考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法技術

本發明專利技術公開了一種考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法，包括：(1)將流域整體劃分成多個地塊并構建地塊樹；(2)初始化生成具有一定數量規模的種群，通過空間相互作用規則確定個體中每一地塊對應的BMP；(3)根據泥沙削減率和成本進行非支配排序，排序后兩兩配對進行交叉變異，從而生成下一代種群；(4)通過不斷進行遺傳進化，以得到流域整體的BMP最優解。本發明專利技術充分利用流域管理單元(即地塊)的上下游關系及BMP的空間相互作用的知識進行種群初始化，與隨機法生成初始解的傳統方法相比，本發明專利技術可提高解的質量，有助于算法收斂，快速找到較優的解。

Optimal management measures for watershed considering topological relationship of land parcel

The invention discloses a method for optimal management optimization measures, including the topological relation of watershed land: (1) the whole basin is divided into a plurality of blocks and block construction tree; (2) the initialization of a certain number of population scale, through the spatial interaction rules determined corresponding to each individual block in BMP; (3) non dominated sorting according to the sediment reduction rate and cost, after sorting 22 pairs of crossover and mutation, so as to generate the next population; (4) through continuous genetic evolution, in order to get the optimal solution of the whole basin BMP. The invention makes full use of the watershed management unit (i.e., the relationship between the upstream and downstream plots) and BMP spatial interaction knowledge of population initialization, compared with the traditional methods of generating random initial solution, the invention can improve the quality of the solution is helpful to the convergence of the algorithm, quickly find a better solution.

【技術實現步驟摘要】
考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法
本專利技術屬于農業非點源污染模擬技術和最佳管理措施優化
，具體涉及一種考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法。
技術介紹
最佳管理措施(Beneficialmanagementpractices，BMP)是為了控制和削減非點源污染，防止水土流失、保護土壤資源，改善水質及流域生態環境而采取的一系列措施。在實際流域中進行BMP選擇和優化配置時，通常上游管理單元措施的選擇一定程度上由其下游單元措施的選擇決定，例如下游管理單元實施了草地過濾帶措施，則上游管理單元就不用實施等高耕作或者免耕措施，因此，BMP優化應該考慮管理單元的上下游關系?，F有的BMP優化方法有兩種，一種是根據專家經驗和關鍵源區識別，在一定程度上考慮了管理單元上下游關系來設計BMP方案，然后通過流域模型模擬評價進行擇優選擇，但是該方案評價時大多采用半分布式流域模型，無法模擬方案中管理單元的空間相互作用(如上游排污對下游的影響)；另一種是基于智能優化算法對流域BMP空間配置方案進行優化，但是由于優化算法以隨機法生成初始種群(初始解)，根據模型評價結果來引導產生新種群(新解)進行BMP配置優化，而使用的模型在現有研究中多是采用半分布式流域模型，采用的隨機法也忽略了管理單元的上下游關系。綜上所述，現有的兩種BMP優化方法沒有充分考慮管理單元的上下游關系及其空間相互作用?；趦灮惴ㄔ诹饔蛑羞M行BMP空間優化配置時，如果考慮管理單元的上下游關系及管理措施空間相互作用的先驗知識進行優化，并且采用能夠體現空間單元之間物質交互作用的全分布式流域模型作為BMP評價模型，那么不僅可提高優化算法的收斂速度，而且可以提高最優解的質量。
技術實現思路
鑒于上述，本專利技術提供了一種考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法，其將現有的流域最佳管理措施空間相互作用知識應用于優化算法初始，以提高算法搜索的起點。一種考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法，包括如下步驟：(1)將流域整體劃分成具有上下游關系的多個獨立管理的地塊，并構建地塊樹，所述的地塊具有單一的土地利用類型和明確的上下游關系；(2)初始化生成具有一定數量規模的種群，種群中的每一個體為一套潛在的流域整體管理方案，即對應一棵地塊樹且其中每一地塊通過空間相互作用規則確定了對應的BMP；(3)根據泥沙削減率和成本利用快速非支配排序法對種群中的個體進行排序，按次序使個體兩兩配對進行交叉變異，從而生成下一代種群；(4)根據步驟(3)不斷進行遺傳進化，直至達到設定的迭代終止條件，最終獲得的新一代種群即為精英集，進而根據流域治理的環境目標以及預算從精英集中選取出一個個體作為流域整體的最優管理方案。所述步驟(1)的具體過程如下：1.1利用DEM(數字高程模型)建立流域整體的流向圖；1.2根據流向關系將流向圖中的所有柵格對應作為節點組建成樹形結構；1.3根據土地利用圖使樹形結構中具有相同土地利用類型以及直接流向關系的節點進行合并，合并后的樹形結構即為所述的地塊樹且其中的每一節點即對應所述的地塊。所述步驟(2)的具體過程為：2.1以流域出口所在的地塊作為地塊樹的根節點，根據土地利用類型為根節點選擇合適的BMP或隨機生成根節點的BMP；2.2對于地塊樹中除根節點以外的任一地塊，若其直接流向的下游地塊BMP為無措施，則從無措施以及其他具體措施中隨機選擇其一作為該地塊的BMP；若其直接流向的下游地塊BMP為某一具體措施，則令該地塊的BMP為無措施；依此確定地塊樹中各地塊的BMP，從而得到一個個體；2.3根據步驟2.1和2.2執行多次，生成多個個體，從而組成種群。所述步驟(3)中個體泥沙削減率的計算表達式如下：其中：Fsed(X)表示按個體X中各地塊BMP實施后流域整體的泥沙減少率，V(0)為各地塊不采取任何措施下流域整體受侵蝕所產生的泥沙模擬量，V(X)為按個體X中各地塊BMP實施情況下流域整體受侵蝕所產生的泥沙模擬量。所述步驟(3)中個體成本的計算表達式如下：其中：Fcost(X)表示按個體X中各地塊BMP實施的總費用，C(xi)表示個體X中第i個地塊的單位面積BMP實施費用，Ai表示第i個地塊的面積，n為地塊總數。所述步驟(3)中使個體兩兩配對進行交叉變異的具體過程為：對于任一對個體，從其中一個個體A中除根節點外任意選定一個地塊a，同時從另一個個體B中選定一個地塊b且地塊b與地塊a在各自個體中的位置相同；使個體A中以地塊a為根節點的子樹與個體B中以地塊b為根節點的子樹進行相互交換，得到個體A'和個體B'，從而完成交叉過程；對于交叉后得到的新個體，隨機從中選取若干個體，從被選取的新個體中隨機選取一地塊，并隨機選擇一種具體措施或無措施替換該地塊原有的BMP，從而完成變異過程。本專利技術充分利用流域管理單元(即地塊)的上下游關系及BMP的空間相互作用的知識進行種群初始化，與隨機法生成初始解的傳統方法相比，本專利技術可提高解的質量，有助于算法收斂，快速找到較優的解。附圖說明圖1為本專利技術方法的優化流程示意圖。圖2為本專利技術中地塊劃分的流程示意圖。圖3為本專利技術中種群初始化的流程示意圖。圖4為本專利技術中遺傳算法的交叉策略示意圖。圖5為本專利技術方法與傳統方法的實驗步驟對比示意圖。圖6(a)為種群規模為60情況下本專利技術方法與傳統方法的實驗結果對比圖。圖6(b)為種群規模為100情況下本專利技術方法與傳統方法的實驗結果對比圖。圖6(c)為種群規模為200情況下本專利技術方法與傳統方法的實驗結果對比圖。具體實施方式為了更為具體地描述本專利技術，下面結合附圖及具體實施方式對本專利技術的技術方案進行詳細說明。本專利技術方法以遺傳算法為基礎，以流域模擬技術為手段，結合現有的流域最佳管理措施BMP空間相互作用知識，充分考慮管理單元的空間拓撲關系，即上下游關系，進行BMP的優化，其方法具體步驟如圖1所示：(1)將流域整體劃分成具有上下游關系的流域管理單元，以地塊為管理單元，提出一種新的地塊劃分方法：根據土地利用和DEM提取的流向圖，重新劃分地塊，劃分的地塊具有單一的土地利用類型和明確的上下游關系；該步驟具體操作如圖2所示：1.1根據流向圖構建流向關系樹形結構，同時記錄在樹形結構中每個柵格的ID號(ID與空間位置相對應)；1.2將土地利用圖每個柵格的ID號與樹形結構中相同ID的柵格疊加，形成具有土地利用信息和流向關系的樹形結構；1.3將相同土地利用的柵格合并，最終形成具有上下游關系、單一土地利用的地塊。(2)選擇一個多目標遺傳算法(如ε-NSGA-II)，并構建一個分布式流域模型(如LandscapeSWAT模型)和BMP成本計算組件。(3)提取流域最佳管理措施BMP之間的空間相互作用規則，并將其應用于遺傳算法的種群初始化過程，即在地塊上按照這些規則生成一定數量的BMP空間配置情景；該步驟具體操作如圖3所示：3.1讀取具有上下游關系的地塊信息，構建地塊樹；3.2找到流域出口所在的地塊(樹形結構的根節點)，該地塊是其他地塊的下游地塊，根據該地塊的土地利用類型，隨機生成或者指定某種合適的BMP；3.3從根節點的孩子節點開始，按照下游到上游的地塊關系遍歷(樹的先序遍歷)每個地塊，先判斷其下游地塊是否實施了BMP，如果實施，則該地塊不實施BMP，如本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法，包括如下步驟：(1)將流域整體劃分成具有上下游關系的多個獨立管理的地塊，并構建地塊樹，所述的地塊具有單一的土地利用類型和明確的上下游關系；(2)初始化生成具有一定數量規模的種群，種群中的每一個體為一套潛在的流域整體管理方案，即對應一棵地塊樹且其中每一地塊通過空間相互作用規則確定了對應的BMP；(3)根據泥沙削減率和成本利用快速非支配排序法對種群中的個體進行排序，按次序使個體兩兩配對進行交叉變異，從而生成下一代種群；(4)根據步驟(3)不斷進行遺傳進化，直至達到設定的迭代終止條件，最終獲得的新一代種群即為精英集，進而根據流域治理的環境目標以及預算從精英集中選取出一個個體作為流域整體的最優管理方案。

【技術特征摘要】
1.一種考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法，包括如下步驟：(1)將流域整體劃分成具有上下游關系的多個獨立管理的地塊，并構建地塊樹，所述的地塊具有單一的土地利用類型和明確的上下游關系；(2)初始化生成具有一定數量規模的種群，種群中的每一個體為一套潛在的流域整體管理方案，即對應一棵地塊樹且其中每一地塊通過空間相互作用規則確定了對應的BMP；(3)根據泥沙削減率和成本利用快速非支配排序法對種群中的個體進行排序，按次序使個體兩兩配對進行交叉變異，從而生成下一代種群；(4)根據步驟(3)不斷進行遺傳進化，直至達到設定的迭代終止條件，最終獲得的新一代種群即為精英集，進而根據流域治理的環境目標以及預算從精英集中選取出一個個體作為流域整體的最優管理方案。2.根據權利要求1所述的流域最佳管理措施優化方法，其特征在于：所述步驟(1)的具體過程如下：1.1利用DEM建立流域整體的流向圖；1.2根據流向關系將流向圖中的所有柵格對應作為節點組建成樹形結構；1.3根據土地利用圖使樹形結構中具有相同土地利用類型以及直接流向關系的節點進行合并，合并后的樹形結構即為所述的地塊樹且其中的每一節點即對應所述的地塊。3.根據權利要求1所述的流域最佳管理措施優化方法，其特征在于：所述步驟(2)的具體過程為：2.1以流域出口所在的地塊作為地塊樹的根節點，根據土地利用類型為根節點選擇合適的BMP或隨機生成根節點的BMP；2.2對于地塊樹中除根節點以外的任一地塊，若其直接流向的下游地塊BMP為無措施，則從無措施以及其他具體措施中隨機選擇其一作為該地塊的BMP；若其直接流向的下游地塊BMP為某一具體措施，則令該地塊的BMP為無措施；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳輝，朱阿興，劉軍志，劉永波，
申請(專利權)人：杭州電子科技大學，浙江省杭電智慧城市研究中心，
類型：發明
國別省市：浙江,33