长江江豚种群数量的分析.doc

长江江豚种群数量的分析摘要长江江豚是江豚的3个淡水亚种之一，据监测数据表明，该亚种种群数量自20世纪80年代以来一直呈下降趋势，2002年被国家列为二级保护动物如不加紧保护措施，许多专家预言江豚将在10-15年后灭绝，因此分析江豚种群的数量变化规律，并给出相应的保护措施，具有重要的现实意义。对于问题一，查找数据得到1988年，1994年，2000年，2006年，2012年的长江江豚的种群数量，对数据进行插值，可得到从1988-2012年的江豚数量，然后运用灰色BP网络预测法对数据进行分析预测，可得到当种群数为1时的年份是 年，即为出现功能性灭绝的时间此时江豚的种群数量为1只，检验模型的相对误差为 。对于问题二，功能性灭绝是数量稀少，自然状态下基本丧失了维持繁殖的能力，甚至丧失了维持生存的能力，而当一个物种最后一个个体的死亡才是灭绝，查找相关数据获悉江豚的平均寿命为30年，由问题一预测出了江豚的功能性灭绝出现在 年，则预测江豚出现灭绝为 年。对于问题三，查找了3月份以来的洞庭湖江豚的死亡记录，并分析了江豚的主要死因主要是采砂、滥捕、水体污染等，并收集到了2006年、2007年、2009年、2010年、2012年的洞庭湖的江豚数量，分析各年江豚的数量的变化，说明了如若不立即采取相应的保护措施，洞庭湖将会是江豚最早出现功能性灭绝的地方。对于问题四，由问题三已分析出江豚死亡的主要原因有采砂、滥捕和水体污染等，根据江豚的死亡原因给出了保护的5点建议。关键词：灰色BP网络预测法 死亡原因 建议问题重述江豚是目前长江里唯一的淡水哺乳动物，分布于长江中下游干流以及洞庭湖和鄱阳湖等区域，近20年来种群量快速衰减。资料显示，1991年长江江豚数量是2700多头；2006年，国际联合科学考察组经一个多月调查发现，江豚数量已不足1800头；2011年，它们的数量可能仅为1000余头，洞庭湖仅剩85头江豚。 截止2012年，由于长江流域水体污染加剧、人类肆意采挖江砂、非法使用渔具等原因，长江江豚的生存和繁育受到严重影响。长江江豚的数量只剩下1200头，并且每年以月6.4%的速度在减少，如不抓紧保护，长江江豚将会在1015年出现功能性灭绝。查找相关资料，建立数学模型研究长江江豚种群数量，并解决如下问题。问题一，长江江豚出现功能性灭绝的时间和数量；问题二，长江江豚出现功能性灭绝至彻底灭绝的时间；问题三，今年3月份以来，洞庭湖连续发现江豚死亡,这说明什么？问题四，根据你的分析，给出保护这一珍稀物种的建议。问题分析对于问题一，功能性灭绝是指该物种因其生存环境被破坏，数量非常稀少，以致在自然状态下基本丧失了维持繁殖的能力，甚至丧失了维持生存的能力，量化这个标准我们取当只存在1只江豚时为功能性灭绝的时间，查找到1988年、1994年、2000年、2006年、2012年长江江豚的原始数据，用内插法将1988-2012各年的数据模拟出来，运用灰色BP网络预测法对数据进行分析预测，可得到当种群数为1时的年份，即为出现功能性灭绝的时间。对于问题二，查找相关资料获悉江豚的平均寿命为30年，由问题一已求出了出现功能性灭绝的时间，而当一个物种最后一个个体的死亡才是灭绝，所以用功能性灭绝的时间加上江豚的寿命即为预测灭绝的时间。对于问题三，查找了3月份以来的洞庭湖江豚的死亡记录，并分析了江豚的主要死因主要是采砂、滥捕、水体污染等，并收集尽量多的洞庭湖的江豚各年数量，分析各年江豚的数量的变化，总结说明的问题。对于问题四，由问题三已分析出江豚死亡的主要原因有采砂、滥捕和水体污染等，根据江豚的死亡原因给出了保护的建议。符号说明符号说明对原序列做一次累加所得原始时间数据序列待辨识系数待辨识系数累加数据的预测值模型假设假设一，所给的原始数据符合实际；假设二，不考虑洪水等自然灾害的发生；假设三，假设长江江豚不发生迁移；假设四，假设江豚种群不发生瘟疫等模型的建立模型一的建立GM(1,1)模型是灰色预测的核心,是单变量预测的一阶微分方程模型,其离散时间响应函数近似呈指数规律。GM(1,1)模型的原理如下：设原始时间数据序列为： （1）对原序列做一次累加得： （2）其相应的GM(1,1)的微分方程为: (3)其中，为待辨识参数。设待辨识向量,以最小二乘法求得，其中于是可得到灰色预测的离散时间响应函数： (4)为所得的累加的预测值,将预测值还原： (5)BP神经网络模型的基本原理：学习过程中由信号的正向传播与误差的逆向传播两个过程组成，正向传播时,模式作用于输入层,经过隐层处理后,传入误差的逆向传播阶段,将输出误差按某子形式,通过隐层向输入层逐层返回,并“分摊”给各层的所有单元,从而获得各层单元的参考误差或称误差信号,以作为修改各单元权值的依据.权值不断修改的过程，也就是网络学习过程.此过程一直进行到网络输出的误差准逐渐减少到可接受的程度或达到设定的学习次数为止，BP网络模型包括其输入输出模型,作用函数模型,误差计算模型和自学习模型。BP网络由输入层,输出层以及一个或多个隐层节点互连而成的一种多层网,这种结构使多层前馈网络可在输入和输出间建立合适的线性或非线性关系,又不致使网络输出限制在-1和1之间.见图1输入层输出层隐含层P1X1P2P3Pn图1 BP网络模型 O O O O (大于等于一层)W(1)W(L)BP神经网络的训练：从样本集中取一个样本, 将输入网络；计算出误差测度和实际输出；对权重值各做一次调整, 重复这个循环, 直到.向后传播阶段误差传播阶段：计算实际输出与理想输出的差；用输出层的误差调整输出层权矩阵；用此误差估计输出层的直接前导层的误差,再用输出层前导层误差估计更前一层的误差.如此获得所有其他各层的误差估计；并用这些估计实现对权矩阵的修改.形成将输出端表现出的误差沿着与输出信号相反的方向逐级向输出端传递的过程.网络关于整个样本集的误差测度：灰色BP预测模型实行步骤（1) 输入原始数据资料；(2) 应用灰色模型进行预测, 得到预测序列；(3) 将预测值作为输入量, 原始数据作为期望值, 对BP神经网络进行训练, 得到相应的权值和阀值；(4) 输入需要预测的年份, 即可得到具有相当精度的预测量。查找资料可得长江江豚的数量：表1：查找得到的江豚数据年份19881994200020062012数量（只）27002500200018001200运用灰色预测模型需要等时距，我们对数据用内插值法对数据插值得到的结果为图1，插值法曲线表2：插值后得到的数据年份数量（只）20002000198827002001195119892727200219151990272420031886199126952004186019922646200518331993257920061800199425002007175519952413200816951996232120091614199722302010150819982143201113711999206520121200模型一的求解：由表2可得原始时间数据序列为： （6）根据（6）得一次累加生成序列为： （7）将，数据代入上述模型，求解得结果如下年份原值灰色预测相对误差Bp神经网络灰色BP组合模型相对误差198827002700.0 0%2696.8 2696.8 -0.00119198927272842.7 4%2733.7 2733.7 0.002464199027242759.2 1%2715.2 2715.2 -0.00322199126952678.1 -1%2689.7 2689.7 -0.00198199226462599.3 -2%2655.3 2655.3 0.0035199325792522.9 -2%2589.0 2589.0 0.003878199425002448.8 -2%2492.6 2492.6 -0.00296199524132376.8 -2%2401.7 2401.7 -0.00467199623212306.9 -1%2324.5 2324.5 0.001514199722302239.1 0%2242.0 2242.0 0.005387199821432173.3 1%2148.4 2148.4 0.002512199920652109.4 2%2058.6 2058.6 -0.0031200020002047.4 2%1989.4 1989.4 -0.0053200119511987.2 2%1944.0 1944.0 -0.00358200219151928.8 1%1915.4 1915.4 0.000218200318861872.1 -1%1894.0 1894.0 0.004225200418601817.1 -2%1870.1 1870.1 0.005448200518331735.1 -5%1836.5 1836.5 0.001923200618001670.4 -7%1793.1 1793.1 -0.00384200717551605.6 -9%1654.7 1654.7 -0.05715200816951540.8 -9%1593.9 1593.9 -0.05964200916141476.0 -9%1533.1 1533.1 -0.05011201015081411.2 -6%1472.3 1472.3 -0.02365201113711346.4 -2%1411.5 1411.5 0.029567201212001281.7 7%1350.7 1350.7 0.12562问题三的分析据新闻报道从3月3日到4月17日的44天之时间里，洞庭湖区域就发生了12头江豚死亡事件，其中有两头是是被“电打鱼”电死和螺旋桨“绞杀”的，还有两头被饿死的，专家分析其他原因有因渔民滥补受搁浅死亡，也有的为水体污染死亡，分析总结鄱阳湖江豚死亡的主要原因有：（1）采砂鄱阳湖的挖砂船主要集中在都昌、星子、鄱阳等水域，和江豚主要分布地重叠，挖沙回会产生湖凼子，破坏生态环境，使湖水浑浊，并制造噪声，让靠声呐探测和识别物体的江豚迷失方向，容易成为采砂船的“刀下鬼”，此外还会破坏鱼类产卵、繁殖的环境。（2）滥捕据报道，靠鄱阳湖为生的渔民共有10万人，渔船近1.4万艘，通过电打、迷魂阵等方式捕鱼，鱼越来越少，而鱼越少，渔民打鱼的方式越极端，滥捕摧毁了湖中江豚的食物链，让以小鱼为生的江豚觅食日渐困难，电打、迷糊阵等捕鱼方式，则让江豚成为直接伤害者。（3）污染离鄱阳湖湖口不远的化工企业不合理的布局，让该江段的鱼类大量死亡，直接伤害了江豚。收集各年洞庭湖的江豚数据年份20062007200920102012数量（只）23018014511485用matlab做出曲线图如下：图1：不同年份江豚数量图由图可知江豚的数量每年骤减，其中2010年的数据仅是3月前的预测数据，而从3月3日到4月17日，短短的44天时间就有12头江豚的死亡记录，结合上述的江豚死亡原因分析，说明如若不采取措施治理，洞庭湖将会成为江豚最早出现功能性灭绝的地方。问题四的分析收集近年来长江江豚的死亡记录如下：表3：近年来长江江豚死亡记录年份死亡数据（只）200820200921201019201121201232由表3数据用matlab做出各年死亡记录的趋势图图2：长江近年来江豚的死亡记录趋势图由图2可知长江江豚的死亡记录2008-2011年死亡记录较平稳，而从2011-2012年，死亡记录骤增，说明江豚每年意外死亡呈增长趋势，死亡增长的 原因根据问题三的分析可知主要有3个，分别是采砂、滥捕、水体污染等， 面对如今保护江豚日益严峻的局面给出的建议：（1）、各政府机关开展联合执法行动，控制航运、挖沙、非法捕鱼、不合格排污等行为，对可能影响江豚生存的行为严厉禁止，执法行为要常态化、规模化，深入化，切实维护水域的生态安全。（2）、各政发现江豚死亡并及时组织分析死亡原因，同时迅速采取应急措施，加大人力、物力的投入，在江豚栖息的重点水域加强巡查，对被困及搁浅的江豚及时救护。（3）、水生动物的相关单位（水生动物求治中心、水族馆和科研单位）积极配合与参与到保护江豚的行动中。（4）提高保护级别，提升保护措施，组织开展科普宣传活动，让公众认识了解江豚的及其生活环境，提高他们的保护意识，让更多的社会力量投入到江豚的保护行动上来。（5） 加大科学研究的力度，扩展研究范围，系统分析江豚生存面临的环境问题。启动在洞庭湖开展就地保护的策略研究，着手在长江两岸的湖北黑瓦屋故道、湖南华容集成垸故道和较适宜的其他内湖水域开展迁地保护的论证研究。将洞庭湖作为试点，开展大型通江湖泊生态系统管理模式的试点工作，切实理顺管理体制与生态、经济、社会协调发展的矛盾。附录：p=xlsread(E:1.xls,1,A1:Y1);t=xlsread(E:1.xls,1,A2:Y2); pn,minp,maxp,tn,mint,maxt=premnmx(p,t); %net=newff(minmax(pn),5,1,tansig,purelin,traingdx); %,BPnet.trainParam.show=1000; % net.trainParam.lr=0.01;net.trainParam.epochs=100000;net.trainParam.goal=1e-4;net,tr=train(net ,pn,tn) %TRAINGDMBPpnew=xlsread(E:1.xls,1,X1:CV1); pnewn=tramnmx(pnew,minp,