一种基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟方法及系统，其基于鱼类的生态行为，构建鱼类动态空间显式模型，通过与水环境模型耦合，模拟鱼类个体的运动过程，获得鱼群的时空动态分布。本发明在构建模拟模型的过程中，考虑模型参数的易获得性和参数的实际生态学意义，弥补基于个体鱼类模型“各自为政”的散乱局面，具有普适性。

说明书

技术领域

本发明涉及鱼类模拟，尤其涉及一种基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟方法及系统。

背景技术

鱼类是水生态系统的重要指示性物种，其生理生态行为具有高度复杂性和非线性。传统的模拟采用空间集总式模型，在模拟过程中将种群丰度或生物量作为静态变量考虑，并仅以极少的状态参数来描述生物种群内部和种群间的相互作用，对种群动态的模拟非常有限。

随着计算机科学和空间数据采集能力的进步，基于个体的模型快速发展。基于个体模式的鱼类运动模型能够克服传统集总式模型的缺点，在系统变量、时间域和空间域上离散，以个体为对象，用数学物理方程定量描述个体的特征如年龄、尺寸的变化以及其行为如运动、捕食和逃避等，研究其时间演变和空间运动，从而获得系统的时空格局。类似于流体力学中的拉格朗日方法。这种模式已经日益广泛应用于生态系统的定量研究。例如，McDermot模拟了多种鱼类在Mendota湖十年的种群动态，并尝试给出了加拿大白鲑突然死亡的解释。又如，基于个体的鲑鱼模型，用来预测河流中鲑鱼的栖息地分布情况，得出了鲑鱼运动的自我控制过程，幼鱼时期密度依赖的死亡率、生长率以及不同年龄层的鲑鱼对栖息地的选择。基于个体鱼类模型的发展除了解释生态现象和模拟生态过程外，对现代渔业也产生了积极的影响。

基于个体鱼类模型虽然应用广泛，但是只是为了解决特定问题而建立模型。不同研究者建立的模型各不相同，模型之间缺乏共同性，无法进行结果或者结构的比较，这使得基于个体鱼类模型的发展离普适性模型还有一段距离。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟方法及系统，普适于不同种群的鱼类模拟，其通过鱼类个体的运动模拟，可以得到各个时间段鱼类的空间分布、死亡率等，对现代渔业产生了积极的影响。

技术方案：本发明所述的基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟方法包括步骤：

(1)获取鱼类个体所生活的水环境区域，并进行网格划分，其中每个网格都被赋予水深和流速；

(2)从预设的鱼类不同生命阶段—喜好流速范围映射表中查找鱼类个体当前的生命阶段对应的喜好流速范围；

(3)获取鱼类个体当前所在网格的水流流向，并判断若鱼类个体在预设时长内按照水流流向的逆方向运动，是否能达到流速为鱼类喜好流速范围内的网格；若是，则将鱼类个体模拟运动至该网格，若否，则执行步骤(4)；

(4)根据当前网格的流速和鱼类个体的趋流率从预设的游动方向表中查找出鱼类个体的游动方向，并判断若鱼类个体在预设时长内按照查找的方向运动，是否能达到流速为鱼类喜好流速范围内的网格；若是，则将鱼类个体模拟运动至该网格，若否，则执行步骤(5)；

(5)将鱼类个体模拟运动至最近可满足生存要求的网格；

(6)返回(3)进行循环判断和运动，到达预设时刻时，停止模拟鱼类个体运动，得到当前鱼类个体的运动位置；

(7)汇总众多鱼类个体各个时刻的位置，得到鱼群的时空动态分布。

进一步的，该方法还包括步骤：

若网格水域所容纳的生物量超过了网格水域的生态承载力，则将鱼类个体的运动方向排除掉该网格水域；

若鱼类个体所在网格水域所容纳的生物量超过了网格水域的生态承载力，则将鱼类个体随机概率的向外运动重新寻找流速为鱼类喜好流速范围内的网格或标记为死亡并停止运动模拟。

进一步的，该方法还包括步骤：

当检测到鱼类个体当前所在网格出现能够威胁到鱼类生存的剧烈变化时，将鱼类个体标记为死亡并停止运动模拟。

进一步的，步骤(3)、(4)、(5)中，鱼类个体的模拟运动具体为：在一个时间步长Δt后，位置从(x_t-1，y_t-1)更新为(x_t，y_t)，且每一个时间步长都重新从鱼类个体所在生命阶段对应的游速范围中随机选择一游速作为鱼类个体的运动速度u，其中，

x_t＝x_t-1+u×cosα×Δt

y_t＝y_t-1+u×sinα×Δt

式中，u为鱼类个体的游速，α为鱼体轴线与y轴正方向的夹角，用以表示鱼类个体的游动方向。

本发明所述的基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟系统包括：

网格划分单元，用于获取鱼类个体所生活的水环境区域，并进行网格划分，其中每个网格都被赋予水深和流速；

鱼类不同生命阶段—喜好流速范围映射表，用于存储鱼类个体各个生命阶段对应的好流速范围；

第一运动模拟单元，用于获取鱼类个体当前所在网格的水流流向，并判断若鱼类个体在预设时长内按照水流流向的逆方向运动，是否能达到流速为鱼类喜好流速范围内的网格；若是，则将鱼类个体模拟运动至该网格，若否，跳转至第二运动模拟单元；

游动方向表，用于存储网格的流速和鱼类个体的趋流率与鱼类游动方向的关系；

第二运动模拟单元，用于根据当前网格的流速和鱼类个体的趋流率从预设的游动方向表中查找出鱼类个体的游动方向，并判断若鱼类个体在预设时长内按照查找的方向运动，是否能达到流速为鱼类喜好流速范围内的网格；若是，则将鱼类个体模拟运动至该网格，若否，跳转至第三运动模拟单元；

第三运动模拟单元，用于将鱼类个体模拟运动至最近可满足生存要求的网格；

模拟停止单元，用于当到达预设时刻时，停止模拟鱼类个体运动，得到当前鱼类个体的运动位置；

汇总单元，用于汇总众多鱼类个体各个时刻的位置，得到鱼群的实时分布。

进一步的，该系统还包括：网格生物量检测单元，用于在网格水域所容纳的生物量超过了网格水域的生态承载力时，将鱼类个体的运动方向排除掉该网格水域；以及再鱼类个体所在网格水域所容纳的生物量超过了网格水域的生态承载力时，将鱼类个体随机概率的向外运动重新寻找流速为鱼类喜好流速范围内的网格或标记为死亡并停止运动模拟。

进一步的，该系统还包括：网格状态检测单元，用于当检测到鱼类个体当前所在网格出现能够威胁到鱼类生存的剧烈变化时，将鱼类个体标记为死亡并停止运动模拟。

进一步的，所述第一运动模拟单元、第二运动模拟单元和第三模拟运动单元中，鱼类个体的模拟运动具体为：在一个时间步长Δt后，位置从(x_t-1，y_t-1)更新为(x_t，y_t)，且每一个时间步长都重新从鱼类个体所在生命阶段对应的游速范围中随机选择一游速作为鱼类个体的运动速度u，其中，

x_t＝x_t-1+u×cosα×Δt

y_t＝y_t-1+u×sinα×Δt

式中，u为鱼类个体的游速，α为鱼体轴线与y轴正方向的夹角，用以表示鱼类个体的游动方向。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明普适于不同种群的鱼类模拟，本发明与水环境模型耦合，实现模拟鱼类的运动过程。通过基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟，可以得到各个时间段鱼群的空间分布、死亡率等，对现代渔业产生了积极的影响。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的流程示意图；

图2是鱼类个体的运动速度矢量分解图；

图3是鱼类个体的运动位置示意图

图4是对本实施例进行验证所用的鱼道示意图；

图5是采用本实施例方法进行模拟得到鱼类累计出现空间分布图；

图6是实际监测到的鱼类个体累计出现空间分布图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟方法包括具体包括以下步骤：

S1、获取鱼类个体所生活的水环境区域，并进行网格划分，其中每个网格都被赋予水深和流速。

S2、从预设的鱼类不同生命阶段—喜好流速范围映射表中查找鱼类个体当前的生命阶段对应的喜好流速范围。

其中，鱼类不同生命阶段—喜好流速范围映射表中定义了鱼类不同生命阶段对应的喜好流速范围。

S3、获取鱼类个体当前所在网格的水流流向，并判断若鱼类个体在预设时长内按照水流流向的逆方向运动，是否能达到流速为鱼类喜好流速范围内的网格；若是，则将鱼类个体模拟运动至该网格，若否，则执行步骤S4。

其中，鱼的运动可以按照游动速度(方向)与时间是独立变量或相互关联的变量来分类。鱼类的运动速度和运动方向与时间步长是相互独立的。将鱼类的运动通过矢量表示，每个时间步长下，鱼类的位移变动、速度变化、方向选择都是相互独立的。在笛卡尔坐标系下，将鱼类运动的速度矢量分解为沿x轴的速度分量u_x，沿y轴的速度分量u_y，并以鱼体轴线与y轴正方向的夹角α为鱼类该时间步长下运动方向的标记，如图2所示。因此，步骤S3、S4、S5和S6中，鱼类个体运动一个步长Δt后，位置从(x_t-1，y_t-1)更新为(x_t，y_t)，且每一个时间步长都重新从鱼类个体所在生命阶段对应的游速范围中随机选择一游速作为鱼类个体的运动速度u，如图3所示，其中，

x_t＝x_t-1+u_x×Δt＝x_t-1+u×cosα×Δt

y_t＝y_t-1+u_y×Δt＝y_t-1+u×sinα×Δt

式中，u为鱼类个体的游速，α为鱼体轴线与y轴正方向的夹角，用以表示鱼类个体的游动方向。

S4、根据当前网格的流速和鱼类个体的趋流率从预设的游动方向表中查找出鱼类个体的游动方向，并判断若鱼类个体在预设时长内按照查找的方向运动，是否能达到流速为鱼类喜好流速范围内的网格；若是，则将鱼类个体模拟运动至该网格，若否，则执行步骤S5。

其中，生活在流水中的鱼类大多具有趋流性，它们能根据水流流向和流速随时调整自身的游泳方向和游速，使自身保持逆流游泳状态或长时间地停留在某一特定位置。

根据公式计算趋流率：

其中，F为鱼头方向逆向水流流向百分比(％)，即趋流率。n_i指第i条实验鱼的鱼头方向逆向水流流向在实验过程中的次数，N_j指某一流速下所有实验鱼在实验期间总的观察次数。

对于某一种鱼类，通过实验，可得到表2所示的与趋流率有关的游动方向表。

表2游动方向表(以一种鱼类为例)

S5、将鱼类个体模拟运动至最近可满足生存要求的网格。

需要注意的是：若网格水域所容纳的生物量超过了网格水域的生态承载力，则将鱼类个体的运动方向排除掉该网格水域。当检测到鱼类个体当前所在网格出现能够威胁到鱼类生存的剧烈变化时，将鱼类个体标记为死亡并停止运动模拟。或者当鱼类个体所在网格水域所容纳的生物量超过了网格水域的生态承载力，鱼类个体会由于种内竞争的压力游出或逐步死亡，因此将鱼类个体随机概率的向外运动重新寻找适宜水环境或标记为死亡并停止运动模拟。

返回S3进行循环判断和运动，到达预设时刻时，执行S6。

S6、停止模拟鱼类个体运动，得到当前鱼类个体的运动位置。

S7、汇总多个鱼类个体各个时刻的位置，得到鱼群的实时分布。

本实施例的基于个体模式的鱼类运动与空间分布模拟系统包括：

网格划分单元，用于获取鱼类个体所生活的水环境区域，并进行网格划分，其中每个网格都被赋予水深和流速；

鱼类不同生命阶段—喜好流速范围映射表，用于存储鱼类个体各个生命阶段对应的好流速范围；

第一运动模拟单元，用于获取鱼类个体当前所在网格的水流流向，并判断若鱼类个体在预设时长内按照水流流向的逆方向运动，是否能达到流速为鱼类喜好流速范围内的网格；若是，则将鱼类个体模拟运动至该网格，若否，跳转至第二运动模拟单元；

游动方向表，用于存储网格的流速和鱼类个体的趋流率与鱼类游动方向的关系；

第二运动模拟单元，用于根据当前网格的流速和鱼类个体的趋流率从预设的游动方向表中查找出鱼类个体的游动方向，并判断若鱼类个体在预设时长内按照查找的方向运动，是否能达到流速为鱼类喜好流速范围内的网格；若是，则将鱼类个体模拟运动至该网格，若否，跳转至第三运动模拟单元；

第三运动模拟单元，用于将鱼类个体模拟运动至最近可满足生存要求的网格；

模拟停止单元，用于当到达预设时刻时，停止模拟鱼类个体运动，得到当前鱼类个体的运动位置；

网格生物量检测单元，用于在网格水域所容纳的生物量超过了网格水域的生态承载力时，将鱼类个体的运动方向排除掉该网格水域；以及再鱼类个体所在网格水域所容纳的生物量超过了网格水域的生态承载力时，将鱼类个体随机概率的向外运动重新寻找流速为鱼类喜好流速范围内的网格或标记为死亡并停止运动模拟；

网格状态检测单元，用于当检测到鱼类个体当前所在网格出现能够威胁到鱼类生存的剧烈变化时，将鱼类个体标记为死亡并停止运动模拟；

汇总单元，用于汇总众多鱼类个体各个时刻的位置，得到鱼群的时空动态分布。

该系统具体与上述方法一一对应，在此不进行赘述。

下面对本实施例进行仿真验证，利用本发明的鱼类个体运动模拟方法，模拟鱼类通过鱼道的动态过程，如图4所示。由于鱼游过鱼道是一个很短暂的过程，因此，在模拟鱼道过程中，鱼类个体的生长将不再考虑，而鱼类与水环境因子的响应也简化为鱼类对水流的响应。模型参数设置详见表3。

表3鱼类模型参数表(以一种鱼类为例)

案例中的水环境区域划分的最小网格面积约为0.0003m²，水环境模型可以输出网格点上的水深、流速、溶解氧等水环境因子，鱼类运动时任意点的水环境信息可通过对相邻水环境计算网格节点的插值获得。水环境模型计算的时间步长为0.1s。时间步长为1s。流速采用水环境模型10个时间步长内的平均值。

鱼道过鱼过程的模拟结果为不同时刻鱼类个体在鱼道中的分布动态以及不同流量下，鱼类通过鱼道洄游至上游的过程模拟。模拟结果如图5所示，颜色越深，表示出现在该位置的概率越大。分析模拟结果发现，在不同流量下，鱼类个体都会在池室挡板附近出现明显的聚集现象。

进行实际试验，对实验中放鱼过程中所拍摄的视频进行处理，统计了一段时间内鱼类个体在鱼道中不同位置出现的累计次数，如图6所示，颜色越深，出现次数越多。与图5中鱼类累计出现次数较高的区域吻合，从而在一定程度上对模拟方法进行了验证。

本发明基于鱼类的生态行为和游泳能力，构建鱼类动态模型，再结合水环境模型，模拟了鱼类精细动态过程。本发明弥补了空间集总式模型的不足，同时具有一定的普遍使用价值。