基于元胞自动机的物种竞争分析方法、装置及电子设备与流程

本公开涉及物种研究，尤其涉及一种基于元胞自动机的物种竞争分析方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、种群生态学是研究种群与环境之间相互关系的科学。在自然界中，一个物种通常以种群的形式存在，探讨生物与环境之间的关系必须考虑种群的特性及其增长规律。种群生态学主要研究种群的数量与结构在时空中的变化规律和调节机制（例如生长与消亡）。当考虑种群数量与结果变化时，需要考虑种间和种内作用。在这些研究中，比较重要的是关于种群的捕食和竞争的研究。

2、在物种竞争研究中，三个物种的竞争模型是生态系统的基本构成要素。为了阐明生态系统的局部或全球、短期或长期行为，必须了解三个物种竞争模型的互动状态。假定三个竞争物种在其自然栖息地均匀分布，可以得出一个非空间系统。一般来说，通过非空间系统的建模忽略了自然生态系统的许多现实特征（如种群的自我迁移），因此，从其研究中得出的结论可能与现实相差甚远。关于时间动态的先验知识在充分理解相应的时空动态机制方面起着重要作用，然而，非空间系统未能将空间因素考虑其中。

3、相关场景中，比较经典的是lotka-volterra系统。这个系统是基于如下三个假设：（1）当没有捕食者时，食饵是指数增长的；（2）捕食项是与捕食者和食饵的密度（数量）之积成比例；（3）捕食者增长是依赖于食饵，而死亡不依赖于食饵。然而，若采用单一的lotka-volterra竞争模型，可能无法直观地得到三个物种在生态系统中的分布状况以及空间因素对物种竞争的影响。

技术实现思路

1、为克服相关技术中无法直观地得到三个物种在生态系统中的分布状况以及空间因素对物种竞争的影响的技术问题，本公开提供一种基于元胞自动机的物种竞争分析方法、装置及电子设备。

2、在本公开实施例的第一方面，提供基于元胞自动机的物种竞争分析方法，所述方法包括：

3、确定多个所述物种中两个物种相互之间的竞争系数和竞争优势；

4、基于非空间动力学模型，根据所述竞争系数构建针对多个物种的目标竞争模型，以及根据所述竞争系数构建针对多个所述物种的竞争矩阵；

5、根据多个所述物种的物种数量，构建元胞自动机模型，其中，所述元胞自动机模型中的每一元胞斑块随机被任一所述物种占据，且各所述物种占据的元胞斑块数量以及空元胞斑块占据的元胞斑块数量均相同；

6、根据各所述物种的灭绝率和种群增长率、所述竞争系数、所述竞争优势、元胞斑块总个数、每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中物种的物种个体数，按照预设模拟步长对各所述物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果。

7、在一种可能的实现方式中，所述根据各所述物种的灭绝率、所述竞争系数、所述竞争优势、元胞斑块总个数、每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中物种的物种个体数，按照预设模拟步长对各所述物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果，包括：

8、根据各所述物种的种群增长率、所述元胞斑块总个数以及每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中物种的物种个体数，确定各所述物种相对于所述空元胞斑块的侵入参数；

9、根据各所述物种对应的侵入参数，确定多个所述物种中每一物种在不受到其他物种影响时对所述空元胞斑块占据的第一占据参数；

10、根据各所述物种的灭绝率、所述竞争系数、元胞斑块总个数、每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中物种的物种个体数，确定各所述物种在受到其他物种影响时对所述空元胞斑块的第二占据参数；

11、根据所述第一占据参数、所述第二占据参数以及所述竞争优势，按照预设模拟步长对各所述物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果。

12、在一种可能的实现方式中，所述根据所述第一占据参数、所述第二占据参数以及所述竞争优势，按照预设模拟步长对各所述物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果，包括：

13、根据所述竞争优势以及所述第二占据参数，确定各所述物种在种内竞争的情况下对的竞争参数；

14、根据所述第一占据参数以及所述竞争参数，按照预设模拟步长对各所述物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果。

15、在一种可能的实现方式中，通过如下辨析式表示多个所述物种中每一物种在不受到其他物种影响时对所述空元胞斑块占据的第一占据参数:

16、

17、其中，表示第x个空元胞斑块，到分别表示第1个物种到第i个物种的种群增长率，z为元胞斑块总个数，到分别为每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中第1个物种到第i个物种的物种个体数。

18、在一种可能的实现方式中，通过如下辨析式表示所述物种在受到其他物种影响时对所述空元胞斑块的第二占据参数：

19、

20、其 中，为第i个物种的灭绝率，到表示第i个物种相对于第一个物种到第j个物种的竞争系数，z为元胞斑块总个数，到分别为每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中第1个物种到第i个物种的物种个体数。

21、在一种可能的实现方式中，所述基于非空间动力学模型，根据所述竞争系数构建针对多个物种的目标竞争模型，包括：

22、确定各所述物种的种群增长率以及种群密度；

23、针对多个所述物种中的任一所述目标物种，根据各所述物种的所述种群增长率、所述种群密度以及该目标物种相对于多个所述物种中每一所述物种的竞争系数，构建所述目标物种的单一竞争模型；

24、根据多个所述目标物种的所述单一竞争模型，构建针对多个物种的目标竞争模型。

25、在一种可能的实现方式中，所述单一竞争模型通过如下辨析式表示：

26、

27、其中，为第i个物种随时间积分情况下的单一竞争模型表示，表示第i个物种的种群增长率，到表示第i个物种相对于第一个物种到第j个物种的竞争系数，n1、n2、n3、...，分别代表第一个物种、第二个物种、第三个物种、...第i个物种、第j个物种的种群密度。

28、在一种可能的实现方式中，所述根据所述竞争系数构建针对多个所述物种的竞争矩阵，包括：

29、以每一物种相对于多个所述物种中每一所述物种的竞争系数为矩阵的行，构建针对多个所述物种的竞争矩阵；

30、其中，所述竞争矩阵中每一行为一个物种相对于多个所述物种中每一所述物种的竞争系数，所述竞争矩阵中每一列为多个所述物种相对于同一物种的竞争系数。

31、在本公开实施例的第二方面，提供一种基于元胞自动机的物种竞争分析装置，所述装置包括：

32、确定模块，被配置为确定多个所述物种中两个物种相互之间的竞争系数和竞争优势；

33、第一构建模块，被配置为基于非空间动力学模型，根据所述竞争系数构建针对多个物种的目标竞争模型，以及根据所述竞争系数构建针对多个所述物种的竞争矩阵；

34、第二构建模块，被配置为根据多个所述物种的物种数量，构建元胞自动机模型，其中，所述元胞自动机模型中的每一元胞斑块随机被任一所述物种占据，且各所述物种在占据的元胞斑块数量以及空元胞斑块占据的元胞斑块数量均相同；

35、分析模块，被配置为根据各所述物种的灭绝率和种群增长率、所述竞争系数、所述竞争优势、元胞斑块总个数、每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中物种的物种个体数，按照预设模拟步长对各所述物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果。

36、在一种可能的实现方式中，所述分析模块，被配置为：

37、根据各所述物种的种群增长率、所述元胞斑块总个数以及每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中物种的物种个体数，确定各所述物种相对于所述空元胞斑块的侵入参数；

38、根据各所述物种对应的侵入参数，确定多个所述物种中每一物种在不受到其他物种影响时对所述空元胞斑块占据的第一占据参数；

39、根据各所述物种的灭绝率、所述竞争系数、元胞斑块总个数、每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中物种的物种个体数，确定各所述物种在受到其他物种影响时对所述空元胞斑块的第二占据参数；

40、根据所述第一占据参数、所述第二占据参数以及所述竞争优势，按照预设模拟步长对各所述物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果。

41、在一种可能的实现方式中，所述分析模块，被配置为：

42、根据所述竞争优势以及所述第二占据参数，确定各所述物种在种内竞争的情况下对的竞争参数；

43、根据所述第一占据参数以及所述竞争参数，按照预设模拟步长对各所述物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果。

44、在一种可能的实现方式中，通过如下辨析式表示多个所述物种中每一物种在不受到其他物种影响时对所述空元胞斑块占据的第一占据参数：

45、

46、其中，表示第x个空元胞斑块，到分别表示第1个物种到第i个物种的种群增长率，z为元胞斑块总个数，到分别为每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中第1个物种到第i个物种的物种个体数。

47、在一种可能的实现方式中，通过如下辨析式表示所述物种在受到其他物种影响时对所述空元胞斑块的第二占据参数：

48、

49、其中，为第i个物种的灭绝率，到表示第i个物种相对于第一个物种到第j个物种的竞争系数，z为元胞斑块总个数，到分别为每一所述元胞斑块的领域元胞斑块中第1个物种到第i个物种的物种个体数。在一种可能的实现方式中，所述第一构建模块，被配置为：

50、确定各所述物种的种群增长率以及种群密度；

51、针对多个所述物种中的任一所述目标物种，根据各所述物种的所述种群增长率、所述种群密度以及该目标物种相对于多个所述物种中每一所述物种的竞争系数，构建所述目标物种的单一竞争模型；

52、根据多个所述目标物种的所述单一竞争模型，构建针对多个物种的目标竞争模型。

53、在一种可能的实现方式中，所述单一竞争模型通过如下辨析式表示：

54、；

55、其中，为第i个物种随时间积分情况下的单一竞争模型表示，表示第i个物种的种群增长率，到表示第i个物种相对于第一个物种到第j个物种的竞争系数，n1、n2、n3、...，分别代表第一个物种、第二个物种、第三个物种、...第i个物种、第j个物种的种群密度。

56、在一种可能的实现方式中，所述第一构建模块，被配置为：

57、以每一物种相对于多个所述物种中每一所述物种的竞争系数为矩阵的行，构建针对多个所述物种的竞争矩阵；

58、其中，所述竞争矩阵中每一行为一个物种相对于多个所述物种中每一所述物种的竞争系数，所述竞争矩阵中每一列为多个所述物种相对于同一物种的竞争系数。

59、在本公开实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：

60、处理器；

61、用于存储处理器可执行指令的存储器；

62、其中，所述处理器被配置为执行所述存储器中的可执行指令，以实现第一方面中任意一项所述的方法。

63、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

64、确定多个物种中两个物种相互之间的竞争系数和竞争优势；基于非空间动力学模型，根据竞争系数构建针对多个物种的目标竞争模型，以及根据竞争系数构建针对多个物种的竞争矩阵；根据多个物种的物种数量，构建元胞自动机模型；根据各物种的灭绝率和种群增长率、竞争系数、竞争优势、元胞斑块总个数、每一元胞斑块的领域元胞斑块中物种的物种个体数，按照预设模拟步长对各物种竞争进行分析，得到物种竞争分析结果。利用元胞自动机进行种群空间动力学模拟，不仅可以提高物种竞争分析的准确性，还可以得到多个物种在生态系统中的分布状况以及空间因素对物种竞争的影响。

65、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。