[發明專利]考慮地塊拓撲關系的流域最佳管理措施優化方法

有效

• 申請號: 201710051313.3
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN106875045B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 吳輝;朱阿興;劉軍志;劉永波
• 申請（專利權）人: 浙江傳媒學院
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/26;G06N3/12
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明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，本發明可提高解的質量，有助于算法收斂，快速找到較優的解。

技術領域

本發明屬于農業非點源污染模擬技術和最佳管理措施優化技術領域，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。

背景技術

最佳管理措施(Beneficial management practices，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。

現有的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。

基于優化算法在流域中進行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。

發明內容

鑒于上述，本發明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。