依依據和最最主要的的系統方方法之一一。因此此，森林林資源系系統的計計算機仿仿真是林林業(yè)科學學工作和和系統理理論工作作者研究究的熱點點問題。目前，無論論是國外外還是國國內所進進行的森森林資源源的計算算機仿真真，所使使用的數數學模型型不是經經驗模型型就是統統計模型型，并多多為常微微分方程程。它們們都不是是根據森森林資源源的動態(tài)態(tài)變化規(guī)規(guī)律和生生滅過程程而推出出的數理理方程，這這些模型型都不能能從空間間和時間間狀態(tài)

3、同同時對森森林資源源的“生”、“長”、“死”及動態(tài)態(tài)變化規(guī)規(guī)律作出出深刻而而準確的的描述和和表達。因因此，用用這樣的的數學模模型進行行的計算算機仿真真不可能能對森林林資源的的動態(tài)變變化規(guī)律律和生滅滅過程作作深刻、精精確的描描述和表表達，不不能對森森林資源源進行準準確的模模擬、試試驗和分分析，用用這樣的的模型對對森林資資源進行行計算機機仿真很很難建立立起森林林資源現現代化管管理的計計算機仿仿真理論論和技術術方法。本文論述的的森林資資源系統統計算機機仿真所所使用的的數學模模型是我我們在已已完成的的國家自自然科學學基金項項目中所所推導的的描述森森林資源源動態(tài)變變化和生生滅過程程的數理理方程，這這些模

4、型型是維數數不等的的偏微分分方程，描描述了森森林資源源的狀態(tài)態(tài)空間和和時間空空間內的的動態(tài)變變化規(guī)律律、生滅滅過程和和運動軌軌跡。因因此，森森林資源源系統的的計算機機仿真是是屬于分分布參數數系統的的計算機機仿真。2 森林資資源系統統仿真的的數學模模型森林資源是是森林的的數量和和質量的的統一標標度和表表達，是是森林具具有財產產和價值值的屬性性部分。目目前，森森林資源源一般是是指森林林的面積積資源和和立木蓄蓄積資源源。森林林資源是是由森林林各種各各樣維數數不等的的數量分分布結構構組成，森森林的這這種數量量分布結結構稱為為森林資資源分布布結構。森森林資源源是森林林數量分分布結構構的總稱稱，是各各種特

5、定定（具體體）的森森林資源源分布結結構的集集合體，每每一種特特定的森森林資源源分布結結構表示示了一種種特定（具具體）的的森林資資源。根據森林資資源是由由許許多多多一維維、二維維n維等數數量分布布結構組組成，并并依據森森林資源源分布結結構的動動態(tài)變化化規(guī)律和和生滅過過程推導導出了描描述森林林資源分分布結構構動態(tài)變變化規(guī)律律和生滅滅過程的的數理方方程。(1)同齡齡純林的的林齡面面積分布布結構變變化方程程： (11 )(2)林木木直徑分分布結構構結構變變化方程程： (2 )(3)林木木株數的的直徑樹高分分布結構構變化方方程：(3 )(4)混交交林的林林木直徑徑分布結結構變化化方程： (44 )(5)

6、混交交異齡林林的林木木株數的的直徑林齡分分布結構構變化方方程： (5 )(6)混交交異齡林林的面積積按混交交系數平均年年齡分布布的分布布結構變變化方程程： (6 )(7)森林林資源分分布結構構變化方方程的一一般形式式（通式式方程） (7 )以上均為方方程的連連續(xù)型模模型。森森林資源源的計算算機仿真真就是用用上述方方程的離離散型模模型。離離散型模模型一般般可用向向量的形形式或矩矩陣的形形式表示示，由于于篇幅關關系上述述方程的的離散型型模型從從略。在上述方程程中，（11）至（66）式是是描述森森林資源源某些具具體分布布結構的的動態(tài)變變化規(guī)律律和生滅滅過程的的數理方方程；（77）式是是描述森森林資源

7、源各種連連續(xù)型、階階梯型分分布結構構的動態(tài)態(tài)變化規(guī)規(guī)律和生生滅過程程的數理理方程，是是通式方方程，（11）至（66）式是是（7）式式的具體體化。由由于森林林資源是是由各種種分布結結構組成成，因此此森林資資源就得得到了描描述。上述所有模模型都把把自己所所描述的的系統（分分布結構構）在tt時的狀狀態(tài)（PP(t)），起起始狀態(tài)態(tài)（p(o)）、t時刻生生的狀態(tài)態(tài)（(t)）、死死的狀態(tài)態(tài)（(t)）、長長的狀態(tài)態(tài)（(t)）等有有機的連連系在一一起，充充分地表表示了它它們之間間的數量量關系，描描述了系系統與個個體、個個體與個個體之間間的相互互數量關關系及生生滅過程程的數量量關系，深深刻地揭揭示了森森林資源源

8、系統的的動態(tài)變變化規(guī)律律和生滅滅過程，描描述了森森林資源源在時間間空間上上運動的的軌跡。同同時這些些模型都都有解，且且解唯一一，并具具有連續(xù)續(xù)依賴變變量而變變化。這這些都為為森林資資源的計計算機仿仿真提供供了可靠靠的數學學模型，堅堅實的理理論依據據和數理理方法。3 森林資資源計算算機仿真真計算的的主要內內容森林資源系系統計算算機仿真真的關鍵鍵是對偏偏微分方方程進行行求解，即即如何將將數學模模型變?yōu)闉榉抡婺ＤＰ?。由由仿真模模型可以以研制適適合于森森林資源源特點的的分布參參數系統統仿真軟軟件，從從而在計計算機上上實現仿仿真計算算。本文文對如何何具體編編制仿真真軟件不不作討論論，只對對如何通通過仿真

9、真實現各各種仿真真目標進進行討論論。3.1森林林資源仿仿真計算算的主要要目標(1)模擬擬森林資資源的動動態(tài)變化化和生滅滅過程的的仿真計計算描述森林資資源分布布結構動動態(tài)變化化和生滅滅過程的的連續(xù)型型模型離離散化變變?yōu)殡x散散型模型型。將其其任意時時間t的起始始（初值值）狀態(tài)態(tài)p(0)、生的的狀態(tài)(t)、長的的狀態(tài)(t)、死的的狀態(tài)(t)等值代代入方程程，可得得到系統統（森林林資源分分布結構構）在各各個不同同時間，不不同的生生、長、死死狀態(tài)下下的狀態(tài)態(tài)值，從從而在計計算機上上實現森森林資源源分布結結構動態(tài)態(tài)度化和和生滅過過程的模模擬仿真真計算。森林資源源的監(jiān)測測與預測測計算。監(jiān)監(jiān)測就是是通過各各種

10、調查查、統計計、遙感感等方法法和手段段，即時時獲得各各個時間間段上系系統的造造林更新新率(t)、保存存率(t)、生長長率(t)、死亡亡率(t)等參數數代入方方程，計計算出各各時間段段上森林林資源（系系統）的的狀態(tài)值值，進行行動態(tài)監(jiān)監(jiān)測。利利用模型型進行預預測計算算，其實實質就是是對模型型的基本本函數(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等進行行外推，外外推值代代入方程程計算，實實現對某某系統未未來的預預測。森林資源源現狀分分析計算算。森林資源源再現計計算。有有了森林林資源現現在的狀狀態(tài)值SS（k）和k1時到KK時的（k-11）、(k-11)、(k-11)的值就就可以計計算過去去（k-1）的的森

11、林資資源的狀狀態(tài)值，實實現森林林資源的的再現。計算指標標參數體體系，對對森林資資源進行行評價。由由于描述述森林資資源分布布結構的的數學模模型是數數理方程程即理論論模型，因因而所有有描述森森林資源源質量和和數量的的指標參參數都可可以通過過它的狀狀態(tài)函數數而計算算出來。通通過模擬擬仿真計計算，只只要計算算出它任任意時間間后狀態(tài)態(tài)值，就就可以計計算出相相應時間間的各種種指標參參數，形形成指標標參數體體系。可可以實現現隨時隨隨地對森森林資源源進行科科學的評評價。(2)對經經營方案案，措施施等進行行優(yōu)化的的仿真計計算模型中的(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等基本本函數值值的大小小，在實實際生產產中

12、和森森林資源源經營和和管理活活動中的的經營措措施和經經營方案案等有密密切的關關系。而而這些基基本函數數的值在在已知tt時的狀狀態(tài)值PP(t)，起始始狀態(tài)（初初值）的的值P(0)及其它它基本函函數值的的情況下下，無論論是通過過方程的的連續(xù)型型模型還還是離散散型模型型都可以以求出。在在實際生生產中就就是在已已知經營營森林資資源者所所需要的的狀態(tài)或或要達到到的狀態(tài)態(tài)P(t)，以及及目前的的狀態(tài)即即起始狀狀態(tài)P(0)，如何何從目前前的狀態(tài)態(tài)P(0)達到所所需要或或要達到到的狀態(tài)態(tài)P(t)，應采采取什么么經營措措施，即即通過采采（）多少少，造（）多少，長（）多少才能達到所要求的狀態(tài)，即通過什么樣的經營措

13、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的值，該值就是應該采取的措施值，這一完整的經營方案，經營措施的優(yōu)化過程，通過系統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。并且可以對多個方案，各種可能的經營措施進行模擬、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)控制制的仿真真計算在控制論中中，許多多復雜系系統的控控制問題題都是利利用系統統的仿真真計算而而實現可可控計算算和討論論，把仿仿真計算算作為實實現可控控計算的的工具和和方法之之一。同同樣森林林資源的的結構調調整以及及森林資資源的最最優(yōu)控制制等都可可以通

14、過過描述森森林資源源的數理理方程在在計算機機上進行行仿真計計算來實實現。森林資源的的結構調調整其實實質是森森林資源源的分布布結構調調整。就就是由現現在的一一種不合合理（不不理想）的的分布結結構狀態(tài)態(tài)出發(fā)，在在一定時時間內或或在最短短的時間間內通過過不斷的的調整控控制變量量，平穩(wěn)穩(wěn)過渡到到理想（合合理）的的結構狀狀態(tài)，是是一個控控制問題題。在林林業(yè)實際際生產中中，森林林資源分分布結構構的調整整主要是是通過采采伐和造造林更新新達到調調控的目目的，在在目前的的科技水水平下林林木的生生長速度度還無法法做到控控制。森林資源的的控制就就是通過過可控制制變量的的取值范范圍和大大小進行行調控，在在使得路路徑最

15、短短（最優(yōu)優(yōu)）或時時間最短短（最優(yōu)優(yōu)）或結結構最佳佳等的情情況下由由目前的的狀態(tài)過過渡到理理論或要要求的狀狀態(tài)。這這一討論論和分析析過程同同樣也可可以通過過仿真計計算而實實現。例例如森林林資源的的可持續(xù)續(xù)發(fā)展的的定量描描述只有有通過描描述森林林資源的的數理方方程而建建立的控控制理論論和方法法、仿真真理論和和方法才才能建立立和完成成。同樣樣，森林林資源與與環(huán)境和和人類社社會關系系的協調調、平衡衡和發(fā)展展及其實實現也只只有通過過森林資資源的控控制理論論和方法法與森林林資源的的仿真理理論和方方法才能能建立和和實現。(4)運用用森林資資源的計計算機仿仿真替代代傳統的的經營方方案編制制森林經理學學（森林

16、林的經營營和管理理的科學學）的主主要研究究內容之之一是編編制施業(yè)業(yè)案或稱稱經營方方案等。過過去編制制經營方方案是根根據森林林的現狀狀（靜態(tài)態(tài)）和林林分的狀狀況及地地形、土土壤、氣氣候等因因素，并并且根據據編制人人員理論論和經驗驗而確定定森林資資源今后后5年或或10年年或更長長時間對對經營的的目的（要要達到目目標），應應采取的的措施如如撫育、間間伐等編編制一個個實施方方案。這這樣編制制出的方方案是一一個靜態(tài)態(tài)、一成成不變的的東西，是是憑人的的某種主主觀意識識和經驗驗而編制制的。而而森林資資源及其其環(huán)境時時刻都在在變化，其其中很多多因素是是人無法法控制和和預知的的。因此此，用一一個既定定的方案案去

17、要求求一個分分復雜而而不斷變變化著的的系統以以實現預預先的目目標，這這是很難難想象的的。事實實上生產產中幾乎乎所有編編制的經經營方案案都無法法實踐，都都行不通通。借助助森林資資源的數數理模型型，在計計算機實實現森林林資源系系統動態(tài)態(tài)變化和和模擬仿仿真，從從而達到到制定各各種最佳佳方案并并加以實實施，做做到時時時掌握森森林資源源系統的的變化情情況以及及發(fā)展趨趨勢。因因此，用用建立森森林資源源計算機機仿真計計算和決決策支持持系統代代替經營營方案及及其編制制完全可可能和可可行。3.2 森森林資源源仿真的的輔助計計算為了實現各各種仿真真計算的的目標，需需要進行行仿真的的輔助計計算，以以滿足仿仿真計算算

18、所需的的參數，指指標、數數據及處處理數據據的技術術方法，使使得仿真真計算有有較好的的效果。其其內容主主要有基基本參數數的提取取，參數數的延伸伸、指標標參數體體系的計計算，將將n階轉移移矩陣變變?yōu)橐浑A階轉移矩矩陣的計計算等。(1)基本本參數的的提取的的計算在進行森林林資源的的計算機機仿真計計算時，需需要基本本參數即即郁閉成成林率(t)，生長長率(t)，死亡亡率(t)才能進進行各種種模擬計計算。這這些參數數的獲取取主要是是通過森森林資源源的各種種調查資資料如連連續(xù)定位位調查的的材料；各種圖圖面材料料；遙感感的衛(wèi)片片或航片片；森林林資源的的各種檔檔案等，從從它們當當中進行行提取、統統計而獲獲得。因因

19、此形成成了較為為完整的的參數提提取方法法。(2)基本本函數值值外延的的計算利用數學模模型對森森林資源源進行預預測，其其實就是是對模型型的基本本函數(死)、（生）、（長）等進行外推。根據這些基本函數的物理意義、特點和規(guī)律可以從許多外推的數學方法中選取適合于基本函數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、參數辯識法、時間序列法等等。(3)指標標參數體體系的計計算在森林資源源仿真計計算時，不不僅需要要計算出出森林資資源的狀狀態(tài)值而而且需要要計算出出許多評評價森林林資源質質量和數數量的各各種指標標參數，而而每一項項指標參參數是從從某一方方面和某某一角度度定量的的刻畫系系統的

20、動動態(tài)變化化規(guī)律和和特點。而而所有的的各種指指標參數數構成了了指標參參數體系系，指標標參數體體系是從從各個方方面較完完整地描描述了系系統數量量和質量量的特點點。對各各種指標標參數的的計算給給出公式式或計算算方法并并編成軟軟件，在在森林資資源仿真真計算時時可隨時時調用。(4)將nn階轉移移矩陣變變?yōu)橐浑A階轉移矩矩陣的計計算在進行森林林資源系系統分析析中，特特別是在在林業(yè)資資源預測測或監(jiān)測測中，怎怎樣將步步長為nn年的轉轉移頻率率矩陣變變?yōu)橐荒昴甑钠骄D移頻頻率矩陣陣，以便便達到逐逐年對森森林資源源進行系系統分析析以及預預測、監(jiān)監(jiān)測、結結構調整整和其它它用途的的目的，是是一項經經常遇到到的重要要

21、實際問問題和技技術方法法。目前前我國的的森林資資源調查查都有一一定的間間隔期，一一般是每每五年進進行一次次或更長長時間，由由此得到到的各種種轉移矩矩陣其步步長為55年或更更長。而而生產中中需要對對森林資資源的變變化進行行每年的的分析，這這就需要要如何將將步長為為n年的的轉移矩矩陣變?yōu)闉椴介L為為1年的的轉移矩矩陣。有有了這樣樣的計算算公式及及其軟件件就能順順利進行行森林資資源計算算機仿真真中的各各種數值值的年度度計算。4 森林資資源的計計算機仿仿真在森森林資源源中的作作用由于森林資資源仿真真具有模模擬、試試驗、控控制、協協調、優(yōu)優(yōu)化、決決策等功功能和作作用，因因此，在在森林資資源的現現代管理理中

22、具有有重要的的理論意意義和十十分廣泛泛的用途途。其作作用如下下：(1)森林林資源的的現代化化管理提提供了理理論依據據通過森林資資源的計計算機仿仿真可以以隨時隨隨地的模模擬和掌掌握森林林資源的的動態(tài)變變化規(guī)律律和生滅滅過程，這這為森林林資源的的科學（定定量）管管理提供供了理論論依據。通過森林資資源仿真真的控制制計算，可可以實現現隨時隨隨地控制制森林資資源的變變化速度度和方向向，滿足足各種經經營目的的的要求求和需要要。因此此它是森森林資源源各種管管理的理理論基礎礎和依據據。通過仿真計計算可以以制定經經營和管管理森林林資源的的各種方方案和措措施，并并可進行行優(yōu)化，這這是實踐踐森林資資源現代代化管理理

23、的關鍵鍵，同時時也是各各種管理理活動的的依據和和憑證。用計算機仿仿真代替替森林經經營方案案，給方方案帶來來了科學學性和信信息化，為為森林資資源的科科學管理理，信息息化管理理提供了了依據?？傊仲Y資源的計計算機仿仿真可以以為森林林資源的的許多管管理理論論和活動動提供可可靠的理理論依據據。(2)為森森林資源源現代化化管理提提供重要要的系統統方法由于森林資資源的計計算機仿仿真可以以模擬森森林資源源的動態(tài)態(tài)變化和和生滅過過程，因因而它為為森林資資源的監(jiān)監(jiān)測與預預測，森森林資源源的再現現和狀態(tài)態(tài)分析等等提供了了具體的的計算方方法。通通過森林林資源的的各種模模擬、試試驗及優(yōu)優(yōu)化等的的仿真計計算，為為確定

24、森森林資源源整體結結構目標標、整體體功能目目標及發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略略目標等等提供了了具體的的計算方方法。通通過模擬擬仿真計計算為計計算森林林資源的的各種評評價指標標參數提提供了具具體計算算方法和和技術。各各種指標標參數不不僅能從從各個方方面對森森林資源源的數量量和質量量進行評評價，為為決策服服務，也也為森林林資源信信息系統統的信息息反饋等等提供了了具體的的途徑。通過模型的的基本函函數（生）、（死）等的模擬、試驗、優(yōu)化等仿真計算，將為各種經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及最佳經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的

25、經營方案及其編制將提供較為完整的方法和技術。森林資源的的仿真和和控制計計算，不不僅為隨隨時隨地地了解和和掌握森森林資源源的動態(tài)態(tài)變化規(guī)規(guī)律和生生滅過程程，而且且為時時時處處能能控制森森林資源源的變化化速度和和方向等等提供了了具體計計算理論論和方法法，是森森林資源源實現可可控計算算最主要要的途徑徑之一，為為森林資資源的結結構調整整、森林林資源的的各種控控制（如如時間、過過程、路路徑、結結構優(yōu)化化等控制制及其復復合控制制）提供供了具體體試驗、分分析、計計算的具具體方法法；同時時仿真的的控制計計算為優(yōu)優(yōu)化提供供了具體體計算手手段，是是各種方方案、措措施的試試驗、對對比、優(yōu)優(yōu)化等提提供了具具體計算算和

26、分析析的方法法；森林林資源仿仿真的控控制計算算將為森森林資源源的可持持續(xù)發(fā)展展的定量量描述有有可能提提供具體體分析、計計算的方方法和手手段；為為森林資資源與生生態(tài)環(huán)境境和人類類關系的的協調等等提供具具體計算算的方法法?？傊仲Y資源的計計算機仿仿真為森森林資源源的科學學管理、信信息管理理、動態(tài)態(tài)管理、優(yōu)優(yōu)化管理理、系統統管理、綜綜合管理理、目標標管理、數數字化管管理以及及科學決決策、定定量決策策、動態(tài)態(tài)決策、目目標決策策等現代代化管理理提供各各種實踐踐的具體體方法和和手段。5 結論通過前面的的論述，有有了描述述森林資資源動態(tài)態(tài)變化及及生滅過過程的數數理方程程，通過過將數理理模型變變?yōu)榉抡嬲婺Ｐ?/p>

27、，則則完全可可以實現現森林資資源的計計算機仿仿真計算算，并可可建立起起森林資資源的計計算機仿仿真理論論和方法法。有了了森林資資源的計計算仿真真，就可可以對森森林資源源動態(tài)變變化和生生滅過程程進行模模擬計算算；可以以為森林林資源的的戰(zhàn)略發(fā)發(fā)展，林林業(yè)方針針政策，各各種經營營措施、林林業(yè)規(guī)劃劃方案等等的制定定和決策策等提供供依據；通過仿仿真可以以對各種種策略、方方案、決決策、措措施等進進行種種種試驗，優(yōu)優(yōu)化等，可可找出其其中最“佳”，最“優(yōu)”、最“合適”的策略略、方案案、措施施等；有有了森林林資源的的計算機機仿真則則可進行行各種控控制計算算，使森森林資源源的結構構調整成成為可能能。這些些為森林林資

28、源的的各種現現代化管管理提供供了理論論依據和和具體實實踐的方方法和技技術。森森林資源源的計算算仿真是是森林資資源現代代化管理理最主要要的系統統方法之之一。由由于森林林資源管管理的計計算機仿仿真包括括的內容容很多，面面很廣，同同時森林林資源是是一個巨巨大的復復雜系統統，因此此它們的的計算機機仿真也也是很復復雜的，本本文只能能作極為為簡單的的概述。參考文獻李留瑜, 鄭冶剛剛. 論論森林的的數量分分布結構構. 系系統工程程理論與與實踐, 19996, 166(4)鄭冶剛, 周蜀林林. DDeduuctiion of thee trranssforrmattionn eqquattionns oof nnumeericcal disstriibuttionn sttruccturres of thee fooresst. Sysstemms SScieencee annd ssysttemss ennginneerringg (IICSSSS993), Innterrnattionnal Acaademmic Pubblissherrs鄭冶剛, 崔賽華華. TTheooretticaat andd tthchhnottogyy ffor fooresst yessourrcess mmodeern mannageemennt. worrd mmanaa