《基于Matlab可视化界面设计的种群空间分布模拟研究》.docVIP

基于Matlab可视化界面设计的种群空间分布模拟研究 专业： 姓名： 指导教师： 摘 要 自然界的生物多种多样，种群的空间分布类型也有很多，本文选取种群空间分布中捕食系统，并对捕食系统中生物种群之间相互作用为研究对象，研究种群的空间分布。在Lotka-Volterra经典模型的基础上引入猎物种内竞争，得到最终的改进模型。并以改进模型为基础用元胞自动机进行种群空间分布模拟，再用MATLAB可视化界面设计完成最终模拟，使得模拟结果可直观得到。通过动态的参数变化能够很好的反应出种群空间分布情况，从而对实际生活中种群间的问题和对种群的恢复提供较好的指导意义。 关键词 空间分布，Lotka-Volterra，种内竞争，元胞自动机，MATLAB GUI ABSTRACT Key Words：目 录 摘 要 I 1.绪 论 1 2.基本概念及问题分析 2 2.1基本概念 2 2.2问题分析 4 3.模型建立及稳定性分析 5 3.1模型建立 5 3.2模型稳定性分析 6 4.种群空间分布模拟 7 4.1 MATLAB简介 7 4.2可视化界面简介 7 4.3 模拟步骤 8 4.4 流程图 11 5.模拟结果及分析 12 5.1模拟结果 12 5.2结果分析 16 参考文献 19 答 谢 20 1.绪 论 自然界中生物物种是多种多样的，生物物种之间普遍存在着相互作用，长期的相互作用便形成了某种特定的种群空间分布系统。种群空间分布系统有很多种类型，其中，主要包括捕食系统、竞争系统和互惠共生系统等较为复杂的生物空间分布系统。在种群空间分布研究的问题中，上个世纪在数学领域有很多数学家进行过深入的研究，并给每种情况建立了较为全面的数学模型[1]；在生物学领域，生物学家主要是通过长期的数据采集，再利用统计学软件对数据绘图、拟合来观察并研究[2]；从数学的角度对空间分布建立模型再用计算机进行模拟，在这方面做的人也不少[3]，但是用Matlab可视化界面设计将其模拟种群的空间分布的文章几乎没有。 上述的几种情况各有所长，但是都存在一定的问题。第一种情况是仅局限于理论的基础上，与实际情况联系不够紧密；第二种情况虽说是从实际出发，但这种方法只是通过观察得来的，所以误差相对较大。因此，本文结合这几种情况的优略点，在第三种情况的基础上，主要以种群之间捕食系统Lotka-Volterra模型的经典模型为出发点，引入合适的影响因素，得到种群空间分布模型的改进数学模型。然后，用元胞自动机对建立的空间分布模型进行空间分布的动态模拟，再利用Matlab可视化界面设计设计简洁而方便的界面，使得参数可以方便的动态输入和更改，形象地揭示了相关参数对种群空间分布的影响。从而对实际生活中种群间的问题提供较好的指导意义，研究种群的空间分布也能反映种群与环境间的相互关系，对种群恢复具有重要意义。 因此，本文的主要问题就转化为两个问题：(1)引入合适的影响因素并建立改进模型;(2)如何利用元胞自动机模拟种群空间分布。这两个因素是影响种群空间分布模拟质量的重要因素。而自然界中存在各种复杂的情况，建立一个对于各种不同情况都具有指导意义的模拟软件是很有必要的，它能用计算机模拟，通过对各个参数的动态输入模拟，揭示出各种可能的发展趋势，从而为实际生活中种研究群提供具有指导性的帮助。 2.基本概念及问题分析 2.1基本概念 1)种群空间分布 种群分布类型(distribution type)是指种群在空间分布的方式。种群及其个体之间在空间的分布都存在着不同程度的分化或不同程度的空间隔离，一个种类或种群所有成员形成一个繁群或混交群或同种群（deme）是少有的；相反，它们总是以某种方式再分成许多分隔的繁群。 2)图形化用户界面 图形化用户界面（Graphical User Interfaces，简称为GUI）是一种图形化的沟通界面，通过此界面可以很方便地达到一些特定控制的操作，而这些界面又是由按钮、窗口、工具栏、键盘操作等对象所构成的，以方便借助这些界面调用MATLAB来进行运算处理操作。 3)元胞自动机 元胞自动机（Cellular Automaton，简称CA，也有人译为细胞自动机、点格自动机、分子自动机或单元自动机）。是一时间和空间都离散的动力系统。散布在规则格网（Lattice Grid）中的每一元胞（Cell）取有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确定的局部规则作同步更新。大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化。 不同于一般的动力学模型，元胞自动机的函数不是严格定义，而是用一系列模型构造的规则。凡是满足这些规则的模型都可算作是元胞自动机模型。因此，元胞自动机是一类模型的总称，或者说是一个方法框架。其特点是时间、空间、状态都离散，每个变量只取有限多个状态