生態模擬

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。所謂生態模擬，是將所研究的系統和其工作環境，建立起相應的生態模型。比較容易實現的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，編出模擬控制程序，使計算機按照程序一步一步工作。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。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佈規律，有助於對上述方面進行研究和探索。

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應用是從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。

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。

採用模型來描述和預測生態系統的行為，主要根據等級組織原理，就是把一個大的系統劃分為若干亞系統，亞系統還可再分為亞亞系統，如此構成一個有層次的系統。在預測系統或亞系統的行為時，可以把其內部結構不清楚的對象看成“黑箱”，把外部對於這個對象的影響看成輸入，而把這個對象對於外部的影響看成輸出，通過對輸入和輸出關係的研究，來預測“黑箱”的行為。“黑箱”理論是控制論所建立的方法，適用於複雜的生態學研究。

建立模型常用集論、向量、矩陣代數、微分和積分等數學知識。組建模型通常分六個邏輯步驟：確定模擬對象，確定系統的結構，建立系統的數學模型，檢驗模型的有效性，分析系統的靈敏度（或稱敏感性分析）,模擬和運用所建立的系統模型。

20世紀70年代以來，模擬試驗技術已經在生態學的許多領域得到廣泛應用。例如羅馬學會（又稱羅馬俱樂部）根據十幾年來人類活動引起的全球性影響，其中包括工農業的發展、人口的增長、營養的分配、環境的污染、資源的利用等，應用大量的狀態變數和參數，建立了“世界模型”，並利用電子計算機進行模擬，對人類的未來進行了預測。中國學者也已開始生態模擬的研究工作。

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編程語言編製特殊的生態軟體，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；

(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；即插即用模塊，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，這樣的模塊可以作為編譯后的C程序來運行，還能作為獨立的子模塊嵌入其他模型中；

(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：

(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，與管線沒有連接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數圓；

(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註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電影或文件的形式表示；

(9)可保存為全屏運行模式；

(10)建模安全問題上，提供了鎖定和密碼保護的功能。

http://www.cqvip.com/qk/97663B/200511/20641476.html