Una revisión de la simulación de cambios dinámicos en el paisaje.

La simulación dinámica de cambios del paisaje se realiza desde dos niveles: agregación de cambios y métodos matemáticos. El grado de agregación se puede dividir en tres patrones de cambio del paisaje, a saber, patrón de cambio del paisaje general, patrón de cambio de la distribución del paisaje y patrón de cambio espacial del paisaje; consulte la Tabla 5-1.

Tabla 5-1 Modelo de cambio de paisaje

(Según PerBrinck et al., 1989)

Según las diferentes propiedades, los modelos dinámicos de patrones de paisaje se pueden dividir en cinco tipos, a saber, modelo de cambio de paisaje basado en agentes, modelo estadístico empírico, modelo de optimización, modelo de simulación dinámica y modelo integral híbrido (Fu Berger, 1995). Los modelos de cambio del paisaje se pueden dividir en modelos de paisaje aleatorios, modelos de reglas de vecindad y modelos de procesos del paisaje (incluidos modelos de penetración, modelos de comportamiento individual y modelos de ecosistemas espaciales) según los mecanismos.

1. Modelo de paisaje estocástico

El modelo de paisaje estocástico estudia la dinámica general de los patrones y procesos del paisaje en el tiempo y el espacio (Yu et al., 2006), y no involucra aspectos específicos. procesos ecológicos.Es un modelo que intenta combinar información espacial con distribución de probabilidad. Este tipo de modelo de paisaje combina métodos geométricos (sistema de descripción), métodos estadísticos (sistema de análisis) y métodos de mecanismo (proceso de simulación), o introduce principios de biorretroalimentación en modelos dinámicos espaciales, o introduce características espaciales en modelos ecológicos tradicionales. El modelo más utilizado es el modelo de cadena de Markov (Wu Jianguo, 2006).

2. Modelo de reglas de vecindario

Durante el proceso de cambio dinámico del paisaje, el cambio de parches no solo depende del estado del último punto temporal, sino que también depende de las propiedades. de parches adyacentes y cambios. Estas propiedades y cambios se pueden organizar en una serie de reglas que restringen la magnitud y dirección de los cambios dinámicos en el paisaje. El modelo de reglas de vecindad es un modelo dinámico de paisaje basado en esta premisa. Es un modelo dinámico discreto que puede producir estructuras y comportamientos paisajísticos complejos a nivel de paisaje. En la actualidad, el modelo de reglas de vecindad más común y representativo es el modelo de autoorganización celular (modelo CA).

Los componentes que forman un autómata celular se llaman "células", y cada célula tiene un estado. Estas celdas están dispuestas regularmente en la cuadrícula del "espacio de celda", y sus respectivos estados cambian con el tiempo y se actualizan de acuerdo con una regla local, es decir, el estado de una determinada celda en un momento determinado depende y solo depende de la El estado de la celda en el momento anterior y el estado de todas las celdas vecinas de la celda. Las celdas en el espacio celular se actualizan sincrónicamente de acuerdo con dichas reglas locales, y todo el espacio celular presenta cambios en dimensiones de tiempo discretas.

Matemáticamente, el autómata celular finito es cuádruple:

Investigación sobre patrones de paisaje forestal y planificación ecológica, tomando como ejemplo la Oficina Forestal de Baihe en el distrito montañoso de Changbai.

Aquí a representa el sistema de autómata celular; l representa el espacio celular, d es un número entero positivo, que representa la dimensión del espacio celular en el autómata celular; s es el conjunto de estados finitos y discretos de la celda; La combinación de píxeles (incluido el píxel central). f es una regla de transformación basada en funciones de proximidad. Las células pueden transformarse de un estado a otro según reglas de transformación.

Las características generales del modelo CA son: ① dispersión y homogeneidad espacial, los cambios de cada celda siguen las mismas reglas y la distribución de las celdas también es la misma (3) estado; Discreción y finitud; ④ Cálculo sincrónico: los cambios de estado del modelo CA pueden considerarse como el cálculo o procesamiento de datos o información ⑤ Localidad, el estado actual de cada celda solo puede afectar las celdas adyacentes con un radio r en el momento siguiente; estado de la red. Desde la perspectiva de la transmisión de información, la velocidad de transmisión de información en el modelo CA es limitada; ⑥ La dimensionalidad es alta y el número de variables en un sistema dinámico generalmente se denomina dimensionalidad. Desde esta perspectiva, el modelo CA debería pertenecer a un sistema dinámico de dimensión infinita.

El modelo CA es simple, flexible, claro y ampliamente utilizado.

Su mayor ventaja es que puede combinar datos de observación locales a pequeña escala con reglas de transformación de vecindad y luego estudiar las características dinámicas del sistema a gran escala mediante simulación por computadora. El modelo también es bueno para revelar el proceso continuo de aumento y disminución de los componentes del paisaje, los patrones de comportamiento biológico o el proceso de difusión de perturbaciones ecológicas bajo la acción de sistemas de restricción específicos. Desde el punto de vista de la estructura de datos, dado que la estructura unitaria en el modelo CA es la misma que la del SIG basado en cuadrículas, el modelo es fácil de integrar con SIG, procesamiento de datos de teledetección y otros sistemas (Li Habin et al. 1988 , 1996; Xiao Duning, 1999, Zhang Xiaofeng et al., 2000).

Sin embargo, la aplicación de modelos de CA en ecología del paisaje tiene ciertas limitaciones, tales como: ① Exceso de énfasis en el estado de las unidades adyacentes, considerando únicamente las interacciones locales e ignorando la influencia de factores regionales y macro; Los atributos de las unidades considerados en el modelo son relativamente simples, mientras que los atributos de las unidades en el paisaje real se sintetizan a partir de múltiples niveles y factores, y todavía existen interacciones entre las unidades ③ Las reglas de conversión están predeterminadas, pero la dinámica del paisaje real El proceso; generalmente muestra ciertas posibilidades y tendencias, y la transición de estado no es completamente segura ④ La resolución espaciotemporal es difícil de captar, lo que afectará directamente la precisión de los resultados de la simulación (Jia H et al., 1998).

3. Modelo de proceso del paisaje

El modelo de proceso del paisaje estudia la ocurrencia, el desarrollo y la difusión de un proceso ecológico (como la interferencia o la difusión de materiales) en el espacio del paisaje desde una perspectiva de mecanismo. Este método generalmente tiene tres puntos de partida de modelado: ① Utilice una ley de movimiento de materiales conocida para simular el proceso de cambio dinámico del paisaje, como el modelo de infiltración (2) Considere explícitamente la ubicación espacial y el comportamiento de cada individuo biológico en el paisaje; y Los comportamientos y funciones individuales reflejan la dinámica funcional y estructural del paisaje, como modelos de procesos basados ​​en comportamientos individuales (3) Sobre la base de una comprensión detallada del mecanismo de cambio dinámico del paisaje, el proceso de cambio dinámico del paisaje; se expresa verdaderamente a través de la simulación, como el modelo de ecosistema espacial.