一种流域生态监测方法

摘要

本发明公开了一种流域生态监测方法，属于数据处理技术领域，包括以下步骤：S1、获取流域地图，并生成流域地图对应的栅格地图；S2、获取栅格地图对应的实时生态数据，并对实时生态数据进行预处理，生成标准生态数据；S3、构建并训练流量监测模型；S4、将标准生态数据输入至训练后的流量监测模型中，得到标准生态数据的流量监测值；S5、在标准生态数据的流量监测值大于流量监测阈值时进行报警，完成流域生态监测。该流域生态监测方法为流域提出一套系统科学的监测体系，方可为流域的生态治理提供有效的监测保障，为生态环境的评估提供依据。(56)对比文件徐天蜀,彭世揆,岳彩荣.基于GIS的小流域土壤侵蚀评价研究.南京林业大学学报(自然科学版).2002,(04),第43-46页.

权利要求

1.一种流域生态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取流域地图，并生成流域地图对应的栅格地图；

S2、获取栅格地图对应的实时生态数据，并对实时生态数据进行预处理，生成标准生态数据；

S3、构建并训练流量监测模型；

S4、将标准生态数据输入至训练后的流量监测模型中，得到标准生态数据的流量监测值；

S5、在标准生态数据的流量监测值大于流量监测阈值时进行报警，完成流域生态监测；

所述S3包括以下子步骤：

S31、根据土壤湿度和土壤侵蚀度，确定土壤调节权重；

S32、构建流量监测模型；

S33、将土壤调节权重作为训练流量监测模型的学习率，将实时生态数据的个数作为训练流量监测模型的正则化参数，完成流量监测模型训练；

所述S31中，土壤调节权重θ的计算公式为：

；式中，Sn表示第n个单位面积的土壤湿度，

S0表示所有单位面积的土壤湿度均值，Qn表示第n个单位面积的土壤侵蚀度，Q0表示所有单位面积的土壤侵蚀度均值，N 表示流域的单位面积总数；

所述S32中，流量监测模型F的表达式为：

；式

中，W0表示流域的平均宽度，L表示流域总长，λ表示0‑1的决策变量，N 表示流域的单位面积总数，Sn表示第n个单位面积的土壤湿度，S0表示所有单位面积的土壤湿度均值，Qn表示第n个单位面积的土壤侵蚀度，Q0表示所有单位面积的土壤侵蚀度均值，Zn表示第n个单位面积的植被覆盖率，Z0表示所有单位面积的植被覆盖率均值，Jn表示第n个单位面积的降雨量，J0表示所有单位面积的降雨量均值，ε表示极小值，δ表示流域不对称系数，h表示流域平均高程。

2.根据权利要求1所述的流域生态监测方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：S11、获取流域地图，并将流域地图均分为若干个流域子地图；

S12、获取各个流域子地图的原始位置坐标；

S13、对各个流域子地图的原始位置坐标进行栅格转换，得到对应的栅格位置坐标；

S14、将包含栅格位置坐标的流域子地图拼接，生成栅格地图。

3.根据权利要求2所述的流域生态监测方法，其特征在于，所述S13中，栅格位置坐标的计算公式为：， ，式中，x表示

栅格位置坐标的横坐标，y表示栅格位置坐标的纵坐标，x0表示原始位置坐标的横坐标，y0表示原始位置坐标的纵坐标，α0表示原始位置坐标和原点连线与横坐标正向之间的角度，β0表示原始位置坐标与原点连线与纵坐标正向之间的角度，L表示原始位置坐标与原点之间的直线距离，[·]表示取整函数。

4.根据权利要求1所述的流域生态监测方法，其特征在于，所述S2中，实时生态数据包括土壤湿度、降雨量、植被覆盖率和土壤侵蚀度。

5.根据权利要求1所述的流域生态监测方法，其特征在于，所述S2中，对实时生态数据进行预处理的具体方法为：对实时生态数据依次进行归一化处理、去噪处理和剔除空值处理，生成标准生态数据。

说明书

一种流域生态监测方法

技术领域

[0001] 本发明属于数据处理技术领域，具体涉及一种流域生态监测方法。

背景技术

[0002] 流域是指某一封闭的地形单元，该单元内有溪流或河川排泄某一断面以上全部面积的径流。通常把流域作为一个生态经济系统，进行管理。流域生态监测作为流域管理中的重要一环，为河流生态健康状况的评估、调控和环境管理提供重要科学依据的活动过程。

[0003] 关于流域的生态监测，需要基于现状情况下流域特点和生态环境参数完成。目前尚缺少具体的系统的监测规划方案，监测内容不够完整，监测参数不够丰富。

发明内容

[0004] 本发明为了解决以上问题，提出了一种流域生态监测方法。

[0005] 本发明的技术方案是：一种流域生态监测方法包括以下步骤：

[0006] S1、获取流域地图，并生成流域地图对应的栅格地图；

[0007] S2、获取栅格地图对应的实时生态数据，并对实时生态数据进行预处理，生成标准生态数据；

[0008] S3、构建并训练流量监测模型；

[0009] S4、将标准生态数据输入至训练后的流量监测模型中，得到标准生态数据的流量监测值；

[0010] S5、在标准生态数据的流量监测值大于流量监测阈值时进行报警，完成流域生态监测。

[0011] 进一步地，S1包括以下步骤：

[0012] S11、获取流域地图，并将流域地图均分为若干个流域子地图；

[0013] S12、获取各个流域子地图的原始位置坐标；

[0014] S13、对各个流域子地图的原始位置坐标进行栅格转换，得到对应的栅格位置坐标；

[0015] S14、将包含栅格位置坐标的流域子地图拼接，生成栅格地图。

[0016] 上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，对流域地图进行拆分，对每个子地图进行位置坐标的栅格转换，再拼接，就可以得到栅格地图，该栅格地图容易构建和保存，且栅格位置坐标唯一，不依赖于生态流域复杂的地理环境。

[0017] 进一步地，S13中，栅格位置坐标的计算公式为：

[0018] ， ；

[0019] 式中，x表示栅格位置坐标的横坐标，y表示栅格位置坐标的纵坐标，x0表示原始位置坐标的横坐标，y0表示原始位置坐标的纵坐标，α0表示原始位置坐标和原点连线与横坐标正向之间的角度，β0表示原始位置坐标与原点连线与纵坐标正向之间的角度，L表示原始位置坐标与原点之间的直线距离，[·]表示取整函数。

[0020] 进一步地，S2中，实时生态数据包括土壤湿度、降雨量、植被覆盖率和土壤侵蚀度。

[0021] 上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，土壤湿度是表征流域土壤实际含水量的重要指标，可以影响流域气候，也是流域生态环境中微生物活动和农作物生长发育的重要条件之一。降雨量的大小可以影响流域内土壤湿度。植被覆盖度是刻画土壤地表植被覆盖的重要参数，对土壤持水能力影响较大，植被覆盖率的降低会导致土壤水分的蒸发，进而降低土壤的保水能力。土壤侵蚀度可以反映土壤原生剖面被侵蚀的程度，土壤侵蚀度越高，土壤发生水土流失等可能性越大。基于以上描述，本发明采用上述参数作为流量监测模型的影响参数，使得构建的模型更能反映流域生态环境。

[0022] 进一步地，S2中，对实时生态数据进行预处理的具体方法为：对实时生态数据依次进行归一化处理、去噪处理和剔除空值处理，生成标准生态数据。

[0023] 进一步地，S3包括以下子步骤：

[0024] S31、根据土壤湿度和土壤侵蚀度，确定土壤调节权重；

[0025] S32、构建流量监测模型；

[0026] S33、将土壤调节权重作为训练流量监测模型的学习率，将实时生态数据的个数作为训练流量监测模型的正则化参数，完成流量监测模型训练。

[0027] 进一步地，S31中，土壤调节权重θ的计算公式为：

[0028] ；

[0029] 式中，Sn表示第n个单位面积的土壤湿度，S0表示所有单位面积的土壤湿度均值，Qn表示第n个单位面积的土壤侵蚀度，Q0表示所有单位面积的土壤侵蚀度均值，N 表示流域的单位面积总数。

[0030] 进一步地，S32中，流量监测模型F的表达式为：

[0031] ；

[0032] 式中，W0表示流域的平均宽度，L表示流域总长，λ表示0‑1的决策变量，N 表示流域的单位面积总数，Sn表示第n个单位面积的土壤湿度，S0表示所有单位面积的土壤湿度均值，Qn表示第n个单位面积的土壤侵蚀度，Q0表示所有单位面积的土壤侵蚀度均值，Zn表示第n个单位面积的植被覆盖率，Z0表示所有单位面积的植被覆盖率均值，Jn表示第n个单位面积的降雨量，J0表示所有单位面积的降雨量均值，ε表示极小值，δ表示流域不对称系数，h表示流域平均高程。

[0033] 上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，λ=0表示非闭合区域，λ=1表示闭合区域。流域的平均宽度与流域总长之间的比值小，则流域呈长条形，流域汇流历时较长，此时流域生态发生不良变化的可能性越大，故计算得到的流量监测模型值越大。

[0034] 本发明的有益效果是：

[0035] （1）该流域生态监测方法通过将流域的电子地图转换为栅格地图，使得地图对应的生态数据包含更多信息值，且栅格地图易保存，便于后期查看；

[0036] （2）该流域生态监测方法采集多种类型的参数作为流量监测模型的输入，监测内容全面，并对数据进行预处理，保证数据的准确度；

[0037] （3）该流域生态监测方法根据流域的不同地形构建流量监测模型，并将标准生态数据对应的权重作为训练流量监测模型的参数，使得训练后的流量监测模型更加贴合该流域的实际情况，同时使得输出的流量监测值更加准确，可以及时报警；

[0038] （4）该流域生态监测方法为流域提出一套系统科学的监测体系，方可为流域的生态治理提供有效的监测保障，为生态环境的评估提供依据。

附图说明

[0039] 图1为流域生态监测方法的流程图。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

[0041] 如图1所示，本发明提供一种流域生态监测方法，包括以下步骤：

[0042] S1、获取流域地图，并生成流域地图对应的栅格地图；

[0043] S2、获取栅格地图对应的实时生态数据，并对实时生态数据进行预处理，生成标准生态数据；

[0044] S3、构建并训练流量监测模型；

[0045] S4、将标准生态数据输入至训练后的流量监测模型中，得到标准生态数据的流量监测值；

[0046] S5、在标准生态数据的流量监测值大于流量监测阈值时进行报警，完成流域生态监测。

[0047] 在本发明实施例中，S1包括以下步骤：

[0048] S11、获取流域地图，并将流域地图均分为若干个流域子地图；

[0049] S12、获取各个流域子地图的原始位置坐标；

[0050] S13、对各个流域子地图的原始位置坐标进行栅格转换，得到对应的栅格位置坐标；

[0051] S14、将包含栅格位置坐标的流域子地图拼接，生成栅格地图。

[0052] 在本发明中，对流域地图进行拆分，对每个子地图进行位置坐标的栅格转换，再拼接，就可以得到栅格地图，该栅格地图容易构建和保存，且栅格位置坐标唯一，不依赖于生态流域复杂的地理环境。

[0053] 在本发明实施例中，S13中，栅格位置坐标的计算公式为：

[0054] ， ，

[0055] 式中，x表示栅格位置坐标的横坐标，y表示栅格位置坐标的纵坐标，x0表示原始位置坐标的横坐标，y0表示原始位置坐标的纵坐标，α0表示原始位置坐标和原点连线与横坐标正向之间的角度，β0表示原始位置坐标与原点连线与纵坐标正向之间的角度，L表示原始位置坐标与原点之间的直线距离，[·]表示取整函数。

[0056] 在本发明实施例中，S2中，实时生态数据包括土壤湿度、降雨量、植被覆盖率和土壤侵蚀度。

[0057] 在本发明中，土壤湿度是表征流域土壤实际含水量的重要指标，可以影响流域气候，也是流域生态环境中微生物活动和农作物生长发育的重要条件之一。降雨量的大小可以影响流域内土壤湿度。植被覆盖度是刻画土壤地表植被覆盖的重要参数，对土壤持水能力影响较大，植被覆盖率的降低会导致土壤水分的蒸发，进而降低土壤的保水能力。土壤侵蚀度可以反映土壤原生剖面被侵蚀的程度，土壤侵蚀度越高，土壤发生水土流失等可能性越大。基于以上描述，本发明采用上述参数作为流量监测模型的影响参数，使得构建的模型更能反映流域生态环境。

[0058] 在本发明实施例中，S2中，对实时生态数据进行预处理的具体方法为：对实时生态数据依次进行归一化处理、去噪处理和剔除空值处理，生成标准生态数据。

[0059] 在本发明实施例中，S3包括以下子步骤：

[0060] S31、根据土壤湿度和土壤侵蚀度，确定土壤调节权重；

[0061] S32、构建流量监测模型；

[0062] S33、将土壤调节权重作为训练流量监测模型的学习率，将实时生态数据的个数作为训练流量监测模型的正则化参数，完成流量监测模型训练。

[0063] 在本发明实施例中，S31中，土壤调节权重θ的计算公式为：

[0064] ；

[0065] 式中，Sn表示第n个单位面积的土壤湿度，S0表示所有单位面积的土壤湿度均值，Qn表示第n个单位面积的土壤侵蚀度，Q0表示所有单位面积的土壤侵蚀度均值，N 表示流域的单位面积总数。

[0066] 在本发明实施例中，S32中，流量监测模型F的表达式为：

[0067] ；

[0068] 式中，W0表示流域的平均宽度，L表示流域总长，λ表示0‑1的决策变量，N 表示流域的单位面积总数，Sn表示第n个单位面积的土壤湿度，S0表示所有单位面积的土壤湿度均值，Qn表示第n个单位面积的土壤侵蚀度，Q0表示所有单位面积的土壤侵蚀度均值，Zn表示第n个单位面积的植被覆盖率，Z0表示所有单位面积的植被覆盖率均值，Jn表示第n个单位面积的降雨量，J0表示所有单位面积的降雨量均值，ε表示极小值，δ表示流域不对称系数，h表示流域平均高程。

[0069] 在本发明中，λ=0表示非闭合区域，λ=1表示闭合区域。流域的平均宽度与流域总长之间的比值小，则流域呈长条形，流域汇流历时较长，此时流域生态发生不良变化的可能性越大，故计算得到的流量监测模型值越大。流量监测模型值越大，表示流域生态环境发生恶化的可能性越大，故需报警提示。

[0070] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。