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      神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)葉相—?dú)夂驍?shù)學(xué)模型的改進(jìn)

      發(fā)布時(shí)間:2015-12-01
      來(lái)源:古生態(tài)研究組

        利用古植物重建古氣候已有很久的歷史。目前,國(guó)際上通過(guò)植物材料定量研究古氣候的常用的方法可以分為兩類,即:利用植物分類和植物形態(tài)的方法。其中,氣候與葉片多變量分析程序(Climate Leaf Analysis Multivariate ProgramCLAMP)是通過(guò)植物葉片形態(tài)重建古氣候的常用模型之一。該模型利用排序變量的方法來(lái)減少參數(shù),并建立多個(gè)變量的二次函數(shù)來(lái)重建氣候因子。但是由于環(huán)境變量和植物形態(tài)之間的關(guān)系的復(fù)雜性,很可能是非線性的關(guān)系,如果對(duì)全球不同區(qū)域的氣候葉相進(jìn)行分析,利用常規(guī)的線性數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)氣候參數(shù)的誤差會(huì)比較大。 

        版納植物園熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室古生態(tài)研究組與英國(guó)開(kāi)放大學(xué)等單位合作,基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(General Regression Neural Network , GRNN)提出一個(gè)新的非線性的數(shù)學(xué)模型(Climate Leaf Analysis with Neural NetworksCLANN),并利用CLANN對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了分析研究:CLAMP 全球氣候-葉相數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)字葉相分析(Digital Leaf Physiognomy, DLP)數(shù)據(jù)庫(kù)。利用新的數(shù)學(xué)方法預(yù)測(cè)的決定系數(shù)(R2)更高,標(biāo)準(zhǔn)差(the standard deviationSD)更小。對(duì)于所有的氣候因子,無(wú)論去掉單獨(dú)去掉哪一類葉相特征與通過(guò)全部的葉相特征模擬的決定系數(shù)(R2)比較,變化都不明顯。同時(shí),無(wú)論單獨(dú)挑選哪一類葉相特征,也可以獲得相對(duì)可靠的氣候參數(shù)。結(jié)果表明:新的數(shù)學(xué)方法顯著提高了利用葉相數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)氣候模型的精確性,另外該方法也是可重復(fù)的,同時(shí)也是穩(wěn)健的。通過(guò)分析新方法對(duì)北美82個(gè)化石數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè),結(jié)果表明:CLANN對(duì)化石點(diǎn)的預(yù)測(cè)值與CLAMP是有明顯的區(qū)別,尤其是在水分相關(guān)的氣候因子上,CLANN預(yù)測(cè)的氣候范圍值較大。 

        該研究是數(shù)學(xué)模型在古生物、古氣候研究領(lǐng)域的一個(gè)重要的創(chuàng)新,該數(shù)學(xué)模型還可以推廣應(yīng)用到古氣候、古環(huán)境重建的其他研究領(lǐng)域。相關(guān)成果以Artificial neural networks reveal a high-resolution climatic signal in leaf physiognomy為題在古生態(tài)學(xué)雜志 Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology在線發(fā)表。該研究得到了國(guó)家973項(xiàng)目(2012CB821901),國(guó)家自然科學(xué)基金(41372035支持。

       

        CLANN方法流程圖 

      本文作者:李樹(shù)峰

      責(zé)任編輯:玉最東_151c53
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