22314字硕士毕业论文范文硕士论文:建三江行政区水土资源复合系统分形特征分析

绪方理论

1.1设置问题的基础

1.2研究目的和意义

随着人类科技研究的不断进步和发展，越来越多的人发现自然界中许多无序、不稳定、随机的现象，它们之间没有任何线性关系。这些现象再也不能用传统的数学工具来描述。然而，分形科学作为新兴学科之一，直接从复杂系统本身突破了传统观念和传统概念，为从极端秩序到真实混沌的事物提供了定量描述的可能性，也使人们能够从混沌和模糊现象中准确把握复杂现象背后的本质和规律。鉴于水文现象和土壤科学本身的典型分形特征，如随机性、非线性、确定性和相似性，将分形理论引入到水土资源系统的研究中，不仅可以促进对整个水土资源系统复杂性的研究，而且可以充分展示分形理论应用于非线性系统研究的优势。复杂系统具有层次性、鲁棒性和奇异性的特点。它强调了整个系统和零件之间的关系不再是线性的，整个复杂系统具有零件所没有的特殊性质。要处理和解决复杂的系统问题，必须学会从整体上考虑和解决问题，打破原有的线性、平衡和简单的思维方式。水土资源系统的复杂性研究不再是水资源和土地资源的单一研究，而是应以水资源系统和土地资源系统为子系统，探索更高层次水土资源系统的特征，对于更好地指导人们的生产生活活动具有重大的理论和现实意义。农业水土资源系统复杂性研究是促进农业进步和区域经济发展的有力支撑。近年来，随着经济的快速发展和人口的不断增加，人类对农业水土资源的干扰日益加剧。特别是在温室效应、土地荒漠化和全球经济快速发展的共同影响下，[农业水土资源的复杂性特征日益明显。同时，复杂性科学在各个研究领域的快速发展为解决农业水土资源系统的复杂性问题提供了新的思路和方法，使得充分挖掘农业水土要素变化过程中所包含的信息并加以优化利用成为可能。这些研究成果将进一步为建三江管理局农业水土资源的可持续利用提供科学依据，为国内产粮核心区农业水土资源系统复杂性研究提供研究模式，进一步推进黑龙江省“1000亿公斤粮食生产能力工程”和“三江平原农业综合开发试验区”建设，引导粮食安全保障措施顺利推进。建三江管理局作为我国重要的商品粮产区，在黑龙江省占有重要地位。整个地区的总面积约为12，400平方公里。水稻种植在农业中占据主导地位，发展迅速。根据相关数据，自2005年[2]以来，全区水田面积不断增加。稻田种植形势的逐渐扩大，也逐渐提高了对灌溉用水资源量的要求。为了适应经济发展，一些地区出现了地下水超采现象，导致地表水和地下水的开发利用及其失衡，严重影响了[区域经济和生态的可持续发展。因此，只有深入挖掘研究区水土资源系统的复杂性，在复杂性特征的指导下，提出更符合区域发展的水土资源优化配置方案，才能有效促进当地经济和农业的可持续发展，保障粮食安全。

1.3国内外研究进展

1.3.1系统复杂性的研究进展

1.3.1.1复杂系统相关定义的研究进展

(1)复杂性和复杂性的科学定义目前还没有统一的复杂性定义。仅麻省理工学院的赛斯·劳埃德就收集了超过45种定义。宋雪峰狭义地将复杂性定义为:“复杂性是指由系统内部元素的非线性相互作用引起的行为紊乱的外在表现”[4。复杂性科学的研究起源于20世纪80年代初，被称为“21世纪的科学”。它的研究范围很广，涉及许多学科和领域。它已经被数学、生活、环境、经济、管理等学科所接受。它迅速成为跨学科领域的基本方法理论。根本原因是用非简化方法来研究复杂系统的问题。(2)复杂系统研究的定义复杂系统科学的研究涉及社会、经济、生态等许多领域的复杂系统。直到现在，复杂系统的定义仍然不同。人们通常认为它应该有多个参与者、多个层次结构和强大的自适应进化能力，如混沌系统。有些人还认为，复杂系统具有反馈回路和动态非线性系统的特点，突破了传统的理论和方法范畴，行为很难用单一的理论来解释[5]。

1.3.1.2复杂系统的特征及分类

在对复杂系统的各种理解和定义下，复杂系统的基本特征是相同的:系统的各个单元之间会有广泛而紧密的联系，任何单元的变化都会影响过程中其他单元的变化，系统的上层和下层的功能和结构会紧密地联系在一起，在发展过程中，他们会不断地学习重新组织和完善各个层次的结构和功能；复杂的系统将与环境相互作用，并能不断适应周围的环境。在不断动态发展和变化的过程中，他们可以预测自己未来的发展和变化[5】。程思伟先生可以从不同角度对复杂性进行分类:物理(自然系统)系统复杂性、生物系统复杂性和社会系统复杂性[6]。

1.3.1.3复杂系统分析方法

目前，研究复杂系统的理论分析方法主要有模型法、数值计算法、模拟法等。此外，我国复杂巨系统领域的著名科学家钱学森倡导采用新方法研究复杂巨系统，先后提出了从定性到定量的综合集成方法和综合集成方法[7]的研究体系。可以说，复杂性科学是对传统科学方法论的巨大挑战。要做好复杂性科学研究，必须在坚持还原论与整体论、微观分析与宏观分析、定性描述与定量描述、确定性与不确定性分析、时间与空相结合的基础上，不断争取方法创新。20世纪70年代末或80年代中期，国外开始了更加系统和复杂的科学研究。美国生物学家梅应用分支理论详细描述了李约克定理和混沌现象[8]。基于混沌理论和方法的许多相关复杂性研究路径为进一步理解和控制复杂系统提供了新的途径。复杂性研究的另一个先驱是莉雅·普里戈金领导的布鲁塞尔学派。他和尼利斯共同创作了里程碑式的名著《探索复杂性》。圣达菲研究所正式成立于1984年，管理复杂系统的一般规则是通过收集多领域的思想总结出来的[9]。研究认为，复杂系统是一个多媒体整体。媒体相互影响，相互作用，导致自发的自组织行为。同时，个体媒体通过相互合作和适应不断获取新信息，实现自我超越，并进一步形成一定的功能，从而使系统具有整体特征。

2分形理论的基础和研究领域……9

2.1分形理论的命题……9

2.2分形的定义……9

2.3典型分形图形示例...................10

3建三江管理局地下水资源系统复杂性的分形测度……18

3.1非线性存在假设检验……18

3.2研究领域数据的来源:……21

3.3基于双谱分析的建三江管理局地下水深度系列非线性测试……22

4建三江管理局降水序列复杂性的分形测度……41

4.1建三江管理局降水序列的非线性检验...................41

4.2基于曲线长度的时间序列分形维数在降水序列复杂性度量中的应用...................43

4.3钻石邻域中的重力梯度算法在降水序列复杂度测量中的应用……45

结论

近年来，随着经济社会的不断发展，人类对农业水土资源要素的干扰越来越大，农业水土资源的复杂性日益明显。能否准确分析当地水土资源系统的复杂性特征，已成为实现土地利用与水资源开发相适应的关键，也是该地区农业发展的重点。因此，从农业经济可持续发展的战略要求出发，正确认识建三江管理局水土资源配置的现状和发展趋势，在此基础上，运用多种方法深入挖掘区域水土资源系统的复杂性，提出优化配置方案，提高区域水土资源开发利用程度。

(1)根据黑龙江省建三江管理局水务局提供的地下水深度数据和历年降水数据，采用双谱分析方法对数据进行双谱估计，确定数据序列的非线性特征。结果表明，建三江行政区各场区监测数据的双谱分析结果均为非平面图，其顶视图呈现明显的对称性，表明建三江行政区15个场区地下水深度和降水序列监测数据不是随机正态序列，而是非线性时间序列。与其他光谱分析方法相比，采用的双谱分析方法具有结果清晰、分辨率高、双谱峰位置清晰等特点。

(2)分别应用基于曲线长度的时间序列分形维数方法、菱形邻域的G-P算法和多时间尺度半方差分形维数方法对研究区的月地下水深度序列和降水序列分形维数值进行测量和分析，通过变量参数分析确定多时间尺度半方差分形维数方法最为稳定。根据研究区耕地、林地、水面、复垦地等土地利用类型的结构特征，运用边界维数方法和地理信息系统技术，分析了土地利用结构的分形特征。

(3)利用等权平均法衡量水土资源复合系统的整体复杂性特征，利用地理信息系统的可视化功能，绘制了建三江管理局各分局水土资源复合系统的复杂性空分布图。结果表明，建三江行政区水土资源复杂系统的复杂性在中部地区最高，南部地区次之，北部地区最低，具有明显的分区特征。

参考

童春生。复杂性理论在河流径流时间序列分析中的应用[。Xi安:Xi安理工大学水利水电学院，2005。

[2]中华人民共和国农业部。黑龙江:国家农场建三江管理局[EB/OL](. 2010-10-18)[2013-2-23]。

[3]吕萍。[建三江管理局水资源承载力评价及优化配置研究。哈尔滨:东北农业大学水资源与建筑学院，2010。

宋雪峰。复杂性，复杂系统和复杂性科学[。中国科学基金会，2003 (5): 262-269。

秦晓林、张庆国、杨树云。复杂性科学及其在生态系统研究中的应用[。安徽农学通报，2007，13 (19): 96-98。

程思伟。复杂科学与系统工程[。中国管理科学杂志，1999，12 (2): 1-6。

[7]钱学森。创建系统学[。太原:山西科学技术出版社，2001。

[8]5月R.M .，具有非常复杂动力学的简单数学模型[.自然，1976，261:959-967。

宋雪峰。复杂性科学的研究现状与展望[。复杂系统与复杂性科学，2005，2 (1): 10-17。

钱学森。一个新的科学领域——开放复杂巨系统及其方法论[。上海理工大学学报，2011，33 (6): 526-532。