基于CA和ANN的土壤侵蚀时空演化模拟
摘要
土壤侵蚀及其导致的水土流失已经是全球性的生态环境问题,土壤侵蚀模型可以对其过程和机理进行科学化、定量化研究,并有效预报侵蚀状况,便于为水保措施效益评估、土壤侵蚀综合防治和水土保持区划工作提供科学依据。
在回顾国内外土壤侵蚀研究进展的基础上,探讨地理信息系统(GIS)、元胞自动机(CA)、神经网络(ANN)在土壤侵蚀方面的应用,分析降雨、地形、土壤、植被、人类活动等因素对土壤侵蚀的影响,构建GIS支持下的土壤侵蚀预测模型ANN-CA。本研究解决以下三个问题：(1) ANN-CA模型的构建：选择通用土壤流失方程(USLE)作为基础模型,研究模型中各因子计算公式,进行参数率定；运用ANN技术,从侵蚀强度等级之间的转换关系中求取所需的转换概率,并用此定义CA的转换规则,设计土壤侵蚀预测模型ANN-CA。(2) ANN-CA模型与GIS的集成：在GIS技术的支持下,读取、存储、处理与输出模型所需的数据。并且将GIS的空间数据处理、空间分析、可视化表达等功能和CA的时空动态模拟功能进行耦合,模拟土壤侵蚀的时空演变。(3) ANN-CA模型在研究区的应用：以澧水流域为研究对象,应用ANN-CA模型,通过验证分析,模型改进等手段,控制模型对未来的土壤侵蚀状况进行模拟的精度,实现空间分布定量研究和时空演化动态模拟。然后分析模拟结果,提出防治对策。
通过利用ANN-CA模型在研究区进行时空演化模拟,得到以下结论：(1)土壤侵蚀具有复杂的非线性特征,而CA技术和ANN技术能够用简单的方法有效地对其进行动态模拟；(2) ANN-CA模型能避免主观臆测,结构简单,设计难度不大,参数较少,参数率定的工作量小,但是精度较高,结果直观；(3)通过对研究区2015年土壤侵蚀状况的预测,反映出三个规律,指导防治对策：在空间上,澧水流域土壤侵蚀强度的区内相似性和区间差异性较为明显,便于进行因地制宜的分区防治；在时间上,澧水流域大部分范围内土壤侵蚀已经得到有效控制；在总体上,澧水流域土壤侵蚀防治的落脚点在于坡改梯(坡度小于25°)、退耕(旱地、坡度大于25°)还林、还草。
Soil erosion forms serious environmental, ecological and safety problems. The model of soil erosion study this problem scientifically, quantitatively and effectively. The result of simulation will provides informatin and decision for soil and water conservation and management.
This research establishs the ANN-CA model of soil erosion based on GIS, CA, ANN, applicationed in the soil erosion area and analyzed rainfall, topography, vegetation, soil, human activity and other factors.
This study includs:
(1) The establishment of the model:This model is based on Universal Soil Loss Equation (USLE) model and then is improved. We analyze every parameter in the model and try to complete them; Using ANN to find the probability about variety of types in soil erosion and define the rules of CA. Afterwards we establish the soil erosion model of ANN-CA.
(2) The integration of the model with GIS:By GIS, the model can read, save, process and output data which the model requires. This model intergrates the function of data processing, spatial analysis, visualization based on GIS and the space-time dynamic simulation function based on CA. It can simulate space-time dynamic evolution of soil erosion.
(3) The application of the model in study area:Apply the model on a case study of Lishui River Basin, control the simulation precision of the soil erosion model by validation and improvement, and then realize the quantitative research of spatial distribution and the dynamic simulation of space-time evolution. Afterwards analyze the simulation results and propose control measures.
The research gets conclusion after space-time simulation based on the ANN-CA model:(1) Soil erosion has a complex nonlinear characteristic. CA and ANN can effective to simulate the procession of soil erosion. (2) The stucture of the CA model based on ANN has simple code, easy to design, less parameters and high precision. (3) The result of prediction in study area at 2015 reflects three rules:In space, the soil erosion intensity in Lishui Rive Basin has obviously similarity in whole area and clearly difference between distinct areas. The predictions facilitate human prevention with appropriate method. In time, the soil erosion intensity in Lishui Rive Basin has been effectively controlled. The predictions facilitate water and soil conservation, provention of soil erosion and division. Overall, change the sloping fields to terrace (slope less than 25°) and change the arable land (dry land, the slope is greater than 25°) to woodland or lawn.
在回顾国内外土壤侵蚀研究进展的基础上,探讨地理信息系统(GIS)、元胞自动机(CA)、神经网络(ANN)在土壤侵蚀方面的应用,分析降雨、地形、土壤、植被、人类活动等因素对土壤侵蚀的影响,构建GIS支持下的土壤侵蚀预测模型ANN-CA。本研究解决以下三个问题：(1) ANN-CA模型的构建：选择通用土壤流失方程(USLE)作为基础模型,研究模型中各因子计算公式,进行参数率定；运用ANN技术,从侵蚀强度等级之间的转换关系中求取所需的转换概率,并用此定义CA的转换规则,设计土壤侵蚀预测模型ANN-CA。(2) ANN-CA模型与GIS的集成：在GIS技术的支持下,读取、存储、处理与输出模型所需的数据。并且将GIS的空间数据处理、空间分析、可视化表达等功能和CA的时空动态模拟功能进行耦合,模拟土壤侵蚀的时空演变。(3) ANN-CA模型在研究区的应用：以澧水流域为研究对象,应用ANN-CA模型,通过验证分析,模型改进等手段,控制模型对未来的土壤侵蚀状况进行模拟的精度,实现空间分布定量研究和时空演化动态模拟。然后分析模拟结果,提出防治对策。
通过利用ANN-CA模型在研究区进行时空演化模拟,得到以下结论：(1)土壤侵蚀具有复杂的非线性特征,而CA技术和ANN技术能够用简单的方法有效地对其进行动态模拟；(2) ANN-CA模型能避免主观臆测,结构简单,设计难度不大,参数较少,参数率定的工作量小,但是精度较高,结果直观；(3)通过对研究区2015年土壤侵蚀状况的预测,反映出三个规律,指导防治对策：在空间上,澧水流域土壤侵蚀强度的区内相似性和区间差异性较为明显,便于进行因地制宜的分区防治；在时间上,澧水流域大部分范围内土壤侵蚀已经得到有效控制；在总体上,澧水流域土壤侵蚀防治的落脚点在于坡改梯(坡度小于25°)、退耕(旱地、坡度大于25°)还林、还草。
Soil erosion forms serious environmental, ecological and safety problems. The model of soil erosion study this problem scientifically, quantitatively and effectively. The result of simulation will provides informatin and decision for soil and water conservation and management.
This research establishs the ANN-CA model of soil erosion based on GIS, CA, ANN, applicationed in the soil erosion area and analyzed rainfall, topography, vegetation, soil, human activity and other factors.
This study includs:
(1) The establishment of the model:This model is based on Universal Soil Loss Equation (USLE) model and then is improved. We analyze every parameter in the model and try to complete them; Using ANN to find the probability about variety of types in soil erosion and define the rules of CA. Afterwards we establish the soil erosion model of ANN-CA.
(2) The integration of the model with GIS:By GIS, the model can read, save, process and output data which the model requires. This model intergrates the function of data processing, spatial analysis, visualization based on GIS and the space-time dynamic simulation function based on CA. It can simulate space-time dynamic evolution of soil erosion.
(3) The application of the model in study area:Apply the model on a case study of Lishui River Basin, control the simulation precision of the soil erosion model by validation and improvement, and then realize the quantitative research of spatial distribution and the dynamic simulation of space-time evolution. Afterwards analyze the simulation results and propose control measures.
The research gets conclusion after space-time simulation based on the ANN-CA model:(1) Soil erosion has a complex nonlinear characteristic. CA and ANN can effective to simulate the procession of soil erosion. (2) The stucture of the CA model based on ANN has simple code, easy to design, less parameters and high precision. (3) The result of prediction in study area at 2015 reflects three rules:In space, the soil erosion intensity in Lishui Rive Basin has obviously similarity in whole area and clearly difference between distinct areas. The predictions facilitate human prevention with appropriate method. In time, the soil erosion intensity in Lishui Rive Basin has been effectively controlled. The predictions facilitate water and soil conservation, provention of soil erosion and division. Overall, change the sloping fields to terrace (slope less than 25°) and change the arable land (dry land, the slope is greater than 25°) to woodland or lawn.
引文
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