Завдання про упаковку куль знайшло застосування в моделі структури лісу

Пакування куль - класичне завдання комбінаторної геометрії.


Пояснення складної структури тропічних лісів становить одну з найбільших проблем в екології. Питанням особливого інтересу є закон розподілу різних геометричних характеристик дерев, що має особливе значення для завдання оцінки біомаси. Група фахівців з моделювання з Центру імені Гельмгольца з дослідження навколишнього середовища разом з колегами розробили новий метод, який може бути використаний для пояснення розподілу розмірів дерев у природних лісах. Для цього вчені застосували методи стохастичної геометрії.

Протягом понад ста років розподіл різних геометричних параметрів дерев у лісах був одним з ключових атрибутів у записах лісників і екологів по всьому світу. Справа в тому, що цей розподіл може бути використаний для отримання багатьох інших структурних особливостей лісів, таких як біомаса і продуктивність. Доктор Франциска Тауберт (Franziska Taubert) спільно з колегами, доктором Торстеном Вігандом (Thorsten Wiegand), професором Андреасом Хутом (Andreas Huth) та іншими партнерами з Лейпцизького університету прикладних наук і Технологічного інституту Карлсруе застосували теорію стохастичної упаковки з Лейпціського університету прикладних наук, яка зазвичай використовується у. Ця теорія описує, як кульки можуть бути розміщені в наявному просторі. Для застосування теорії вчені в рамках моделей випадково розподіляли крони дерев різних розмірів у лісових зонах, забороняючи їм перекриватися. Розподіл дерев, які були успішно розміщені в процесі упаковки, потім використовували для того, щоб виявити розподіл за розмірами дерев.

"Багато моделей лісу базуються на динамічному підході: вони враховують такі процеси, як зростання, смертність, регенерацію і конкуренцію між деревами за світло, воду і поживні речовини в ґрунті ", - сказав Тауберт. -" Ці моделі складні і вимогливі до даних ", - додав Торстен Віганд, -" і ми вирішили використовувати зовсім інший підхід, який принципово простіше і базується тільки на основі просторових структур ". Використана методика довела свою ефективність, дозволяючи коректно відтворювати спостережувані структури, особливо розподіл розмірів дерев.

Хоча тропічний ліс може здатися дуже щільно упакованим, вчені прийшли до дивного висновку: щільність упаковки крон дерев, яка в середньому становить від 15 до 20%, дивно низька. «Зокрема, верхні і нижні рівні лісового пологу менш щільно упаковані кронами дерев», - сказав Тауберт. Висока щільність упаковки - близько 60%, - яка можлива відповідно до стохастичної геометрії, зустрічається тільки при висоті дерев у діапазоні від 25 до 40 метрів.

Висновки, що стосуються розподілу крон дерев, можуть бути використані, наприклад, для оцінки вмісту вуглецю або продуктивності лісу. За допомогою стохастичного підходу можна швидше оцінювати структуру природних лісів по всьому світу і отримувати більш точні оцінки біомаси. Ще однією перевагою нової теорії є те, що ця проста модель вимагає набагато менше ресурсів, ніж класичні моделі лісу.

Використовуючи даний підхід, дослідники також змогли показати, що вирішальним фактором у формуванні розподілу розмірів дерев є конкуренція за простір. «У класичній моделі лісів, - повідомив Андреас Хут, - дерева замість цього конкурують за світло, воду і поживні речовини».

COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND