基于共生图的礁鱼群落稳定性分析方法

1.本发明涉及珊瑚礁生态保护技术领域，尤其涉及一种基于共生图的礁鱼群落稳定性分析方法。


背景技术：

2.珊瑚礁在为各种海洋生物提供理想栖息地的同时，也为数百万人提供着生计、医药和经济服务。然而受自然和人为因素的影响，目前世界上多个地区的珊瑚礁都正面临着严重的生存危机。因此保护珊瑚礁生态系统，维护珊瑚礁区的生态稳定性迫在眉睫。
3.珊瑚礁鱼类，作为珊瑚礁生态系统的重要组成部分，对维持系统生态平衡具有重要作用，其多样性可反映系统的健康程度，是常被用来评价珊瑚礁健康状况的一类重要的礁栖生物。因此本发明重点关注于其中的礁鱼群落(即珊瑚礁和鱼类的组合群落)。礁鱼群落的时空变化是群落稳定性的重要反映，其年际变化的度量可通过计算群落在多年间的相似度实现，空间变化则可通过分析群落模块的分布变化得出。因此在研究礁鱼群落稳定性的过程中，需要考虑两个主要任务：一是明确表达种间关系，二是有效衡量群落的变化。
4.图论作为一种组织和分析关系数据的有效工具，因其独特优势已被越来越广泛地应用于生态保护研究。
5.对于种间关系的表达，赵等人曾根据珊瑚礁与鱼类种群之间的欧式距离实现了依赖关系的量化，并建立了珊瑚礁和鱼类的竞争图模型。林等人则通过营养关系建立了鱼类群落的生态网络模型。然而这些种间关系的计算方法单一、客观性较弱。
6.对于群落变化的度量，现有的方法多是基于比较生态网络的结构特征，如度分布、嵌套性、模块性等方面来实现。然而这些方法忽略了生物本身所包含的属性信息，准确度较低，且无法快速有效地量化群落的改变。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于共生图的礁鱼群落稳定性分析方法，针对以往研究种间关系计算方法单一、客观性较弱等问题，提出一个能够有效表达礁鱼群落生物关系的模型；针对以往度量群落变化的方法准确度较低的问题，设计一个能够有效度量群落变化的方法以分析群落的稳定性；并根据群落稳定性的分析结果，进一步识别出需要优先保护的区域。
8.为了实现上述目的，本发明提供一种基于共生图的礁鱼群落稳定性分析方法，包括步骤：
9.s1：礁鱼群落的稳定性分析，选取固定的珊瑚礁和鱼类种群之间的距离值和营养级差值作为衡量其间依赖关系和营养关系是否存在的标准，将所述依赖关系和所述营养关系综合考虑实现所述珊瑚礁和鱼类种群之间关系的量化；选取目标珊瑚礁和目标鱼类种群构建共生图，采用pma图核方法对构造出的多年份共生图进行相似度计算，得到群落多年份相似度结果；
10.s2：礁鱼群落保护优先区的识别，根据已计算出的所述群落多年份相似度结果，筛出相对最不稳定年份的群落；利用louvain算法对最不稳定年份的所述群落及其前后相邻年份的所述群落一起执行模块划分，最后利用所述pma图核方法对多个子模块在相邻年间的变化进行度量，得到多个所述子模块的相似度结果。
11.优选地，所述s1步骤进一步包括步骤：
12.s11：种间关系量化；
13.提出了一依赖标准和一营养标准，暂不考虑所述珊瑚礁之间的依赖关系，仅当两个不同对象的距离小于或等于对应的所述依赖标准时，才认为其间存在依赖关系；仅当两个不同对象的营养级差值大于或等于营养标准时，才认为其间存在营养关系；
14.建立一关系强度公式：
[0015][0016]
其中，w(x,y)表示生物间的关系强度，e表示自然常数，λ表示指数，g(x,y表示依赖距离与营养级差值之和；d
′
(x,y)和δtl
′
(x,y分别为归一化处理后的依赖距离和营养级差值；α为权重系数；
[0017]
s12：共生图模型构建；
[0018]
以一个所述珊瑚礁或一个所述鱼类种群作为一个节点，根据其角色设置对应的节点标签信息,并将其相关的生物信息作为节点属性信息；仅当两个节点间同时满足所述依赖标准和所述营养标准时，才从营养级低的节点向营养级高的节点连一条边，并根据公式(1)计算边上权值；
[0019]
s13：pma图核。
[0020]
优选地，所述s13步骤进一步包括步骤：
[0021]
s131：生成所述共生图的图节点嵌入并映射到多分辨率直方图；
[0022]
s132：计算多个所述共生图的相似度。
[0023]
优选地，所述s131步骤进一步包括步骤：
[0024]
s1311：提取图属性特征，生成所述共生图的属性嵌入向量矩阵；
[0025]
s1312：提取图结构特征，生成所述共生图的结构向量矩阵；
[0026]
s1313：融合所述属性嵌入向量矩阵和所述结构向量矩阵生成整个图的向量表示；
[0027]
s1314:将所述图的向量集映射到多分辨率直方图。
[0028]
优选地，所述s132步骤中：
[0029]
多个所述共生图的相似度可通过在不同分辨率下对点集进行加权交集求和得到：
[0030][0031]
其中，h1(g1)、h1(g2)为第l层分辨率下g1和g2节点嵌入对应的直方图；i(h1(g1),h1(g2)为g1和g2在第l层上的匹配值；ω为权重值，ω
l
＝1/2
l
；s
δ
(g1,g2)表示节点g1和g2的相似度；l表示层级总数；
[0032]
[0033]
其中，lab表示标签的类别数；表示多个所述共生图的相似度值。
[0034]
优选地，所述s2步骤中：
[0035]
先利用louvain算法对不稳定年份的群落进行模块结构划分，之后使用所述pma方法度量了所述子模块在相邻年间的变化。
[0036]
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
[0037]
本发明提出了一个能够有效表达礁鱼群落中生物关系的共生图模型，并实现了生物关系强度的量化，在一定程度上可为群落结构的模型化提供参考。
[0038]
本发明将群落变化的度量问题转变为其关系图模型的相似性计算问题，并结合图属性和结构信息设计了一种新的融合图属性的金字塔匹配(pma)图核方法。该方法不仅可以快速有效地实现礁鱼群落变化的准确度量，而且能灵活选择比较的属性以衡量群落多方面的差异，可为群落的稳定性分析提供一种新的辅助评价方法。
[0039]
基于群落多年份的相似度计算结果，本发明对不稳定年份的群落执行子模块划分及其子模块变化度量，初步识别了需要优先关注的区域，可为相关保护人员进行珊瑚礁生态系统的监管和保护规划提供辅助决策。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例的基于共生图的礁鱼群落稳定性分析方法的流程图；
[0041]
图2为本发明实施例的两种测度结果的对比图；
[0042]
图3为本发明实施例的各年份的多样性指数值图；
[0043]
图4为本发明实施例的不同版本图核的计算结果图；
[0044]
图5为本发明实施例的群落模块的相似度计算结果图；
[0045]
图6为本发明实施例的2006-2007年两种测度的模块相似度结果对比图。
[0046]
图7为本发明实施例的2007-2008年两种测度的模块相似度结果对比图。
具体实施方式
[0047]
下面根据附图1～图7，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
[0048]
请参阅图1，本发明实施例的一种基于共生图的礁鱼群落稳定性分析方法，包括步骤：
[0049]
s1：礁鱼群落的稳定性分析，选取固定的珊瑚礁和鱼类种群之间的距离值和营养级差值作为衡量其间依赖关系和营养关系是否存在的标准，将所述依赖关系和所述营养关系综合考虑实现所述珊瑚礁和鱼类种群之间关系的量化；选取目标珊瑚礁和目标鱼类种群构建共生图，采用pma图核方法对构造出的多年份共生图进行相似度计算，得到群落多年份相似度结果；
[0050]
s2：礁鱼群落保护优先区的识别，根据已计算出的群落多年份相似度结果，筛出相对最不稳定年份的群落；利用louvain算法对最不稳定年份的群落及其前后相邻年份的群落一起执行模块划分，最后利用pma图核方法对多个子模块在相邻年间的变化进行度量，得到多个子模块的相似度结果。
[0051]
s1步骤进一步包括步骤：
[0052]
s11：种间关系量化；
[0053]
提出了一依赖标准和一营养标准，暂不考虑所述珊瑚礁之间的依赖关系，仅当两个不同对象的距离小于或等于对应的所述依赖标准时，才认为其间存在依赖关系；仅当两个不同对象的营养级差值大于或等于营养标准时，才认为其间存在营养关系；
[0054]
建立一关系强度公式：
[0055][0056]
其中，w(x,y)表示生物间的关系强度，e表示自然常数，λ表示指数，g(x,y表示依赖距离与营养级差值之和；d
′
(x,y)和δtl
′
9x,y分别为归一化处理后的依赖距离和营养级差值；α为权重系数；
[0057]
s12：共生图模型构建；
[0058]
以一个珊瑚礁或一个鱼类种群作为一个节点，根据其角色设置对应的节点标签信息,并将其相关的生物信息作为节点属性信息；仅当两个节点间同时满足依赖标准和营养标准时，才从营养级低的节点向营养级高的节点连一条边，并根据公式(1)计算边上权值；
[0059]
s13：pma图核。
[0060]
s13步骤进一步包括步骤：
[0061]
s131：生成共生图的图节点嵌入并映射到多分辨率直方图；
[0062]
s131步骤进一步包括步骤：
[0063]
s1311：提取图属性特征，生成所述共生图的属性嵌入向量矩阵；
[0064]
s1312：提取图结构特征，生成所述共生图的结构向量矩阵；
[0065]
s1313：融合所述属性嵌入向量矩阵和所述结构向量矩阵生成整个图的向量表示；
[0066]
s1314:将所述图的向量集映射到多分辨率直方图。
[0067]
s132：计算多个共生图的相似度。
[0068]
s132步骤中：
[0069]
多个所述共生图的相似度可通过在不同分辨率下对点集进行加权交集求和得到：
[0070][0071]
其中，h
l
(g1)、h
l
(g2)为第l层分辨率下g1和g2节点嵌入对应的直方图；i(h
l
(g1),h1(g2)为g1和g2在第l层上的匹配值；ω为权重值，ω
l
＝1/2
l
；s
δ
(g1,g2)表示节点g1和g2的相似度；l表示层级总数；
[0072][0073]
其中，lab表示标签的类别数；表示多个所述共生图的相似度值。
[0074]
s2步骤中：
[0075]
先利用louvain算法对不稳定年份的群落进行模块结构划分，之后使用pma方法度量了子模块在相邻年间的变化。
[0076]
本发明实施例的一种基于共生图的礁鱼群落稳定性分析方法，其具体实施方式如下：
[0077]
采用2004-2010年夏季圣约翰岛珊瑚礁和鱼类的数据集，在对原数据集进行预处理后，将其构造成适合实施例的图数据集。在此基础上利用所提出的pma图核方法对多个共生图执行相似度计算，得到群落在多年间的相似度结果。
[0078]
本发明实施例重点聚焦于礁鱼群落在相邻年间的变化情况。由多年份的群落相似度结果可知群落在2006到2008年间发生了较大变化，其中在2007-2008年间变化最大，其他年份的变化则相对较小。通过分析六个相似度值的波动情况，可发现群落在2007年是相对最不稳定的。
[0079]
经调查发现在2006-2008年间，实施例研究区草食性鱼的总体占比有较大的变化，且优势种硬珊瑚的覆盖率也有较大变化。这种情况的发生与当年美属维尔京群岛发生的热浪密切相关，水温的增高导致该地区范围发生了大规模珊瑚白化。
[0080]
为了进一步验证上述结果的有效性，本发明基于各个年份的物种数和物种丰度，计算bray-curtis距离来测量群落间的相似性，并将其结果与经归一化处理后的上述群落相似度结果进行对比，对比结果如图2所示。可发现由pma图核方法得到的相似度值普遍低于bray-curtis相似度值，这是正常情况，因为bray-curtis测度方法主要考虑的是群落的物种组成，而pma图核方法不仅考虑了群落的物种组成，还考虑了位置、覆盖率等多个信息。其中在2006-2007、2007-2008年处两种方法得到的结果相差尤其大。考虑引起这种情况的原因可能是在该段时间内群落中珊瑚礁和鱼类种群的位置发生了巨大变化，这一可能性在后续群落模块变化的度量中得到了验证。两种方法得到的结果基本保持相同的变化趋势，证明了实验结果的有效性。
[0081]
由于群落的多样性是稳定性的重要保障，其波动可间接反映出群落真实的稳定性状况，因此本发明还分别统计了如图3所示的珊瑚礁和鱼类群落每年的多样性指数信息。从图中可明显发现三个指数值都在2006到2008年间有着较大的波动，整体呈先下降再上升的趋势，其中2007年为发生显著变化的拐点，即群落多样性变化所反映出的群落真实的稳定性状况与pma方法得到的结论一致，证明了实验结果的有效性。
[0082]
为了验证pma图核的有效性，本发明在数据集上分别应用pma、其最初版本与后续可用于带标签图的版本进行实验。为了简化说明，此处分别用pm和pml表示最初版本与可用于带标签图的版本，图4展示了经归一化处理后的三个版本图核得到的结果。
[0083]
从图4中可发现由pma图核得到的结果基本上比其他两个版本得到的相似度值都低，相似度值越低越有益于提高度量结果的准确性。在2006-2007、2007-2008年的群落相似度计算中，pm和pml版本得到的结果分别为(0.017，0.024)和(0.015，0.020)，与真实情况是不符的。而pma得到的结果为(0.015，0.003)是符合实际情况的，成功证明了本发明所提出方法的有效性。
[0084]
在群落保护优先区的识别任务中，本发明首先利用louvain算法对年际变化较大的群落(2006、2007和2008年所对应的共生图)进行模块划分。在此基础上，分别度量在不同年份相同地理范围上的多个模块的变化。为了便于计算，暂不考虑2007和2008年间出现的新模块结构，计算结果如图5所示。
[0085]
从图5中可明显发现2号模块前后的相似度值相差较大。通过分析该范围内的珊瑚和鱼类状况可知，在2007年2号模块中珊瑚礁和鱼类的种类和数量发生了较大变化。此外，4、6、7、9号模块也需引起关注，因为其在2006-2007或2007-2008年间相似度值出现了为0的
情况，这意味着在该处模块化结构的消失，这些变化较大的模块都应引起关注。
[0086]
为了验证上述结果的有效性，本发明基于各个年份的物种数和物种丰度，同样计算bray-curtis距离来测量多个模块在相邻年间的相似性，并将其结果与pma图核得到的结果进行比较，如图6和图7展示了两种测度的对比结果。由图6和图7可知，两种方法得到的结果基本上保持着相同的变化趋势，且由pma图核方法得到的相似度值均低于bray-curtis相似性值，证明了其准确性和有效性。
[0087]
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。