news 2026/6/10 23:05:01

基于系统动力模拟模型(SD模型)在土地利用-生态系统服务-碳排放研究中的应用

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
基于系统动力模拟模型(SD模型)在土地利用-生态系统服务-碳排放研究中的应用

在土地利用规划、资源管理、生态系统服务、碳减排等领域,我们正面临日益复杂的系统性挑战:城市扩张与耕地保护的平衡难题、水资源供需的动态失衡、生态系统的连锁反应、碳排放路径的多元优化……这些问题并非单一因素导致,而是涉及多主体、多变量、多反馈的复杂系统相互作用的结果。传统分析方法往往局限于局部因素考量,难以捕捉变量间的动态关联与长期演化趋势,导致决策缺乏全面性与前瞻性。

系统动力学作为一门聚焦复杂系统动态演化规律的科学方法,恰好弥补了这一短板。它以“整体观”为核心,通过梳理系统内各要素的因果关系、构建存量流量的动态模型,能够清晰呈现问题背后的核心反馈回路——无论是土地利用中“城市扩张-生态退化-治理投入”的循环,还是碳排放管控中“产业结构-能源消耗-政策干预”的联动,都能通过系统动力学模型进行量化模拟与预测。

2025年,多篇顶刊文献发表关于多系统,多维度耦合文章,如SD模型与INVEST模型在生态-的土地利用-碳动态模拟。

以下文章开发了一个结合熵值法、因子分析与系统动力学(SD)的城市韧性评估模型,构建了涵盖生态、社会、经济和基础设施四个维度的综合指标体系,并通过动态仿真分析揭示了城市应对极端降雨的演化机制。

目标

技能掌握:熟练使用Vensim 软件,完成系统动力学模型从搭建、检验到运行的全流程操作

能力提升:具备分析土地/ 资源 / 生态 / 碳排放领域复杂系统问题的能力,能独立设计基础建模方案

学术支持:了解相关领域论文的建模逻辑与规范,为科研论文写作、项目申报提供方法支持

实战成果:全程完成3-5个实战模型(涵盖土地利用、碳排放、生态系统等方向),可直接应用于工作或研究

内容

第一章、系统动力学基础认知与Vensim软件入门

1.1系统动力学基本概念

讲解系统动力学基本概念,为什么要进行系统动力学分析,说明其在解决土地/资源/生态领域问题中的作用

1.2行业应用场景介绍

分享系统动力学在土地利用规划、资源供需平衡、生态系统等场景的实际应用案例

1.3Vensim软件界面解析

详细讲解菜单栏、建模区、数据区、图表区等核心功能,明确各功能使用方法

1.4软件基础操作训练

指导学员进行新建模型、文件保存、视图调整、基础参数设置等操作,熟悉软件使用流程

1.5实操案例一

钟摆过程模型搭建,帮助学员理解系统动态变化逻辑,完成首个基础模型

1.6 实操案例二

简单传染病模型构建,让学员掌握“变量设定-逻辑梳理-仿真运行”的基础流程

第二章、Vensim软件进阶操作与基础建模实践

2.1 软件常用功能详解

讲解变量命名规范、模块复制、注释添加、单位设置等实用功能,提升建模效率

2.2 模型变量设置方法

说明状态变量、速率变量、辅助变量的定义规则,结合土地/资源场景讲解变量设计思路

2.3 常用函数应用讲解

解析线性函数、非线性函数、延迟函数等核心函数的用法,配套实操练习巩固掌握

2.4 模型方程编写指导

梳理方程逻辑、讲解语法规范,介绍常见错误排查方法,确保模型逻辑通顺、可运行

2.5 实操演练

从零搭建简单土地利用模型,包含建设用地扩张、耕地保护平衡相关逻辑,熟悉建模核心步骤

2.6 仿真结果观测方法

讲解如何通过图表、数据表格呈现仿真结果,掌握关键变化趋势的识别技巧

第三章、因果回路图(CLD)构建:梳理系统逻辑关系

3.1 因果回路图基本概念

说明其在建模中的作用,讲解如何通过回路图梳理系统内各要素的关联关系

3.2 构建操作流程

指导学员进行回路识别、箭头标注、极性判断(+/-)、正反馈与负反馈回路区分,掌握标准构建方法

3.3 构建关键要点

强调逻辑严谨性、避免冗余关系、突出核心矛盾,确保回路图简洁准确

3.4 实操案例

搭建土地利用冲突因果回路图,如“城市扩张-耕地减少-粮食安全”反馈回路,强化实操能力

3.5 进阶学习

拆解土地/资源领域顶刊论文中的经典回路图,学习学术级回路图的逻辑设计与规范表达

第四章、存量流量图(SD)构建:实现动态建模

4.1 存量流量图核心概念;

讲解存量、流量、辅助变量的定义及关联关系,说明如何将静态逻辑转化为动态模型

4.2 构建流程与技巧;

指导学员从因果回路图转化为存量流量图,讲解变量层级设计、流量逻辑梳理的具体方法

4.3 构建注意事项;

强调存量定义的科学性、流量公式的合理性、辅助变量的衔接流畅度,避免建模过程中出现卡顿

4.4 实操案例;

搭建资源消耗-补给存量流量图,如水资源供需平衡模型,掌握核心模块设计方法

4.5 进阶实操;

完整搭建土地利用动态变化流图,结合城市规划、耕地保护、生态红线约束条件,贴合实际工作场景

第五章、模型检验:保障建模结果可信度

5.1 模型检验的重要性;

说明检验是确保模型贴合实际、结果可靠的关键环节,讲解检验的核心目的

5.2 直观结构检验;

介绍逻辑一致性、边界合理性、变量关系科学性的检验方法,快速排查基础问题

5.3 历史检验实操;

指导学员收集、处理真实数据,学习用历史数据校准模型的方法,让模拟结果贴近实际情况

5.4 灵敏度检验方法;

讲解如何调整关键参数,分析参数变化对结果的影响,判断模型的稳定性与可靠性

5.5 实操案例;

复刻土地利用领域论文的检验流程,掌握学术建模的检验标准与具体方法

第六章、模型运行与优化:提升结果合理性

6.1 模型运行全流程;

讲解时间步长设置、运行周期调整、参数初始化等操作,确保模型稳定运行

6.2 运行结果评估方法;

从数据合理性、逻辑一致性、场景适配性三个维度,讲解如何判断运行结果是否符合实际需求

6.3 模型优化技巧;

介绍参数微调、结构优化、约束条件补充等方法,解决结果偏差、趋势不符等常见问题

6.4 实操案例;

对前序搭建的土地利用模型进行运行与优化,输出符合实际场景的模拟结果

第七章、土地、碳减排、生态系统核心领域案例解析与实操运行

7.1案例1:土地利用模型案例

拆解土地利用领域系统动力学模型”真实项目案例,讲解核心逻辑、建模步骤,指导学员实操运行并分析结果

7.2案例2:碳排放预测与路径优化模型

解析碳排放预测与路径优化模型构建逻辑与应用场景,指导学员跟随实操运行并分析结果

7.3案例3:生态系统模型

拆解生态系统领域系统动力学模型”真实案例,讲解核心逻辑、建模步骤,指导学员实操运行并分析结果

7.4 案例4:水资源利用模型

拆解水资源利用模型”真实顶刊案例,讲解核心逻辑、建模步骤,指导学员实操运行并分析结果

第八章、论文解读与创新应用探索

8.1 经典论文拆解;

精选土地/资源/生态领域系统动力学高水平论文,分析其建模框架、核心思路与结果呈现方式

8.2 创新方向探讨;

介绍系统动力学在土地/资源领域的应用创新点,探讨与其他技术方法的融合应用可能

8.3 疑问解答与个性化指导;

针对学员在工作或研究中遇到的建模难题,提供针对性建议,助力实际应用

经典系统动力学成果图展示

阅读全文(点击链接):基于Vensim软件的系统动力学建模及在土地、资源、生态、水资源和碳减排等领域应用及顶刊论文拆解与复现实战

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