本发明专利技术公开了一种基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法，其包括：步骤1，考虑鸟类的迁飞行为模式和停歇点的时空分布特征，根据GPS跟踪数据中的轨迹，构建自适应时空聚类模块，自适应时空聚类模块用于将相邻的合并状态段进行合并，并提取出合并状态段，获取候选停留点；步骤2，考虑鸟类迁飞的能量衰减系数，给出候选停留点之间的边的权重，进而建立鸟类迁飞路线的图模型，V表示图模型G的节点集合，E表示连接图模型G的两个节点的边的集合。本发明专利技术用于分析、评估不同鸟类的迁飞路线。本发明专利技术属于时空数据的图形挖掘与处理技术领域。领域。领域。
【技术实现步骤摘要】
一种基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法
[0001]本专利技术涉及时空数据挖掘与处理
，特别是一种基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法。
技术介绍
[0002]鸟类的迁飞行为一直以来都是生物学家和环境科学家关注的研究领域。鸟类的迁飞对于种群的繁衍、物种的分布以及生态系统的稳定性具有重要的影响。随着GPS（全球定位系统）技术的发展和应用，研究人员能够获取到鸟类的精确位置数据，从而更好地理解和分析鸟类的迁飞行为。目前，已有一些方法用于分析和模拟鸟类的迁飞行为。其中一种常见的方法是基于轨迹数据的统计分析，通过计算鸟类在不同时间点的位置坐标之间的距离和速度，来推测其迁飞模式。然而，这种方法往往忽略了鸟类迁飞路径的拓扑结构和空间关系，难以全面理解和模拟鸟类的迁飞行为。将鸟类迁飞路线的时空数据可被建模表征为图，为分析鸟类迁徙路线提供建模、分析和解决问题的工具，可进一步形成系统化的鸟类迁飞路线分析方案。鸟类迁徙过程是沿迁徙路线由停歇地、越冬地和繁殖地展开的有向图，在越冬地、繁殖地的活动也可以用有向图来描述，因此越冬地和繁殖地构成子图。对构建好的迁飞网络进行分析，包括节点的度、中心性等指标分析，社区发现等分析方法。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个，旨在提供通过图论建模将鸟类的迁飞行为抽象为图的形式，可以更好地理解和分析其迁飞模式。为分析鸟类迁徙路线提供建模、分析和解决问题的工具，进一步分析、评估鸟类迁飞路线。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法，其包括：步骤1，考虑鸟类的迁飞行为模式和停歇点的时空分布特征，根据GPS跟踪数据中的轨迹，构建自适应时空聚类模块，自适应时空聚类模块用于将相邻的合并状态段进行合并，并提取出个合并状态段，，如下式（1）所示，获取候选停留点： （1）其中，为由相邻的、相同方向、相同运动状态的基本轨迹段合并而成的第j个合并状态段，如下式（2）所示，运动状态为停歇状态或移动状态：（2）式中，为第k个基本轨迹段，T为基本轨迹段的集合，c表示的运动状态，取0或1，取0时表示的运动状态为停歇状态，取1时表示的运动状态为移动状态；步骤2，建立鸟类迁飞路线的图模型，V表示图模型G的节点集合，描述为，、、、分别为节点集合V中的第1、2、、N个节点，N为节点的总
数，一个节点对应描述一个停歇点，E表示连接图模型G的两个节点的边的集合，描述为，为连接第个节点与第j个节点的边的权重；其中，节点的获取方法具体包括：通过自适应时空聚类模块获取候选停留点，再从候选停留点中提取繁殖地、重要停歇地、越冬地作为停歇点，从而获得节点；权重通过定量描述第个节点与第j个节点之间的迁飞可能性获得。
[0005]进一步地，步骤1中的构建自适应时空聚类模块的方法具体包括：步骤11a，根据GPS跟踪数据中的轨迹，建立鸟类迁飞时间与空间特征上的自适应策略，自适应策略用于识别停留点；步骤12a，通过自适应策略获取候选停留点；步骤13a，根据候选停留点，构建用于识别停留点的自适应时空聚类模块；其中，自适应策略的获取方法包括：步骤11b，将GPS跟踪数据中轨迹点的集合中相邻轨迹点连接成下式（3）描述的基本轨迹段的集合T：（3）式中，为第个轨迹点，，为第个轨迹点，为第个基本轨迹段，，为基本轨迹段的位置坐标，为基本轨迹段的时间戳；步骤12b，给基本轨迹段赋予轨迹段的属性，轨迹段的属性包括迁飞距离、迁飞时长和平均速度，其中，；步骤13b，根据平均速度和预先设置的速度阈值，按下式（4）为基本轨迹段赋予运动状态属性，0代表停歇状态，1代表移动状态：（4）。
[0006]进一步地，迁飞距离描述为式（5）：（5）式中，为基本轨迹段的位置坐标，表示范数。
[0007]进一步地，迁飞时长描述为式（6）：（6）式中，为基本轨迹段的时间戳。
[0008]进一步地，步骤2中“通过自适应时空聚类模块获取候选停留点”的方法具体包括：根据合并状态段处于一种运动状态的持续时间，如下式（7）所示，按如下情形分别对合并状态段进行优化处理，得到最终的合并状态段，，M为优化后的合并状态段的总数：情形一，若合并状态段的运动状态为移动状态，且合并状态段的迁飞时间低于移动状态的阈值，则将该合并状态段的运动状态转换为停歇状态；情形二，若合并状态段的运动状态为停歇状态，且合并状态段的迁飞时间低于停歇状态的阈值，则将合并状态段的运动状态为移动状态；
（7）。
[0009]进一步地，步骤2中的权重为、和中的一种、两种之和、或者三种之和；其中，为和之间的鸟类迁飞的对数能量损耗系数，其采用下式（8）计算，越大表明迁飞能量损耗越小，越有益于鸟类迁飞；
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（8）式中，为鸟类从开始迁飞时的初始能量，为鸟类迁飞在落地时的能量，表示为下式（9）；（9）式中，为沿着直线的能量衰减系数，为节点和之间的迁飞路径；当鸟类在迁飞过程中的能量衰减系数为常数k时，表示为下式（10）：（10）式中，为和之间的直线距离；其中，为和之间的鸟类迁飞的对数迁飞贡献系数，的计算方法是先将直线距离投影到迁飞全程直线的投影距离，再用下式（11）确定，越大表明对迁飞全程的贡献越大，越有益于鸟类迁飞：
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（11）其中，C为迁飞全程距离；其中，为和之间的鸟类迁飞的对数自适应选择系数，的计算方法是根据和之间的迁飞的鸟类个体数量，再用下式（12）计算迁飞的对数自适应选择系数，越大表明该迁飞路线的流量越大，对鸟类迁飞的重要性越大：
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（12）其中，F为GPS跟踪数据的鸟类个体总量。
[0010]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本专利技术根据不同鸟类的迁飞规律和特点，对已有的迁飞路径进行分析，能够预测未来的迁飞路径和迁徙模式，为鸟类保护和管理提供参考依据。
附图说明
[0011]图1为本专利技术提供的基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法的流程示意图。
具体实施方式
[0012]下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。
[0013]如图1所示，本实施例提供的基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法包括：步骤1，考虑鸟类的迁飞行为模式和停歇点的时空分布特征，根据GPS跟踪数据中
的轨迹，构建自适应时空聚类模块，自适应时空聚类模块用于将相邻的合并状态段进行合并，并提取出个合并状态段，，如下式（1）所示，获取候选停留点。其中，GPS跟踪数据包括但不限于时间（date_time）、纬度（latitude）、经度（longitude）和速度（speed_2d）。轨迹，，n为轨迹点个数，将轨迹中相邻的轨迹点连接成为轨迹段，则有。每个原始轨迹点表示即时位置，转化为轨迹段之后，则可以给第个段赋予时长、距离和平均速度这些属性。
[0014]（1）其中，为由相邻的、相同方向、相同运动状态的基本轨迹段合并而成的第j本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法，其特征在于，包括：步骤1，考虑鸟类的迁飞行为模式和停歇点的时空分布特征，根据GPS跟踪数据中的轨迹，构建自适应时空聚类模块，自适应时空聚类模块用于将相邻的合并状态段进行合并，并提取出个合并状态段，，如下式（1）所示，获取候选停留点：（1）其中，为由相邻的、相同方向、相同运动状态的基本轨迹段合并而成的第j个合并状态段，如下式（2）所示，运动状态为停歇状态或移动状态：（2）式中，为第k个基本轨迹段，T为基本轨迹段的集合，c表示的运动状态，取0或1，取0时表示的运动状态为停歇状态，取1时表示的运动状态为移动状态；步骤2，建立鸟类迁飞路线的图模型，V表示图模型G的节点集合，描述为，、、、分别为节点集合V中的第1、2、、N个节点，N为节点的总数，一个节点对应描述一个停歇点，E表示连接图模型G的两个节点的边的集合，描述为，为连接第个节点与第j个节点的边的权重；其中，节点的获取方法具体包括：通过自适应时空聚类模块获取候选停留点，再从候选停留点中提取繁殖地、重要停歇地、越冬地作为停歇点，从而获得节点；权重通过定量描述第个节点与第j个节点之间的迁飞可能性获得。2.根据权利要求1所述的基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法，其特征在于，步骤1中的构建自适应时空聚类模块的方法具体包括：步骤11a，根据GPS跟踪数据中的轨迹，建立鸟类迁飞时间与空间特征上的自适应策略，自适应策略用于识别停留点；步骤12a，通过自适应策略获取候选停留点；步骤13a，根据候选停留点，构建用于识别停留点的自适应时空聚类模块；其中，自适应策略的获取方法包括：步骤11b，将GPS跟踪数据中轨迹点的集合中相邻轨迹点连接成下式（3）描述的基本轨迹段的集合T：（3）式中，为第个轨迹点，，为第个轨迹点，为第个基本轨迹段，，为基本轨迹段的位置坐标，为基本轨迹段的时间戳；步骤12b，给基本轨迹段赋予轨迹段的属性，轨迹段的属性包括迁飞距离、迁飞时长和平均速度，其中，；步骤13b，根据平均速度和预先设置的速度阈值，按下式（4）为基本轨迹段赋予运动状态属性，0代表停歇状态，1代表移动状态：（4）。3.根据权利要求2所述的基于GPS跟踪数据的鸟类迁飞路线图论建模方法，其特征在
【专利技术属性】
技术研发人员：江红星，刘畅，路峰，岳修鹏，周英锋，张树岩，邱钧，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所国家林业和草原局世界自然遗产保护研究中心北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：
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