基于CA和ANN的土壤侵蝕時(shí)空演化模擬——以湖南省澧水流域?yàn)槔?pdf

1、土壤侵蝕及其導(dǎo)致的水土流失已經(jīng)是全球性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，土壤侵蝕模型可以對(duì)其過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行科學(xué)化、定量化研究，并有效預(yù)報(bào)侵蝕狀況，便于為水保措施效益評(píng)估、土壤侵蝕綜合防治和水土保持區(qū)劃工作提供科學(xué)依據(jù)。
　　 在回顧國(guó)內(nèi)外土壤侵蝕研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，探討地理信息系統(tǒng)(GIS)、元胞自動(dòng)機(jī)(CA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)在土壤侵蝕方面的應(yīng)用，分析降雨、地形、土壤、植被、人類活動(dòng)等因素對(duì)土壤侵蝕的影響，構(gòu)建GIS支持下的土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型AN

2、N-CA。本研究解決以下三個(gè)問(wèn)題：(1)ANN-CA模型的構(gòu)建：選擇通用土壤流失方程(USLE)作為基礎(chǔ)模型，研究模型中各因子計(jì)算公式，進(jìn)行參數(shù)率定；運(yùn)用ANN技術(shù)，從侵蝕強(qiáng)度等級(jí)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系中求取所需的轉(zhuǎn)換概率，并用此定義CA的轉(zhuǎn)換規(guī)則，設(shè)計(jì)土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型ANN-CA。(2)ANN-CA模型與GIS的集成：在GIS技術(shù)的支持下，讀取、存儲(chǔ)、處理與輸出模型所需的數(shù)據(jù)。并且將GIS的空間數(shù)據(jù)處理、空間分析、可視化表達(dá)等功能和CA的時(shí)空

3、動(dòng)態(tài)模擬功能進(jìn)行耦合，模擬土壤侵蝕的時(shí)空演變。(3)ANN-CA模型在研究區(qū)的應(yīng)用：以澧水流域?yàn)檠芯繉?duì)象，應(yīng)用ANN-CA模型，通過(guò)驗(yàn)證分析，模型改進(jìn)等手段，控制模型對(duì)未來(lái)的土壤侵蝕狀況進(jìn)行模擬的精度，實(shí)現(xiàn)空間分布定量研究和時(shí)空演化動(dòng)態(tài)模擬。然后分析模擬結(jié)果，提出防治對(duì)策。
　　 通過(guò)利用ANN-CA模型在研究區(qū)進(jìn)行時(shí)空演化模擬，得到以下結(jié)論：(1)土壤侵蝕具有復(fù)雜的非線性特征，而CA技術(shù)和ANN技術(shù)能夠用簡(jiǎn)單的方法有效地對(duì)其進(jìn)

4、行動(dòng)態(tài)模擬；(2)ANN-CA模型能避免主觀臆測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)難度不大，參數(shù)較少，參數(shù)率定的工作量小，但是精度較高，結(jié)果直觀；(3)通過(guò)對(duì)研究區(qū)2015年土壤侵蝕狀況的預(yù)測(cè)，反映出三個(gè)規(guī)律，指導(dǎo)防治對(duì)策：在空間上，澧水流域土壤侵蝕強(qiáng)度的區(qū)內(nèi)相似性和區(qū)間差異性較為明顯，便于進(jìn)行因地制宜的分區(qū)防治；在時(shí)間上，澧水流域大部分范圍內(nèi)土壤侵蝕已經(jīng)得到有效控制；在總體上，澧水流域土壤侵蝕防治的落腳點(diǎn)在于坡改梯(坡度小于25°)、退耕(旱地、坡度大