CN102269602B - 区域尺度监测点均匀布设优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境调查监测技术领域，特别涉及一种区域尺度监测点均匀布设优化方法及系统，该方法通过用周围监测点对被松开监测点排斥力的合力作用，使监测点移动，最终到达所有监测点的均匀布局，且通过预先定义有效监测区域内外边界，实时判定监测点是否达到边界或跑出边界，因此能有效运用到内部有限制监测的不规则监测区域中的监测点均匀布设，实现了在不规则区域进行监测点均匀布设，并降低了监测点布设的复杂度、提高了监测点布设的效率。

Description

区域尺度监测点均匀布设优化方法及系统

技术领域

本发明涉及环境调查监测技术领域，特别涉及一种区域尺度监测点均匀布设优化方法及系统。

背景技术

在土壤等资源及环境调查监测中，监测点数量与布局直接影响到其代表性，并最终影响结果准确性。通常，监测点数往往受限于时间和经济成本，在一定采监测点数下，如何布局监测点更好，使监测点数据具有更好的代表性，这是资源与环境调查监测中关键问题。系统采样法被视为在监测区无任何先验知识且监测点数相对较少情况下的最好监测点布设方法，并在调查监测中被广泛采用。该方法目标是使采样点在空间上均匀分布，常用的有三角形格网、矩形格网、蜂窝形格网等规则多边形格网法，发展到最近的利用模拟退火等启发式优化算法结合一定的准则或目标函数来实现监测点均匀分布的方法。

规则多边形格网的方法比较简单，但实际监测区域往往是不规则区域，且区域中一般存在不能采样的限制区域，所以在实际监测中，多边形格网法很难实现给定样点数的均匀布设，而且由于边界效应的存在，该方法已被证明不是一种最优的监测点均匀布设方法。利用模拟退火等启发式优化算法实现的监测点布设优化，理论上是可以实现N个监测点在任意平面多边形内均匀布设，但由于启发式算法参数设置的问题直接影响到算法的全局收敛性，以及描述均匀布设的目标函数本身的复杂性，使得这种方法需要大量耗时的计算，且实际得出的布设结果并不如预想的均匀。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现在不规则区域进行监测点均匀布设，并降低监测点布设的复杂度、提高监测点布设的效率。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种区域尺度监测点均匀布设优化方法，包括以下步骤：

S1：接收设置的有效监测区域的边界坐标；

S2：在所述有效监测区域内选定任意一点作为源点，并在所述有效监测区域内源点周围设置N个监测点，并将所述N个监测点固定住，以使所述N个监测点不能移动；

S3：将固定住的N个监测点中的第一个监测点松开，以使所述第一个监测点能够移动，所述第一个监测点在其他监测点的排斥力的合力下移动预定时间间隔；

S4：判断被松开的监测点是否碰到所述有效监测区域的边界，若碰到边界，则固定所述被松开的监测点，否则，使所述被松开的监测点移动所述预定时间间隔后，再固定所述被松开的监测点；

S5：判断每个监测点是否到达稳定状况，若没有达到稳定状况，则松开下一个监测点，并执行步骤S4；若达到稳定状况，则判断在有效监测区域内的监测点数量m是否少于N个，若少于N个，则在所述源点周围再添加固定住的N-m个监测点，并松开第一个监测点，执行步骤S4，否则，输出所述有效监测区域内的N个监测点的位置。

其中，所述稳定状况为每个监测点受到其他监测点的排斥力的合力小于给定的合力阈值的状况。

其中，所述有效监测区域为能布设监测点的最大范围的监测区域外边界与所述有效监测区域的内部限制区域的边界间的区域，所述内部限制区域为在所述有效监测区域的内部无法设置监测点的区域。

本发明还公开了一种区域尺度监测点均匀布设优化系统，包括：

接收模块，用于接收设置的有效监测区域的边界坐标；

源点设置模块，用于在所述有效监测区域内选定任意一点作为源点，并在所述有效监测区域内源点周围设置N个监测点，并将所述N个监测点固定住，以使所述N个监测点不能移动；

监测点移动模块，用于将固定住的N个监测点中的第一个监测点松开，以使所述第一个监测点能够移动，所述第一个监测点在其他监测点的排斥力的合力下移动预定时间间隔；

边界判断模块，用于判断被松开的监测点是否碰到所述有效监测区域的边界，若碰到边界，则固定所述被松开的监测点，否则，使所述被松开的监测点移动所述预定时间间隔后，再固定所述被松开的监测点；

判断输出模块，用于判断每个监测点是否到达稳定状况，若没有达到稳定状况，则松开下一个监测点，并执行边界判断模块；若达到稳定状况，则判断在有效监测区域内的监测点数量m是否少于N个，若少于N个，则在所述源点周围再添加固定住的N-m个监测点，并松开第一个监测点，执行边界判断模块，否则，输出所述有效监测区域内的N个监测点的位置。

(三)有益效果

本发明通过用周围监测点对被松开监测点排斥力的合力作用，使监测点移动，最终到达所有监测点的均匀布局，且通过预先定义有效监测区域内外边界，实时判定监测点是否达到边界或跑出边界，因此能有效运用到内部有限制监测的不规则监测区域中的监测点均匀布设，实现了在不规则区域进行监测点均匀布设，并降低了监测点布设的复杂度、提高了监测点布设的效率。

附图说明

图1是按照本发明一种实施方式的区域尺度监测点均匀布设优化方法的流程图；

图2是图1所示的区域尺度监测点均匀布设优化方法的监测点移动状态示意图；

图3是图1所示的区域尺度监测点均匀布设优化方法的监测点布设结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在实际应用中，监测区域往往是不规则的，而且内部存在不能或不需设置监测点的区域，如对某农场进行土壤水分或有机质含量制图，在监测区域中可能存在鱼塘或较大的建筑物等自然限制的因素，使得均匀布设监测点很难进行。通过本发明能很好地满足带有限制采样或监测区的不规则监测区域中的监测点均匀布设的要求。

图1是按照本发明一种实施方式的区域尺度监测点均匀布设优化方法的流程图，包括以下步骤：

S1：接收设置的有效监测区域的边界坐标，所述有效监测区域为能布设监测点的最大范围的监测区域外边界与所述有效监测区域的内部限制区域的边界间的区域(不包括外边界和内部限制区域的边界)，所述内部限制区域为在所述有效监测区域的内部无法设置监测点的区域。

S2：在所述有效监测区域内选定任意一点作为源点，并在所述有效监测区域内源点周围设置N个监测点，并将所述N个监测点固定住，以使所述N个监测点不能移动。

S3：将固定住的N个监测点中的第一个监测点松开，以使所述第一个监测点能够移动，所述第一个监测点在其他监测点的排斥力的合力下移动预定时间间隔(所述预设时间间隔很短，本实施方式设为0.0001秒)。

S4：判断被松开的监测点是否碰到所述有效监测区域的边界，若碰到边界，则固定所述被松开的监测点，否则，使所述被松开的监测点移动所述预定时间间隔后，再固定所述被松开的监测点。

为便于判断监测点是否在监测区域中，如图3所示，本发明用顺时针箭头来表示外边界，即按顺时针方向依次记录多边形边界节点坐标序列，用逆时针箭头表示内边界，即按逆时钟方向依次记录多边形边界节点坐标序列。当监测点自由移动的端点在边界线段的左边时，则表示监测点就出了边界，不在有效监测区域内；在右边时，表示监测点在合法的位置，即在有效的监测区域内。

假设计算被释放监测点在受合力作用从S点开始，移动t时刻所经过的路径矢量为V，在没有任何边界约束的条件下，某个监测点在受合力作用从S点开始，移动t时刻所经过的路径矢量为V可由下列方程组求出，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_n=x_o+S*\cos \mathrm{\θ}\\ y_n=y_o+S*\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，被释放监测点在静止状态下由加速度大小a的作用下产生的由(x_o，y_o)位移S后到(x_n，y_n)，S由下列公式计算获得：

$S=\frac{1}{2}(v_0+v_t)t=\frac{1}{2}(0+\mathrm{at})t=\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2$

其中，S是位移大小，位移的方向与加速度a的方向，也就是合力的方向一致，其中v_t＝at是被释放监测点由静止开始经过很短的时间间隔t后的速度大小。加速度由下列计算获得，假设某个很短的时间间隔t内，被释放监测点受到排斥力的合力可视为恒定不变的，由此合力产生的加速度大小为：

a＝F/m

其中，F为排斥力大小，由公式F＝∑F_i计算获得，a是被释放监测点在受合力大小为|F|时的加速度大小，方向与合力F的方向一致，m是被释放监测点的质量，为计算简便，本实施方式中，所有监测点的质量均设为1，F_i是除去被释放监测点本身外的某个监测点对被释放监测点作用力向量，由公式

计算获得，方向是某个监测点指向被释放监测点，F是被释放监测点所受的合力向量，k为排斥力常数，Q₁与Q₂分别是两个监测点值，而r则是两个监测点的距离。为了计算简便，可以设k为1，Q₁、Q₂为单位值，即Q₁＝Q₂＝1。

确定被释放监测点移动位移后放置的位置，即释放监测点下一个起点位置。

一个监测点被释放时在可能的移动状态有4种，图2为移动状态示意图。向量V与边界进行求交，判断交点情况，确定被释放监测点移动位移后放置的位置，所述可能的移动状态为：

(1)若向量V不与任何边界线段相交，监测点无阻碍自由移动，则被释放监测点放在V终点坐标，作为该被释放监测点下次释放的移动起点即可，即由公式1计算的坐标，如图2中的A。

(2)若向量V与某条边或多条边相交，则将离起点S最近的交点作为该被释放监测点的下个起点，如图2中的B和C。

(3)当被释放监测点起点S在边界时：

若该监测点移动路径矢量V的终点在该边的右侧(即向有效监测区域内移动)，或V与该边重合，则应该检测V与其他线段是否相交。若相交，则将最近的交点作为被释放监测点的下个起点，否则，则用V终点替换起点，如图2中的D和E。

若该监测点移动路径矢量V的终点在该边的左侧，则说明向有效监测区域外移动移动，或出边界，或进入限制区域。该监测点只能沿着V在该边上的投影移动，若投影与其他边相交，则提前抓停(即实际相当于停在顶点上)；否则，用V终点坐标替代被释放监测点的下个起点S，如图2中的F。

(4)当被释放监测点位置与边界的顶点重合的时候，

若监测点向有效监测区域内移动，则求离起点S最近的边的交点作为被释放监测点的下个起点S；否则用V终点来替代下个起点S，如图2中的G。

若监测点向有效监测区域外移动，则由V向所在顶点的两条边所在的两条直线作垂线，也就是移动向量V在两条直线方向上的有效分解，该监测点选择较长的有效分解的方向移动，如图2中的H、I和J。

S5：判断每个监测点是否到达稳定状况，若没有达到稳定状况，则松开下一个监测点，并执行步骤S4；若达到稳定状况，则判断在有效监测区域内的监测点数量m是否少于N个，若少于N个，则在所述源点周围再添加固定住的N-m个监测点，并松开第一个监测点，执行步骤S4，否则，如图3所示，输出所述有效监测区域内的N个监测点(图中的“有效的监测点”)的位置，所述稳定状况为每个监测点受到其他监测点的排斥力的合力小于给定的合力阈值。

本发明还公开了一种区域尺度监测点均匀布设优化系统，包括：

接收模块，用于接收设置的有效监测区域的边界坐标；

源点设置模块，用于在所述有效监测区域内选定任意一点作为源点，并在所述有效监测区域内源点周围设置N个监测点，并将所述N个监测点固定住，以使所述N个监测点不能移动；

监测点移动模块，用于将固定住的N个监测点中的第一个监测点松开，以使所述第一个监测点能够移动，所述第一个监测点在其他监测点的排斥力的合力下移动预定时间间隔；

边界判断模块，用于判断被松开的监测点是否碰到所述有效监测区域的边界，若碰到边界，则固定所述被松开的监测点，否则，使所述被松开的监测点移动所述预定时间间隔后，再固定所述被松开的监测点；

判断输出模块，用于判断每个监测点是否到达稳定状况，若没有达到稳定状况，则松开下一个监测点，并执行边界判断模块；若达到稳定状况，则判断在有效监测区域内的监测点数量m是否少于N个，若少于N个，则在所述源点周围再添加固定住的N-m个监测点，并松开第一个监测点，执行边界判断模块，否则，输出所述有效监测区域内的N个监测点的位置。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种区域尺度监测点均匀布设优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：接收设置的有效监测区域的边界坐标，所述有效监测区域为能布设监测点的最大范围的监测区域外边界与所述有效监测区域的内部限制区域的边界间的区域、且不包括外边界和内部限制区域的边界，所述内部限制区域为在所述有效监测区域的内部无法设置监测点的区域；

S2：在所述有效监测区域内选定任意一点作为源点，并在所述有效监测区域内源点周围设置N个监测点，并将所述N个监测点固定住，以使所述N个监测点不能移动；

S3：将固定住的N个监测点中的第一个监测点松开，以使所述第一个监测点能够移动，所述第一个监测点在其他监测点的排斥力的合力下移动预定时间间隔；

S4：判断被松开的监测点是否碰到所述有效监测区域的边界，若碰到边界，则固定所述被松开的监测点，否则，使所述被松开的监测点移动所述预定时间间隔后，再固定所述被松开的监测点；

S5：判断每个监测点是否到达稳定状况，若没有达到稳定状况，则松开下一个监测点，并执行步骤S4；若达到稳定状况，则判断在有效监测区域内的监测点数量m是否少于N个，若少于N个，则在所述源点周围再添加固定住的N-m个监测点，并松开第一个监测点，执行步骤S4，否则，输出所述有效监测区域内的N个监测点的位置。

2.如权利要求1所述的区域尺度监测点均匀布设优化方法，其特征在于，所述稳定状况为每个监测点受到其他监测点的排斥力的合力小于给定的合力阈值的状况。

3.如权利要求1或2所述的区域尺度监测点均匀布设优化方法，其特征在于，所述有效监测区域为能布设监测点的最大范围的监测区域外边界与所述有效监测区域的内部限制区域的边界间的区域，所述内部限制区域为在所述有效监测区域的内部无法设置监测点的区域。

4.一种区域尺度监测点均匀布设优化系统，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收设置的有效监测区域的边界坐标，所述有效监测区域为能布设监测点的最大范围的监测区域外边界与所述有效监测区域的内部限制区域的边界间的区域、且不包括外边界和内部限制区域的边界，所述内部限制区域为在所述有效监测区域的内部无法设置监测点的区域；

源点设置模块，用于在所述有效监测区域内选定任意一点作为源点，并在所述有效监测区域内源点周围设置N个监测点，并将所述N个监测点固定住，以使所述N个监测点不能移动；

监测点移动模块，用于将固定住的N个监测点中的第一个监测点松开，以使所述第一个监测点能够移动，所述第一个监测点在其他监测点的排斥力的合力下移动预定时间间隔；

边界判断模块，用于判断被松开的监测点是否碰到所述有效监测区域的边界，若碰到边界，则固定所述被松开的监测点，否则，使所述被松开的监测点移动所述预定时间间隔后，再固定所述被松开的监测点；

判断输出模块，用于判断每个监测点是否到达稳定状况，若没有达到稳定状况，则松开下一个监测点，并执行边界判断模块；若达到稳定状况，则判断在有效监测区域内的监测点数量m是否少于N个，若少于N个，则在所述源点周围再添加固定住的N-m个监测点，并松开第一个监测点，执行边界判断模块，否则，输出所述有效监测区域内的N个监测点的位置。

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