森林资源系统的计算机仿真和现代化管理

1、森林资源源系统的的计算机机仿真与与现代化化管理李昀*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:（北京林林业大学学信息学学院，11000083）崔赛华（北京林林业大学学信息学学院，11000083）郑治刚（国家林林业局规规划院，10007144）摘要本文文论述了了森林资资源系统统的计算算机仿真真理论和和方法，它是森森林资源源现代化化管理的的理论基基础和最最主要的的系统方方法之一一。关键词森森林资源源 模型 计计算机仿仿真 现代代化管理理1 引言言森林资源源系统的的计算机机仿真，就是借借助描述述森林资资源系统统的数学学模型，在计算算机上对对森林资资源系统统的

2、动态态变化规规律和生生灭过程程进行各各种模拟拟、试验验和计算算分析。由于计计算机仿仿真具有有模拟、试验、协调、控制、优化、运筹、决策等等功能，使得其其成为现现代化管管理理论论的依据据和最主主要的系系统方法法之一。因此，森林资资源系统统的计算算机仿真真是林业业科学工工作和系系统理论论工作者者研究的的热点问问题。目前，无无论是国国外还是是国内所所进行的的森林资资源的计计算机仿仿真，所所使用的的数学模模型不是是经验模模型就是是统计模模型，并并多为常常微分方方程。它它们都不不是根据据森林资资源的动动态变化化规律和和生灭过过程而推推出的数数理方程程，这些些模型都都不能从从空间和和时间状状态同时时对森林林

3、资源的的“生”、“长”、“死”及动态态变化规规律作出出深刻而而准确的的描述和和表达。因此，用这样样的数学学模型进进行的计计算机仿仿真不可可能对森森林资源源的动态态变化规规律和生生灭过程程作深刻刻、精确确的描述述和表达达，不能能对森林林资源进进行准确确的模拟拟、试验验和分析析，用这这样的模模型对森森林资源源进行计计算机仿仿真很难难建立起起森林资资源现代代化管理理的计算算机仿真真理论和和技术方方法。本文论述述的森林林资源系系统计算算机仿真真所使用用的数学学模型是是我们在在已完成成的国家家自然科科学基金金项目中中所推导导的描述述森林资资源动态态变化和和生灭过过程的数数理方程程，这些些模型是是维数不不

4、等的偏偏微分方方程，描描述了森森林资源源的状态态空间和和时间空空间内的的动态变变化规律律、生灭灭过程和和运动轨轨迹。因因此，森森林资源源系统的的计算机机仿真是是属于分分布参数数系统的的计算机机仿真。2 森林林资源系系统仿真真的数学学模型森林资源源是森林林的数量量和质量量的统一一标度和和表达，是森林林具有财财产和价价值的属属性部分分。目前前，森林林资源一一般是指指森林的的面积资资源和立立木蓄积积资源。森林资资源是由由森林各各种各样样维数不不等的数数量分布布结构组组成，森森林的这这种数量量分布结结构称为为森林资资源分布布结构。森林资资源是森森林数量量分布结结构的总总称，是是各种特特定（具具体）的的

5、森林资资源分布布结构的的集合体体，每一一种特定定的森林林资源分分布结构构表示了了一种特特定（具具体）的的森林资资源。根据森林林资源是是由许许许多多一一维、二二维n维等数数量分布布结构组组成，并并依据森森林资源源分布结结构的动动态变化化规律和和生灭过过程推导导出了描描述森林林资源分分布结构构动态变变化规律律和生灭灭过程的的数理方方程。(1)同同龄纯林林的林龄龄面积分分布结构构变化方方程： (1 )(2)林林木直径径分布结结构结构构变化方方程： (2 )(3)林林木株数数的直径径树高分分布结构构变化方方程：(3 )(4)混混交林的的林木直直径分布布结构变变化方程程： (4 )(5)混混交异龄龄林的

6、林林木株数数的直径径林龄分分布结构构变化方方程： (5 )(6)混混交异龄龄林的面面积按混混交系数数平均年年龄分布布的分布布结构变变化方程程： (6 )(7)森森林资源源分布结结构变化化方程的的一般形形式（通通式方程程） (77 )以上均为为方程的的连续型型模型。森林资资源的计计算机仿仿真就是是用上述述方程的的离散型型模型。离散型型模型一一般可用用向量的的形式或或矩阵的的形式表表示，由由于篇幅幅关系上上述方程程的离散散型模型型从略。在上述方方程中，（1）至（66）式是是描述森森林资源源某些具具体分布布结构的的动态变变化规律律和生灭灭过程的的数理方方程；（7）式式是描述述森林资资源各种种连续型型

7、、阶梯梯型分布布结构的的动态变变化规律律和生灭灭过程的的数理方方程，是是通式方方程，（1）至至（6）式是（7）式式的具体体化。由由于森林林资源是是由各种种分布结结构组成成，因此此森林资资源就得得到了描描述。上述所有有模型都都把自己己所描述述的系统统（分布布结构）在t时的状状态（PP(t)），起起始状态态（p(o)）、t时刻生生的状态态（(t)）、死死的状态态（(t)）、长长的状态态（(t)）等有有机的连连系在一一起，充充分地表表示了它它们之间间的数量量关系，描述了了系统与与个体、个体与与个体之之间的相相互数量量关系及及生灭过过程的数数量关系系，深刻刻地揭示示了森林林资源系系统的动动态变化化规律

8、和和生灭过过程，描描述了森森林资源源在时间间空间上上运动的的轨迹。同时这这些模型型都有解解，且解解唯一，并具有有连续依依赖变量量而变化化。这些些都为森森林资源源的计算算机仿真真提供了了可靠的的数学模模型，坚坚实的理理论依据据和数理理方法。3 森林林资源计计算机仿仿真计算算的主要要内容森林资源源系统计计算机仿仿真的关关键是对对偏微分分方程进进行求解解，即如如何将数数学模型型变为仿仿真模型型。由仿仿真模型型可以研研制适合合于森林林资源特特点的分分布参数数系统仿仿真软件件，从而而在计算算机上实实现仿真真计算。本文对对如何具具体编制制仿真软软件不作作讨论，只对如如何通过过仿真实实现各种种仿真目目标进行

9、行讨论。3.1森森林资源源仿真计计算的主主要目标标(1)模模拟森林林资源的的动态变变化和生生灭过程程的仿真真计算描述森林林资源分分布结构构动态变变化和生生灭过程程的连续续型模型型离散化化变为离离散型模模型。将将其任意意时间tt的起始始（初值值）状态态p(0)、生的的状态(t)、长的的状态(t)、死的的状态(t)等值代代入方程程，可得得到系统统（森林林资源分分布结构构）在各各个不同同时间，不同的的生、长长、死状状态下的的状态值值，从而而在计算算机上实实现森林林资源分分布结构构动态度度化和生生灭过程程的模拟拟仿真计计算。森林资资源的监监测与预预测计算算。监测测就是通通过各种种调查、统计、遥感等等方

10、法和和手段，即时获获得各个个时间段段上系统统的造林林更新率率(t)、保存存率(t)、生长长率(t)、死亡亡率(t)等参数数代入方方程，计计算出各各时间段段上森林林资源（系统）的状态态值，进进行动态态监测。利用模模型进行行预测计计算，其其实质就就是对模模型的基基本函数数(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等进行行外推，外推值值代入方方程计算算，实现现对某系系统未来来的预测测。森林资资源现状状分析计计算。森林资资源再现现计算。有了森森林资源源现在的的状态值值S（kk）和k1时到KK时的（k-11）、(k-11)、(k-11)的值就就可以计计算过去去（k-1）的的森林资资源的状状态值，实现森森林资

11、源源的再现现。计算指指标参数数体系，对森林林资源进进行评价价。由于于描述森森林资源源分布结结构的数数学模型型是数理理方程即即理论模模型，因因而所有有描述森森林资源源质量和和数量的的指标参参数都可可以通过过它的状状态函数数而计算算出来。通过模模拟仿真真计算，只要计计算出它它任意时时间后状状态值，就可以以计算出出相应时时间的各各种指标标参数，形成指指标参数数体系。可以实实现随时时随地对对森林资资源进行行科学的的评价。(2)对对经营方方案，措措施等进进行优化化的仿真真计算模型中的的(t)、(t)、(t)、(t)、(t)等基本本函数值值的大小小，在实实际生产产中和森森林资源源经营和和管理活活动中的的经

12、营措措施和经经营方案案等有密密切的关关系。而而这些基基本函数数的值在在已知tt时的状状态值PP(t)，起始始状态（初值）的值PP(0)及其它它基本函函数值的的情况下下，无论论是通过过方程的的连续型型模型还还是离散散型模型型都可以以求出。在实际际生产中中就是在在已知经经营森林林资源者者所需要要的状态态或要达达到的状状态P(t)，以及及目前的的状态即即起始状状态P(0)，如何何从目前前的状态态P(0)达到所所需要或或要达到到的状态态P(t)，应采采取什么么经营措措施，即即通过采采（）多少少，造（）多少少，长（）多少少才能达达到所要要求的状状态，即即通过什什么样的的经营措措施和方方案才能能达到。这些

13、都都可以通通过方程程分别求求得每一一个基本本函数的的值，该该值就是是应该采采取的措措施值，这一完完整的经经营方案案，经营营措施的的优化过过程，通通过系统统的仿真真模型编编制成仿仿真软件件，在计计算机上上通过仿仿真计算算完全可可以实现现。并且且可以对对多个方方案，各各种可能能的经营营措施进进行模拟拟、试验验、对比比等仿真真计算，寻求最最优或最最佳方案案和措施施。这是是计算机机仿真的的一大优优点，人人工计算算是不可可想象的的。(3)控控制的仿仿真计算算在控制论论中，许许多复杂杂系统的的控制问问题都是是利用系系统的仿仿真计算算而实现现可控计计算和讨讨论，把把仿真计计算作为为实现可可控计算算的工具具和

14、方法法之一。同样森森林资源源的结构构调整以以及森林林资源的的最优控控制等都都可以通通过描述述森林资资源的数数理方程程在计算算机上进进行仿真真计算来来实现。森林资源源的结构构调整其其实质是是森林资资源的分分布结构构调整。就是由由现在的的一种不不合理（不理想想）的分分布结构构状态出出发，在在一定时时间内或或在最短短的时间间内通过过不断的的调整控控制变量量，平稳稳过渡到到理想（合理）的结构构状态，是一个个控制问问题。在在林业实实际生产产中，森森林资源源分布结结构的调调整主要要是通过过采伐和和造林更更新达到到调控的的目的，在目前前的科技技水平下下林木的的生长速速度还无无法做到到控制。森林资源源的控制制

15、就是通通过可控控制变量量的取值值范围和和大小进进行调控控，在使使得路径径最短（最优）或时间间最短（最优）或结构构最佳等等的情况况下由目目前的状状态过渡渡到理论论或要求求的状态态。这一一讨论和和分析过过程同样样也可以以通过仿仿真计算算而实现现。例如如森林资资源的可可持续发发展的定定量描述述只有通通过描述述森林资资源的数数理方程程而建立立的控制制理论和和方法、仿真理理论和方方法才能能建立和和完成。同样，森林资资源与环环境和人人类社会会关系的的协调、平衡和和发展及及其实现现也只有有通过森森林资源源的控制制理论和和方法与与森林资资源的仿仿真理论论和方法法才能建建立和实实现。(4)运运用森林林资源的的计

16、算机机仿真替替代传统统的经营营方案编编制森林经理理学（森森林的经经营和管管理的科科学）的的主要研研究内容容之一是是编制施施业案或或称经营营方案等等。过去去编制经经营方案案是根据据森林的的现状（静态）和林分分的状况况及地形形、土壤壤、气候候等因素素，并且且根据编编制人员员理论和和经验而而确定森森林资源源今后55年或110年或或更长时时间对经经营的目目的（要要达到目目标），应采取取的措施施如抚育育、间伐伐等编制制一个实实施方案案。这样样编制出出的方案案是一个个静态、一成不不变的东东西，是是凭人的的某种主主观意识识和经验验而编制制的。而而森林资资源及其其环境时时刻都在在变化，其中很很多因素素是人无无

17、法控制制和预知知的。因因此，用用一个既既定的方方案去要要求一个个分复杂杂而不断断变化着着的系统统以实现现预先的的目标，这是很很难想象象的。事事实上生生产中几几乎所有有编制的的经营方方案都无无法实践践，都行行不通。借助森森林资源源的数理理模型，在计算算机实现现森林资资源系统统动态变变化和模模拟仿真真，从而而达到制制定各种种最佳方方案并加加以实施施，做到到时时掌掌握森林林资源系系统的变变化情况况以及发发展趋势势。因此此，用建建立森林林资源计计算机仿仿真计算算和决策策支持系系统代替替经营方方案及其其编制完完全可能能和可行行。3.2 森林资资源仿真真的辅助助计算为了实现现各种仿仿真计算算的目标标，需要

18、要进行仿仿真的辅辅助计算算，以满满足仿真真计算所所需的参参数，指指标、数数据及处处理数据据的技术术方法，使得仿仿真计算算有较好好的效果果。其内内容主要要有基本本参数的的提取，参数的的延伸、指标参参数体系系的计算算，将nn阶转移移矩阵变变为一阶阶转移矩矩阵的计计算等。(1)基基本参数数的提取取的计算算在进行森森林资源源的计算算机仿真真计算时时，需要要基本参参数即郁郁闭成林林率(t)，生长长率(t)，死亡亡率(t)才能进进行各种种模拟计计算。这这些参数数的获取取主要是是通过森森林资源源的各种种调查资资料如连连续定位位调查的的材料；各种图图面材料料；遥感感的卫片片或航片片；森林林资源的的各种档档案等

19、，从它们们当中进进行提取取、统计计而获得得。因此此形成了了较为完完整的参参数提取取方法。(2)基基本函数数值外延延的计算算利用数学学模型对对森林资资源进行行预测，其实就就是对模模型的基基本函数数(死)、（生）、（长）等进行行外推。根据这这些基本本函数的的物理意意义、特特点和规规律可以以从许多多外推的的数学方方法中选选取适合合于基本本函数的的特点和和需要的的外推方方法进行行外推计计算。其其方法一一般有平平均法、曲线拟拟合法、参数辩辩识法、时间序序列法等等等。(3)指指标参数数体系的的计算在森林资资源仿真真计算时时，不仅仅需要计计算出森森林资源源的状态态值而且且需要计计算出许许多评价价森林资资源质

20、量量和数量量的各种种指标参参数，而而每一项项指标参参数是从从某一方方面和某某一角度度定量的的刻画系系统的动动态变化化规律和和特点。而所有有的各种种指标参参数构成成了指标标参数体体系，指指标参数数体系是是从各个个方面较较完整地地描述了了系统数数量和质质量的特特点。对对各种指指标参数数的计算算给出公公式或计计算方法法并编成成软件，在森林林资源仿仿真计算算时可随随时调用用。(4)将将n阶转移移矩阵变变为一阶阶转移矩矩阵的计计算在进行森森林资源源系统分分析中，特别是是在林业业资源预预测或监监测中，怎样将将步长为为n年的的转移频频率矩阵阵变为一一年的平平均转移移频率矩矩阵，以以便达到到逐年对对森林资资源

21、进行行系统分分析以及及预测、监测、结构调调整和其其它用途途的目的的，是一一项经常常遇到的的重要实实际问题题和技术术方法。目前我我国的森森林资源源调查都都有一定定的间隔隔期，一一般是每每五年进进行一次次或更长长时间，由此得得到的各各种转移移矩阵其其步长为为5年或或更长。而生产产中需要要对森林林资源的的变化进进行每年年的分析析，这就就需要如如何将步步长为nn年的转转移矩阵阵变为步步长为11年的转转移矩阵阵。有了了这样的的计算公公式及其其软件就就能顺利利进行森森林资源源计算机机仿真中中的各种种数值的的年度计计算。4 森林林资源的的计算机机仿真在在森林资资源中的的作用由于森林林资源仿仿真具有有模拟、试

22、验、控制、协调、优化、决策等等功能和和作用，因此，在森林林资源的的现代管管理中具具有重要要的理论论意义和和十分广广泛的用用途。其其作用如如下：(1)森森林资源源的现代代化管理理提供了了理论依依据通过森林林资源的的计算机机仿真可可以随时时随地的的模拟和和掌握森森林资源源的动态态变化规规律和生生灭过程程，这为为森林资资源的科科学（定定量）管管理提供供了理论论依据。通过森林林资源仿仿真的控控制计算算，可以以实现随随时随地地控制森森林资源源的变化化速度和和方向，满足各各种经营营目的的的要求和和需要。因此它它是森林林资源各各种管理理的理论论基础和和依据。通过仿真真计算可可以制定定经营和和管理森森林资源源

23、的各种种方案和和措施，并可进进行优化化，这是是实践森森林资源源现代化化管理的的关键，同时也也是各种种管理活活动的依依据和凭凭证。用计算机机仿真代代替森林林经营方方案，给给方案带带来了科科学性和和信息化化，为森森林资源源的科学学管理，信息化化管理提提供了依依据。总之森林林资源的的计算机机仿真可可以为森森林资源源的许多多管理理理论和活活动提供供可靠的的理论依依据。(2)为为森林资资源现代代化管理理提供重重要的系系统方法法由于森林林资源的的计算机机仿真可可以模拟拟森林资资源的动动态变化化和生灭灭过程，因而它它为森林林资源的的监测与与预测，森林资资源的再再现和状状态分析析等提供供了具体体的计算算方法。

24、通过森森林资源源的各种种模拟、试验及及优化等等的仿真真计算，为确定定森林资资源整体体结构目目标、整整体功能能目标及及发展战战略目标标等提供供了具体体的计算算方法。通过模模拟仿真真计算为为计算森森林资源源的各种种评价指指标参数数提供了了具体计计算方法法和技术术。各种种指标参参数不仅仅能从各各个方面面对森林林资源的的数量和和质量进进行评价价，为决决策服务务，也为为森林资资源信息息系统的的信息反反馈等提提供了具具体的途途径。通过模型型的基本本函数（生）、（死）等的模模拟、试试验、优优化等仿仿真计算算，将为为各种经经营和管管理森林林资源的的方案、措施的的试验、对比、优化等等提供了了具体的的计算方方法；

25、为为森林资资源管理理制定多多方案以以及最佳佳经营方方案和措措施提供供了具体体分析和和计算的的方法，以计算算机仿真真替代传传统的经经营方案案及其编编制将提提供较为为完整的的方法和和技术。森林资源源的仿真真和控制制计算，不仅为为随时随随地了解解和掌握握森林资资源的动动态变化化规律和和生灭过过程，而而且为时时时处处处能控制制森林资资源的变变化速度度和方向向等提供供了具体体计算理理论和方方法，是是森林资资源实现现可控计计算最主主要的途途径之一一，为森森林资源源的结构构调整、森林资资源的各各种控制制（如时时间、过过程、路路径、结结构优化化等控制制及其复复合控制制）提供供了具体体试验、分析、计算的的具体方

26、方法；同同时仿真真的控制制计算为为优化提提供了具具体计算算手段，是各种种方案、措施的的试验、对比、优化等等提供了了具体计计算和分分析的方方法；森森林资源源仿真的的控制计计算将为为森林资资源的可可持续发发展的定定量描述述有可能能提供具具体分析析、计算算的方法法和手段段；为森森林资源源与生态态环境和和人类关关系的协协调等提提供具体体计算的的方法。总之森林林资源的的计算机机仿真为为森林资资源的科科学管理理、信息息管理、动态管管理、优优化管理理、系统统管理、综合管管理、目目标管理理、数字字化管理理以及科科学决策策、定量量决策、动态决决策、目目标决策策等现代代化管理理提供各各种实践践的具体体方法和和手段

27、。5 结论论通过前面面的论述述，有了了描述森森林资源源动态变变化及生生灭过程程的数理理方程，通过将将数理模模型变为为仿真模模型，则则完全可可以实现现森林资资源的计计算机仿仿真计算算，并可可建立起起森林资资源的计计算机仿仿真理论论和方法法。有了了森林资资源的计计算仿真真，就可可以对森森林资源源动态变变化和生生灭过程程进行模模拟计算算；可以以为森林林资源的的战略发发展，林林业方针针政策，各种经经营措施施、林业业规划方方案等的的制定和和决策等等提供依依据；通通过仿真真可以对对各种策策略、方方案、决决策、措措施等进进行种种种试验，优化等等，可找找出其中中最“佳”，最“优”、最“合适”的策略略、方案案、

28、措施施等；有有了森林林资源的的计算机机仿真则则可进行行各种控控制计算算，使森森林资源源的结构构调整成成为可能能。这些些为森林林资源的的各种现现代化管管理提供供了理论论依据和和具体实实践的方方法和技技术。森森林资源源的计算算仿真是是森林资资源现代代化管理理最主要要的系统统方法之之一。由由于森林林资源管管理的计计算机仿仿真包括括的内容容很多，面很广广，同时时森林资资源是一一个巨大大的复杂杂系统，因此它它们的计计算机仿仿真也是是很复杂杂的，本本文只能能作极为为简单的的概述。参考文献献李留瑜, 郑冶冶刚. 论森林林的数量量分布结结构. 系统工工程理论论与实践践, 119966, 116(44)郑冶刚,

29、 周蜀蜀林. Dedducttionn off thhe ttrannsfoormaatioon eequaatioons of nummeriicall diistrribuutioon sstruuctuuress off thhe fforeest. Syysteems Sciiencce aand sysstemms eengiineeerinng (ICSSSS93), IInteernaatioonall Accadeemicc Puubliisheers郑冶刚, 崔赛赛华. Theeoreeticcat annd thcchnootoggy forr fforeest yeesouurcees moddernn maanaggemeent. woord man