全 文 ：第 23 卷 第 2期
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2
植 物 研 究
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L E TI N OF B ( )T AN IC AL RE SE A R CH
2 0 3年
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,
4 月
2X( )3
用人工智能计算技术估测东北地区北五味子果实资源量 ’
聂江力` 丛沛桐’ ,2 祖元刚 ’ 曹建国 `
东北林业大学 , 哈尔滨
天津师范大学 , 天津
1 5以又0
1 3 (X洲〕0
1.1,ù产r、矛了、
摘 要 五味子植物资源分布广泛 ,是名贵的地道药材 。 五味子的结实量 、 有效成分与地理环
境关系密切 。 在东北选择了 3 个地区做为研究对象 : 长 白山地 区辽 宁省新宾县 ; 张广财岭苇河
林业局 ;,J 、兴安岭伊春桃 山林业局 ;本文采用人工神经网络技术建立 了五味子宏观结实量与地
理环境关系的模拟与仿真模型 ,计算了五味子结实在有关区域上的分布和资源蕴藏量 。 研究结
果表明 : 小兴安岭地区五味子结实量较高 ,是五味子较适宜生长地区 。
关键词 五味子 ; 结实量 ; 蕴藏量 ;人工神经网络
T H E E S T IM A T IN G O F T H E F R U I T R E S E R V E S
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B Y T H E M E T H O D O F A R T IF I C IA L N E U R A L N E T下VO R K
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· 第一作者简介 : 聂江力 ( 19 68 一 ) , 女 ,博士 ,讲师 , 主要从事森林植物学教学和研究工作 。
收稿日期 : 2X() 2 一 1 一 1
2 3卷
前言
五味子 ( sc h si a n d r a hc ine 二 si ( T u ro z . ) B lai l . )
是木兰科五味子属植物 , 为多年生落叶木质藤本
植物 ,果实嚼之有酸 、甜 、苦 、辣 、咸五味 ,故名五味
子川 , 产于 中国北部 的五 味子 习称 “ 北 五 味
子 ” 〔’ 〕。 主要分布于黑龙江 、吉林 、 内蒙古 、 河北 、
山东 、 河南 、 山西 、 甘肃 、 宁夏及湖北等地区 , 朝鲜
及日本也有分布 。 五味子分布的地理区为我国温
带针阔叶混交林和暖温带落叶阔叶林区域 , 是经
历第四纪冰川后保留下来的第三纪古老植物种之
一 。 五味子稍耐阴 、喜湿润 、耐寒 , 以湿润肥沃排
水良好的土壤最为适宜 。 多生长在山沟灌丛 、 溪
流两岸的针阔叶混交林中和 比较潮湿但无积水的
林缘 ,缠绕在乔木或大灌木的树干上 [’, ,〕 。 北五
味子是中国东北地区名贵的地道药材 ,亦是中国
五味子生药中药用质量最佳的一种 6[] 。 五味子
中的五味子甲素等木脂素类成分有护肤 、 抗氧化
等作用 ;[] ,最近又发现五味子中木脂素成分还具
有抗爱滋病毒 , 抗癌和 PAT 拮抗等多种活性 8[] 。
近几年来 , 国内外用户对北五味子的需求量越来
越大 , 出现了紧缺局面 , 据市场预测 5 一 8 年不会
滞销 , 因此要抓紧时间 ,大力发展五味子产量 。 近
几年 , 由于森林资源枯竭 ,搞次生林抚育 ,使北五
味子资源遭到了不同程度的破坏 ,加之保护不利 ,
掠青乱采的现象十分严重 ,致使北五味子质量下
降 ,产量越来越低 ,供求矛盾十分突出 [, ’ “ 〕。 因此
保护五味子野生资源 ,建立人工培育基地 ,使五味
子资源量快速发展也是当务之急 , 而这一切必须
做好北五味子资源摸底工作 。 建立北五味子结实
量与地理环境关系的人工神经网络模拟仿真技术
就是针对这一问题而进行的研究 。
表 1 调查区自然地理简表
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地区
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纬度
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平均温度
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平均降水量
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无霜期
Fm s t阮 e ep 石od
腼1203长白山地区 1 2 4 0 16 , 一 12 5 0 2 8 ` 4 1 0 1 4 一 ’ 4 10 59 ’
张广才岭 12 7 0 49 , 一 12 8 0 36 ’ 4 0 2 9 ` 一 4 5 0 9 ’
小兴安岭 12 8 0 05 ’ 一 12 8 “ 4 3 ` 46 0 34 ’ 一 4 7 “ 15 ’
50
.
0
4 8 1
.
7
4
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7℃
2
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2℃
45 0
.
0
769
.
6
7 3 0
6 5
1 调查区自然地理状况
五味子虽然资源分布广泛 , 但不同地区质量
有明显差异 ,五味子的品质及数量与地理环境有
着密切关系 。 针对这一问题 ,本文选取我国东北
具有代表性的三个五味子产地进行了实地调查研
究 , 即长白山地区 (辽宁省新宾县 ) 、 张广才岭地
区 (苇河林业局 ) 、小兴安岭地区 (伊春桃山林业
局 ) ,各研究区 自然地理状况各有其特点见表 1 。
2 研究方法
2
.
1 调查方法
根据五味子产区的划分 ,选取五味子生长较
为集中的群落调查 ,采取访问与实际调查相结合
的方法 ,分别实地调查了样地的地理环境 ,生境和
五味子的生态学指标 , 调查时间 2 (X洲〕年 8 月至
10 月 ,根据典型抽样法规则 ,在三个调查区分别
选择三个五味子样地 ,样地面积 s m 、 s m 。 L“ , ` , ,
2
.
2 人工神经网络模拟技术
受人力和物力的限制 ,实地调查的样地数量
是十分有限的 ,基于实测样本 、采用统计学方法计
算五味子资源蕴藏量时 ,普遍存在样本数量不足 ,
代表性不强 ,计算精度低等问题 。 为此 , 本文采用
径向基函数人工神经网络技术建立五味子结实量
与地理环境关系的智能化分析模型 , 通过对实测
数据的学习 、训练 、识别预测在相应地理环境下的
五味子结实量 ,并进一步计算其资源蕴藏量 。
人工神经网络模型是模拟人形象思维的非线
性信息处理方法 ,具有 自组织 、 自适应和自学习能
力 ,接受数据类型广泛 、容错能力强 ,适于模拟系
统的高度非线性行为 。 与其它非线性方法相比 ,
采用人工神经网络技术 , 能够有效地识别生物数
1期 聂江力等 :用人工智能计算技术估测东北地区北五味子果实资源量
据和非生物数据间的信息传输 ,对预测数据进行
容错分析 ,模拟和训练系统功能与行为 ,本文采用
人工神经网络方法研究北五味子结实量与地理环
境之间的关系 。 在系统化和模型化的基础上 , 以
地理环境特征要素为系统输人 , 以五味子结实量
为输出 ,采用人工神经网络模型进行实时的训练 、
模拟和预测 ,定量研究五味子结实量与区域地理
环境之间的关系 ,径向基函数神经 网络计算公式
如下 :
。 , = ar d b a s i s ( di s t (切 ,
,尸) , b , ) ( l )
a : = p u r e l i n (二 : x a ,
,
b: ) ( 2 )
式中 : : ad b as is 一 径向基函数 ;
p u r e一i n 一纷性传递函数 ;
w ,
,
w Z权函数 ;
p 一 输人向量 (地理环境参数 ) ;
a , 一 中间变量 ;
a Z 一 输出变量 (五味子结实量 ) 。
鑫 …{ ·子\ V I W ,b。
图 1
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径向基函数人工神经网络的输人与输出关系模式图
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s fu n e t i o n o f a rt 访 e i al n e u alr n e wt okr
设计的五味子结实量模拟人工神经网络是一
个双层结构 , 包括一个输入层 、 一个隐层 (中间
层 )和一个输出层 〔” l( 图 1 ) 。 隐层和输出层转换
函数分别为 t an is g 和 uP er h n 类型 , 从而实现了任
意格式的数据输出 。 通过反向传播算法的自动学
习 , 网络对样本输人模式作前向计算 ,然后 比较网
络的实际输出与期望输出 , 逐步调整权值 、 阂值 ,
直至误差满足要求 ,通过上述神经 网络的学习和
训练过程 ,在训练好的权值 、 阑值和网络结构基础
上可以实现对新样本的模拟与预测 。
在模型运算过程中 , 对地理环境指标的数字
归一化处理见表 2 。
3 仿真计算
3
.
1 三个地区样地的基本情况
1
. 在辽宁省新宾县三道关林场本地区调查中选取
三个样地 1 、 2 、 3 。 样地 1 : 蒙古栋林 、 阳坡 、海拔
s o m
、郁闭度 0 , 2 , 样地 2 : 杂木林次生幼林中五
味子 ,样地 3 : 花曲柳 、黄菠萝硬杂木林 、 阳坡 、 郁
闭度 0 . 4 。
2
. 苇河林业局平林林场同样也选取了三个样
地 。 样地 1 : 三大硬阔混交林 、 阳坡 、郁闭度 0 . 6 ,
样地 2 : 阔叶树木混交林 、平地 、郁闭度 0 . 4 ,样地
3 : 为水曲柳 、榆群落 、平地 、郁闭度 0 . 3 。
3
. 桃山林业局柳河林场选取了三个样地 。 样
地 1 : 三大硬阔疏林 、平地 、郁闭度 0 . 45 , 样地 2 :
三大硬阔林 、平地 、郁闭度 0 . 2 ,样地 3 : 三大硬阔
林 、坡度 5 、郁闭度 0 . 2 (表 3 ) 。
3
.
2
.
2 采用同样的人工神经网络模型方法 ,绘制
结实量在区域上分布的等值线图 ( 图 3 ) 。
3
`
2
.
3 采用同样的人工神经网络模型方法 ,绘制
结实量在区域上分布的等值线图 ( 图 4 )
3
.
3 五味子蕴藏量计算
在结实量区域分布图的基础上 ,按分布面积
积分计算后 ,就得到三个林场的五味子经济蕴藏
数量 (表 4 )
2 48 植 物 研 究 23 卷
表 2 地理环境参数归一化指标表
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东 E tsa 南 S阅 t h 西 W e蛇 北 N rto h
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.
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5 0
.
3
坡向
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东南
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西南
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东北
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西北
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.
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肥沃 A bu nd na ce
0
.
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中等 M id di e
0
.
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.
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一般 C om m lou y
0
.
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.
5 0
.
3
厚度 Th i e k~
厚 T肠 ck ( 3 0 一 5 0 e m ) 中等 M iddl e ( 0 一 3 0 e m 薄 Th in ( < 10 e m )
0
.
7 0
.
5 0
.
3
气候 适宜 su i切由l e 一般 C o m m o n】y
0
.
6
高度 (月以〕一 s o m )
0
.
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.
5
高度 ( 30 一 礴加 m )
0
.
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水文
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岩石裸露
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角度 ( > 50。 )
0
.
3
径流模数大 M闭 lu su
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裸露面积
B二 ~ ( > 5 % )
0
.
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0
.
2
叶长 ( 2 . 5 一 3 . 5 )
0
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8
叶径 ( 1 )
角度 (4() o 一 50 0 )
0
.
5
径流模数中等 M记 u lu ,
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0
.
6
裸露面积
B。 ~ ( 1% 一 5% )
0
.
5
高度 ( 2X() 一 30 m )
0
.
4
角度 ( < 40 。 )
0
.
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径流模数小 M记日 su
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.
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裸露面积
B眼 ~ ( < 1% )
0
.
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叶径 ( 0 . 5 )
0
.
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0
.
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5
表 3 三个地区结实 t 调查结果
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样地地点
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样地编号
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结实量 ( g )
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单株最大结实量 (助
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三道 1 1 13 4 8 1 1
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l 期 聂江力等 :用人工智能计算技术估测东北地区北五味子果实资源量
结实 _虽 翻 25 ,矿
加舀_0
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图 2 三道关林场五味子结实量 一 地理环境关系模型图
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〔单位 9 2 , m勺
图 3 平林林场五味子结实量仿真计算结果图
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3 F面 t s s e t e al e u lat de by s i m ul at io n
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Ch i n e n s is i n Pi卿 i n fo , s t叮 G alrt e n
表 4 五味子经济蕴藏量计算结果表
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o m i e al er s e vr e s of 5
.
hC i en 璐站
地点 新宾县 苇河林业局 桃山
蕴藏量
( l o
4 k g )
巧 8 . 7 8 12 . 2 3 15 . 6
4 讨论
采用人工神经网络技术可以直观再现五味子
结实量与地理位置 、生态环境的关系 ,图 2 清楚地
表明了调查样地的结实情况 , 同时也包括了未调
查样地结实量的模拟仿真数据 , 与调查样地对比
分析 ,表明仿真结果符合实际情况 。
图 2 表明 : 结实量大的地区主要分布在沟谷
土壤土质良好的地段 ,呈现斑块状分布 , 五味子种
群结实受地理环境影响相对直接 , 与海拔高度关
系不大 。
为评价五味子结实量的主导环境因素 ,进行
了相关分析 。 选取三个地区总平均结实量与 a 总
的平均海拔 、 b 年平均温度 、 C 年平均降水量相关
系结果为 a : 一 0 . 8 8 7 4 3 9 2 6 b : 一 0 . 9 9 4 5 2 7 3 l e : -
0
.
8 9 9 3 904 7 87 从相关系数结果分析可 以认为温
度与结实量的关系最为密切 , 说明五味子结实量
主要由温度决定 。
平林林场结实量也呈现斑块分布趋势 , 柳河
植 物 研 究 2 3卷
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图 4 柳河林场五味子结实量仿真计算区域分布图
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{`团 月. ` 用 口翻 .加 任口
;` 平均结实蛋与年乎均温度的关系
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图 5 结实量与环境因子关系图
Fig
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t s s et a n d e vin or mn
e n t al af e t o sr
林场结实量的地理分布比较均一 , 在区域上生态
环境比较适合五味子生长并结实 。
为进一步评价环境因子的影响程度 , 绘制五
吟子结实量与其年平均温度 、平均海拔 、年平均降
水憬 、平均郁闭度的关系图 (图 5 ) 。
图 5 也充分说明 :在众多的环境因素 , 温度
是斗响五味子结实量的主要环境因素 , 当其它环
境因素向极端方向发展时 , 对结实量的影响也不
容忽视 。
5 结论
5
.
1 应用人工神经网络可以直观地反映地理环
境与五味子结实量之间的数量关系 ,其中 ,三道关
林场 、平林林场结实量具有明显的斑块特征 ,与地
1 期 聂江力等 : 用人工智能计算技术估测东北地区北五味子果实资源量 2 51
理环境的关系最密切 ,桃山林场相对次之 。
5
.
2 在区域结实量分布图的基础上 ,定量计
算各林场资源蕴藏量分别为新宾县 巧 8 . 7 、 or ` k g
苇河林业局 8 12 . 2 x 20 ` k g , 桃山林场 3 15 . 6 x 10 4
k g
。
5
.
3 温度与五味子结实量的关系最为密切 ,
五味子较适宜生长的地区在年平均温度 1℃ 左
右 、海拔 660 m 左右 、年平均降水量 450 o m 左右 、
郁闭度 0 . 25 左右 ,结实量较高 。 对上述三个调查
区比较 ,表明小兴安岭地区 (桃山林业局 ) 是五味
子的生长较为适应生态条件及地区 。
参 考 文 献 :
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