SWAT modeli kullanarak Tarım Koruma Uygulamalarının Mekansal Çok Amaçlı Optimizasyon ve Evrimsel Algoritma

Summary

Bu çalışma su kalite iyileştirme amaçları belirli bir kümesi için tarımsal koruma uygulamalarının optimal (düşük maliyetli) yerleştirme çözmek için evrimsel algoritmalar kullanan bir optimizasyon bileşeni olan bir su kalitesi modeli bir entegrasyon gösterir. Çözümler değiş açık ölçümü için izin veren bir çok objektif bir yaklaşım kullanılarak üretilir.

Abstract

Manzara karşısında belirli su kalitesi hedeflerine ulaşılmasına yönelik koruma uygulamalarının yatırımları hedefleme maliyet-etkin (yani, düşük maliyetli) yolu bulma havza yönetimi birincil öneme sahiptir. Havza bağlamı (örneğin, ^5,12,20) en düşük maliyetli çözüm bulma Geleneksel iktisat yöntemleri off-site etkilerinin doğru oluşturulan yerinde kirlilik oranı olarak tarif edilebilir olduğunu varsayalım. Bu tür yaklaşımlar kirletici kaynaklarının etkileri genellikle karmaşık biyofiziksel süreçler tarafından belirlendiği bir havza gerçek kirlilik süreci temsili olması pek olası değildir. Modern fiziksel tabanlı, mekansal hidrolojik simülasyon modellerinin kullanılması süreci temsili açısından gerçekçilik daha büyük bir derecesi için izin verir ama model optimizasyonu ayrılmaz bir parçası olan bir simülasyon-optimizasyon çerçevenin geliştirilmesini gerektirmektedir.

Evrimary algoritmaları bir havza simülasyon-optimizasyon problemi kombinatoryal doğa ile uğraşmak ve tam su kalitesi modelinin kullanımına izin edebiliyoruz özellikle yararlı bir optimizasyon aracı olarak görünmektedir. Evrimsel algoritmalar bir aday çözüm olarak havzadaki koruma uygulamalarının belirli bir mekansal dağılımı tedavi ve iteratif stokastik seçim operatörleri, rekombinasyon ve optimizasyon hedefleri açısından iyileştirmeler bulmak için mutasyon uygulayarak aday çözümlerden setleri (nüfus) kullanmaktadır. Bu durumda optimizasyon hedefleri eşzamanlı koruma uygulamalarının maliyetini en aza indirmeyi, havzadaki Yaygın kaynak kirliliğinin en aza indirmek için vardır. Bir araştırma yeni ve genişleyen grubu benzer yöntemleri kullanmaya çalışıyor ve geniş tanımlı evrimsel optimizasyon yöntemleri ^{3,4,9,10,13-15,17-19,22,23,25} su kalitesi modelleri entegre edilir. Bu uygulamada, bu Rabotyagov ve ark bir program içinde gösterilmektedir. 'In beğenmeach ve koruma uygulamalarının maliyeti ve kullanıcı tarafından belirlenen su kalitesi arasındaki tam tradeoff sınırlarını aramak için bir çok amaçlı evrimsel algoritma SPEA2 ²⁶ ve koruma uygulamaları ve bunların maliyetleri kullanıcı tarafından belirtilen seti ile modern ve yaygın SWAT su kalitesi modeli kullanılan ⁷ bütünleştirir hedefler. Sınırları çeşitli su kalite iyileştirme hedefleri ile bağlantılı maliyetlerin dizi sunarak havza yöneticilerinin karşılaştığı ödünleşmeler ölçmek. Program belirtilen su kalite iyileştirme amaçları ve koruma uygulamalarını optimize yerleştirme haritaları üretim elde havza yapılandırmaları bir seçim sağlar.

Protocol

1. Havza Modeli hazırlayın ve Optimizasyon için Giriş Veri sağlayın

1. Bir i_SWAT veritabanı oluşturma
   1. "Rotator" adlı bir program kullanarak, toprak, hava, yönetimi ve gübre dahil olmak üzere birden fazla giriş veritabanlarından veri tabanı oluşturmak.
   2. Alternatif olarak, varolan bir SWAT işletmesi (muhtemelen ArcSWAT veya AVSWAT ile oluşturulan) i_SWAT.exe ile alınabilir. Bu durumda, program "swat_rewrite" ya da yönetim alan düzeyi verilerine dayalı diğer HRU bilgi değiştirmek için kullanılabilir.
   3. SWAT model ve kalibrasyon doğrulama bu noktada yapılmalıdır. Bu Raccoon River Havza EA modelleme çerçevesinde dahil SWAT (sürüm 2005) model başlangıçta kalibre ve Jha ve arkadaşları tarafından tarif edildiği gibi bir Günlük Maksimum Toplam Yük (GMTY) çalışma için valide edilmiştir. (2010). SWAT modeli Ayrıntılı kalibrasyon ve doğrulama anlatıldığı şekilde, bir Raccoon River Havza Master Planı'nın gelişimine destek yapılmıştırBu çalışma için kullanılan SWAT modeli Agren, Inc (2011) 'de yatak.
   4. SWAT2005GA.exe denilen SWAT2005.exe değiştirilmiş bir sürümü kullanın.
2. "Havza presets.csv" dosya hazırlayın - Bu Raccoon havza özgü ayarların çoğunu saklayarak bir metin dosyasıdır. Bu tek bir tıklama ile havza için birden fazla kontrol ve veri alanlarını ayarlamak için aşağıdaki GeneticiSWAT ve MapSWAT tarafından okunur.
3. Koruma uygulamalarının elemanlarının maliyetleri hazırlayın. Bu örnek için, bu tabloda saklanan [Uygulama Maliyetleri - İlçe tarafından Raccoon] bir veritabanı "akımın Josh.mdb tarafından Uygulama maliyetleri" de.

Bir aday çözümün toplam maliyeti havza birimleri ("Hidrolojik cevap birimleri", ya HRUs) uygulanan koruma uygulamalarının maliyetlerin toplamıdır. Optimizasyon programı havza her ekili HRU konservasyon uygulamaları belirli bir dizi tek bir koruma uygulamalarının optimal bir atama düşünmektedir. SBir HRU atanan olası koruma uygulamalarının ets alel setleri denir.

4. SWAT klasörler oluşturun. Bu çalışma için, 16 CPU SWAT2005GA.exe 16 kopya 16 ayrı klasörlerde yürütüldü anlamı, kullanılan (aynı az CPU, örneğin sahip sistemler için geçerlidir, 4 klasör bir "dört çekirdekli" işlemci için oluşturulmuş olmalıdır).

2. Optimizasyon parametreleri seçin

1. Optimizasyon "GeneticISWAT" olarak adlandırılan program ile kontrol edilir. Optimizasyon, açık GeneticISWAT.exe gerçekleştirmek için.
   1. Sonra "Aç", "Dosya" gidin ve i_SWAT veritabanı "Raccoon GA.mdb" seçeneğini seçin.
   2. Sonra "Configuration" SWAT modeli yürütülebilir (SWAT2005GA.exe) için yolları atamak için, "Dosya" gidin.
   3. "Execute" git, sonra "Allel ayarla seçin". Bu adım optimizasyonunda kullanılan koruma uygulamalarının kombinasyonu belirler. Bu çalışma için, alel 14. koruma uygulamalarının 23 kombinasyonları var, hangi kullanılmıştır ayarlayın. AvAILABLE allel setleri yapılandırma dosyası "Alleles.csv" saklanır.
   4. "Execute", ardından SPEA2 evrimsel algoritma kullanılarak amaçlı optimizasyon gerçekleştirmek için "SPEA2 Arşiv Baseline Aware Altküme" ı seçin.

Şekil 1. Optimizasyon hedefleri ve parametreleri ayarlama.

Optimizasyon parametreleri seçilebilir için:

Preset: optimize edilmesini havza seçin. "Uygula" tıklamak bu ekrandaki kontrol değerleri doldurmak için hazır dosya "havza presets.csv" girdileri seçer.

Çıktı Değişken: optimizasyonu için çevresel hedefler seçin. (N Outlet, P Outlet) seçili olarak, bu 3 boyutlu amaç fonksiyonu tanımlar: Azot (Organik N + NO3 + NH4 + NO2) (Orga, çıkış az 5 yıl Fosfor ortalamanic P + Mineral P) çıkışında 5 yıl için ortalama ve koruma uygulamalarının toplam maliyeti. Bu, bir 3-boyutlu değiş tokuş sınır oluşturmak dikkat ediniz. Çok amaçlı program ({Çıktı Değişken} Toplam Maliyet) en aza indirmek için nerede Alternatif çıkış değişkenleri, seçilebilir.

Nüfus büyüklüğü: Set ilk popülasyon boyutu. Bu aday çözümlerden ilk sayısını belirler. Seçeneği "Her alleli ile Seed" seçildiğinde, havzadaki tüm ekili HRUs ayarlanmış alleli belirtilen her koruma uygulamalarının yeknesak bir uygulama temsil aday çözümler ilk oluşturulur. Kalan aday çözümlerden ekili HRUs ayarlanmış allel koruma uygulamalarının rastgele bir atama tarafından oluşturulur. Seçeneği "her alleli ile Seed" seçerken, bir ilk popülasyon büyüklüğü bir allel kümesi allel sayısı (bu gösteriye 23) gibi en az büyük olduğundan emin olmak gerekir.

nesillerin> Sayı: optimizasyon run (run yeniden olabilir unutmayın) için nesillerin istenilen sayıda (yineleme) ayarlayın.

Crossover olasılık: iki aday çözümlerden yeni aday çözümleri oluşturmak için seçildiğinde, çaprazlama olasılığı belirgin yeni çözümler (Bu gösteri için 1 olarak ayarlanır) oluşturulan olasılığını belirtir.

Geçici nüfus büyüklüğü: Bu yaratılan yeni aday çözümlerden sayısını belirler. Bu değer, işlemci parçacığı sayısı arasında bir tamsayıdır birden çok (bu gösteri 16) olduğunda, işlemci bilgi en verimli bir şekilde kullanılmaktadır.

Mutasyon olasılığı: alleli kümesinden başka bir koruma uygulamaları için HRU atama rastgele değişim olasılığı belirtin. (Bu gösteri için 0.03 olarak ayarlanır).

SayısıKonu: kullanılan işlemci veya iş parçacığı sayısını seçin. 16. Bu tasvirde kullanılan edilir.

Eğri No kalibrasyon faktörü: Bu SWAT model kalibrasyon sağlanır.

Metin dosyasında Nüfus Kaydet: Bu yineleme belirtilen sayıdan sonra çalıştırın optimizasyonu yeniden bir dilek tamamlanması halinde seçmek önemlidir. Bu seçeneğin işaretlenmesi her hayatta aday çözüm (bireysel) her HRU arasında allel değerlere sahip bir metin dosyası oluşturur. Bu bir çalışma başlatın ve devam etmek için geri okunabilir.

İkincil optimizasyon parametreleri

Birinci Yıl: tarihsel hava durumu bilgileri başladıktan sonra bir yıl ayarlanır ve en geç 7 yıl bu verilerin sonuna kadar yapılmalıdır.

Mısır Fiyat: gübre indirimlerinin maliyetini tahmin etmek için verim kaybı denklemi ile kullanılır.

Skorlama Yöntemi: SPEA2 Arşiv. Puanlama hayatta kalan tek geçit için seçilecek nasıl büyük bir olasılıkla belirler.

Purge Yöntem: hakim. 3-boyutlu kötü kişiler hakim ve temizlenir.

HUC Kaynak: Aşağıdaki alan "Havza HUC" dan "7100006" değeri anlamına gelen "Belirtilen yer" olarak ayarlayın HUC Bölgesinde tabloda bir satır bulmak için kullanılır. Değeri "07100006" Raccoon havza için sekiz haneli HUC koddur.

Maliyet Kaynak: CRP dışındaki maliyetleri yukarıda pratikte maliyeti tabloda ilçe FIPS kodları ile belirlenecektir olduğunu belirtmek için "County (HRU Mekan Code)" olarak ayarlayın.

Maliyet Kaynak CRP: O CRP maliyetini gösteren "1 Bölge" olarak ayarlayın yukarıdaki uygulamada maliyetler tabloda ilçe FIPS kodları ile belirlenecektir.

3. Temsilcisi Sonuçlar

GeneticiSWAT.exe tüm aday çözümleri (bireyler), yanı sıra optimizasyon vadede yeniden başlatmak için kullanılabilecek nihai algoritma yineleme ve elde edilen sonuçlar kodlar bir "kaydetme" dosyası için ayarları ve sonuçları gösteren bir günlük dosyası oluşturur.

Bu noktada, aşağıdaki adımları izleyerek Pareto-etkin çözümler (tradeoff sınır) tüm set görselleştirebilirsiniz:

1. GeneticiSWAT çalıştırın;
   1. I_SWAT veritabanı "Raccoon GA.mdb" açmak için "Aç" ı, "Dosya" gidin.
   2. "Execute" git, sonra "HRU Listesi İhracat". "Rakun Allel HRU.txt" olarak dosyayı kaydedin.
2. "3d Animasyon" sonra "Execute" ve seçme, Mapswat.exe çalışan bir animasyon üretin.

Şekil 2. Sc3 boyutlu sınır görselleştirme için "anlık" oluşturmak için reenshot.

Çıktı POV-RAY programı kullanarak ve sonra "Render", "Dosya Kuyruk" seçerek resim dosyalarının içine bir kerede tüm kılınabilir dosyaları bir dizi. Görüntüleri kendi başlarına kullanılabilir veya algoritma ilerleyişini gösteren bir film haline de getirilebiliyor.

Şekil 3. Tradeoff sınır Statik görselleştirme.

İsterseniz, algoritma ilerleyişini gösteren bir film "Framescanner.exe" çalışan ve aşağıdaki adımları uygulayarak oluşturulabilir:

1. "Dosya" git, sonra "Yeni", ardından "Dosya", sonra "Import", "PNG Dosyaları". Statik görüntüleri seçin.
2. Bir film oluşturmak için, sonra, "AVI" "İhracat", "Dosya" bölümüne gidin.
3. Görüntünün toplu AVI dosyaları oluşturmak için codec "DIB" seçindosyaları.

Sınır her noktasında bir dönüm noktası yapılandırma (bir peyzaj koruma uygulamalarının belirli bir atama) temsil eder. Bu konfigürasyonlar Haritalar aşağıdaki adımları izleyerek tüm sınır için görülebilir:

1. Mapswat.exe Çalıştır, "Harita Animasyon", sonra "Execute" öğesini seçin.
2. Önceden ayarlanmış listeden "rakun" seçin ve "Uygula" yı tıklayın.
3. Harita Düzeni listesinden "Düzen 7 (rakun)" seçeneğini seçin, ardından "Tamam" a tıklayın.

Şekil 4. Son sınır her bireyin bir harita oluşturma Ekran.

Ilgi İhracat belirli bir su havzası yapılandırmaları (bireyler).

Genellikle ilgi bir soru özellikle su kalite hedeflerini başarmada belirli bir su havzası yapılandırmaları (bireyler) seçmektir. Örneğin, tek bir indiv bulmak isteyebilirsinizbazal yüklemeler göre% 20% 30 ve Fosfor ile Azot azaltır sınırında idual. MapSWAT biri belirtilen amaca en küçük Öklid mesafesi ile birey için sınır arama yapmanızı sağlar. Bu aşağıdakileri yaparak yapılabilir:

1. MapSWAT.exe açın. "Ara" | "Çalıştır" seçeneğini seçin.

Şekil 5. Su kalitesi hedeflerine göre sınır belirli bir birey için arama ekran görüntüsü.

2. Minimum ve maksimum azalma hedefleri Tmin ve Tmax yanı sıra bir aralık Ton girin. Ayrıca belirli bir N Baseline yanındaki "% azalma" uzayda başlangıca Azot yüzde azalma (Nspec) ve Fosfor bazal yanındaki "% azalma" Fosfor yüzde azalma (Pspec) girin. Program bir popup ekran çıktı üretir:

Şekil 6. Aramayı çıkış Ekran Görüntüsü

3. Bir elektronik tabloya "Metni Kopyala" ve yapıştırma tıklayın. Üç tablolar üretilmektedir. İlk olarak yakın Tint Tmin gelen Tmax değişmektedir aynı oranında azalma, N ve P hedeflere kişilerdir. Sadece bu aşağıdaki hedefe yakın tek bir kişi (Nspec, Pspec) görünür. İkinci olarak, bir tablo Tmin dan Tmax için P hedef aralıkları N Nspec yakın sabit tutulurken, en yakın bireyler verir. Üçüncü olarak, P Pspec yakın sabit tutulurken Tmin gelen Tmax değişen N hedeflere yakın bireyler veren bir tablo. Bu durumda, bir% 30 N azalma en yakın olan bireysel 14,637,279.60 bir K değerine sahip kimlik 8423 idi. Burada koruma uygulamalarının ve tradeoff sınır bu havza yapılandırma yerini mekansal dağılımını gösteren harita:

files/ftp_upload/4009/4009fig7.jpg "alt =" Şekil 7 "/>
Şekil 7. Sınırında seçilen bireysel açıklayan örnek bir harita ekran görüntüsü. büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .

Daha fazla analiz için harita verilerini dışa aşağıdaki adımları izleyerek mümkündür:

1. Mapswat.exe Çalıştır, "İhracat Harita Veri", daha sonra "Execute" öğesini seçin.
2. Önceden ayarlanmış listeden "rakun" seçin ve "Uygula" yı tıklayın.
3. Bir havza yapılandırma (bireysel) (8423 gösterildiği gibi) kimliğini girin "Tamam" a tıklayın ardından "Show Allel Özellikleri" ve "Show Maliyetleri" kontrol ve. Bu veriler, bir CBS programı kullanarak seçilen havza konfigürasyonu özel harita oluşturmak için de kullanılabilir.

Programın Adı	Kaynak	Tanım
Döndürücü	KART
Swat2005GA.exe	USDA Grassland, Toprak ve Su Araştırma Laboratuvarı	Havza simülasyon modeli
i_SWAT.exe	KART	SWAT veritabanı arabirimi
GeneticISWAT.exe	KART	Evrimsel algoritma SWAT denetleyicisi. Dan Galib birleştirir http://lancet.mit.edu/ga/ .
MapSWAT.exe	KART	, I_SWAT veritabanları ve shapefile okur nesiller ve bireylerin görüntüler üretir.
POV-Ray	Povray.org	Vizyon Raytracer sürekliliği.
Framescanner.exe	Todd Campbell	AVI dönüştürücü PNG resim
Windows Live Movie Maker	Microsoft	AV sıkıştırmak için kullanılırBen WMV

Oluşturur ve bir havza için toprak, hava, ve yönetim verileri ile i_SWAT veritabanını doldurur.

Tablo 1. Gerekli programları Tablo.

Dosya Adı	Tip	Tanım
Rakun GA.mdb	Access veritabanı	Raccoon havza yapısı ve yönetimi açıklamaları. GeneticiSWAT ve MapSWAT tarafından okuyun.
havza presets.csv	Metin	GeneticiSWAT.exe ve MapSWAT için ayarlama hazır
Alleles.csv	Metin	Allel listesi evrimsel algoritma için ayarlar.
Rakun Allel HRU.txt	Metin	GeneticISWAT ekili olduğu tespit edilenlerle allelleri listeleyerek oluşturulan dosya. MapSWAT tarafından okuyun.
Akımın Josh.mdb tarafından Uygulama maliyetleri	Access Veritabanı	Yönetim uygulamaları ve ilçe tarafından Maliyetleri.
Teras Zones.mdb	Access Veritabanı	Tablo [HUC Veri] havza için teras ve verim zon numaralarını tutar.
NRI Budgets.mdb	Access Veritabanı	Bu dönemde kullanılmayan kırpma ve makine tablolar için GeneticISWAT.exe tarafından okuyun.
phucrp 2008-12-15.dat	Metin	Bu dönemde kullanılan değildi Bitki Isı Ünitesi arama tablosu,.
Management.mdb	Access Veritabanı	Bu dönemde kullanılan değildi Rotasyon arama tablosu,.
Rakun GA 2011-09-28 1313.log, Raccoon GA 2011-09-29 0732.log, Raccoon GA 2011-10-07 0644.log	Metin	GeneticISWAT çalıştırma dosyaları açın.
Rakun GA.wmv	Animasyon	Nesil tarafından bireylerin 3d ekran
Subbasin.shp	ESRI Shapefile	Havzada alt havzalardaki Ana Hatlarıyla.
Rakun Map.wmv	Animasyon	Sınır her birey için her bir akımın geldiği için baskın alleller gösterimi.

Tablo 2. Gerekli örnek dosyalar Tablo.

Discussion

Biz havza düzeyinde besin azaltımı hedefleri bir dizi ulaşmak için tarımsal koruma uygulamalarının düşük maliyetli mix ve yeri ile ilgili havza yapılandırmaları Pareto etkin setleri aramak için entegre bir simülasyon-optimizasyon çerçeve oluşturmak. Simülasyon-optimizasyon sistemi kavramsal bir diyagram Şekil 8'de sunulmuştur. Tarımsal koruma uygulamalarının su kalitesi etkileri simüle dahil Havza simülasyon, Windows tabanlı bir veritabanı kontrol sistemi, i_SWAT ^6,8 ile birleştiğinde hidrolo...