数学建模A题 —红树林湿地生态系统模型

三．问题分析
问题一：影响红树林生态系统的因子众多, 主要包括生物因子（群落的演替， 外来物种影响，虫害等）和非生物因子（水质，大气，噪声等），它们之间的关 系复杂。因此我们利用 BP 神经网络模型对其进行研究，在选取数据评价指标时应 遵循以下原则: a 评价指标要能真实反映该生态环境的现状及其变化特征; b 评价指标应是对生态系统健康评估的主要因素；c 评价指标应具有可操作性; d 评价指标应符合简单、实用原则。 问题二：是在第一问的基础上，重点研究某一个影响因素，经过思考，我们 选择研究水质中重金属对红树林生态系统的影响并对此进行预测分析。
一．研究背景
深圳福田红树林自然保护区位于深圳湾北岸，区域范围在北纬 22°30’ 22°32’，东经 113°56’ - 114°3’之间，总面积 3.68 平方公里，是我国面 积最小的红树林保护区，也是我国唯一处于城市腹地的国家级自然保护区。
红树林湿地生态系统由红树植物、其它陆地植被、鸟类、两栖爬行动物、昆 虫、底栖动物、浮游生物等生物以及其赖以生存的土壤、大气、海水等环境要素 共同组成，通过物质循环和能量转换发挥生态功能。 福田自然保护区现余 3.68 公顷，主要由红树林、基围鱼塘、滩涂、河流、陆 地和海域等类型构成，其中红树林占面积最大。红树林大多呈带状分部，群落外 貌比较简单，为灌木或小乔木林，林冠较为整齐，一般高 4“m。红树植物主要有 秋茄(Kandelia candel)、木榄(Bruigueragymnnorrhiza)、桐花树似 egicerascorniculatum)、白骨壤(Avicenniamarina)、老鼠颔 (Acanthusilicifolius)等。浮游植物和浮游动物主要集中在基围鱼塘，浮游植物 中硅藻门(Bacillariophyta)和绿藻门(Chlorophyta)的藻类占比例较高，浮游动 物主要以原生动物(Protozoa)、轮虫(Rotifera)、枝角类(Cladocera)和桡足类 (Copepoda)为主。底栖动物主要生活在红树林下碎屑和滩涂中，主要为甲壳动物 (Crustacean)、软体动物(Mollusks)和弹涂鱼(Mudskipper)。鸟类中以陆鸟为主， 最常见的陆鸟有 5 目 19 科 55 种。 深圳经济高速发展的 30 多年时间里，福田红树林湿地生态系统受城市扩张 和环境污染影响较为严重，红树林湿地面积不断缩减，滩涂淤积导致海床升高、 高楼林立阻断鸟类迁飞通道、水环境污染导致鱼虾死亡、外来物种海桑疯狂扩散 已然构成生物入侵、虫害频繁爆发导致红树植物白骨壤不能自然繁殖等生态问题 日益突出，整个生态系统在空间结构与生态过程、自我调节与更新能力以及对外 部胁迫的恢复能力等方面，均呈现出不稳定性和不可持续性征兆。包括生物因子和非生物因子，在众多因素中，我们 选取了对大气，水质，噪声，浮游植物，虫害五个具有代表性的判定指标的研究 来构建红树林的生态系统框架。 对大气，水质，噪声，浮游生物，虫害进行分析评价，该评价分两步进行。 首先用 BP 网络分别对大气，水质，噪声，浮游生物，虫害五类环境作一级 B 一 P 评价。 其次将这五类环境分别视作综合环境的 5 个因子,对红树林生态系统健康作 二级 B 一 P 评价。本文城市综合环境质量评价实例的因子监测资料来源于网络, 见表 1-1，按《国家环境质量标准及有关参考标准》[1],这些环境因子分级标准 亦如表 1-1 所示。 用于环境质量评价的 B 一 P 网络[2][3]，可采用具有一个输入层,一个隐层 扣一个输出层的 3 层网络结构。 各层具有多个节点,每相邻两层节点之间单方向互 连,如图 1-1 所示。 B 一 P 网络包括正向和递向两种学习过程,其步骤如下：在正向学习过程中, ① 分别赋予 B 一 P 网络相邻各层节点之间的连接权值 ji ， kj 和隐层、输
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四．模型假设
问题一，假设浮游生物的分布是均匀的； 假设监测样本数据不受其他因素影响； 问题二，假设每次投放的天敌的间隔都是相等的。
五．数据的预处理
在收集表一监测数据时，不能取整的数据保留三位小数；
六．符号说明
问题一：
ji ， ' kj j 、 ' k
Tk (l ) xi yj
Ok
B-P 网络权值 B-P 网络阈值 B-P 网络中第 l 个学习样本的期望输出 输入层 隐层 输出层 学习参数
福田红树林自然保护区湿地生态系统模型 框架的构建及应用实例研究
摘要
本文针对福田红树林自然保护区湿地生态系统框架模型的构建问题，建立数 据平台对影响红树林的生物因子、 非生物因子和生态系统中的能量流动进行分析， 构建湿地动态监测和健康评估预警系统， 并设计保护区未来的生态环境监测方案。 我们提出基于 BP 神经网络的生态综合环境质量二级评价模型以及基于前者的脉 冲动力学系统模型分析。 对于问题一，选择红树林的大气，水质，浮游生物，噪声，虫害五个具有代 表性的判定指标，初步建立 BP 模型，以标准级别来划分红树林生态质量。首先根 据监测数据利用 Matlab 对这五个因素分别作一级 B-P 评价， 得到各自相应的等级， 然后将其视作五个综合环境的因子，对综合生态作二级 B-P 评价，评价结果为第 Ⅴ级即重度污染。对于问题二，在问题一的基础上结合资料分析，可知目前虫害 对红树林生态系统造成了重大伤害且难以根治，建议用定期投放天敌和喷洒化学 药剂相结合的方法治理虫害,并且选择了脉冲动力系统模型对虫害防治方法进行 更加具体的分析，能够有效控制虫害。
关键字：福田红树林生态系统；BP 网络模型；能量流动；虫害预测和防治；
脉冲动力系统
目录
一．研究背景------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 二．问题重述------------------------------------------------------------------------------------------------------ 2 三．问题分析------------------------------------------------------------------------------------------------------ 2 四．模型假设------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3 五．数据的预处理------------------------------------------------------------------------------------------------ 3 六．符号说明------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3 问题一：------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3 问题二：------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 七．模型的建立与求解------------------------------------------------------------------------------------------ 4 问题一：------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 问题二：-----------------------------------------------------------------------------------------------------11 八．对模型框架后续完善工作的建议---------------------------------------------------------------------- 14 （一）模型的优缺点------------------------------------------------------------------------------------- 14 优点：--------------------------------------------------------------------------------------------------14 缺点：--------------------------------------------------------------------------------------------------14 （二）模型完善------------------------------------------------------------------------------------------- 15 参考文献：--------------------------------------------------------------------------------------------------15 附录：-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 附录一：B-P 网络 MATLAB 计算的源代码------------------------------------------------------------16 附录二：训练结果图------------------------------------------------------------------------------------- 19 原始训练数据见附件 1