生態模擬

生態模擬是一種套用系統分析的原理，建立生態系統的數學模型，模擬生態系統的行為和特點的研究方法。將生態學現象和概念翻譯成數學語言，用數學的符號和方程式來表示，並將由此得到的數學關係進行運算，作出預判，這種數學系統，稱為生態學中的數學模型。

基本介紹

• 中文名：生態模擬
• 外文名：Ecologicalsimulation
• 領域：生物
• 途徑：軟體生態模擬

模擬介紹

生態模擬的相關定義

模擬，是建立系統或決策問題的數學或邏輯模型，並以該模型

進行試驗，以獲得對系統行為的認識或幫助解決決策問題的過程。

生態模型研究

生態模擬，是將所研究的系統和其工作環境，建立起相應的生態模型。

生態模擬的系統模型

生態模擬是將一個系統和相應的環境，分為許多子系統，分別對每個子系統建立模型，再加以組合。然後把建立的系統模型送入計算機中，就可以用計算機進行模擬處理。為了使模擬工作能自動進行，應根據模擬工作的要求，編出模擬控制程式，使計算機按照程式一步一步工作。這樣，可以模擬出隨時間變化的外部環境的特性，得出在各種情況下系統的反應。

生態模擬的運行特性及套用領域

由於計算機圖形生成和顯示技術已經達到較高水平，在對生態模擬時，可以形象地見到系統工作的實際圖形，並能很容易地修改系統的參數，從而求得最好的效果。 生態模擬具有極高的準確性，在許多方面的科研、設計以及運行工作中被採用。例如：古木的保護，樹木採伐的利與弊，全球變暖同森林的相互作用等等。模擬森林中樹木的數目變化和分布規律，有助於對上述方面進行研究和探索。

建立方法

把生態學現象和概念翻譯成數學語言，並按由此得到的數學關係進行運算

，作出預斷，這種數學系統，稱為生態學中的數學模型。描述某些生態現象的數學關係比較複雜，包括一系列方程式，一般用電子計算機求解，因而也稱為生態系統的電子計算機模型。 系統分析在生態學研究中的套用是從20世紀60年代開始的，最早的論文集《生態學的系統分析》（Sуstem Analуsis in Ecologу）出版於1966年。由於系統分析對分析和說明生態學問題具有獨特的優越性，已引起人們的普遍注意。

模擬生態室

生態學研究是在野外調查和野外實驗獲得有關數據和資料的基礎上，通過建立模型來描述問題的輪廓，指引研究的方向，以便進行模擬試驗和預測。如果所建立的模型未能預測到生態系統變化的情況，也可以進一步研究模型在概念結構上的缺陷，為建立比較符合實際的模型提供參數或修改參數，然後不斷地進行再模擬、操作和預測，一旦建立了一個符合實際的模型，也就為研究工作提供了極為有用的手段，可以進行許多種不同的模擬試驗。在現代科學中，模擬試驗已成為強有力的工具。實際試驗往往需要較長的時間和較多的經費，特別是在污染生態學的研究中，許多實際試驗會帶來嚴重後果，如污染的發生，流行病的傳播，蟲害的暴發等進行實際試驗是不允許的。在這方面模擬試驗卻具有明顯的優越性。

生態模擬的原理

建立模型採用“黑箱”理論。所謂“黑箱’’(black box)，是人們對這樣一類系統的比喻，對於該類系統，人們僅了解其某些輸出特性和功能，但無法或很難知道其內部結構。比如，對於大腦，我們知道它有記憶、聯想、學習等功能，但是，如何實現上述功能的生理生化過程以及形態學的活的構造細節，目前還不大清楚。又比如，一個成熟的生態系統，通常具有能量和物質的生物代謝以及自我凋節等功能，但真正要搞清楚生態系統的內部結構卻很難做到。

黑箱方法，是指通過外部觀測、分析來控制系統的結構和功能特性。比如，通過輸入圖像或聲音符號，觀測、分析腦電波的輸出反應，研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換、處理功能。這就是一種黑箱方法。黑箱方法可用於工程或經濟等各種控制系統，由於不需要把“黑箱"打開，而是依靠外部觀測就可以建立系統的模型，所以，這種方法在生態學研究中也有重要的作用。

反饋是控制論的一個術語，它在電學中的本意是，把放大器輸出電路中的一部分能量送回輸入的電路中，以增強或減弱輸入信號的效應。增強輸入信號效應的為正反饋，減弱輸入信號的效應為負反饋。反饋也可套用於生態系統中，生態系統的反饋機制，在生產實踐中是十分有意義的，它可以使我們減少不必要的浪費去選定技術、方法，以確定最優的生產目標。

當前模擬軟體很多，而生態模擬軟體則有限，常用模

擬軟體如下：Simile、Stella、Madonna、Swarm、SimuLink、Matlab、Scilab、Simcreator、BuildSim等。另外有些研究者使用一些程式語言編制特殊的生態軟體，如：C、Basic、Fortran、Pascal、Java、VBA、Python、Perl等。下面介紹幾種常用的生態模擬軟體：

Simile

Simile

Simile是個圖形化的建模環境，主要用在生態學，生物學，環境科學方面的研究。最突出的特點是它是一個公開的建模環境，也就是說，simile的可視化建模界面只是創建simile模型的一種方式，可以用其它的建模界面（如：文本編輯器）來創建simile模型，只是它是非可視化的而已。Simile 提供了一系列工具用來顯示模擬過程，同時也允許用戶根據需要加入自己的內容 。

Simile主要特點：

(1)

對象的表示法， 以便快速、方便地創建、處理複雜的結構；

生態模擬

(2)比其它的可視建模軟體更具表現力，動態效果明顯；

(3)自動生成C++模型代碼，以便快速執行；

(4)子模型（submodel）有多種用法和作用：將模型圖的元素合成一個子模型，可以實現整體移動；以子模型為單位處理複雜模型的主要組成部分；即插即用模組，允許模型的任何部分單獨截取、使用。使模型的一部分生成一個獨立的模型；支持模的模型結構，這樣的模組可以作為編譯後的C程式來運行，還能作為獨立的子模組嵌入其他模型中；

(5)公開的模型表示法，使用合成方法處理模型容易實現；

(6)比電子製表軟體更好的結構圈；

(7)可以更快地準備、更容易地共享、更有效地維護模型。

Stella

Stella運行在Macintosh和Windows環境下，主要有8大類模型：生命科學，自然科學，社會科學，數學，物理學，化學，經濟學，文學。Stella 是生態建模中一個強

有力的模擬軟體，如氣候的變化如何影響生態系統，當臭氧層被破壞了地球生物會怎樣之類無窮性問題，都可用其進行可視化模擬。Stella的特點：

Stella

(1)提供圖形用戶界面（GUI）以便迅速地收集系統組分間的關係。圖3顯示了構建動態模擬模型的關鍵組分。矩形代表一個系統的狀態值，此處為種群。於雙線相連的圓控制了種群增加，與管線沒有連線的圓僅僅持有公式和變數，弧線表示箭頭處的圓是弧線另一端圖符的函式圓；

(2)其Storytelling特性支持不同方面的知識風格。圖表，圖解和動畫使等式中變數關係形象化，同時還能

通過在模型周圍進行注釋解說或者附上文檔來說明一個新環境量對整體的影響。支持step-by-step模型顯示；

(3)包含三個關聯層，層上附帶有詳細的結構信息和模型的功能．最高層和輸入輸出層提供顯示模型結構的工具，下一層創建模型結構，最低層用圖形和代數形式說明模擬系統成分和初始條件，參數值之間的關係。子模型也支持分層模型結構；

(4)Stella通過計算所有的公式進行模擬，然後更新狀態變數。使用以基礎水平的代數學和基本邏輯寫的差分方程，方程不必是連續的。如果沒適宜的方程或用數學語言描述太困難，或者公式直接由測量支持，建模者可以在Stella界面上畫出圖形關係來描述兩個變數之間的關係，易於理解；

(5)庫和流程圖表支持一般的系統語言，並且能動態地顯示複雜的系統和思路如何運行；

(6)通過靈敏度分析揭示關鍵作用點和最佳狀況條件；

(7)多媒體含有在建模環境中觸發曲線圖、電影、聲音和文本信息的功能；

(8)結果以曲線圖、表、動畫、QuickTime電影或檔案的形式表示；

(9)可保存為全螢幕運行模式；

(10)建模安全問題上，提供了鎖定和密碼保護的功能。

生態模擬的具體形式

a) 數學模擬：運用數學模擬，以系統工程原理和計算機技術為手段，進行機上作業對生物與環境相互關係進行組分最佳化、功能分析和系統管理。如採用分室模型進行系統的能流、物流的穩定性、敏感性分析。

b) 實驗模擬：在實驗室模擬生態系統的基本結構和功能，從實驗中研究現實生態系統的基本規律。如高斯(G·F·Cause)著名草履蟲實驗，就是通過在實驗室中把大草履蟲和雙小核草履蟲混養在一起，研究生物種間競爭的實驗模擬。

c) 生態工程。根據生態學原理，模擬生態系統申的各種相互關係，套用工藝、農藝等技術，對人類社會的生產、生活以至管理系統，進行系統設計與最佳化組裝。它屬於一種套用模擬。

生態模擬研究的過程

a)提出問題

任何生態系統都是多層次多因子的，掌握系統各方面的特徵，需要大量的人力、物力和時間。因而，只能側重某些問題，例如，生態系統的保護、利用和控制，預測生態系統對人為因素作用的反應等，也可以提出想要獲得的本質特徵，指出需要研究的定量過程。

b)文字敘述

這一階段的任務是在提出問題的方案中，確定合乎邏輯的文字材料的形式，表達現有資料和生態系統的內容。首先，確定將要研究的生態系統在景觀上的位置，標出“輸入”、“輸出"，即與相鄰系統、大氣、岩石層、水分和人類活動的關係。這種文字模型應描述生態系統的組成成分、結構和功能特徵。生態系統的功能，是由於系統對外界因子的作用發生反應，而使系統內部特徵隨時間發生變化的過程。

c)列一覽表

這一階段的任務是 (1)確定模型的假設變數組和狀態變數組； (2)根據可能，嚴謹地提出原始模型對所確定模型的模式化映象。列一覽表時應指出變數，表示生態系統內部及外部環境的那些可測特徵和採用什麼方法和單位去測定這些特徵。

d)觀察

根據上一階段的結果，按著文字模型所表達的一般意義，擬定觀察方法，並觀察生態系統的功態和環境的特徵。觀察結果不僅用於以後的工作階段，而且是修訂文字模型的依據。

e)同質證明

這一階段的任務是給出確定的變數之間的數學關係並確定模型的結構。

f)試驗

在進行模型的同質證明時，如果方程和某些參數的意義都是已知時，為了求得參數估計，需要進行野外的或實驗室內的試驗，以便檢驗關予模型變數間相互關係的各種假設。試驗，如同對生態系統的觀察一樣，可以和其它研究過程同時進行。由於需要補充某些新的試驗結果，也可靠返回前一階段，重新開始工作。

g)建立模型

經過同質證明之後，著手建立運算元的問題，從而可以輔助模型運算元，在某些特定條件下才能求出。一般可用電腦程式表達，運用數學手段時，生態學家與數學家(主要是系統分析程式設計專家)密切合作是有效的措施。

h)模型檢驗

此階段需要明確有關模型對原始模型特徵的模擬達到了什麼水平。只有經過全面分析，並且與觀察結果相對比，在運用模型進行預測最最佳化和系統控制的基礎上，才能對模型的可靠性下結論。

i)模型分析

模型分析的過程包括評述模型狀態空間內的總特徵，如有限性、周期性和穩定性等。研究模型的初始狀態和結構的關係；最後研究與假定函式之間的關係。

如果採用古典的數學方法(首先是微分方程理論和差分方程理論)描述模型軌跡的特徵，那么解決具體問題，則要利用在計算機上實施的動態模型的綜合。這種綜合稱之為“靈敏度分析”。分析結果將表明：對模型性能發生影響的初始條件、變數關係和參數以及有哪些內部因子，它們的影響程度如何。根據分析結果得出在觀察、實驗和同質證明階段應該確定的高精度的參數，並且給出相應的近似值。

j)最最佳化

研究生態系統的保護或合理利用時，常常遇到這樣一個問題，即人類總是根據自己的需要把生態系統的某些特徵最最佳化，對該系統的某一外界因子進行調節。例如，在自然保護方面，人們希望保存有價值的生物種；在農業生產方面，希望獲得高產；在水域利用方面，希望最大限度地養魚、開發水源和人們的娛樂場所等。

生態學問題的特點在於同時需要實現多種不同的目的。例如，糧食作物獲得產量最最佳化，就包含著兩個目的一是產量高，二是質量好。在水域利用方面，由於某些目的互不相容而使問題複雜化。比如說，把同一水域既用於飲用水源，又作為娛樂場所就未必行得通。最最佳化實際上是採取折中的辦法，根據大量的有關變數和折中的質量標準去解決。

k)總結

雖然對於一個生態系統的研究，可以無休止地進行下去，而且還可能不斷揭示出新的問題，但終究要進入總結階段。這時要總結所獲得的結果，首先是建立最佳模型，並做出今後的展望．一般說來，全部研究結果都應在總結中加以闡述，包括實驗及觀察結果和模型的描述，說明模型的優缺點，並舉出預測和最最佳化的實例。