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随机森林算法基本思想及其在生态学中的应用--以云南松分布模拟为例 被引量:140
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作者 张雷 王琳琳 +3 位作者 张旭东 刘世荣 孙鹏森 王同立 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第3期650-659,共10页
通常来讲,生态学者对于解释生态关系、描述格局和过程、进行空间或时间预测比较感兴趣。这些工作可以通过模拟输出值(响应)与一些特征值(即解释变量)的关系来实现。然而,生态数据模拟遇到了挑战,这是因为响应变量和预测变量可能是连续... 通常来讲,生态学者对于解释生态关系、描述格局和过程、进行空间或时间预测比较感兴趣。这些工作可以通过模拟输出值(响应)与一些特征值(即解释变量)的关系来实现。然而,生态数据模拟遇到了挑战,这是因为响应变量和预测变量可能是连续变量或离散变量。需要解释的生态关系通常是非线性的,并且解释变量之间具有复杂的相互作用关系。响应变量和解释变量存在缺失值并不是不常有的现象,奇异值也经常出现在生态数据中。此外,生态学者通常希望生态模型即要易于建立又易要于解释。通常是利用多种统计方法来分析处理各种各样情景中出现的独特的生态问题,这些模型包括(多元)逻辑回归、线性模型、生存模型、方差分析等等。随机森林是一个可以处理所有这些问题的有效方法。随机森林可以用来做分类、聚类、回归和生存分析、评估变量的重要性、检测数据中的奇异值、对缺失数据进行插补等。鉴于随机森林本身在算法上的优势,将就随机森林在生态学中的应用进行总结,对建模过程进行概述,并以云南松分布模拟研究为例,对其主要功能特点进行案例展示。通过对随机森林的一般术语、概念和建模思想进行介绍,有利于读者掌握本方法的应用本质,可以预见随机森林在生态学研究中将得到更多的应用和发展。 展开更多
关键词 随机森林 分类回归树 变量重要性 多维数据 物种分布模拟
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气候变化对马尾松潜在分布影响预估的多模型比较 被引量:65
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作者 张雷 刘世荣 +1 位作者 孙鹏森 王同立 《植物生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第11期1091-1105,共15页
物种分布模型被广泛应用于评估气候变化对物种分布的影响。随着计算机和统计学的发展,模拟物种分布的模型层出不穷,但对这些模型的相对表现知之甚少,因此需要对其进行对比分析,以便更可靠地评估气候变化的影响。该文采用3个比较新颖的... 物种分布模型被广泛应用于评估气候变化对物种分布的影响。随着计算机和统计学的发展,模拟物种分布的模型层出不穷,但对这些模型的相对表现知之甚少,因此需要对其进行对比分析,以便更可靠地评估气候变化的影响。该文采用3个比较新颖的组合集成学习(ensemble learning)模型(随机森林(random forest,RF)、广义助推法和Neural Ensembles)、3个常规模型(广义线性模型、广义加法模型和分类回归树)、3个大气环流模型(global circulation model,GCM)(MIROC32_medres,JP;CCCMA_CGCM3,CA;BCCR-BCM2.0,NW)和一个气体排放情景(SRES_A2),模拟分析了马尾松(Pinus massoniana)历史基准气候(1961-1990)和未来3个不同时期(2010-2039,2020s;2040-2069,2050s;2070-2099,2080s)的潜在分布。基于环境阈值方法选择物种不发生区,依据Climate China软件进行当前和未来气候数据的降尺度处理,采用接收机工作特征曲线(receiveroperator characteristic,ROC)下的面积(area under the curve,AUC)、Kappa值和真实技巧统计法(true skill statistic,TSS)以及马尾松种子区划范围来评价模型的预测精度。结果表明:6个物种分布模型都具有较高的预测精度,但组合集成学习模型的预测精度稍高于其他常规模型,其中RF的预测精度最高。3个GCM和6个模型模拟条件下,马尾松对气候变化的响应格局既有一致性也有异同性。一致性表现在:随着时间的推移,马尾松分布区将逐渐向北迁移,未来潜在分布区的面积将逐渐增加;异同性表现在:在不同模型和不同气候情景下,马尾松潜在分布区的迁移距离和面积变化幅度不同,其中NW模式下预测的变化幅度小于CA和JP模式;RF模型预测的分布区迁移距离和面积变化幅度最大。随着时间的推移,未来马尾松的18个潜在分布空间预测图(6个模型×3GCM)之间的差异也逐渐增大,其中空间不一致性地区主要集中发生在马尾松潜在分布区的北部和西部边� 展开更多
关键词 气候变化 组合集成学习技术 模型比较 马尾松 物种分布模拟
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气候变化对物种分布影响模拟中的不确定性组分分割与制图--以油松为例 被引量:36
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作者 张雷 刘世荣 +1 位作者 孙鹏森 王同立 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第19期5749-5761,共13页
物种分布模型是预测评估气候变化对物种分布影响的主要工具。为了降低物种分布模型在预测过程中的不确定性,近期有学者提出了采用组合预测的新方法,即采用多套建模数据、模型技术,模型参数,以及环境情景数据对物种分布进行预测,构成物... 物种分布模型是预测评估气候变化对物种分布影响的主要工具。为了降低物种分布模型在预测过程中的不确定性,近期有学者提出了采用组合预测的新方法,即采用多套建模数据、模型技术,模型参数,以及环境情景数据对物种分布进行预测,构成物种分布预测集合。但是,组合预测中各组分对变异的贡献还知之甚少,因此有必要把变异组分来源进行分割,以更有效地利用组合预测方法来降低模型预测中的不确定性。以油松为例,采用8个生态位模型,9套模型训练数据,3个GCM模型和一个SRES(A2)排放情景,模型分析了油松当前(1961—1990年)和未来气候条件下3个时间段(2010—2039年,2040—2069年,2070—2099年)的潜在分布。共计得到当前分布预测数据72套,未来每个时间段分布数据216套。采用开发的ClimateChina软件进行当前和未来气候数据的降尺度处理。采用Kappa、真实技巧统计方法(TSS)和接收机工作特征曲线下的面积(AUC)对模型预测能力进行评估。结果表明,随机森林(RF)、广义线性模型(GLM),广义加法模型(GAM)、多元自适应样条函数(MARS)以及助推法(GBM)预测效果较好,几乎不受建模数据之间差异的影响。混合判别分析模型(MDA)对建模数据之间的差异非常敏感,甚至出现建模失败现象。采用三因素方差分析方法对组合预测中的不确定性来源进行变异分割,结果表明,模型之间的差异对模拟预测结果不确定性的贡献最大且所占比例极高,而建模数据之间的差异贡献最小,GCM贡献居中。研究将有助于加深对物种分布模拟预测中不确定性的认识。 展开更多
关键词 物种分布模拟 不确定性 变异分割 气候变化 油松
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闽楠(Phoebe bournei,Lauraceae)地理分布及随气候变化的分布格局模拟 被引量:20
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作者 肖建华 丁鑫 +4 位作者 蔡超男 张灿瑜 张晓妍 李朗 李捷 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第14期5703-5712,共10页
掌握气候变化对珍稀濒危物种的分布和适应性变化趋势的影响,是开展保护生物学研究的基础。闽楠(Phoebe bournei)是我国东部亚热带森林的优势树种,也是金丝楠木的主要来源树种。它具有重要的经济、园林与生态价值,目前已被列为国家II级... 掌握气候变化对珍稀濒危物种的分布和适应性变化趋势的影响,是开展保护生物学研究的基础。闽楠(Phoebe bournei)是我国东部亚热带森林的优势树种,也是金丝楠木的主要来源树种。它具有重要的经济、园林与生态价值,目前已被列为国家II级保护植物。预测不同气候背景下该物种的地理分布格局可为这一珍贵树种的资源保护、合理利用与开发提供指导依据,同时也为闽楠的起源与地理分化研究奠定基础。本研究基于闽楠的123个分布点信息与19个气候因子,采用最大熵模型(MaxEnt)与ArcGIS空间分析,构建闽楠于末次冰期(距今22000年)、当前(1950-2000年)以及未来(2050年与2070年)相应地潜在分布区格局,并确定未来受威胁的适生区、面积与影响分布的气候因子。结果表明:闽楠的适生区覆盖浙江、福建、江西、广东、广西、湖南、湖北、贵州及重庆,制约闽楠地理分布的气候因子主要是温度季节性变化标准差(Bio4)、最暖月最高温(Bio5)与最干季降水量(Bio17);在末次盛冰期闽楠退缩到我国东部的许多山区,诸如武夷山、浙闽丘陵、武陵山、雪峰山、湘黔桂毗邻的山区;随着全球气候变暖,到2050年与2070年闽楠的适生区有着破碎化甚至丧失的风险。 展开更多
关键词 最大熵模型 物种分布模拟 闽楠 气候变化
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生物避难所及其识别方法评述 被引量:13
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作者 胡忠俊 张镱锂 +1 位作者 刘林山 于海彬 《生态学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2013年第12期3397-3406,共10页
生物避难所作为生物地理学研究的一个热点,近年来吸引越来越多生物地理学者的关注,研究数量呈现加速增长态势,给生物地理学的研究注入新的活力。当全球经受第四纪冰期的漫长考验时,众多物种由于冰期避难所的保护而得以幸存,并在冰期结... 生物避难所作为生物地理学研究的一个热点,近年来吸引越来越多生物地理学者的关注,研究数量呈现加速增长态势,给生物地理学的研究注入新的活力。当全球经受第四纪冰期的漫长考验时,众多物种由于冰期避难所的保护而得以幸存,并在冰期结束后扩展其分布范围,逐渐形成目前全球生物多样性的分布现状。在应对当前及未来气候变化时,生物避难所会持续扮演保护濒危物种、生物种群及物种多样性的角色,因此有必要了解避难所的生物地理特征、形成原因和过程;理解避难所的概念及其研究意义;探讨避难所的各种识别方法。当前对生物避难所的认识主要是根据欧洲和北美洲第四纪气候明显波动期间生物体亲缘地理学的研究,其他地区(包括中国)的相关研究还处于很低水平,有很大的提升空间。生物避难所增强了生物群在数百万年多变的环境条件下的生存本领,因此识别和保护生物避难所在生态保护中处于优先地位。为寻找生物避难所发展出来的各类方法提高了生物避难所的识别能力,各类方法手段不断整合,有利于人们更好地认识生物避难所本身以及气候变化下其作为生物体及生物多样性安全天堂的能力。 展开更多
关键词 栖息地 古生物学 收缩性 亲缘地理学 物种分布模拟 识别方法
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Spatial Distribution Modelling of Kobresia pygmaea(Cyperaceae) on the Qinghai-Tibetan Plateau 被引量:4
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作者 WU Liang WANG Min +2 位作者 OUYANG Hua CHENG Shengkui SONG MingHua 《Journal of Resources and Ecology》 CSCD 2017年第1期20-29,共10页
Kobresia pygmaea Willd.dominates the alpine meadow ecosystem on the Qinghai-Tibet Plateau.Knowledge of this species' distribution and ecological environment could provide valuable insights into the alpine ecosystem a... Kobresia pygmaea Willd.dominates the alpine meadow ecosystem on the Qinghai-Tibet Plateau.Knowledge of this species' distribution and ecological environment could provide valuable insights into the alpine ecosystem and key species living there,support species and ecosystem conservation in alpine regions,and build on species origin and evolutionary research.To avoid modelling uncertainty encountered in a single approach,four species distribution model algorithms(Surface Range Envelope(SRE),Generalized Linear Model(GLM),Generalized Boosted Regression(GBM) and Maximum Entropy(MAXENT)),were used to simulate the distribution of K.pygmaea based on occurrence samples that were verified using DNA sequencing techniques.Species distribution modelling revealed a vast distribution region of K.pygmaea in the northern Tibetan Highlands and alpine meadows in the southern and eastern declivity of the plateau.A high evaluation performance was found for the GLM,GBM and MAXENT models.Different potential range size patterns for the four models were found between 374340–482605 km^2(average = 421591 km^2).Precipitation during growing seasons was found to be the dominant factor accounting for the distribution,consistent with patterns of heat and water patterns conditions of alpine ecosystems on the plateau.Species distribution models provide a simple and reliable approach to simulating the spatial patterns of species inhabiting the Qinghai-Tibet Plateau. 展开更多
关键词 Species Distribution Modelling Qinghai-Tibet Plateau Kobresia pygmaea Willd
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中南半岛稻谷潜在分布区模拟 被引量:2
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作者 吴良 沈镭 成升魁 《资源科学》 CSSCI CSCD 北大核心 2021年第12期2369-2380,共12页
农作物潜在分布区是掌握农作物分布范围、估算农作物产量、评估气候变化对农业生产的影响、规划调整农业种植结构,以及规避自然和市场风险等的重要参考。中南半岛是全球水稻种植最为集中的地区之一,对全球粮食安全意义重大。本文采用物... 农作物潜在分布区是掌握农作物分布范围、估算农作物产量、评估气候变化对农业生产的影响、规划调整农业种植结构,以及规避自然和市场风险等的重要参考。中南半岛是全球水稻种植最为集中的地区之一,对全球粮食安全意义重大。本文采用物种分布模型MaxEnt,对中南半岛水稻的潜在分布区进行模拟。研究结果显示:(1)高程、坡度、灌溉距离成本、等温性、年温度变幅、年降雨量、降水变异系数和最暖季降雨量等8个环境与气候因子是该地区水稻分布的主要影响因素;(2)将水稻样本按照种植类型分为3类(低地灌溉、低地雨养和高地雨养)进行模拟比利用全部样本进行模拟的精度显著提高;(3)中南半岛水稻的潜在分布区为1.140亿hm2,占全部国土面积的53.3%。本文模拟的潜在分布区可以为指引中南半岛、特别是澜沧江—湄公河流域水稻种植,保障区域粮食供给和优化农业产业布局提供科学支撑。 展开更多
关键词 水稻种植 潜在分布 物种分布模拟 最大熵模型(MaxEnt) 粮食安全 中南半岛
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Response of Asiatic ibex(Capra sibirica) under Climate Change Scenarios
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作者 Eric Ariel L.SALAS Raul VALDEZ +1 位作者 Stefan MICHEL Kenneth G.BOYKIN 《Journal of Resources and Ecology》 CSCD 2020年第1期27-37,共11页
We investigated the effects of climate change on the distribution of the Asiatic ibex(Capra sibirica)in eastern Tajikistan.No existing climate change studies have been conducted on the habitat of a wild goat species i... We investigated the effects of climate change on the distribution of the Asiatic ibex(Capra sibirica)in eastern Tajikistan.No existing climate change studies have been conducted on the habitat of a wild goat species in Asia.We conducted ecological niche modelling to compare potential present and future distributions of suitable environmental conditions for ibex.Projecting to 2070,18%(2689 km^2)of the current suitable areas would be lost,mostly located in the southeastern and northwestern regions of the study area.However,new suitable habitats could expand outside the current ibex range—about 30%(4595 km^2)expansion until 2070.We found that the elevation,terrain roughness,seasonal temperature,and precipitation of warmest quarter were the most important factors in the models and had strong correlations to ibex distribution.The losses in the southeastern portion overlapped most of the current locations of ibex in that region.These losses were observed in the much lower elevations of the study area(3500 m to 4000 m).When considering both loss and gain,the ibex could see a net expansion to new suitable habitats.About 30%(1379 km^2)of the average habitat gains for the Asiatic ibex in 2070 showed a shift to northern lower temperature habitats.Our results are beneficial in planning for the potential effects on biodiversity conservation in the eastern mountain region of Tajikistan under climate change scenarios.Special attention should be given to the ibex populations in the southeastern region,where habitats could become unsuitable for the species as a result of the climate-induced effects on the mountain ecosystem. 展开更多
关键词 ensemble forecasting models global climate change species distribution modeling mountain ungulates
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双花木属植物潜在分布区模拟与分析 被引量:27
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作者 孟艺宏 徐璕 +1 位作者 姜小龙 徐刚标 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第8期2816-2825,共10页
气候变化直接影响着物种的分布范围。了解气候变化对濒危物种分布区的影响,是开展保护生物学研究的基础。双花木属(Disanthus Maxim.) 1种1变种,隶属金缕梅科(Hamamelidaceae),为东亚特有濒危物种和典型的中-日间断分布成分,在研究东亚... 气候变化直接影响着物种的分布范围。了解气候变化对濒危物种分布区的影响,是开展保护生物学研究的基础。双花木属(Disanthus Maxim.) 1种1变种,隶属金缕梅科(Hamamelidaceae),为东亚特有濒危物种和典型的中-日间断分布成分,在研究东亚植物区系地理演化方面具有重要的科学价值。本研究基于双花木属植物19个当前居群分布点的气候变量,运用MaxEnt模型预测双花木属植物在末次盛冰期(约22000年前)、当前(1950—2000年)和未来(2060—2080年)气候情景下的潜在分布区的结果显示,受试者工作特征曲线下的面积(AUC=0.9999±0.0001)接近于1,表明MaxEnt模型的预测准确度极高;气候变量贡献率和Jackknife检验评估的结果显示,制约双花木属植物分布的主导气候变量是最湿月降水量和最干月降水量。采用ArcGIS 10.0中的ArcToolbox空间分析工具定量分析比较双花木属的分布动态,基于生境稳定性(N_(stab))、当前与其他时期分布区面积比(N_a)和扩张/收缩程度(N_e)的分析结果揭示,在双花木属植物进化过程中,分布范围经历了收缩过程;未来的温室气体排放量升高程度不同,其适生区呈现不同程度(30%—65%)收缩,特别是RCP 8.5气候情景下,我国武夷山山脉的潜在分布区有可能会丧失。探讨双花木属植物对不同时期气候变化的响应,重建冰期以来该属植物地理分布的变迁历史,分析限制其潜在地理分布的主导气候变量,可为双花木属植物保育措施的制定和东亚地区植物区系物种形成演化的研究提供理论参考。 展开更多
关键词 双花木属 物种分布模拟 气候变化 分布动态
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非气候因素对草原植物生产力影响的最大熵研究
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作者 石慰 《广东农业科学》 CAS CSCD 北大核心 2012年第22期184-186,共3页
基于最大熵原理在生态位模拟中的应用及据此开发出来的软件MAXENT-V3.3.3k,以野外调查获得的植物种地理分布信息和相应的气候变量作为适生性评估输入,在优化变量的最佳配置下,评估该物种的适生性;借助类似于气孔导度理论的环境变量函数... 基于最大熵原理在生态位模拟中的应用及据此开发出来的软件MAXENT-V3.3.3k,以野外调查获得的植物种地理分布信息和相应的气候变量作为适生性评估输入,在优化变量的最佳配置下,评估该物种的适生性;借助类似于气孔导度理论的环境变量函数乘合模型(即可分离变量假设),能够区分物种对气候变量、非气候变量和人为影响的响应。对小针茅1984—1995年连续12年的模拟结果显示,评估很好地再现了小针茅产量的年际变化趋势,成功地创建了样本的单位面积产量正比于该局地适生性的简单关系;支持过度利用草原是小针茅植物退化的主要原因。 展开更多
关键词 最大熵原理 物种地理分布模拟 适生性 气候-生物多样性-生产力关系 小针茅
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