基于bp網(wǎng)絡(luò)和基尼系數(shù)定權(quán)重的用水?dāng)?shù)據(jù)離散化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于BP網(wǎng)絡(luò)和基尼系數(shù)定權(quán)重的用水?dāng)?shù)據(jù)離散化方法，包括：獲得基本計(jì)算單元；獲得基本計(jì)算單元和行政單元空間要素?cái)?shù)據(jù)集；對生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水采用定額法補(bǔ)充，對生態(tài)環(huán)境用水量采用相關(guān)因子分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行補(bǔ)充；對生態(tài)環(huán)境用水量計(jì)算公式中的權(quán)重系數(shù)采用基尼系數(shù)法確定；經(jīng)過模擬計(jì)算得到基本計(jì)算單元上離散預(yù)測結(jié)果；進(jìn)行結(jié)果修正；按基本計(jì)算單元的水資源分區(qū)屬性逐級匯總得到相應(yīng)的用水?dāng)?shù)據(jù)。本發(fā)明提出的基于BP網(wǎng)絡(luò)和基尼系數(shù)定權(quán)重的用水?dāng)?shù)據(jù)離散化方法，可獲得全國各級水資源分區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)及用水?dāng)?shù)據(jù)，有助于水資源綜合管理。
【專利說明】基于BP網(wǎng)絡(luò)和基尼系數(shù)定權(quán)重的用水?dāng)?shù)據(jù)離散化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水利科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是指一種基于BP網(wǎng)絡(luò)和基尼系數(shù)定權(quán)重的用水?dāng)?shù)據(jù)離散化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)主要按行政單元統(tǒng)計(jì)而來，而其邊界與水資源區(qū)邊界不重合，導(dǎo)致水資源區(qū)用水?dāng)?shù)據(jù)的獲得十分困難。現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)還存在共享困難、統(tǒng)計(jì)困難與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)多樣等問題。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)獲得水資源區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)，對于完善水資源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)以支撐水資源行政區(qū)域與流域統(tǒng)一管理和減小人力普查投入十分重要。
[0003]用水是指為了某種經(jīng)濟(jì)或社會(huì)目的，使用水資源某種屬性的行為，是通過水資源開發(fā)，用水主體運(yùn)用和使用已開發(fā)水資源的方式與方法的總稱。經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水指采用取水、輸水工程措施，從河流、湖泊、水庫和地下水層將水引至用水地區(qū)，滿足城鄉(xiāng)生產(chǎn)和生活需要的水量，包括生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水四項(xiàng)。
[0004]水資源區(qū)是根據(jù)水資源的自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)屬性，按照開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約、保護(hù)要求，將流域水系劃分而得來。水資源分區(qū)主要包括水資源一級區(qū)、水資源二級區(qū)和水資源三級區(qū)。根據(jù)全國水資源分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，水資源一級區(qū)主要包括我國境內(nèi)的10個(gè)大型流域，將各個(gè)水資源一級區(qū)細(xì)分為水資源二級區(qū)，各二級區(qū)再細(xì)分為水資源三級區(qū)。由于水資源區(qū)與行政區(qū)邊界不重疊，導(dǎo)致一個(gè)縣級行政區(qū)被多個(gè)水資源三級區(qū)分割。目前，按各級水資源分區(qū)統(tǒng)計(jì)的用水?dāng)?shù)據(jù)十分匱乏。
[0005]綜上所述，提出一種可靠的經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，以獲得各水資源區(qū)上用水?dāng)?shù)據(jù)的分布情況是急待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于BP網(wǎng)絡(luò)和基尼系數(shù)定權(quán)重的用水?dāng)?shù)據(jù)離散化方法，以獲得各水資源區(qū)上用水?dāng)?shù)據(jù)的分布情況，從而獲得全國各級水資源分區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)及用水?dāng)?shù)據(jù)，有助于水資源綜合管理。
[0007]基于上述目的本發(fā)明提供的基于BP網(wǎng)絡(luò)和基尼系數(shù)定權(quán)重的用水?dāng)?shù)據(jù)離散化方法，包括:
[0008]將縣級行政區(qū)與水資源三級區(qū)矢量圖進(jìn)行疊加嵌套，獲得每個(gè)縣級行政單元所屬不同水資源三級區(qū)部分的基本空間單元，作為基本計(jì)算單元；
[0009]將各類土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到各基本計(jì)算單元和行政單元空間上，獲得基本計(jì)算單元和行政單元空間要素?cái)?shù)據(jù)集；
[0010]根據(jù)各級行政單元經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)，對縣級行政單元生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水采用定額法補(bǔ)充，對生態(tài)環(huán)境用水量采用相關(guān)因子分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行補(bǔ)充；
[0011]對生態(tài)環(huán)境用水量采用相關(guān)因子分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行補(bǔ)充得到的計(jì)算公式中的權(quán)重系數(shù)采用基尼系數(shù)法確定；[0012]基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用數(shù)據(jù)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過模擬計(jì)算得到基本計(jì)算單元上離散預(yù)測值，從而將縣級行政單元經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)展布到基本計(jì)算單元上；
[0013]以各基本計(jì)算單元預(yù)測值作為權(quán)重由所屬縣級行政單元總值向下分?jǐn)傔M(jìn)行結(jié)果修正；
[0014]將修正后的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和用水?dāng)?shù)據(jù)值，按基本計(jì)算單元的水資源分區(qū)屬性逐級匯總得到相應(yīng)的用水?dāng)?shù)據(jù)。
[0015]在一些實(shí)施方式中，所述將縣級行政區(qū)與水資源三級區(qū)矢量圖進(jìn)行疊加嵌套，獲得每個(gè)縣級行政單元所屬不同水資源三級區(qū)部分的基本空間單元，作為基本計(jì)算單元的步驟包括:
[0016]采用地理信息系統(tǒng)軟件Arc GIS，對縣級行政區(qū)與水資源三級區(qū)矢量圖進(jìn)行疊加嵌套，獲得每個(gè)縣級行政單元所屬不同水資源三級區(qū)部分的基本空間單元，作為基本計(jì)算單元；
[0017]將小于所在縣級行政區(qū)面積10%的基本計(jì)算單元向鄰近面積最大的基本計(jì)算單元合并。
[0018]在一些實(shí)施方式中，所述將各類土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到各基本計(jì)算單元和行政單元空間上，獲得基本計(jì)算單元和行政單元空間要素?cái)?shù)據(jù)集的步驟包括:
[0019]利用獲得基本計(jì)算單元矢量圖和包括各類土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)，基于Arc GIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)(Zonal Statistics)模塊,將各類土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到各基本計(jì)算單元上；
[0020]利用行政區(qū)單元矢量圖統(tǒng)計(jì)獲得各級行政單元各類土地利用和DEM數(shù)據(jù)；
[0021]獲得基本計(jì)算單元和行政單元空間要素?cái)?shù)據(jù)集，用于空間離散化分析。
[0022]在一些實(shí)施方式中，所述基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用數(shù)據(jù)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過模擬計(jì)算得到基本計(jì)算單元上離散預(yù)測值，從而將縣級行政單元經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)展布到基本計(jì)算單元上的步驟包括:
[0023]根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)空間離散化BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)空間離散化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層三層；
[0024]影響指標(biāo)數(shù)據(jù)作為自變量進(jìn)入輸入層，同時(shí)影響指標(biāo)向量維數(shù)決定了輸入層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)m，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)n，即為模擬的因變量的結(jié)果；隱含層的輸出函數(shù)為Sigmoid變換函數(shù)，輸入和輸出函數(shù)為線性函數(shù)；
[0025]正向傳播過程中，輸入信息從輸入層經(jīng)隱含層逐層處理，每一層節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)只影響下一層節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)；如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，將誤差信號沿原來的連接通路返回，通過修改各層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，使誤差最小；
[0026]將任意2/3的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，模擬因變量與其相關(guān)的自變量間復(fù)雜的非線性關(guān)系；
[0027]將另外1/3的樣本作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證訓(xùn)練學(xué)習(xí)效果；
[0028]分別計(jì)算訓(xùn)練學(xué)習(xí)階段和驗(yàn)證階段模擬結(jié)果與實(shí)測樣本間的相關(guān)系數(shù)Rl2和R22，當(dāng)兩者均大于常數(shù)α (0〈α〈I)時(shí)認(rèn)為訓(xùn)練效果合格，取α =0.7?0.8 ;
[0029]以驗(yàn)證合格的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，輸入基本計(jì)算單元上與因變量相關(guān)的自變量指標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬計(jì)算得到基本計(jì)算單元上離散預(yù)測結(jié)果。[0030]在一些實(shí)施方式中，所述以各基本計(jì)算單元預(yù)測值作為權(quán)重由所屬縣級行政單元總值向下分?jǐn)傔M(jìn)行結(jié)果修正的步驟包括:
[0031]采用計(jì)算公式
【權(quán)利要求】
1.一種基于BP網(wǎng)絡(luò)和基尼系數(shù)定權(quán)重的用水?dāng)?shù)據(jù)離散化方法，其特征在于，包括: 將縣級行政區(qū)與水資源三級區(qū)矢量圖進(jìn)行疊加嵌套，獲得每個(gè)縣級行政單元所屬不同水資源三級區(qū)部分的基本空間單元，作為基本計(jì)算單元； 將各類土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到各基本計(jì)算單元和行政單元空間上，獲得基本計(jì)算單元和行政單元空間要素?cái)?shù)據(jù)集； 根據(jù)各級行政單元經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)，對縣級行政單元生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水采用定額法補(bǔ)充，對生態(tài)環(huán)境用水量采用相關(guān)因子分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行補(bǔ)充； 對生態(tài)環(huán)境用水量采用相關(guān)因子分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行補(bǔ)充得到的計(jì)算公式中的權(quán)重系數(shù)采用基尼系數(shù)法確定； 基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用數(shù)據(jù)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過模擬計(jì)算得到基本計(jì)算單元上離散預(yù)測值，從而將縣級行政單元經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)展布到基本計(jì)算單元上； 以各基本計(jì)算單元預(yù)測值作為權(quán)重由所屬縣級行政單元總值向下分?jǐn)傔M(jìn)行結(jié)果修正； 將修正后的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和用水?dāng)?shù)據(jù)值，按基本計(jì)算單元的水資源分區(qū)屬性逐級匯總得到相應(yīng)的用水?dāng)?shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將縣級行政區(qū)與水資源三級區(qū)矢量圖進(jìn)行疊加嵌套，獲得每個(gè)縣級行政單元所屬不同水資源三級區(qū)部分的基本空間單元，作為基本計(jì)算單元的步驟包括:采用地理信息系統(tǒng)軟件Arc GIS，對縣級行政區(qū)與水資源三級區(qū)矢量圖進(jìn)行疊加嵌套，獲得每個(gè)縣級行政單元所屬不同水資源三級區(qū)部分的基本空間單元，作為基本計(jì)算單元；將小于所在縣級行政區(qū)面積10%的基本計(jì)算單元向鄰近面積最大的基本計(jì)算單元合并。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將各類土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到各基本計(jì)算單元和行政單元空間上，獲得基本計(jì)算單元和行政單元空間要素?cái)?shù)據(jù)集的步驟包括: 利用獲得基本計(jì)算單元矢量圖和包括各類土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)，基于Arc GIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)(Zonal Statistics)模塊，將各類土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到各基本計(jì)算單元上； 利用行政區(qū)單元矢量圖統(tǒng)計(jì)獲得各級行政單元各類土地利用和DEM數(shù)據(jù)； 獲得基本計(jì)算單元和行政單元空間要素?cái)?shù)據(jù)集，用于空間離散化分析。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用數(shù)據(jù)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過模擬計(jì)算得到基本計(jì)算單元上離散預(yù)測值，從而將縣級行政單元經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)展布到基本計(jì)算單元上的步驟包括: 根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)空間離散化BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)空間離散化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層三層； 影響指標(biāo)數(shù)據(jù)作為自變量進(jìn)入輸入層，同時(shí)影響指標(biāo)向量維數(shù)決定了輸入層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)m，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)n，即為模擬 的因變量的結(jié)果；隱含層的輸出函數(shù)為Sigmoid變換函數(shù)，輸入和輸出函數(shù)為線性函數(shù)； 正向傳播過程中，輸入信息從輸入層經(jīng)隱含層逐層處理，每一層節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)只影響下一層節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)；如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，將誤差信號沿原來的連接通路返回，通過修改各層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，使誤差最??； 將任意2/3的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，模擬因變量與其相關(guān)的自變量間復(fù)雜的非線性關(guān)系; 將另外1/3的樣本作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證訓(xùn)練學(xué)習(xí)效果； 分別計(jì)算訓(xùn)練學(xué)習(xí)階段和驗(yàn)證階段模擬結(jié)果與實(shí)測樣本間的相關(guān)系數(shù)Rl2和R22，當(dāng)兩者均大于常數(shù)α (0〈α〈I)時(shí)認(rèn)為訓(xùn)練效果合格，取α =0.7~0.8 ; 以驗(yàn)證合格的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，輸入基本計(jì)算單元上與因變量相關(guān)的自變量指標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬計(jì)算得到基本計(jì)算單元上離散預(yù)測結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述以各基本計(jì)算單元預(yù)測值作為權(quán)重由所屬縣級行政單元總值向下分?jǐn)傔M(jìn)行結(jié)果修正的步驟包括: 采用計(jì)算公式=
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將修正后的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和用水?dāng)?shù)據(jù)值，按基本計(jì)算單元的水資源分區(qū)屬性逐級匯總得到相應(yīng)的用水?dāng)?shù)據(jù)的步驟包括:
采用計(jì)算公式
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述對生態(tài)環(huán)境用水量采用相關(guān)因子分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行補(bǔ)充的步驟包括: 生態(tài)環(huán)境用水需求的影響因素包括林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、GDP和非農(nóng)業(yè)人口，各級行政單元生態(tài)環(huán)境用水量計(jì)算公式為
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述對生態(tài)環(huán)境用水量采用相關(guān)因子分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行補(bǔ)充得到的計(jì)算公式中的權(quán)重系數(shù)采用基尼系數(shù)法確定的步驟包括: 對各指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式為
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述對生態(tài)環(huán)境用水量采用相關(guān)因子分?jǐn)偡ㄟM(jìn)行補(bǔ)充得到的計(jì)算公式中的權(quán)重系數(shù)采用基尼系數(shù)法確定的步驟還包括: 在補(bǔ)充后數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以下級行政單元值作為權(quán)重由上級行政單元總值逐級向下分?jǐn)傔M(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，計(jì)算公式為
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述對縣級行政單元生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水采用定額法補(bǔ)充的步驟包括: 對縣級行政單元生活用水量的補(bǔ)充: 假設(shè)上一級行政區(qū)單元生活用水綜合定額與其下一級行政單元生活用水綜合定額相同,并滿足計(jì)算公式
【文檔編號】G06F19/00GK103886220SQ201410140946
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】許新宜, 楊中文, 魚京善, 王紅瑞, 孫文超, 陳華鑫, 賓零陵 申請人:北京師范大學(xué)