基于神经网络方法的湿地生态脆弱性评价

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第43卷第1期东北师大学报(自然科学版)Vol.43No.12011年3月Journal of Northeast Normal University(Natural Science Edition)March 2011
[文章编号]1000-1832(2011)01-0139-05
基于神经网络方法的湿地生态脆弱性评价
付 博1,2,姜琦刚1,任春颖3,谢振红1,2
(1.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026;
2.吉林建筑工程学院测绘与勘查工程学院,吉林长春130118;
3.中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林长春130012)
[摘 要] 应用BP神经网络模型对扎龙湿地的生态脆弱性进行了评价.采用7-2-4-1结构,以
计算得到的各湿地类型样本栅格单元生态脆弱指数EVI值作为训练集,通过最大1 000次的误
差反向传播训练,获得的最大误差是1.1%,最小误差0,成功实现了扎龙湿地7维评价指标变量
到1维变量即扎龙湿地生态脆弱性指数的映射,得到了研究区全部栅格单元的生态脆弱性指数
值.运用GIS技术,制得扎龙湿地生态脆弱性分级图,分析得出扎龙湿地中度脆弱和重度脆弱的
地区占整体的18%,潜在脆弱地区和微度脆弱地区占整体的63%,从量化角度表明扎龙自然保
护区整体生态环境不容乐观,为扎龙湿地生态环境保护和治理提供了具有科学意义的借鉴.
[关键词] BP神经网络;地理信息系统;湿地;生态脆弱性
[中图分类号] X 820.2  [学科代码] 610·3040   [文献标志码] A
  湿地是一个水陆相互作用形成的特殊生态系统,是陆地生态系统与水域生态系统相互连接的纽带,是自然界最具有生产力的生态系统和人类最重要的生态环境之一.湿地生态系统对一个地区、一个国家乃至全球经济发展和人类生态的环境都有重要意义[1].近年来,世界各国的湿地以惊人的速度在退化,如美国已损失了8 700万hm2的湿地,占全部湿地面积的54%.在我国,长期以来,由于湿地对自然环境和社会经济的功能和价值并未得到社会公众、政府和湿地开发部门的重视,我国湿地面积迅速减少,生产和生态功能迅速降低,湿地退化严重[2].
湿地退化表明了湿地生态系统脆弱性的存在[3].目前进行湿地系统生态脆弱性评价时,多是建立一个树形的多级指标体系,由上至下逐步细分,通过将各指标的计算结果进行叠加分析从而得出结论.本文在区域的社会、经济、环境问题中通过研究生态系统的结构、功能和适应力来判断它们的脆弱情况,选择评价指标,以计算得到的典型研究区栅格单元生态脆弱性指数值为样本数据,运用人工神经网络方法建立湿地生态脆弱指数计算的神经网络模型,计算研究区全部栅格单元的脆弱性指数,并利用GIS方法对计算结果进行表达,从而进行扎龙自然保护区的湿地生态脆弱性评价,总结扎龙湿地退化的原因,为扎龙湿地资源保护与管理提供依据.
1 研究区地理特征
扎龙自然保护区处于黑龙江省西部乌裕尔河下游湖沼苇草地带的闭流区,地理坐标为北纬46°52′~47°52′,东经123°47′~124°37′.保护区南北长65km,东西宽37km,总面积21万hm2.该区属于寒温带大陆性季风气候,夏热多雨,冬寒漫长,多年平均气温2℃~4.2℃,平均降水量416mm,年水面蒸发量900~1 000mm.湿地区域地貌为河湖相冲击地貌类型,地势低洼平坦,海拔140~146m,地面平均比降1/6 000.湿地内分布着众多泡沼,由于排水不畅,土壤盐渍化现象比较普遍.扎龙自然保护区位于齐齐哈尔市及富裕、林甸、杜蒙、泰来县交界地域,涉及14个乡镇的56个村屯
[收稿日期] 2010-09-27
[基金项目] 中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-341);国家自然科学基金资助项目(30370267).
[作者简介] 付博(1981—),女,博士研究生,讲师,主要从事遥感与地理信息应用研究.
东北师大学报(自然科学版)第43卷及10余个国有农、牧、渔、苇企事业单位,人口约29 三亚南山文化旅游区门票
000人.这些乡镇企事业单位大多分布于保护区边缘地带,核心区内有10个自然屯,人口约3 
800人.保护区内没有乡镇工业企业,区域经济发展缓慢,人均收入低,属经济欠发达地区.
扎龙湿地是世界上保存下来面积最大又相对完整的芦苇沼泽湿地,保护区内80%的面积分布着芦
苇沼泽,
原本具有原始的自然景观和丰富的野生动植物资源,然而近些年来,大型工程的修建和其他人为活动的入侵正在急剧地改变着原始的湿地景观,保护区水质污染严重,湿地生境碎裂,野生动植物资
源迅速减少,作为一个动态的极其脆弱的生态系统,扎龙湿地正在遭受着严重的破坏[4].
2 研究方法厦门旅游攻略自由行三天及费用
2.1 数据处理方法
本文在研究中首先以研究区1986年和2004年两个年份的Landsat 
7ETM遥感影像数据为基础,对影像的TM1,TM2,TM3,TM4,TM5,TM7波段经过辐射校正、
几何纠正和各种增强处理后,分别获得扎龙湿地1986和2004年的TM432波段的合成影像图.
结合研究区的中比例尺地形图数据和其他由扎龙自然保护区管理局提供的部分数据对上述合成影像图进行图像增强、图像配准以及影像解译后得
到了如图1、图2所示的扎龙湿地1986年、2004年的湿地分布图
图1 1986年扎龙湿地分布图
图2 2004年扎龙湿地分布图
2.2 BP神经网络方法
BP神经网络又称为误差反向传播神经网络,是一种多层的前向型神经网络.在BP网络中,
信号是前向传播的,而误差是反向传播的,网络模型由处理单元、网络拓扑结构和学习规则组成[5].常用的BP
神经网络模型由输入层、输出层和隐含层组成,相邻层之间的神经元由权重系数相互连接,同一层内的神经元之间是平行的、无连接关系.
BP算法可以用数学模型表达为:
H=f(w X+θH),O=f(v H+θO).(1
)式中:X,H和O分别为输入层、隐含层和输出层矢量(即节点向量);w和v分别是输入层与隐含层、
隐含层与输出层之间的连接权重矢量;θH和θO依次为隐含层和输出层神经元的激活阈值;
函数f(x)为节点作用函数,通常选取Sig
moid函数:f(
x)=1/(1+e-x).(2
在BP神经网络的学习过程中,取误差E作为网络的误差目标函数:041
第1期付博,等:基于神经网络方法的湿地生态脆弱性评价E=
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12
∑(O-O0)2.(3)BP模型通过计算网络的误差目标函数,
用梯度下降法依次调整和修正隐含层与输出层、输入层之间的连接权重,直到整个样本集的误差总和满足网络要求为止[6].为了提高神经网络的运算速度,本文通过进行训练集的归一化来改进BP神经网络,
使之更适应于扎龙湿地生态脆弱性的评价研究.3 基于BP神经网络的生态脆弱性评价
3.1 训练集栅格单元的生态脆弱性指数计算
根据扎龙湿地分类分布图,本文从扎龙湿地现有的湿地类型芦苇沼泽、水田、滩地、水库坑塘、河渠,湖泊中分别选取典型栅格单元进行生态脆弱性评价,以评价结果作为样本数据集进行BP神经网络的训练.在针对样本栅格单元的脆弱性评价中,为便于数据的获取和结果的表达,选择100m×100m栅格单元为评价指标的数据载体,提取各评价指标数据.同时,为满足生态环境管理和决策的要求,选择
OECD(联合国经济合作开发署)建立的压力-状态-响应(press-state-resp
onse,PSR)框架模型(见图3)作为评价模型[7].
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该模型同时面对人类活动和自然环境,比以往同类问题中使用较多的树形评价模型更能清晰地表述人类活动和经济运作及其对环境的影响之间的逻辑关系.按照这一模型,一级评价指标有
3类:
压力指标、状态指标和响应指标.压力指标由人口密度和人类干扰指数综合计算;状态指数由初级生产力、湿地组织指数(面积加权平均斑块形状指数、斑块密度、平均斑块面积)、湿地平均弹性度和湿地
蓄水量指标综合计算得到;响应指标由湿地面积变化比例反映[8].
河北天气预报15天训练集的样本栅格单元生态脆弱性评价结果定义为生态脆弱指数EVI(eco-environmental vulnerability 
index),定义EVI值=
∑n
i=1Wi×Xi.(4
)式中,Xi为各一级指标值,Wi为其对应权重[9]
.图3 压力-状态-响应(PSR)
框架模型3.2 BP神经网络模型应用
将由以上指标计算得到各类型湿地栅格单元的生态脆弱性指数作为训练样本集进行BP神经网络建模,网络模型采用4层结构,由输入层、双隐含层和输出层组成.经反复的初训练后,根据训练集和测
试集的均方误差到了最佳隐含层数目和神经元的个数,从而获得了网络的优化结构[10].
最终,选择BP神经网络评价模型为7-2-4-
1结构,即输入层、双隐含层和输出层的神经元个数分别为7,2,4和1.输入层有7个结点,
它们分别对应人口密度、人类干扰指数、初级生产力、湿地组织指数、湿地平均弹性度、湿地蓄水量和湿地面积变化比例7个评价指标;隐含层有2个,第1隐含层有2个神经元,第2隐含层有4个神经元;输出层1个节点对应每个栅格单元的生态脆弱性.利用Matlab7构建BP神经网络模型,其编程流程如图4所示,其中选用newff函数创建一个前馈BP神经网络,
传递函数分别选用对数S型传递函数(logsig)和线性传递函数(p
urelin),训练函数选用Levenberg-Marquardt回传的trainlm函数;而误差最小值设定为0.000 1,最大循环次数定为5 
000次,学习率为0.6.该模型将研究区各栅格单元的7个评价指标作为输入层输入到网络中,通过训练后的网络模型,得到研究区栅格单元的运行结果.
本文利用上述模型完成研究区栅格单元的生态脆弱性评价,通过最大1 
000次的误差反向传播训练,最终的输出结果与期望得到的结果相差不大,在输出的误差中,最大误差是1.1%,
最小误差0.得到1
41
东北师大学报(自然科学版)第43卷
的误差在允许范围之内,成功实现了扎龙湿地7维变量到1维变量—
——扎龙湿地生态脆弱性指数的映射,得到了研究区全部栅格单元的生态脆弱性指数值
图4 BP神经网络评价模型流程图
表1 EVI分值与湿地生态脆弱性评价等级
综合评价等级
潜在脆弱微度脆弱轻度脆弱中度脆弱重度脆弱EVI值0~0.2 0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~
图5 扎龙湿地生态脆弱性指数分级图
4 结果分析
兰州市利用上述BP神经网络模型最终得到的扎龙湿地生
态脆弱指数计算结果即EVI.
根据表1所示的分级方案,按EVI值从低到高排序,
将扎龙湿地生态系统脆弱性等级分为5级,借助GIS软件进行评价结果的可视化表达,
输出扎龙湿地生态脆弱性评价分级图(如图5所示).
5 结论
本文通过采用100m×100m栅格单元作为指标因子
的数据载体和基本评价分析单元,利用BP神经网络结合
GIS和RS技术分析评价了扎龙湿地脆弱性的现状,
通过以上分析可以看出:
(1)利用BP神经网络模型进行扎龙湿地生态脆弱性
分析,网络模型采用7-2-4-1结构,通过最大1 
000次的误差反向传播训练,使网络的实际输出值与期望输出值的误
差均方值最小,成功实现了扎龙湿地人口密度、人类干扰
指数、初级生产力、湿地组织指数、湿地平均弹性度、湿地
蓄水量和湿地面积变化比例7维变量到1维变量—
——扎龙湿地生态脆弱性指数的映射.经计算证明,该数学模型具有较高的评价精度,最终的输出结果与期望得到的结果相差不大,在模型精度和复杂度之间取得了很
241
第1期付博,等:基于神经网络方法的湿地生态脆弱性评价好的折中,评价结果科学可靠.
(2)通过BP神经网络建模计算得到了研究区全部栅格单元的生态脆弱性指数,在GIS软件中制得
了扎龙湿地生态脆弱性分级图,
发现健康状况较好的潜在脆弱和轻度脆弱区几乎全部分布于芦苇沼泽内部,
而健康状况较差的中度脆弱区和重度脆弱区主要以水田为主.从地理位置来说,保护区中心地区整体脆弱状况未及边缘地区明显,健康状况相对较好.从整体情况来说,扎龙湿地中度脆弱和重度脆弱的地区占整体的18%,潜在脆弱地区和微度脆弱地区占整体的63%,
从定量化的角度表明了整个扎龙自然保护区整体生态环境不容乐观,为保护区湿地生态环境保护和治理提供了具有科学意义的借鉴.
[参 考 文 献]
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ement,2005,36(4):576-591.Ecological vulnerab
ility 
assessment of wetland based on neural networkFU Bo1,2,JIANG Qi-gang1,REN Chun-ying3,XIE Zhen-hong1,
2(1.College of Geoexploration Science and Technology,Jilin University,Chang
chun 130026,China;2.School of Surveying and Prospecting 
Engineering,Jilin Institute of Architecture and Civil Engineering,Changchun 130118,China;3.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy 
of Sciences,Changchun 130012,China)Abstract:In the study of ecological vulnerability 
assessment in Zhalong Wet Ecosystem,a BP neuralnetwork model with 7-4-2-1structure was established.It took the eco-environmental vulnerability
index values of sample unit cells as training set,realized the mapping 
of the 7dimensional evaluatingindicator variable of Zhalong wet ecosystem to 1dimensional variable namely 
EVI through 1 000errorback propagation trainings and received the EVI values of all unit cells.The classification map 
offrangibility indexes were plotted successfully using GIS technique according 
to these values.It educedthat in the Zhalong wet ecosystem,the regions of moderate or severe vulnerability 
accounted for 18%and the regions of potential or slight vulnerability 
accounted for 63%.The holistic ecologicalenvironment of Zhalong 
wetland was not optimistic.The classification figure also provided a referenceof scientific significance to the ecological environment protection and management of Zhalong wetecosystem from the quantitative p
oint of view.Key
words:back-propagation neural network;geogra
phic information system;wetland;ecological vulnerability(责任编辑:方 林)341

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