Пространственное многокритериальной оптимизации методов ведения сельского хозяйства по сохранению помощью SWAT Модель и эволюционного алгоритма

Summary

Эта работа демонстрирует интеграцию модели качества воды с использованием оптимизации компонентов эволюционные алгоритмы решения для оптимального (низкая стоимость) размещения сельскохозяйственной практики сохранения для определенного набора воды целях улучшения качества. Решений, с использованием многоцелевой подход, позволяющий явное количественное компромиссы.

Abstract

Поиск экономичный (например, низкая стоимость) способы ориентации инвестиций сохранение практики для достижения конкретных целей качества воды по всему ландшафту имеет первостепенное значение в водосборов. Традиционные методы экономической найти самые дешевые решения в бассейне контекста (например, ^5,12,20) предполагают, что за пределами площадки последствия могут быть точно описаны как доля на месте загрязнения, создаваемого. Такой подход вряд ли будет представитель самого процесса загрязнения в районе водораздела, где воздействие источников загрязнения часто определяются комплекса биофизических процессов. Использование современной физической основе, пространственно-распределенных гидрологических имитационных моделей позволяет в большей степени реализма в терминах процесса представления, но требует развития моделирования оптимизации рамки, где модель становится неотъемлемой частью оптимизации.

Эволюцияарной алгоритмы оказаться особенно полезной оптимизации инструмент, способный справиться с комбинаторной природе водораздел моделировании задачи оптимизации и позволяет использовать модель полного качества воды. Эволюционные алгоритмы лечения конкретного пространственного распределения сохранения практики в водоразделом в качестве кандидата решение и использовать наборы (группы) из вариантов решения итеративного применения стохастических операторов выбора, рекомбинации и мутации, чтобы найти улучшения в отношении оптимизации целей. Оптимизация цели в этом случае, чтобы минимизировать рассредоточенных источников загрязнения в бассейне, одновременно минимизируя затраты на сохранение практики. Последнее и расширение набора исследование пытается использовать подобные методы и объединяет модели качества воды в широком смысле эволюционные методы оптимизации ^{3,4,9,10,13-15,17-19,22,23,25.} В этом приложении мы демонстрируем программы, которые следует Работягов соавт. С соответствуюACH и интегрирует современные и широко используется SWAT модели качества воды ⁷ с многокритериальной эволюционного алгоритма SPEA2 ^26, и пользователю определенный набор методов сохранения и их стоимость для поиска полного границы компромисса между издержками сохранения практики и указанный пользователем качества воды целей. Границы количественного компромиссов, с которыми сталкиваются менеджеры водораздел, представляя полный спектр расходов, связанных с различными целями улучшения качества воды. Программа позволяет производить выбор конфигураций водораздел достижения указанной улучшению качества воды целей и производства карты оптимизированного размещения сохранения практики.

Protocol

1. Подготовка водораздела модели и предоставление исходных данных для оптимизации

1. Создание базы данных i_SWAT
   1. Используя программу под названием "ротатор", создания базы данных из нескольких баз данных ввода, включая почвы, погоды, управление и удобрений.
   2. Кроме того, существующие перспективе SWAT (возможно, создан с ArcSWAT или AVSWAT) могут быть импортированы с i_SWAT.exe. В этом случае, программа "swat_rewrite" может быть использован для замены менеджмента или другой информации, ГПЧ на основе полевых данных на уровне.
   3. Калибровки и валидации модели SWAT должны быть выполнены в этой точке. SWAT (версия 2005) модель включены в эту Raccoon рамках водораздела реки моделирования EA первоначально был откалиброван и подтверждено в общей Максимальная дневная нагрузка (TMDL) исследования, как описано Джа и соавт. (2010). Далее калибровки и валидации модели SWAT был проведен в поддержку развития Raccoon план водораздела реки Master, как descriкровати в Агрен, Inc (2011), который является SWAT модель, которая была использована для данного исследования.
   4. Использование модифицированной версии SWAT2005.exe, называется SWAT2005GA.exe.
2. Подготовить файл "водораздел presets.csv" - это текстовый файл, хранящий многие параметры, относящиеся к Raccoon водораздел. Он читает GeneticiSWAT и MapSWAT ниже, чтобы установить несколько элементов управления и полей данных на водоразделе с одним щелчком мыши.
3. Подготовка затраты на элементы сохранения практики. Для этого, например, они хранятся в таблице [Практика расходы - Енот по округам] в базе данных "Практика затраты на суббассейна Josh.mdb".

Общая стоимость кандидат решение представляет собой сумму затрат на сохранение практики применительно к водораздела единиц ("гидрологический ответ единиц", или HRUs). Программа оптимизации считает оптимальным назначение одного из практики сохранения определенного набора методов сохранения в каждом пахотных земель ГГП в бассейне. СETS возможных методов сохранения назначен ГПЧ называется аллель множеств.

4. Создать SWAT папки. Для этого пробега, 16 процессоров были использованы, то есть 16 копий SWAT2005GA.exe проводились в 16 отдельных папках (то же самое относится и к системам с меньшим количеством процессоров, например, 4 папки должны быть созданы для "четырехъядерный процессор" процессор).

2. Выберите Параметры оптимизации

1. Оптимизация контролируется программу под названием "GeneticISWAT". Чтобы выполнить оптимизацию, открытые GeneticISWAT.exe.
   1. К "Файл", затем "Открыть" и выберите i_SWAT базы данных "Енот GA.mdb".
   2. К "Файл", затем "Настройка", чтобы назначить пути к SWAT модели исполняемые файлы (SWAT2005GA.exe).
   3. К "Выполнить", а затем "Выберите аллель Set". Этот шаг определяет комбинации методов сохранения используется в оптимизации. Для этой перспективе, аллель установлено № 14 была использована, которая имеет 23 комбинаций сохранения практики. Проспектailable набора аллелей сохраняются в файл конфигурации "Alleles.csv".
   4. К "Выполнить", затем выберите "SPEA2 Архив Базовый Aware Subset" для выполнения многокритериальной оптимизации использования SPEA2 эволюционного алгоритма.

Рисунок 1. Настройка оптимизации целей и параметров.

Оптимизация параметров должен быть выбран:

Предустановки: Выберите водораздел должны быть оптимизированы. Нажав кнопку "Применить" выбирает записи из пресетов файл "водораздел presets.csv", чтобы заполнить контрольные значения на этом экране.

Выходные переменные: Выберите экологических целей оптимизации. Как выбрать (N Outlet, P Outlet), это определяет 3-мерное целевой функции: азот (N + органических NO3 + NH4 + NO2) в среднем за 5 лет на выходе, фосфора (OrgaИсполнитель P + P Минеральные) в среднем за 5 лет на выходе, а общая стоимость сохранения практики. Обратите внимание, что это позволит создать 3-мерное компромисс границу. Альтернативные выходных переменных может быть выбран, где многокритериальной программы является сведение к минимуму ({}, переменная, Total Cost).

Численность населения: Установить начальный размер популяции. Это определяет начальное число кандидатов решения. Когда "Семя с каждым аллелем" вариант выбран, кандидат решений представляющих единообразного применения каждого сохранения практики, указанной в аллелей установлен на всех пахотных земель HRUs в бассейне создаются в первую очередь. Остальные кандидаты решения создаются рандомизации сохранения практики из аллелей установлен на пахотных землях HRUs. При выборе "Семя с каждым аллелем" вариант, нужно убедиться, что начальная численность населения, по крайней мере столь же большим как число аллелей в аллели набор (23 в этой демонстрации).

Количество поколений: Установите нужное число поколений (итераций) для оптимизации выполнения (обратите внимание, что ход может быть возобновлена).

Кроссовер вероятности: Когда два решения кандидата, выбранного для создания новых решений кандидат, кроссовер вероятности определяет вероятность того, что различные новые решения создаются (установлен в 1 для этой демонстрации).

Размер временного населения: Это определяет ряд новых решений кандидат создан. Процессор ресурсы использовались наиболее эффективно, когда это значение кратно числу процессоров темы (16 в этой демонстрации).

Вероятность мутации: Укажите вероятность случайных изменений в назначении ГПЧ в другую сохранение практики из аллелей множество. (Это имеет значение 0,03 для этой демонстрации).

Количествотемы: Выбор числа процессоров или потоков используется. 16 используется в этой демонстрации.

Кривая номер калибровочный коэффициент: Это обеспечивается в результате калибровки модели SWAT.

Сохранить населения в текстовый файл: Это важно для выбора, если мы хотим, чтобы перезапустить оптимизации работать после определенного количества итераций будет завершена. Включение этой опции создает текстовый файл с аллелем значения каждого ГПЧ в каждом сохранившихся вариантов решения (индивидуальная). Это может быть считан, чтобы перезапустить и продолжать бег.

Вторичные параметры оптимизации

Первый год: Должен быть установлен в течение года после начала исторической информации о погоде, и не позднее, чем за 7 лет до конца этого данные.

Цена кукурузы: Используется с выходом уравнения затруднились оценить стоимость удобрений сокращений.

Метод оценки: SPEA2 архива. Заброшенные определяет, насколько вероятно выживших лицо должно быть выбрано для кроссовера.

Purge метод: доминировали. Лица, которые хуже во всех 3-х измерениях доминирует и удаляются.

HUC Источник: Набор в "Указанный Location", имея в виду значение "7100006" в следующем поле "Водораздел HUC" используется для поиска строки в таблице HUC зоны. Значение "07100006" является восьми-значный код для HUC Raccoon водораздел.

Стоимость Источник: Набор в "County (ГГП Расположение кодекс)", чтобы указать, что затраты, кроме CRP будет определяться округа коды FIPS в таблице практике затраты выше.

Стоимость CRP Источник: Установите на "1 Location", чтобы указать, что стоимость CRP будет определяться округа коды FIPS в таблице практике затраты выше.

3. Представитель Результаты

GeneticiSWAT.exe создает файл журнала, показывающий параметры и результаты для всех возможных решений (физических лиц), а также "сохранить" файл, который кодирует результаты последней итерации алгоритма и которые могут быть использованы для перезагрузки оптимизации перспективе.

На данный момент, можно представить себе весь комплекс Парето-эффективных решений (компромисса границы), следуя инструкциям ниже:

1. Выполнить GeneticiSWAT;
   1. К "Файл", затем "Открыть", чтобы открыть i_SWAT базы данных "Енот GA.mdb".
   2. К "Выполнить", а затем "Экспорт ГПЧ List". Сохраните файл как "Енот HRU.txt аллель".
2. Продукция анимации, запустив Mapswat.exe, выбрав пункт "Выполнить", а затем "3D Анимация".

Рисунок 2. Screenshot для создания «моментальных снимков» для 3-мерной границы визуализации.

Выход есть ряд файлов, которые могут быть оказаны все сразу в файлы изображений с помощью POV-Ray программу и выбрать "Render", затем "Файл очереди". Изображения могут быть использованы сами по себе или в сочетании в фильм, показывающий алгоритм прогрессии.

Рисунок 3. Статическая визуализация компромисс границу.

При желании, фильм, показывающий алгоритм прогрессии может быть создан командой "Framescanner.exe" и выполните следующие действия:

1. К "Файл", затем "Новый", затем "Файл", затем "Импорт", затем "PNG файлов". Выберите статических изображений.
2. Чтобы создать фильм, выберите "Файл", затем "Экспорт", затем "AVI".
3. Выбор кодека "DIB", чтобы создать AVI файлов с партиями изображенийфайлы.

Каждая точка на границе представляет собой переломный момент конфигурация (конкретное назначение практики сохранения на альбомную). Карты из этих конфигураций можно увидеть по всей границе, выполните следующие действия:

1. Выполнить Mapswat.exe, выберите пункт "Выполнить", а затем "Карта Animation".
2. Выберите "Енот" из заданного списка и нажмите кнопку "Применить".
3. Выберите "Макет 7 (енот)" из списка карты макета, а затем нажмите кнопку "OK".

Рисунок 4. Скриншот создания карты каждого человека в последний рубеж.

Экспорт конкретных конфигураций водораздела (физических лиц) интересов.

Часто вопрос, представляющий интерес заключается в выборе конкретных водосборных конфигураций (физических лиц) достижения определенных целевых показателей качества воды. Например, можно пожелать, чтобы найти индивидуумыidual в приграничных что снижает азота на 30% и фосфора на 20% по сравнению с исходным нагрузкам. MapSWAT позволяет искать границу для индивидуального с наименьшей евклидовой расстояния до указанной цели. Это можно сделать, выполнив следующие действия:

1. Откройте MapSWAT.exe. Выберите "Выполнить" | "Поиск".

Рисунок 5. Скриншот поиске конкретного человека в приграничных на основе целевых показателей качества воды.

2. Введите минимальное и максимальное сокращение целей Tmin и Tmax, а также интервал оттенок. Кроме того, ввести конкретные процентное сокращение азота (NSpec) по сравнению с исходным в "% снижения" место рядом с базовой N, а процентное сокращение фосфора (Pspec) в "% снижения" рядом с Фосфор линии. Программа производит вывод в всплывающем окне:

Рисунок 6. Скриншот поисках выхода

3. Нажмите кнопку "Копировать текст" и вставить в таблицу. Три таблицы производится. В первом являются лица, ближайшим к N и P целей такого же сокращения процента, которая колеблется от Tmin до Tmax по оттенок. Чуть ниже этого ближайших одного человека к цели (NSpec, Pspec) появляется. Во-вторых, таблица с ближайшими лиц, где целевой P колеблется от Tmin до Tmax в то время как N остается постоянным около NSpec. В-третьих, таблица с лицами ближайшей цели N от Tmin до Tmax в то время как P остается постоянной около Pspec. В этом случае, ближайший человека на 30% N снижение составило ID 8423 с N значение 14,637,279.60. Вот карта, показывающая пространственное распределение практики сохранения и местоположение этого водораздела конфигурации в компромисс границу:

files/ftp_upload/4009/4009fig7.jpg "ALT =" Рисунок 7 "/>
Рисунок 7. Скриншот образца карту с указанием выбранного лица в границе. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Экспорт картографических данных для дальнейшего анализа можно, выполнив следующие действия:

1. Выполнить Mapswat.exe, выберите пункт "Выполнить", а затем "Экспорт данных карты".
2. Выберите "Енот" из заданного списка и нажмите кнопку "Применить".
3. Введите идентификатор водораздел конфигурации (индивидуальный) (8423 показан), установите флажок "Показать аллель Свойства" и "Show расходы", а затем нажмите кнопку "OK". Эти данные могут быть использованы для создания пользовательских карт выбранной конфигурации водораздел с помощью ГИС программы.

Название Программы	Источник	Описание
Поворотное устройство	CARD
Swat2005GA.exe	USDA пастбища, почва и вода Научно-исследовательская лаборатория	Водораздел имитационной модели
i_SWAT.exe	CARD	SWAT интерфейс базы данных
GeneticISWAT.exe	CARD	Эволюционная контроллер SWAT алгоритм. Включает в себя Галиб от http://lancet.mit.edu/ga/ .
MapSWAT.exe	CARD	Читает i_SWAT баз данных и шейп-файлы, производит образы поколений и физических лиц.
POV-Ray	Povray.org	Постоянство видения Raytracer.
Framescanner.exe	Тодд Кэмпбелл	PNG изображений в AVI конвертер
Windows Live Movie Maker,	Microsoft	Используется для сжатия AVЯ в WMV

Создает и заполняет базу данных с i_SWAT почвы, погода и управления данными для водораздел.

Таблица 1. Таблица программ требуется.

Имя файла	Тип	Описание
Енот GA.mdb	Доступ к базе данных	Структура и управление описания Raccoon водораздел. Читайте по GeneticiSWAT и MapSWAT.
водораздел presets.csv	Текст	Установка пресетов для GeneticiSWAT.exe и MapSWAT
Alleles.csv	Текст	Список аллель наборы для эволюционного алгоритма.
Енот HRU.txt Аллель	Текст	Файл создан GeneticISWAT перечислением аллелей определяется как пахотные земли. Читайте по MapSWAT.
Практика затраты на суббассейна Josh.mdb	Доступ к базе данных	Расходы по практике управления и округа.
Терраса Zones.mdb	Доступ к базе данных	Таблица [HUC данных] содержит терраса и номера выхода зоне водораздела.
NRI Budgets.mdb	Доступ к базе данных	Читайте по GeneticISWAT.exe для растениеводства и машина таблиц, которые не используются в этом плане.
phucrp 2008-12-15.dat	Текст	Завод тепла блока таблицы поиска, не используется в этом плане.
Management.mdb	Доступ к базе данных	Вращение таблицы поиска, не используется в этом плане.
Енот GA 2011-09-28 1313.log, енота GA 2011-09-29 0732.log, енота GA 2011-10-07 0644.log	Текст	Журналы выполнения GeneticISWAT.
Енот GA.wmv	Анимация	3D-дисплей физических лиц на поколения
Subbasin.shp >	ESRI Shapefile	Контуры изобpажение, иллюcтpиpующее в бассейне.
Енот Map.wmv	Анимация	Показать доминантных аллелей для каждого суббассейна для каждого на границе.

Таблица 2. Таблица образца необходимые файлы.

Discussion

Мы строим интегрированного моделирования оптимизации рамки для поиска Парето-эффективный набор водораздел конфигураций с участием самой дешевой смеси и расположения сельскохозяйственных методов сохранения для достижения диапазона водораздел уровня питательных цели сокращения. Концептуальную схему моделирования, оптимизации системы представлена ​​на рисунке 8. Водораздел моделирования, в том числе моделирования качества воды воздействия сельскохозяйственной практики сохранения обрабатываются модели гидро...