基于CA的松毛蟲危害時空動態(tài)模型研究與計算機(jī)模擬.pdf

1、我國森林病蟲害共有8000多種，經(jīng)常造成危害的有200多種，其中位居“十大”危害較嚴(yán)重病蟲害之首的松毛蟲是最嚴(yán)重的歷史性森林食葉害蟲。而在云南，松毛蟲危害呈逐年上升趨勢?？茖W(xué)的預(yù)報和防治能有效的減少松毛蟲危害對生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的不利影響。而了解松毛蟲危害的時空動態(tài)是進(jìn)行防治決策的重要依據(jù)，基于現(xiàn)階段松毛蟲危害的現(xiàn)狀開展時空動態(tài)模擬模型研究，集成測報系統(tǒng)，支持基層單位開展防治，具有教大的研究和應(yīng)用價值。目前，這方面的研究不多，能夠結(jié)

2、合實際應(yīng)用的也較少，很需要一個能夠模擬松毛蟲危害的時空動態(tài)的模型。而元胞自動機(jī)模型(Cellular Automata，簡稱CA)能有效應(yīng)用于高度并發(fā)、復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的描述和模擬，因此利用元胞自動機(jī)原理研究松毛蟲危害的時空動態(tài)模擬模型比較符合實際情況，也具有較高的應(yīng)用價值。
　　 本研究以松毛蟲為研究對象，以普洱市思茅區(qū)的城市保護(hù)林區(qū)域為研究區(qū)域，以擴(kuò)展的元胞自動機(jī)為建模方法，通過對元胞自動機(jī)的詳細(xì)了解和分析，利用擴(kuò)展的CA模型與

3、GIS進(jìn)行松散耦合，對研究區(qū)域的松毛蟲危害的時空動態(tài)進(jìn)行模擬和預(yù)測。并結(jié)合實際數(shù)據(jù)與危害發(fā)生情況，分析了松毛蟲幼蟲蟲口密度的空間自相關(guān)性和時間自相關(guān)性，以及影響松毛蟲危害發(fā)生的林分因子和氣象因子的相關(guān)性，并建立了松毛蟲幼蟲蟲口密度的時空動態(tài)混合回歸模型，以此為元胞自動機(jī)模型中的局部映射函數(shù)，再結(jié)合蟲口密度與危害程度的關(guān)系，最終形成元胞自動機(jī)模型的核心演化規(guī)則。具體結(jié)論如下：
　　 運(yùn)用Moran's I指數(shù)對松毛蟲幼蟲蟲口密度進(jìn)

4、行空間自相關(guān)分析，得出松毛蟲幼蟲的空間相關(guān)是隨距離呈指數(shù)衰減的，擬和的空間自相關(guān)函數(shù)為：
　　 p(h)=1- exp(-49.54h-1.3)相關(guān)系數(shù)R=0.917，顯著性水平Sig<0.05，達(dá)到了顯著水平。
　　 運(yùn)用時間序列的自相關(guān)函數(shù)(Autocorrelation function ACF)和偏自相關(guān)函數(shù)(Partial autocorrelation function PACF)來分析松毛蟲的時間動態(tài)。得出

5、松毛蟲各代蟲口密度時間序列的自相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)都只有Rnt-i與Rnt的相關(guān)關(guān)系顯著( R=0.827，p<0.01)。由此可知，松毛蟲各代間存在時間延遲效應(yīng)，當(dāng)代的種群大小與前一代種群大小有關(guān)，屬于第一級密度相關(guān)(first order density dependence)，不存在更高級的密度相關(guān)，得出時間相關(guān)長度p=1。
　　 根據(jù)調(diào)查的樣本數(shù)據(jù)，對松毛蟲幼蟲蟲口密度和各林分因子、氣象因子進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)海拔、坡

6、向、坡位、坡度和濕度與蟲口密度的相關(guān)性較高，溫度與蟲口密度變化的相關(guān)性相對較低。利用SPSS軟件對蟲口密度、拔、坡向、坡位、坡度以及溫度、濕度進(jìn)行了逐步回歸分析，得到多元回歸模型為：
　　 y=282.781-0.142x1-6.082x2-4.34x3+0.301x4+0.139x5+9.865x6(3-4)其中，y為幼蟲蟲口密度、x1為海拔、x2為坡位、x3為坡向、x4為坡度、x5為溫度、x6為濕度。模型的相關(guān)系數(shù)為0.97

7、5，顯著性水平<0.05，達(dá)到了顯著水平。
　　 在時空分析和各環(huán)境因子的相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，建立了松毛蟲蟲口密度的時空動態(tài)混合回歸模型：這里，Dsti，j，t，為t時刻的蟲口密度，∑(k，1)∈NB p(h)DStk，1為t時刻鄰居元胞的蟲口密度的加權(quán)平均值，Xi，j，1為t時刻海拔、林分條件和氣象條件的混合回歸值，∑(k，1)∈NB P1(h)Xk，l，為t時刻鄰居元胞的x的加權(quán)平均值?；貧w模型的相關(guān)系數(shù)R=0.869，顯著性

8、水平Sig<0.05，達(dá)到了顯著水平。
　　 以松毛蟲蟲口密度的時空動態(tài)混合回歸模型作為元胞局部映射函數(shù)，再結(jié)合蟲口密度與危害程度的關(guān)系形成CA模型的演化規(guī)則，最終得出松毛蟲危害時空動態(tài)模型。使用Arclnfo宏語言AML(Arc Macro Languag)對模型進(jìn)行計算機(jī)模擬，得到2006年2代和2007年2代松毛蟲危害發(fā)生的分布圖，與實際情況進(jìn)行分析比較，對于重度危害區(qū)域，模擬結(jié)果和實際發(fā)生情況比較吻合：對于中度、輕度危害