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基于CA和ANN的土壤侵蚀时空演化模拟

作　者: 李芳
导　师: 肖洪
学　校: 湖南师范大学
专　业: 自然地理学
关键词: 元胞自动机神经网络 GIS 土壤侵蚀澧水流域
分类号: S157
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 研究背景  10
  1.2 研究综述  10-13
    1.2.1 国外研究进展  10-11
    1.2.2 国内研究进展  11-12
    1.2.3 代表性的土壤侵蚀模型  12-13
  1.3 研究目的与意义  13-14
  1.4 主要内容与方法  14-15
    1.4.1 模型的构建  14-15
    1.4.2 模型在研究区的应用  15
  1.5 技术路线  15-18
2 主要技术及其集成  18-28
  2.1 地理信息系统  18-20
    2.1.1 GIS的概念及其优点  18
    2.1.2 GIS在土壤侵蚀模型中的应用  18-20
  2.2 元胞自动机  20-23
    2.2.1 CA的概念及其优点  20-21
    2.2.2 CA在土壤侵蚀模型中的应用  21-23
  2.3 神经网络  23-24
    2.3.1 神经网络的概念及其优点  23
    2.3.2 ANN在土壤侵蚀模型中的应用  23-24
  2.4 问题评述  24-26
    2.4.1 GIS现存问题评述  24-25
    2.4.2 CA现存问题评述  25
    2.4.3 ANN现存问题评述  25-26
  2.5 集成方案及其理论价值  26-28
    2.5.1 GIS、CA和ANN的集成  26
    2.5.2 理论价值  26-28
3 土壤侵蚀预测模型的设计  28-41
  3.1 USLE模型及其主导因素  28-33
    3.1.1 降雨侵蚀力因子R  29-30
    3.1.2 土壤可蚀性因子K  30-31
    3.1.3 坡度坡长因子LS  31-32
    3.1.4 植被与经营管理因子C  32
    3.1.5 水土保持措施因子P  32-33
    3.1.6 年平均土壤流失量A  33
  3.2 ANN-CA模型的设计  33-41
    3.2.1 设计原理  34
    3.2.2 定义CA  34-35
    3.2.3 CA的元胞状态集  35-36
    3.2.4 数据库的建立  36-37
    3.2.5 定义ANN  37-38
    3.2.6 ANN提取CA的转换规则  38-40
    3.2.7 模型的实现技术  40-41
4 土壤侵蚀预测模型的应用  41-59
  4.1 澧水流域概况  41-45
    4.1.1 地形地貌  41-42
    4.1.2 气象水文  42-43
    4.1.3 土壤特征  43-44
    4.1.4 植被特征  44-45
  4.2 数据处理及数据库的建立  45-52
    4.2.1 研究资料  45
    4.2.2 数据预处理  45-47
    4.2.3 构建数据库  47-52
  4.3 时空演化模拟的实现  52-54
  4.4 模拟结果与防治对策  54-59
    4.4.1 模拟结果的信息提取  54-57
    4.4.2 防治对策  57-59
5 结论与讨论  59-61
  5.1 结论  59
  5.2 讨论  59-61
    5.2.1 主导因素  59-60
    5.2.2 模型精度  60-61
参考文献  61-66
附录  66-67
致谢  67-68

基于CA和ANN的土壤侵蚀时空演化模拟

内容摘要

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