基于改进CA-Markov模型的滹沱河流域山区段土地利用变化模拟及预测

以滹沱河流域山区段为研究区域,基于2000、2005、2010年Landsat ETM影像和2015年Landsat OLI影像数据,获取土地利用类型空间分布数据,应用Logistic方法改进的CA-Markov模型对2020、2025年研究区的土地利用格局进行预测和模拟。结果表明:1)2000-2015年,整个研究区以草地为主,而且面积占比呈现不断下降趋势,由41.31%下降至41.07%;建设用地面积增加最快且增速呈现先上升后下降的趋势,土地利用动态度由1.33%增至1.84%后又降至1.64%;耕地和林地面积减少;而未利用地和水域基本保持稳定的趋势;2)2020、2025年耕地面积较2010-2015年有持续增加趋势,土地利用动态度由0.01%上升到0.05%,建设用地面积持续增加但速率下降,林地、草地面积继续减少,林地存在一定程度的退化现象,水域和未利用地面积会出现小幅上升趋势。林业部门应加强对林地资源的管理和保护,政府应加大对废弃工矿用地及村庄的整理复垦力度,补充耕地和林、草地数量,统筹推进山水田林湖草的综合治理,实现区域的可持续发展。

基于改进CA-Markov模型的山地城市边缘区土地利用变化模拟

山地都市边缘区土地利用处于深刻转型中,其变化模拟一直以来都是难点问题。现有的模拟方法如传统的CA-Markov模型等存在明显缺陷。该研究基于层次分析的多标准评价模型MCE引入传统的CA-Markov模型,改进传统模拟方法。在限制因素和限制因子适宜性评价基础上,结合实证区域2006,2011和2016年土地利用现状数据,引入改进的CA-Markov模型,模拟山地城市边缘区土地利用时空变化。首先是利用改进的模型与传统的模拟分别模拟2016年研究区域的土地利用变化;其次将2种方法获取的图像分别与实证区域的土地利用现状图进行精度分析,改进方法模拟精度明显高于传统方法精度;最后利用改进的方法和2016年现状数据,进一步模拟2030年实证区域的土地利用时空格局。结果表明:维持研究区现有的城镇化发展速度,到2030年研究区的耕地、林地、园地、水域、未利用地和农村居民点等将大幅减少,这对于研究区粮食安全、生态保护等造成较大威胁。改进的MCE-adjusted CA-Markov模型,相对于传统的CA-Markov模型,能较好地模拟山地城市边缘区土地利用时空格局变化。此外,讨论了研究结果对该区域国土空间规划编制的启示以及模型未来改进的方向等。

互花米草治理对黄河三角洲湿地利用及景观格局的影响——利用随机森林和改进的CA-Markov模型

随着2022年《互花米草防治专项行动计划(2022—2025年)》发布,黄河三角洲湿地互花米草清理工作迅速展开。通过对比模拟的自然发展情景下与互花米草大规模清理后的真实情景下黄河三角洲湿地利用及景观格局指数,分析清理工作生态效益及湿地未来潜在风险。基于时序Sentinel-1 SAR影像和随机森林分类器获取了2020—2023年黄河三角洲湿地利用/覆盖变化结果;针对短期湿地模拟预测驱动力因素缺乏定量化设定的问题,构建了一种联合随机森林与CA-Markov模型的湿地模拟预测方法,实现2023年湿地自然发展情景下更精准的模拟预测;最后计算了2023年湿地在模拟和真实情景下的景观格局指数。结果表明:1)2023年互花米草清理工作效果显著,其面积锐减至5.53km^(2),与2022年相比减少了55.36km^(2),为芦苇等本土植被释放了生存空间;2)与自然发展情景相比,互花米草“围栏”不复存在,本土植被连通性上升,芦苇分布更加琐碎且面积比自然发展情景下增加了16.37km^(2),湿地的优势植被类型已逐渐向芦苇转变;3)由于互花米草对新生滩涂的入侵能力强于其它本土植被以及沿岸受海浪冲击等问题,互花米草清除后的黄河三角洲湿地面临互花米草复萌、二次蔓延及海岸线侵蚀的新风险。

基于改进附着能量模型的TNBA晶体在二元溶剂中的形貌预测

TNBA作为一种新型含能材料,其具有高爆速,低敏感性的特点,为了研究TNBA在二元溶剂中的生长形貌,本研究采用附着能(AE)模型来预测TNBA在真空中的晶体形貌,同时采用改进附着能(MAE)模型和分子动力学(MD)方法,预测了TNBA晶体在四种不同二元溶剂中二甲基甲醇(IPA)/丙酮(AC)、IPA/二甲基亚砜(DMSO)、IPA/乙酸乙酯(EA)和IPA/水(H_(2)O)的晶体形貌.结果表明,TNBA晶体在真空中的形态为不规则的多面体,由六个重要的主生长晶面构成,分别为(100)、(110)、(011)、(11-1)、(10-2)和(002),其中(100)面所占比例最大,达到33.766%.在IPA/DMSO和PA/EA溶剂中重结晶得到的晶体为块状,在IPA/AC和IPA/H_(2)O为棒状.总而言之,IPA/DMSO和IPA/EA溶剂更适合TNBA晶体重结晶选择.

基于Sentinel-1/2改进极化指数和纹理特征的土壤含盐量反演模型

目前Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的研究大多是基于Sentinel-2光谱信息和Sentinel-1后向散射系数,没有考虑Sentinel-2光谱信息容易受土壤亮度等信息影响,Sentinel-1后向散射系数容易受土壤粗糙度和水分影响。为进一步提高Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的精度,用水云模型对雷达卫星后向散射系数进行校正,消除植被影响;然后协同Sentinel-2纹理特征,基于VIP、OOB、PCA 3种变量筛选和RF、ELM、Cubist 3种机器学习回归模型构建植被土壤含盐量反演模型。研究结果表明:经过水云模型去除植被影响后的雷达后向散射系数及其极化组合指数与土壤含盐量的相关性有一定程度的提高。不同变量选择方法与不同机器学习方法耦合模型在反演土壤含盐量中,OOB变量筛选方法与RF、ELM和Cubist 3种机器学习方法的耦合模型精度最佳,建模集和验证集的R2都在0.750以上,且验证集的RMSE和MAE均最小;其中OOB-Cubist耦合模型精度最高,且R_(v)^(2)/R_(c)^(2)为0.955,具有良好的鲁棒性。研究可为机器学习协同物理模型、光学卫星协同雷达卫星在土壤含盐量反演中的进一步应用提供思路。

面向城市建成区扩展模拟的CA-Markov模型改进

对城市建成区扩展的预测是防止城市蔓延的重要管理依据。目前,元胞自动机-马尔可夫链模型,已成为城市建成区扩展预测的重要方法。该模型对指标权重的赋值方法较为敏感,以往的单一指标赋值法,影响了城市建成区扩展预测的精度和可信度。为此,本研究提出整合传统权重赋值法的AHP和逻辑回归模型改进CA-Markov模型。研究选择云南省大理市为案例,对2020、2030年的城市建成区扩展进行模拟和预测,最后进行精度验证。研究结果表明:(1)Kappa指数可达到96.8%,预测结果有较好的一致性。(2)大理市的城市建成区扩展均表现为继续向外扩展,以东南、西北方向和两片建成区之间为主要扩展方向。研究提供了组合权重赋值法改进CA-Markov模型,这将为规划者在未来规划中提供强有力的支持。

基于InVEST与CA-Markov模型的宝鸡市碳储量时空演变与预测

土地利用类型的变化是影响陆地生态系统碳储量变化的重要因素,分析区域未来土地利用格局对碳储量的影响、对维持碳平衡具有重要意义.基于宝鸡市2000—2020年土地利用数据,运用InVEST模型和CA-Markov模型,对2000—2020年宝鸡市不同土地利用类型碳储量的变化特征进行分析,并对2030年不同情景下宝鸡市土地利用变化及碳储量变化情况进行了预测.研究表明:①2000—2020年宝鸡市建设用地面积不断增加,耕地、林地和草地为主要土地利用类型.②2000—2020年,宝鸡市碳储量共损失0.42×10^(6)t,耕地和林地面积减少是其碳储量减少的主要原因.③2020—2030年自然发展情景下宝鸡市碳储量损失最多,耕地保护情景和生态保护情景下宝鸡市碳储量相差不大,控制城市扩张情景下宝鸡市碳储量损失最少、固碳能力最强.因此,未来进行国土空间规划时,可统筹考虑控制城市扩张情景、生态保护情景和耕地保护情景,以确保在粮食供给和生态安全的基础上,提高研究区的碳储量.

基于改进CSM模型的硬岩掘进机刀盘危险点应力分析方法

TBM刀盘受载后的危险点应力获取缺少直接的测量方法,工况复杂的情况下也难以测量,这就制约了刀盘载荷分析在刀盘寿命分析及其再制造方向上的应用问题,为此本文提出了一种基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力分析方法.在CSM模型基本压力假设的基础上,提出了滚刀刀刃侧面基本压力的概念,推导计算了滚刀刀刃侧面受到的压力和摩擦力,并将二者逐个引入CSM模型中的三向力的计算,建立了改进的CSM模型;通过与公开的滚刀载荷实验数据对比,计算得到的三向力误差均在5%以内,弥补了CSM模型不能预测侧向力的不足.基于改进的CSM模型,通过分析滚刀载荷三向力的差值关系,建立了滚刀载荷差值与滚刀刀间距离的指数关系,得到了计算刀盘滚刀载荷的理论模型,使用ABAQUS的实体耦合功能,加载上各滚刀的载荷,分析整个刀盘的载荷分布,进一步获得刀盘危险点的位置.由此建立了一套刀盘滚刀群载荷获取及危险点应力分布计算的方法.通过与辽宁大伙房水库引水隧道工程中公开的实验数据及危险点统计数据对比,验证了基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力计算方式的有效性.该研究对经典的CSM模型进行了改进,所提出的刀盘危险点的应力分析方法可为刀盘再制造寿命预测提供可靠的载荷分析依据,并指导刀盘服役阶段的操控参数设置.

基于改进N-K模型的地铁盾构掘进安全风险耦合研究

为预防和控制地铁盾构掘进施工过程中的关键安全风险,并精准判断哪些风险耦合情境是导致事故发生的显著情境,提出改进N-K模型研究地铁盾构掘进安全风险耦合;综合运用文献研究、事故案例、专家访谈等方法,辨识地铁盾构掘进的关键安全风险因素;基于N-K模型提出新的地铁盾构掘进安全风险耦合评估模型,并选用安全事故案例验证该模型的适用性。结果表明:辨识得到地铁盾构掘进关键安全风险因素清单,包括4类一级风险因素,21个二级风险因素;地铁盾构掘进施工安全风险随着耦合因素种类的增加而变大,4因素风险耦合值最高,3因素风险耦合值次之,双因素风险耦合值最低,作业人员安全意识薄弱和机械故障参与作用的耦合情境更容易发生安全事故。

基于统计损伤修正的冻结砂—黏混合土改进Duncan-Chang模型

为描述冻结砂—黏混合土的偏应力—应变关系,进行不同含砂量冻结砂—黏混合土的冻土三轴压缩试验。基于改进的Duncan-Chang模型(D-C模型),引入统计损伤理论,拟合三轴压缩试验结果,分别建立以Mises强度准则和应变发展为微元强度变量的统计损伤修正模型,对比计算结果与试验数据。结果表明:冻结砂—黏混合土偏应力峰值随含砂量的增加而增加,偏应力—应变曲线由应变硬化型逐渐过渡到应变软化型的临界含砂量为50%。当含砂量介于20%~60%时,基于统计损伤理论的修正改进D-C模型能有效拟合应变硬化型曲线和具有轻微应变软化现象的偏应力—应变曲线。当含砂量为90%时,基于应变发展的统计损伤修正模型的偏应力峰值与试验结果相差3%,具有较强适用性。该结果为不同微元强度变量的统计损伤修正模型提供参考。

基于遥感生态指数改进模型的沱江流域生态环境质量时空变化及驱动力研究

[目的]沱江流域面临严重的水土流失、水环境污染和土壤侵蚀等生态环境问题,开展流域生态环境质量评价对推动长江上游生态环境保护和流域社会经济高质量可持续发展具有重要意义。[方法]基于谷歌地球引擎平台,选取2000-2020年的Landsat遥感影像,以绿度、湿度、热度、干度、生物丰度指数构建生态环境质量评价模型,采用变异系数、一元线性回归和空间自相关分析方法对流域内生态环境质量的时空演变格局进行分析,并运用最优参数地理探测器模型(optimal parameter geographic detector model,OPGD)对其驱动力进行探测。[结果](1)2000-2020年,沱江流域生态环境质量多年平均值为0.66,等级以良为主,占比为63.01%。成都周边区县、内江、自贡、泸州等城镇地区生态环境质量较差,呈现南北低中间高的空间分布格局。(2)沱江流域生态环境质量总体呈下降趋势,生态环境质量变差的趋势显著,轻微退化和显著退化面积占比分别为19.75%和5.88%。人口密度大,社会经济发展水平高的城镇化地区,生态环境质量以较高波动为主,占比为18.15%。(3)2000-2020年沱江流域全局自相关莫兰指数范围为0.769~0.870,主要分布在第1象限和第3象限,局部自相关的高-高集聚区和低-低集聚区范围随时间呈显著变化,景观斑块破碎化明显。(4)OPGD结果表明,土地利用类型、坡度、高程、夜间灯光为流域生态环境质量变化的主要驱动因子,人口密度、气温和GDP为次要驱动因子,降水量和坡向因子影响较小。土地利用类型与其他因子交互作用增强对流域内生态环境质量变化的影响。[结论]改进的遥感生态指数模型对开展区域生态环境质量评价提供新方法,研究结果为生态环境保护提供参考。

基于改进潜能模型的城市公园绿地可达性评价与优化布局研究——以重庆市江津区为例

城市公园绿地空间布局因城市的自然条件和社会经济条件不同而具有差异性.当前国内外研究多聚焦发达地区和大城市,而小城市和典型城市的公园绿地可达性研究鲜见,且在案例代表性和数据精度方面还有一定的局限性.选择西南山地类型的重庆市江津区中心城区为案例,以居民小区出入口与公园绿地出入口为研究主体,构建改进潜能模型和网络分析方法,揭示其空间特征和存在问题,参考位置分配模型与调研结果,得出优化布局方案并检验.结果表明,江津区中心城区城市公园绿地布局与服务水平空间差异明显.提出拟新建7个游园与5个社区公园,并将部分公园绿地进行合并扩建或新增出入口.

基于改进A*算法的高速公路选线决策辅助模型

为提高山区高速公路选线的智能化水平,基于改进A*算法对高速公路选线决策辅助模型进行了分析。提出了高速公路选线的平面约束指标和纵断面约束指标;根据山区高速公路选线实际情况,从估价函数、搜索范围、搜索方向、数据结构、优化方法等方面对传统A*算法进行了改进,建立高速公路选线决策辅助模型;并通过实际案例验证了该模型的有效性。研究结果表明:与传统A*算法相比,改进A*算法在搜索时间、搜索次数、搜索节点数方面分别降低了约75%、48%、44%;路线优化后的总转折角度和长度分别降低了约83%和17%;高速公路选线决策辅助模型能有效地处理自然环境复杂条件下的选线问题,具有较高的实用价值。

土石坝运行安全评价的改进组合赋权-云模型

针对土石坝运行安全评价中指标间相互影响、主客观权重赋值不够合理以及隶属区间模糊性等问题,提出了一种土石坝运行安全评价的改进组合赋权-云模型。以运行期土石坝为对象,构建了土石坝安全评价指标体系,分别采用G1法和改进熵权法对评价指标进行主客观赋权,融合博弈论思想求解最优权重组合系数,并引入云模型理论降低评价过程中隶属区间的模糊性。对某土石坝安全状态进行评价并与两种传统组合赋权法进行了对比,结果表明,3种评价方法的评价结果相近且与实际情况相符,但改进组合赋权-云模型考虑了评价指标间的关联性,运用博弈论思想使主客观权重赋值更加合理,能更客观地反映土石坝的真实运行状态。

基于改进麻雀搜索算法的水质模型多参数反演

水质模型参数取值对模型的模拟精度影响很大,为提高BOD-DO水质模型参数反演精度,首先在DobbinsCamp BOD-DO水质模型的基础上,以BOD和DO浓度计算值与实测值之差的加权平方和最小为目标函数,构建了Dobbins-Camp BOD-DO水质多参数反演模型;然后针对麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)求解精度低、稳定性不足和易陷入局部最优等问题,引入Sine混沌映射和对立学习、转移概率以及差分变异3个策略,分别从提高初始种群多样性、扩大搜索空间以及增强种群跳出局部最优的能力三方面对SSA算法进行改进,提出了一种多策略改进的麻雀搜索算法(Multi-strategy Improved Sparrow Search Algorithm,MISSA),并将其应用于Dobbins-Camp BOD-DO水质多参数反演模型的求解;最后通过数值实验将得到的反演结果与SSA算法、模拟退火算法、粒子群算法、遗传算法四种优化算法进行对比,并探讨了参数初值选取和观测噪声水平对反演结果的影响。结果表明:MISSA算法的计算性能明显优于对照组中的4种算法,且能显著降低初值选取对BOD-DO水质模型参数反演结果的影响,当观测数据的噪声水平不超过5%时,MISSA算法可有效提高反演结果的稳定性。该结果验证了MISSA算法在反演Dobbins-Camp BOD-DO水质模型参数的有效性,为水质模型参数求解提供有益参考。

改进的容量约束设施区划模型的算法及应用

针对经典的容量约束设施区位模型(CFLP)缺少考虑公平、效率与服务质量三方面的因素,以及平衡三者关系的问题,文章提出了引入覆盖半径ϕ、最低覆盖率μ、设施建设成本CAP对模型进行改进,算法的求解实质是求解线性规划问题的最优解。根据以上方法进行案例区的计算验证,实验结果表明,与传统模型算法相比,改进的CFLP模型通过灵活选择设施的服务半径和覆盖率参数求解计算,能较好地兼顾服务成本、服务质量和空间公平性三者之间的关系,并可于5s内得出最优解,相比传统算法150s的平均计算时间,有显著的提升,对城市公共服务设施的布局优化具有较高的实用价值。

基于改进Yolov5模型的纱筒余纱量检测方法

为实现针织圆纬机纱架上纱筒余纱量的实时检测,提出一种深度学习与传统图像处理相结合的检测方法。通过优化Yolov5的主干网络并加入Shuffle-Attention注意力机制,利用改进后模型在图像中检测并框出纱筒位置;然后利用透视变换、均值偏移、canny轮廓检测、闭操作等处理获取纱筒内外圆轮廓,设计基于梯度下降的圆拟合算法,拟合纱筒内外圆的轮廓,得到纱筒的内外圆半径;最后结合小孔成像的原理完成纱筒余纱量的测量。结果表明:改进后的Yolov5模型在纱筒检测精度上达到99.5%,检测速度可达20帧/s,同时模型参数减少至3.255×106可检测的最小纱筒余纱量为3 mm,当纱筒余纱量小于3 mm后,将其视为空筒,进行延时更换。本文算法拟合圆所花费时间是传统霍夫圆检测算法的1/4左右,因此可满足针织车间的实际应用需求。

基于有限时间干扰观测器的改进模型水下机器人自适应鲁棒容错控制

针对无人水下机器人(unmanned underwater vehicle,UUV)工作中存在的执行器故障,在系统不确定性与外界干扰下,提出一种基于有限时间扰动观测器(finite time disturbance observer,FTDO),并结合改进模型的自适应鲁棒容错控制方法。一方面,FTDO能在有限时间内对外界环境干扰进行估计;另一方面利用滑模控制加上径向基神经网络(radial basis function neyral network,RBF)的万能逼近特性,建立带有执行器故障的输入补偿;其中改进模型的引入解决了系统不确定性导致的输入饱和,提高了稳定性与鲁棒性;其次采用一种新型的双幂趋近律使滑模量在更短时间收敛到稳态误差界内;仿真与水池实验结果表明了所提方法相对于滑模控制有着更好的容错效果。

基于T态模型的课程考核方案改进与实践

课程考核方案的T态模型从两个维度提升考核设计:横向的要素设计维度,即学习者知识、能力及素质在考核中均有衡量;纵向思考深度,逻辑的价值递进性。管理沟通课程考核方案的改进以T态模型为框架,旨在提升课程的“高阶性”与“挑战度”。通过建立“目标导向”试题库,构建网络教学资源库、建立阶段性考核方案、构建线上线下结合的立体考核模式来进行考核的改进。具体实施的过程中,课前布置、课中投票问答、课后测验和期末测试均围绕增强应用性、灵活性的原则,构建丰富性、反思性强的考核体系。实施效果表明新的考核方案能够提高学习者参与度和学习积极性,有助于培养学习者终身学习的习惯、提升团队协作与解决复杂问题的能力,形成了横纵交织的课程考核结构,横联纵进效应的高品质、目标导向的整体考核。

基于非线性干扰观测器的IPMSM改进无模型滑模控制

针对内置式永磁同步电机参数摄动导致模型不确定而影响系统控制性能的问题,提出一种基于非线性干扰观测器的内置式永磁同步电机改进无模型滑模控制方法。首先,建立考虑参数摄动的内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)新型超局部模型;其次,利用改进滑模趋近律设计滑模控制器作为无模型控制中的反馈控制器;然后,设计非线性干扰观测器来观测估计无模型控制中的未知复杂项;最后,与传统无模型滑模控制方法进行仿真实验对比。仿真实验结果证明所提方法能有效解决系统参数摄动影响电机控制性能等问题,验证了所提方法的有效性及优越性。