基于Matlab2014編寫(xiě)多樣性指數(shù)算法研究

盧志宏

（銅仁學(xué)院，貴州 銅仁 554300）

生物多樣性和人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展存在著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，生態(tài)學(xué)對(duì)物種多樣性的研究主要是通過(guò)生物的種類(lèi)、個(gè)體數(shù)量來(lái)揭示生物種類(lèi)數(shù)量和人類(lèi)之間的關(guān)系；隨著人類(lèi)活動(dòng)的增加，對(duì)環(huán)境的破壞越來(lái)越強(qiáng)烈，人們對(duì)生物多樣性關(guān)注越來(lái)越普遍。物種多樣性指數(shù)是研究生物多樣性的方法之一, 其計(jì)算方法多種多樣，定義也存差異，本文根據(jù)張金屯關(guān)于多樣性指數(shù)的比較研究[1]，在matlab2014a平臺(tái)上編寫(xiě)了11種多樣性指數(shù)計(jì)算方法，旨在為繁復(fù)的計(jì)算提供快速準(zhǔn)確的方法。

1 樣方數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

植物調(diào)查數(shù)據(jù)一般在野外記錄植物種類(lèi)名稱(chēng)、數(shù)量、株高、蓋度、地上生物量（鮮重、干重2項(xiàng)），還有一些調(diào)查會(huì)采集枯落物的重量，以及記錄采集樣方時(shí)的時(shí)間、地點(diǎn)、天氣狀況等信息。本文的原始記錄如圖1，外業(yè)完成后原樣輸入到excel表格中。

圖 1 樣方記錄示意圖

2 數(shù)據(jù)樣方的整理

野外樣方數(shù)據(jù)采集存在隨機(jī)性，每個(gè)樣方出現(xiàn)的植物種類(lèi)不一樣，而設(shè)計(jì)記錄表格的時(shí)候，為了提高工作效率，一般在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上將出現(xiàn)頻率較高的植物名稱(chēng)輸入表格，作為模版印出來(lái)；而在野外實(shí)驗(yàn)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)表格中沒(méi)有的植物，或表格中的植物沒(méi)有出現(xiàn)的現(xiàn)象，記錄的時(shí)候就補(bǔ)上或跳過(guò)；這樣最終的記錄和模版存在一些差異，在數(shù)據(jù)錄入的時(shí)候?yàn)榱颂岣咝?，同時(shí)為了便于檢查錄入的正確率，一般不會(huì)打亂excel模版中的順序。大量樣方數(shù)據(jù)表格就難以一致，在計(jì)算多樣性指數(shù)的時(shí)候，就要求剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程一般是人為操作，費(fèi)時(shí)又低效，本文采用了程序語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，提高了效率。

2.1 整理的思路

從圖1可知，表格的橫行由A到I，是9列內(nèi)容，由文本和數(shù)字組成，按照matlab語(yǔ)言的規(guī)定，用矩陣分別讀取文本和數(shù)字，同時(shí)刪除B到I單元格空白的部分及所對(duì)應(yīng)行的文字，即實(shí)現(xiàn)了樣方數(shù)據(jù)的整理。

2.2 數(shù)字和文本的讀取

實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言如下：

[...,...,...] = xlsread([...,’...’],’...’,[‘.’.,.,’.’,.])

中括號(hào)中逗號(hào)隔開(kāi)的3部分內(nèi)容分別表示xlsread讀取f i lename中的數(shù)據(jù)，并返回?cái)?shù)值數(shù)據(jù)到double型數(shù)組、非數(shù)值的文本到字符串單元數(shù)組和未處理的單元數(shù)據(jù)到字符串單元數(shù)組，即表示分別讀取了圖1 中文字和數(shù)字部分。

2.3 空白數(shù)據(jù)的刪除

實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言如下：

if ...==0 && ...==0 && ...==0 && ...==0 ...=...;...=[...,...]; end

if...end表示按照一定的條件進(jìn)行選擇，可以設(shè)置一定的并列條件，刪除圖1中數(shù)字部分空缺的行，即實(shí)現(xiàn)了有效數(shù)據(jù)的整理。

2.4 整理后數(shù)據(jù)的保存

通過(guò)exlwrite命令將整理好的數(shù)據(jù)保存在新建excel文件中，用于后續(xù)的多樣性指數(shù)計(jì)算。

2.5 批量數(shù)據(jù)的讀取

在實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)整理的基礎(chǔ)上，需要考慮批量讀取數(shù)據(jù)，雖然這一步十分簡(jiǎn)單，但必不可少，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同小區(qū)、梯度等處理間物種多樣性的分別計(jì)算，也將會(huì)影響到后續(xù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

在植物多樣性調(diào)查中，一般設(shè)置若干個(gè)小區(qū)或梯度，如放牧小區(qū)、載畜率梯度、海拔梯度等，每個(gè)小區(qū)或梯度設(shè)置3～5個(gè)重復(fù)樣地，每個(gè)重復(fù)樣地內(nèi)調(diào)查3～5個(gè)樣方。每個(gè)樣方記錄在一張表格里，便于以后的數(shù)據(jù)整理。將整理后的所有數(shù)據(jù)按照相等行數(shù)記錄在同一個(gè)excel表格中，matlab將按照一定的規(guī)則讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)的規(guī)律如表1，本文中每個(gè)樣方占用20行。

表 1 不同梯度、重復(fù)和樣方所在的行數(shù)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)梯度、小區(qū)和樣方所對(duì)應(yīng)的數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)存在如下的數(shù)列關(guān)系：

每個(gè)樣方的第一行：

R1=20×G×P×(R-1)+20×G×(P-1)+20×(R-1)+1；

每個(gè)樣方的最后一行：

R20=20×G×P×(R-1)+20×G×(P-1)+20×(R-1)+20；

找到樣方起始行數(shù)后，通過(guò)xlsread命令即可實(shí)現(xiàn)批量讀取所有的樣方數(shù)據(jù)。

3 多樣性指數(shù)的計(jì)算

3.1 多樣性指數(shù)的計(jì)算公式

Shannon-Wiener 信息指數(shù)（1949）：

3.2 多樣性指數(shù)的實(shí)現(xiàn)

分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣方中出現(xiàn)的物種數(shù)、每個(gè)物種出現(xiàn)的數(shù)量，面積默認(rèn)為1m2，并統(tǒng)計(jì)3個(gè)樣方內(nèi)出現(xiàn)物種數(shù)、每個(gè)物種個(gè)體數(shù)量。然后根據(jù)多樣性公式進(jìn)行編輯。

3.3 matlab完整的程序語(yǔ)言

完整程序如圖2，運(yùn)行后可獲得結(jié)果，極大提高了工作效率。

圖 2 多樣性指數(shù)計(jì)算程序

3.4 多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2可知，3個(gè)梯度，每個(gè)梯度3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9個(gè)小區(qū)11種 多樣性指數(shù)輸出到表中，提高了計(jì)算效率。

表 2 多樣性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)該程序可以極大地降低多樣性指數(shù)的計(jì)算時(shí)間，提高了準(zhǔn)確性；同時(shí)在本程序的基礎(chǔ)上，可以很方便地增加其他多樣性指數(shù)計(jì)算公式，滿(mǎn)足不同研究工作的需要。