流域尺度河流物理生境评价方法、系统、介质及装置

1.本发明涉及生态恢复技术领域，特别是涉及一种流域尺度河流物理生境评价方法、系统、介质及装置。


背景技术：

2.河流生境是河流水生动植物生存栖息地与邻近环境的综合环境，提供了自然环境与各种生物间的自然联系，是评价河流健康的重要指标，城市河流更是城市中唯一完整的生态系统。英国、美国和澳大利亚等国先后依据本国河流生境的实际情况，开发了多种各具特色的河流生境评价模型。近二十年来，面对突出的河流生态环境退化，国内学者们也开始了河流生境评价的实证研究，但总体而言，国内河流生境的研究仍处在起步阶段，研究尺度多局限在河段尺度，流域尺度河流物理生境的研究尚属于首次被提出。
3.因此，希望能够解决如何进行河流生境的健康评定的问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种流域尺度河流物理生境评价方法、系统、介质及装置，用于解决现有技术中如何进行河流生境的健康评定的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种流域尺度河流物理生境评价方法，包括以下步骤：构建流域尺度河流物理生境评价标准体系；基于所述流域尺度河流物理生境评价标准体系对河流地貌数据和河网水系结构数据进行计算获得计算结果；基于所述计算结果生成河流生境指标评价标准；利用熵权物元模型对流域尺度物理生境进行评价。
6.为实现上述目的，本发明还提供一种流域尺度河流物理生境评价系统，包括：构建模块、计算模块、生产模块和评价模块；所述构建模块用于构建流域尺度河流物理生境评价标准体系；所述计算模块用于基于所述流域尺度河流物理生境评价标准体系对河流地貌数据和河网水系结构数据进行计算获得计算结果；所述生成模块用于基于所述计算结果生成河流生境指标评价标准；所述评价模块用于利用熵权物元模型对流域尺度物理生境进行评价。
7.为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一上述流域尺度河流物理生境评价方法。
8.为实现上述目的，本发明还提供一种流域尺度河流物理生境评价装置，包括：处理器和存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述流域尺度河流物理生境评价装置执行任一上述的流域尺度河流物理生境评价方法。
9.如上所述，本发明的一种流域尺度河流物理生境评价方法、系统、介质及装置，具有以下有益效果：用于指导和评估流域尺度河流物理生境的评价与恢复工作。
附图说明
10.图1a显示为本发明的流域尺度河流物理生境评价方法于一实施例中的流程图；
11.图1b显示为本发明的流域尺度河流物理生境评价方法于一实施例中的太湖流域各水利分区图；
12.图1c显示为本发明的流域尺度河流物理生境评价方法于一实施例中的太湖流域dem数据示意图；
13.图1d显示为本发明的流域尺度河流物理生境评价方法于一实施例中的太湖流域河网概化数据示意图；
14.图1e至图1k显示为本发明的流域尺度河流物理生境评价方法于一实施例中的太湖流域各水利片区河流物理生境评价结果图；
15.图2显示为本发明的流域尺度河流物理生境评价系统于一实施例中的结构示意图；
16.图3显示为本发明的流域尺度河流物理生境评价装置于一实施例中的结构示意图。
17.元件标号说明
18.21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
构建模块
19.22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
计算模块
20.23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
生产模块
21.24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
评价模块
22.31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
处理器
23.32
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
存储器
具体实施方式
24.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，故图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
26.本发明的流域尺度河流物理生境评价方法、系统、介质及装置，用于指导和评估流域尺度河流物理生境的评价与恢复工作。
27.如图1a所示，于一实施例中，本发明的流域尺度河流物理生境评价方法，包括以下步骤：
28.步骤s11、构建流域尺度河流物理生境评价标准体系。
29.具体地，所述流域尺度河流物理生境包括：河流地貌数据和河网水系结构数据。所述河流地貌数据包括：区域河网坡降、区域河网加权曲度；所述河网水系结构数据包括：盒
维数、河网实际结合度、骨干河网密度、河网复杂度。
30.具体地，所述构建流域尺度河流物理生境评价标准体系包括基于河道弯曲度计算公式、区域河网坡降计算公式、区域河网加权曲度计算公式、盒维数计算公式、河网实际结合度计算公式、骨干河网密度计算公式和河网复杂度计算公式构建。
31.具体地，所述河道弯曲度计算公式s为：
32.s＝l
r
/l
v
33.其中，s为河道弯曲度，l
r
是河段实际中心线长度，单位为km；l
v
为所测河段上下游两点间的直线距离，单位为km。
34.所述区域河网加权曲度计算公式s
r
为：
[0035][0036]
其中，s
r
为区域河网加权平均曲度；l
t
为河网水系总长度，单位为km；l
ri
是i河段实际中心线长度，单位为km；l
vi
为所测河段i上下游两点间的直线距离，单位为km。
[0037]
所述盒维数计算公式d为：
[0038][0039]
其中，直线斜率d即为河流或水系的盒维数值，n
r
为河流分形对象的方格数；r代表边长为r的方格网覆盖河流水系。用预设长度为r的正方形方格网覆盖被测河流或流域，河流分形对象的方格数是指河流中河流分形对象所被方格覆盖的方格的数量。
[0040]
所述河网实际结合度计算公式γ为：
[0041][0042]
其中，γ是河网连通性指标；m是河网中的河流链数；n是河网中的河流节点个数，所述河流节点由抗冲性较强的凸岸形成，并对河势变化起控制作用的河岸形式。
[0043]
所述区域河网坡降计算公式p为：
[0044][0045]
其中，p
i
为河段i坡降；e
ui
与e
di
分别为河段i起点海拔高度与终点的海拔高度，单位为m；l
ri
为河段i的实际长度，单位为m。
[0046]
所述骨干河网密度计算公式r为：
[0047]
r＝l
r
/a
[0048]
其中，l
r
是水利片区内河网总长度，单位为km；a是水利片区的面积，单位为km2。
[0049]
所述河网复杂度计算公式cr为：
[0050]
cr＝n
c
×
(l/l
m
)
[0051]
其中，n
c
为河流等级数；l为河道总长度，单位为km；l
m
为主干河道的长度，单位为km。
[0052]
步骤s12、基于所述流域尺度河流物理生境评价标准体系对河流地貌数据和河网水系结构数据进行计算获得计算结果。
[0053]
具体地，所述基于所述流域尺度河流物理生境评价标准体系对河流地貌数据和河网水系结构数据进行计算获得计算结果包括：基于上述的公式将河流地貌数据和河网水系结构数据带入所述公式获得区域河网坡降、区域河网加权曲度、盒维数、河网实际结合度、骨干河网密度、河网复杂度的计算结果。
[0054]
步骤s13、基于所述计算结果生成河流生境指标评价标准。
[0055]
具体地，所述基于所述计算结果生成河流生境指标评价标准包括：基于所述计算结果的范围生成计算结果各自的等级标准；所述等级标准包括：好、较好、一般、较差、差。
[0056]
于本发明的一实施例中，所述河流生境指标评价标准如下表所示
[0057]
表1基于流域尺度的太湖流域河流生境指标评价标准
[0058][0059][0060]
步骤s14、利用熵权物元模型对流域尺度物理生境进行评价。
[0061]
具体地，所述利用熵权物元模型对流域尺度物理生境进行评价是指在物元模型的基础上，利用信息熵计算各数据的信息熵权，利用物元模型与信息熵权的乘积完成等级评定及最大关联度等级评价。
[0062]
所述利用熵权物元模型对流域尺度物理生境进行评价包括数据的标准化处理和等级评定。
[0063]
所述数据的标准化处理包括：
[0064]
1)指标值极值化处理：
[0065][0066]
其中：f
ij
代表任意水利片区中任意评价指标(包括区域河网坡降、区域河网加权曲度，河网结构包括盒维数、河网实际结合度、骨干河网密度、河网复杂度)；f
jmin
代表所有水利片区中所有指标的最小值，f
jmax
代表所有水利片区中所有指标的最大值。i＝1，2，
…
，m；j＝1，2，
…
，n。
[0067]
2)计算指标值比重：
[0068][0069][0070]
本文运用公式(3)对公式(2)进行了改进，这种改进基于两个原因，一是当d
ij
＝0，d
ij
＝0时，d
ij ln d
ij
＝0，当d
ij
＝0时，lnd
ij
在数学统计中无意义。二是这种调整能使熵值的
影响控制在一个合理的范围内，即改进的熵值与原始熵值非常接近，两者之间的差异可以控制在两个小数位或更小。
[0071]
3)计算信息熵：
[0072][0073]
4)计算信息冗余度：
[0074]
r
j
＝1
‑
q
j
ꢀꢀꢀ
(5)
[0075]
5)计算指标权重：
[0076][0077]
公式(6)存在一个主要的缺陷：当各指标信息熵值非常接近于1时，它们之间的差别很小。这种微小的差异可能会导致它们的熵权值发生巨大的变化。因此，为了解决这一问题，用公式(7)对熵权公式进行了改进，具体如下：
[0078][0079]
(2)等级评定
[0080]
1)确定经典域(h
j
)
[0081][0082]
式中：h
j
是经典域，表征河流生境状况位于某一层级时(如g1层级)，各评价指标的取值范围；g
j
是评价层级；c
i
是评价指标；v
ij
是关于评估指标c
i
的取值范围；(a1，b1)是经典物元参数量值范围，a1为最小值，b1为最大值。
[0083]
2)确定节域(h
p
)
[0084][0085]
式中：hp是节域，表征经典域与整体范围的结合；p是总体评价层级；c
i
是评价指标；v
ip
是关于评估指标c
i
的节域参数量值范围；(a
1p
，b
1p
)是经典域参数量值范围。
[0086]
3)确定待评价物元(h0)
[0087][0088]
式中：h0是待评价物元；g0是待评价层级；c
i
是待评价指标；v
i
是关于待评价指标c
i
的测量值。
[0089]
4)距的计算。公式如下：
[0090]
ρ(v
i
，v
j
)＝|v
i
‑
1/2(a
ij
+b
ij
)|
‑
1/2(b
ij
‑
a
ij
)
ꢀꢀꢀ
(11)
[0091]
ρ(v
i
，v
ip
)＝|v
i
‑
1/2(a
ip
+b
ip
)|
‑
1/2(b
ip
‑
a
ip
)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0092]
i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，n.
[0093]
5)关联函数计算公式如下：
[0094][0095]
6)等级评定。k
j
(v)为多指标关联度，w
i
为改进熵权法计算的权重，当k
j
(v)的最大值与k
m
(v)相等时，该物元评价结果属于m层级。
[0096][0097]
若k
j0
＝max{k
j(p)
}，j∈{1，2，...，m}，则评定p属于等级j0。
[0098]
于一实施例中，本发明的流域尺度河流物理生境评价方法，包括以下步骤：选取太湖流域为研究对象，图1b为太湖流域各水利分区图，结合水利片区分区、流地貌特征和河流水系结构特征选择了6个评价指标，图1c为太湖流域dem数据示意图，图1d为太湖流域河网概化数据示意图。基于arcgis平台对太湖流域dem数据(河流地貌数据)、河网概化数据(河网水系结构数据)进行计算，得出各水利片区内6个评价指标的数据(见表2)。
[0099]
表2水利片区各指标值与权重
[0100]
[0101][0102]
将各指标值根据公式(1)
‑
(7)计算得出各指标权重
[0103]
表3根据改进熵权法计算出各指标权重
[0104][0105]
由评价指标量值，根据公式(8)
‑
(13)计算太湖流域自然形态评价指标关联度。以湖西片区区域河网加权曲度的计算结果为例介绍各参数的指示意义。将v1＝1.0941输入相应的计算公式后，得到对应的评价等级的关联度分别为k
(c1)1
＝
‑
0.45295，k
(c1)2
＝
‑
0.04861，k
(c1)3
＝0.11800，k
(c1)4
＝
‑
0.03875，k
(c1)5
＝
‑
0.0792，可以判断湖西片区河网加权曲度指标属于ⅲ级别，属于“一般”等级。同理可得其他指标的相关数值及研究区其他水利片区评价指标的对应等级的关联度值和指标等级。
[0106]
表1水利片区各指标评价等级
[0107][0108]
各指标对应各等级的关联度量值与改进熵权法求出的权重代入公式(14)，可得出各水利片区河流生境的综合关联度值，并判定等级。以湖西片区为例，各等级综合关联度依次为k1＝
‑
0.54565，k2＝
‑
0.30377，k3＝0.067446，k4＝
‑
0.00665，k5＝
‑
0.32299。可以判定湖西片区河流生境等级为“一般”，同理可以判定出其他各水利片区的河流生境等级。图1e至1k为太湖流域各水利片区河流物理生境评价结果图，图中颜色越浅表明所在的水利片区的相应指标等级越好。
[0109]
表5各水利片区综合关联度及评价等级
[0110]
[0111][0112]
本发明具有如下优点：本发明从河流地貌特征、河网水系结构两个维度对流域尺度河流物理生境进行评价；本发明借鉴改进信息熵的思想，在进行物元模型计算时引入改进信息熵权，使评价结果更加合理；本发明的评价结果针对性较强，能够识别出流域范围内不同水利片区河流物理生境的差异，有利于明确各个片区内河流物理生境的现实状况，有利于河流管理部门开展针对性的管理工作；本发明操作较为简单且应用范围广泛，适用于我国流域内部河流物理生境评价工作的开展。
[0113]
如图2所示，于一实施例中，本发明的流域尺度河流物理生境评价系统，包括构建模块21、计算模块22、生产模块23和评价模块24；所述构建模块用于构建流域尺度河流物理生境评价标准体系；所述计算模块用于基于所述流域尺度河流物理生境评价标准体系对河流地貌数据和河网水系结构数据进行计算获得计算结果；所述生成模块用于基于所述计算结果生成河流生境指标评价标准；所述评价模块用于利用熵权物元模型对流域尺度物理生境进行评价。
[0114]
具体地，所述流域尺度河流物理生境包括：河流地貌数据和河网水系结构数据。
[0115]
具体地，所述河流地貌数据包括：区域河网坡降、区域河网加权曲度；所述河网水系结构数据包括：盒维数、河网实际结合度、骨干河网密度、河网复杂度。
[0116]
需要说明的是：构建模块21、计算模块22、生产模块23和评价模块24的结构和原理与上述流域尺度河流物理生境评价方法中的步骤一一对应，故在此不再赘述。
[0117]
需要说明的是，应理解以上系统的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现；也可以全部以硬件的形式实现；还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如，某一模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现，此外，也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上某一模块的功能。其它模块的实现与之类似。此外这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
[0118]
例如，以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：
一个或多个特定集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)，或，一个或多个微处理器(micro processor uint，简称mpu)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(central processing unit，简称cpu)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system
‑
on
‑
a
‑
chip，简称soc)的形式实现。
[0119]
于本发明一实施例中，本发明还包括一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一所述流域尺度河流物理生境评价方法。
[0120]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0121]
如图3所示，于一实施例中，本发明的流域尺度河流物理生境评价装置包括：处理器31和存储器32；所述存储器32用于存储计算机程序；所述处理器31与所述存储器32相连，用于执行所述存储器32存储的计算机程序，以使所述流域尺度河流物理生境评价装置执行任一所述的流域尺度河流物理生境评价方法。
[0122]
具体地，所述存储器32包括：rom、ram、磁碟、u盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0123]
优选地，所述处理器31可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0124]
综上所述，本发明流域尺度河流物理生境评价方法、系统、介质及装置，用于指导和评估流域尺度河流物理生境的评价与恢复工作。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0125]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。