考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法，包括：(1)将流域整体划分成多个地块并构建地块树；(2)初始化生成具有一定数量规模的种群，通过空间相互作用规则确定个体中每一地块对应的BMP；(3)根据泥沙削减率和成本进行非支配排序，排序后两两配对进行交叉变异，从而生成下一代种群；(4)通过不断进行遗传进化，以得到流域整体的BMP最优解。本发明专利技术充分利用流域管理单元(即地块)的上下游关系及BMP的空间相互作用的知识进行种群初始化，与随机法生成初始解的传统方法相比，本发明专利技术可提高解的质量，有助于算法收敛，快速找到较优的解。

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.

【技术实现步骤摘要】
考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法
本专利技术属于农业非点源污染模拟技术和最佳管理措施优化
，具体涉及一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法。
技术介绍
最佳管理措施(Beneficialmanagementpractices，BMP)是为了控制和削减非点源污染，防止水土流失、保护土壤资源，改善水质及流域生态环境而采取的一系列措施。在实际流域中进行BMP选择和优化配置时，通常上游管理单元措施的选择一定程度上由其下游单元措施的选择决定，例如下游管理单元实施了草地过滤带措施，则上游管理单元就不用实施等高耕作或者免耕措施，因此，BMP优化应该考虑管理单元的上下游关系。现有的BMP优化方法有两种，一种是根据专家经验和关键源区识别，在一定程度上考虑了管理单元上下游关系来设计BMP方案，然后通过流域模型模拟评价进行择优选择，但是该方案评价时大多采用半分布式流域模型，无法模拟方案中管理单元的空间相互作用(如上游排污对下游的影响)；另一种是基于智能优化算法对流域BMP空间配置方案进行优化，但是由于优化算法以随机法生成初始种群(初始解)，根据模型评价结果来引导产生新种群(新解)进行BMP配置优化，而使用的模型在现有研究中多是采用半分布式流域模型，采用的随机法也忽略了管理单元的上下游关系。综上所述，现有的两种BMP优化方法没有充分考虑管理单元的上下游关系及其空间相互作用。基于优化算法在流域中进行BMP空间优化配置时，如果考虑管理单元的上下游关系及管理措施空间相互作用的先验知识进行优化，并且采用能够体现空间单元之间物质交互作用的全分布式流域模型作为BMP评价模型，那么不仅可提高优化算法的收敛速度，而且可以提高最优解的质量。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法，其将现有的流域最佳管理措施空间相互作用知识应用于优化算法初始，以提高算法搜索的起点。一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法，包括如下步骤：(1)将流域整体划分成具有上下游关系的多个独立管理的地块，并构建地块树，所述的地块具有单一的土地利用类型和明确的上下游关系；(2)初始化生成具有一定数量规模的种群，种群中的每一个体为一套潜在的流域整体管理方案，即对应一棵地块树且其中每一地块通过空间相互作用规则确定了对应的BMP；(3)根据泥沙削减率和成本利用快速非支配排序法对种群中的个体进行排序，按次序使个体两两配对进行交叉变异，从而生成下一代种群；(4)根据步骤(3)不断进行遗传进化，直至达到设定的迭代终止条件，最终获得的新一代种群即为精英集，进而根据流域治理的环境目标以及预算从精英集中选取出一个个体作为流域整体的最优管理方案。所述步骤(1)的具体过程如下：1.1利用DEM(数字高程模型)建立流域整体的流向图；1.2根据流向关系将流向图中的所有栅格对应作为节点组建成树形结构；1.3根据土地利用图使树形结构中具有相同土地利用类型以及直接流向关系的节点进行合并，合并后的树形结构即为所述的地块树且其中的每一节点即对应所述的地块。所述步骤(2)的具体过程为：2.1以流域出口所在的地块作为地块树的根节点，根据土地利用类型为根节点选择合适的BMP或随机生成根节点的BMP；2.2对于地块树中除根节点以外的任一地块，若其直接流向的下游地块BMP为无措施，则从无措施以及其他具体措施中随机选择其一作为该地块的BMP；若其直接流向的下游地块BMP为某一具体措施，则令该地块的BMP为无措施；依此确定地块树中各地块的BMP，从而得到一个个体；2.3根据步骤2.1和2.2执行多次，生成多个个体，从而组成种群。所述步骤(3)中个体泥沙削减率的计算表达式如下：其中：Fsed(X)表示按个体X中各地块BMP实施后流域整体的泥沙减少率，V(0)为各地块不采取任何措施下流域整体受侵蚀所产生的泥沙模拟量，V(X)为按个体X中各地块BMP实施情况下流域整体受侵蚀所产生的泥沙模拟量。所述步骤(3)中个体成本的计算表达式如下：其中：Fcost(X)表示按个体X中各地块BMP实施的总费用，C(xi)表示个体X中第i个地块的单位面积BMP实施费用，Ai表示第i个地块的面积，n为地块总数。所述步骤(3)中使个体两两配对进行交叉变异的具体过程为：对于任一对个体，从其中一个个体A中除根节点外任意选定一个地块a，同时从另一个个体B中选定一个地块b且地块b与地块a在各自个体中的位置相同；使个体A中以地块a为根节点的子树与个体B中以地块b为根节点的子树进行相互交换，得到个体A'和个体B'，从而完成交叉过程；对于交叉后得到的新个体，随机从中选取若干个体，从被选取的新个体中随机选取一地块，并随机选择一种具体措施或无措施替换该地块原有的BMP，从而完成变异过程。本专利技术充分利用流域管理单元(即地块)的上下游关系及BMP的空间相互作用的知识进行种群初始化，与随机法生成初始解的传统方法相比，本专利技术可提高解的质量，有助于算法收敛，快速找到较优的解。附图说明图1为本专利技术方法的优化流程示意图。图2为本专利技术中地块划分的流程示意图。图3为本专利技术中种群初始化的流程示意图。图4为本专利技术中遗传算法的交叉策略示意图。图5为本专利技术方法与传统方法的实验步骤对比示意图。图6(a)为种群规模为60情况下本专利技术方法与传统方法的实验结果对比图。图6(b)为种群规模为100情况下本专利技术方法与传统方法的实验结果对比图。图6(c)为种群规模为200情况下本专利技术方法与传统方法的实验结果对比图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术方法以遗传算法为基础，以流域模拟技术为手段，结合现有的流域最佳管理措施BMP空间相互作用知识，充分考虑管理单元的空间拓扑关系，即上下游关系，进行BMP的优化，其方法具体步骤如图1所示：(1)将流域整体划分成具有上下游关系的流域管理单元，以地块为管理单元，提出一种新的地块划分方法：根据土地利用和DEM提取的流向图，重新划分地块，划分的地块具有单一的土地利用类型和明确的上下游关系；该步骤具体操作如图2所示：1.1根据流向图构建流向关系树形结构，同时记录在树形结构中每个栅格的ID号(ID与空间位置相对应)；1.2将土地利用图每个栅格的ID号与树形结构中相同ID的栅格叠加，形成具有土地利用信息和流向关系的树形结构；1.3将相同土地利用的栅格合并，最终形成具有上下游关系、单一土地利用的地块。(2)选择一个多目标遗传算法(如ε-NSGA-II)，并构建一个分布式流域模型(如LandscapeSWAT模型)和BMP成本计算组件。(3)提取流域最佳管理措施BMP之间的空间相互作用规则，并将其应用于遗传算法的种群初始化过程，即在地块上按照这些规则生成一定数量的BMP空间配置情景；该步骤具体操作如图3所示：3.1读取具有上下游关系的地块信息，构建地块树；3.2找到流域出口所在的地块(树形结构的根节点)，该地块是其他地块的下游地块，根据该地块的土地利用类型，随机生成或者指定某种合适的BMP；3.3从根节点的孩子节点开始，按照下游到上游的地块关系遍历(树的先序遍历)每个地块，先判断其下游地块是否实施了BMP，如果实施，则该地块不实施BMP，如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法，包括如下步骤：(1)将流域整体划分成具有上下游关系的多个独立管理的地块，并构建地块树，所述的地块具有单一的土地利用类型和明确的上下游关系；(2)初始化生成具有一定数量规模的种群，种群中的每一个体为一套潜在的流域整体管理方案，即对应一棵地块树且其中每一地块通过空间相互作用规则确定了对应的BMP；(3)根据泥沙削减率和成本利用快速非支配排序法对种群中的个体进行排序，按次序使个体两两配对进行交叉变异，从而生成下一代种群；(4)根据步骤(3)不断进行遗传进化，直至达到设定的迭代终止条件，最终获得的新一代种群即为精英集，进而根据流域治理的环境目标以及预算从精英集中选取出一个个体作为流域整体的最优管理方案。

【技术特征摘要】
1.一种考虑地块拓扑关系的流域最佳管理措施优化方法，包括如下步骤：(1)将流域整体划分成具有上下游关系的多个独立管理的地块，并构建地块树，所述的地块具有单一的土地利用类型和明确的上下游关系；(2)初始化生成具有一定数量规模的种群，种群中的每一个体为一套潜在的流域整体管理方案，即对应一棵地块树且其中每一地块通过空间相互作用规则确定了对应的BMP；(3)根据泥沙削减率和成本利用快速非支配排序法对种群中的个体进行排序，按次序使个体两两配对进行交叉变异，从而生成下一代种群；(4)根据步骤(3)不断进行遗传进化，直至达到设定的迭代终止条件，最终获得的新一代种群即为精英集，进而根据流域治理的环境目标以及预算从精英集中选取出一个个体作为流域整体的最优管理方案。2.根据权利要求1所述的流域最佳管理措施优化方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体过程如下：1.1利用DEM建立流域整体的流向图；1.2根据流向关系将流向图中的所有栅格对应作为节点组建成树形结构；1.3根据土地利用图使树形结构中具有相同土地利用类型以及直接流向关系的节点进行合并，合并后的树形结构即为所述的地块树且其中的每一节点即对应所述的地块。3.根据权利要求1所述的流域最佳管理措施优化方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体过程为：2.1以流域出口所在的地块作为地块树的根节点，根据土地利用类型为根节点选择合适的BMP或随机生成根节点的BMP；2.2对于地块树中除根节点以外的任一地块，若其直接流向的下游地块BMP为无措施，则从无措施以及其他具体措施中随机选择其一作为该地块的BMP；若其直接流向的下游地块BMP为某一具体措施，则令该地块的BMP为无措施；...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴辉，朱阿兴，刘军志，刘永波，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，浙江省杭电智慧城市研究中心，
类型：发明
国别省市：浙江,33