长白山脉林木虫害大数据的网络科学建模、演化及其应用

摘要

随着网络科学理论研究的不断深入，网络科学正在逐步向众多学科领域渗透与交叉，对各种复杂问题的定量与定性特征的分析与理解已成为网络时代科学研究中一个极其重要的挑战性课题。2016年6月11-13日，在法国马赛召开的Statphys26卫星国际会议上，英国剑桥大学博士、杜伦大学生物科学系教授A.RusHoelzel博士与本课题研究小组联合发表题为《Pine-caterpillar networks in Changbai Mountain based on the space andtime influence domain》的研究论文，该论文首次把网络科学与林木虫害问题“连结”在一起。 本文运用网络科学的分析方法开展林木虫害领域的研究，从网络科学的研究视角建立林木虫害关系网络模型，对虫害关系网络结构进行系统化分析，总结演化规律，探求林木虫害的分布特点、影响区域、扩散与传播的时空变化，为林木虫害的综合防治策略的制定提供科学的数据支撑。 本文的研究工作就是从国家林业局林木病虫害监测网络的1000个国家级中心测报点，和2700个国家、省、地（市）、县级四级测报组织统计的林木病虫害监测大数据中，筛取了林相相似的长白山脉所覆盖的102个县级区域的2009-2013年食叶类害虫虫害发生监测数据，针对食叶害虫类群、松毛虫属、美国白蛾个种三个不同层面的虫害关系，采用网络科学之“连接原理”进行了网络构建、特征分析、结构演化与应用。提出了关于林木虫害的三种网络模型，即基于空间影响域的基本网络模型、改进模型以及基于时空影响域的网络模型。这三种不同的网络模型对不同层面的虫害关系网络的研究具有不同的指导原则。在基于空间影响域基本网络模型与改进网络模型，构建了长白山脉食叶害虫虫害关系网络，将理论与实践紧密地结合了起来。 本文还研究了单个种类的林木虫害关系网络的演化，针对世界性检疫害虫美国白蛾，构建了基于空间影响域改进模型的美国白蛾虫害关系网络，重点开展了美国白蛾网络的演化分析。从网络结构相关特征量演化分析结果来看，美国白蛾虫害关系网络度分布符合幂律分布，具有无标度特性，网络具有小的平均路径和高的群聚系数，而美国白蛾虫害（逐月）关系网络恰恰表现出明显的小世界特性、网络连接紧密、具有同配性、网络层次结构、节点的平均度值演化比较平稳并且变化幅度不大。通过对网络分析结果与美国白蛾危害状况的实际对比分析，讨论了美国白蛾传播扩散的基本途径与林地所在的地理位置以及人为活动紧密相关。 在上述研究基础之上，本文重点在探求林木害虫种群间的相互影响上进行了应用性研究。选取枯叶蛾科松毛虫属害虫做为研究对象，构建了基于时空影响域模型的长白山脉松毛虫虫害关系网络。针对松毛虫网络结构特征进行了系统化的分析，研究发现松毛虫网络不具有幂律特性和小世界特性，网络节点连通性不好，网络比较疏松。提出了在松毛虫防治的实际工作中，要采取“单点防治”并举的防治策略。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题意义

1．2林木灾害状况

1．2．1国际

1．2．2国内

1．3传统方法的局限性

1．4网络科学方法的贡献

1．5研究框架与主要内容

第2章林木虫害的调查、分析与监测

2．1林木虫害的监测调查

2．1．1调查方法

2．1．2林木害虫种群密度估算

2．2林木虫害的数据分析

2．2．1传统分析方法

2．2．2网络拓扑特征量分析方法

2．3林木虫害的预测

2．3．1发生期预测

2．3．2发生量与发生范围的预测

2．4林木害虫种群动态特征

2．4．1昆虫的生活史

2．4．2滞育和休眠

2．4．3昆虫的行为

2．4．4昆虫的食性

2．5林木虫害运用网络科学研究的可行性

第3章林木虫害关系网络模型

3．1林木虫害与空间结构关系分析

3．1．1林木虫害与森林资源空间分布的关系

3．1．2林木虫害与自然环境空间因子的关系

3．1．3林木虫害受人类活动空间的影响

3．2林木害虫种群动态与竞争

3．2．1种群动态

3．2．2种群竞争

3．3空间影响域网络模型构建

3．3．1基本网络模型

3．3．2改进网络模型

3．4时空影响域网络模型

3．5讨论

第4章长白山脉林木虫害网络构建与分析

4．1数据选取与处理

4．2食叶害虫特征

4．3长白山脉植被特征

4．4基于空间影响域基本模型的虫害关系网络

4．4．1虫害关系网络生成

4．4．2参数优化

4．4．3长白山脉虫害关系网络分析

4．5基于空间影响域改进模型的虫害关系网络

4．5．1网络生成

4．5．2长白山脉虫害关系网络分析

4．5．3网络的无标度特性

4．5．4网络的同配性

4．5．5网络的聚集特性分析

4．5．6网络的平均路径长度

4．5．7网络层次结构

4．6小结

第5章美国白蛾虫害网络的演化分析

5．1美国白蛾基本情况

5．2美国白蛾网络无标度特性演化分析

5．2．1美国白蛾网络构建

5．2．2无标度特性演化分析

5．2．3网络平均度的演化

5．3节点数的演化

5．4网络直径的演化

5．5网络重要节点的演化

5．6核数演化

5．6．1最大核数的演化

5．6．2平均核数的演化

5．6．3核数概率分布的演化

5．7网络匹配系数

5．8熵值分析

5．9模块度的演化

5．10介数演化分析

5．11小结

第6章松毛虫属虫害网络结构分析

6．1松毛虫属害虫特征

6．2松毛虫类虫害网络构建

6．2．1数据选取

6．2．2松毛虫虫害网络

6．3网络结构分析

6．3．1无标度特征

6．3．2重要节点分析

6．3．3平均路径长度

6．3．4平均聚集系数

6．3．5网络的平均度

6．3．6网络的结构熵

6．3．7网络的K-核

6．3．8虫害发生地区数的变化

6．3．9节点介数

6．4小结

第7章总结与展望

7．1主要工作与贡献

7．2研究展望

参考文献

附录

致谢

学习期间发表论文情况