CN117893054A - 一种河流生态景观规划管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及河流景观规划技术领域，公开了一种河流生态景观规划管理系统，包括数据采集模块；数据预处理模块；数据处理模块；灯光布局优化模块；本发明可根据待规划河流的水文信息自动化生成水生植物的种植节点数据和灯光分布数据，并采用布置优化算法生成最优的水生植物种植方案，同时基于采用第一重构算法对布置的灯光分布数据进行更新，避免原先的灯光分布设置出现相邻的灯光的照射区域的颜色呈现差别较大，调整之后能够使各个灯光照射水生植物形成的色彩的过渡更加均匀，并根据更新的灯光分布数据来重新优化种植方案，迭代多次后，从而生成最优的水生植物种植方案和灯光分布数据，从而使得河流规划的生态多样性、稳定性和观赏性均达到最佳。
Description
技术领域
本发明涉及河流景观规划技术领域，更具体地说，它涉及一种河流生态景观规划管理系统。
背景技术
河流是重要的水资源、景观资源，河流的可持续管理是极为重要的。河流的生态多样性、稳定性是河流可持续稳定发展和管理的重要指标。
一些河流具有观赏性，在确保其生态多样性和稳定性的前提下，可对其进行生态景观进行规划和管理，常规的规划管理多是根据人为经验进行规划和布置，不仅耗费时间，且人为影响因素较大，所设计的规划方案可能存在一定的不合理性或未达到最优规划的方案。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种河流生态景观规划管理系统。
本发明提供了一种河流生态景观规划管理系统，包括：
数据采集模块，用于获取待规划河流区域的水文信息、水生植物数据，水生植物数据包括水生植物的品种、水生植物垂直水面的投影面积范围、水生植物的反光特性、种植水深，待规划河流区域的水文信息包括河道的起点和终点、河道设定位置处的河道横断面的下界线和上界线的宽度，水生植物的反光特性为可见光反射率；
数据预处理模块，基于待规划河流区域的水文信息生成水生植物的种植节点数据以及灯光分布数据，并对水生植物数据进行编码后按照设定规则组合成相应的编码结果；
数据处理模块，基于灯光分布数据、种植节点数据集和水生植物数据的编码结果，随机生成多个符合约束条件的水生植物种植方案，然后采用布置优化算法根据随机生成的水生植物种植方案来生成适用种植方案；
灯光布局优化模块，基于适用种植方案采用第一重构算法迭代更新灯光分布数据，并生成最优灯光分布数据，具体包括以下步骤：
步骤S1、基于第一适用种植方案采用第一重构算法更新灯光分布数据；首次执行更新时的第一适用种植方案为数据处理模块输出的适用种植方案；
步骤S2、并根据更新后的灯光分布数据采用布置优化算法重新生成适用种植方案；
步骤S3、计算重新生成之前的适用种植方案的生物共生平衡参数，计算重新生成的适用种植方案的生物共生平衡参数/>，并计算进化程度参数/>，进化程度参数/>与生物共生平衡参数/>和生物共生平衡参数/>的差值成正比，如果进化程度参数小于设定的第一参数阈值，则将更新后的适用种植方案替换为当前的第一适用种植方案之后返回步骤S1；如果进化程度参数不小于设定的第一参数阈值，则进入下一步骤；
生物共生平衡参数的计算公式如下：
；
其中，表示S形函数，/>和/>分别表示照射第i个和第j个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域的最大波长，/>表示所有灯的能耗总和，/>表示第i个种植节点的最上层的水生植物在/>的平均反射率，/>表示照射第i个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域，/>表示种植节点的集合，/>表示相邻的第i个和第j个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积；
步骤S4、将步骤S2中重新生成的适用种植方案和更新后的灯光分布数据作为输出。
进一步地，基于待规划河流区域的水文信息生成水生植物的种植节点数据，具体为，从河流的河道的起点开始遍历河道横断面，相邻的两个河道横断面的下界线的中点之间的距离为Z，将遍历获得的河道横断面放入断面集合中；
计算河道横断面上的种植节点的数量，然后沿河道横断面与上界线的两个端点向内分别沿上界线移动作为种植节点的位置，每次移动的距离为，移动的次数为河道横断面上的种植节点的数量除以2，/>的缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的16%；
断面集合中的第i个河道横断面上的种植节点，计算公式如下：
；
表示第i个河道横断面上的种植节点的数量，/>表示河道横断面的上界线的宽度，/>表示种植间距系数，缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的20%，/>表示向下取整函数；
为生成的种植节点按照生成的顺序标记节点ID。
进一步地，基于待规划河流区域的水文信息生成灯光分布数据，具体为，沿着河流的河岸线等距分布多个灯，获取每个灯的位置坐标点、相应灯的灯光颜色、能耗以及照射范围，生成灯光分布数据。
进一步地，对水生植物数据进行编码后按照设定规则组合成相应的编码结果，具体为：
对水生植物的品种进行编码；
使用数字来表示不同的水生植物品种；
然后将编码后的数据按照设定规则组合成多个三位数的百分小数作为最终的编码结果，设定规则包括：组合成三位数的百分小数，其第一位数、第二位数、第三位数分别表示种植在某一种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物的ID。
进一步地，基于灯光分布数据、种植节点数据集和水生植物数据的编码结果，随机生成多个符合约束条件的水生植物种植方案，然后采用布置优化算法根据随机生成的水生植物种植方案来生成适用种植方案；
具体为：
一个水生植物种植方案表示为，其中/>、/>和/>分别表示第1、2、n个种植节点的节点种植方案，是三位数的百分小数，对于第i个种植节点的节点种植方案/>，其第一位数、第二位数、第三位数表示第i个种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物的ID；
约束条件包括：
如果种植节点的水深小于0.4m，则该种植节点不种植表层的水生植物；
如果种植节点的水深小于1m，则该种植节点不种植中层的水生植物；
如果种植节点的水深小于1.8m，则该种植节点不种植底层的水生植物；
多次随机生成N个水生植物种植方案；
通过三个更新条件来判断规划方案集的更新方式，一个更新条件对应于一种规划方案集的更新方式；
三个更新条件分别是：
一、；
二、；
三、；
其中，，/>表示更新之前的水生植物种植方案，/>表示水生植物种植方案中的第j个种植节点的节点种植方案，/>表示水生植物种植方案中的节点种植方案的均值向量，/>表示向量转置，/>表示S型函数；
其中，，/>为值域/>的随机数，/>两个分量分别是/>和/>；
；
；
其中，表示预设的整数值，其值域为/>，/>表示水生植物种植方案已经更新的次数，e表示自然常数；
符合第一更新条件的更新方式如下：
；
符合第二更新条件的更新方式如下：
；
符合第三更新条件的更新方式如下：
；
式中，是当前的节点种植方案，/>表示平衡度值最小的节点种植方案，/>表示第t次更新的任意一个节点种植方案，l为[-1,1]区间内的随机数；
；
式中，，/>；
；
；
式中，为水生植物种植方案中第j个节点种植方案的适应度值，/>为水生植物种植方案中最优节点种植方案的适应度值。
进一步地，对于任意一个水生植物种植方案的平衡度值的计算公式如下：
；
；
其中，表示第i个种植节点的最上层的水生植物在/>的平均反射率，表示照射第i个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域；
表示种植节点的集合，/>表示相邻的第i个和第j个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积，/>表示相邻的两个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积，相邻的两个种植节点的定义是这两个种植节点的距离小于距离阈值，距离阈值的缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的16%；
其中，和/>表示相邻的两个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的半径，d表示相邻的两个种植节点圆心之间的距离；
从更新次的水生植物种植方案中选择平衡度值最小的一个作为适用种植方案。
进一步地，第一重构算法包括以下步骤：
获取适用种植方案和灯光分布数据，定义灯之间的相互作用，相互作用包含互利共生、互不利共生、寄生，具体为，照射区域不相邻的两个灯之间为互利共生关系，照射区域相邻的两个灯之间为互不利共生关系；
构建连接矩阵或相邻列表：将灯之间的位置关系表示为连接矩阵或相邻列表；
设定互不利共生关系的灯之间存在竞争关系M：
；
表示第c个和第d个灯的竞争关系，第c个灯照射第i个种植节点，第d个灯照射第j个种植节点；
灯包括寄生体，寄生体被定义为其所照射的种植节点只有表层种植水生植物；
判断竞争关系大于竞争阈值的两个个体是否包含寄生体，如果包含寄生体，则将寄生体重新布置；
将寄生体重新布置的方式包括：将寄生体布置在其所照射的种植节点的水下，变为从水下照射种植节点。
本发明提供了一种河流生态景观规划管理方法，其通过如上述的一种河流生态景观规划管理系统执行以下步骤：
步骤101，获取待规划河流区域的水文信息、水生植物数据，水生植物数据包括水生植物的品种、水生植物垂直水面的投影面积范围、水生植物的反光特性、种植水深，待规划河流区域的水文信息包括河道的起点和终点、河道设定位置处的河道横断面的下界线和上界线的宽度，水生植物的反光特性为可见光反射率；
步骤102，基于待规划河流区域的水文信息生成水生植物的种植节点数据以及灯光分布数据，并对水生植物数据进行编码后按照设定规则组合成相应的编码结果；
步骤103，基于灯光分布数据、种植节点数据集和水生植物数据的编码结果，随机生成多个符合约束条件的水生植物种植方案，然后采用布置优化算法根据随机生成的水生植物种植方案来生成适用种植方案；
步骤104，根据适用种植方案来对待规划区域种植水生植物。
进一步地，所述步骤103还包括：基于适用种植方案采用第一重构算法迭代更新灯光分布数据，并生成最优灯光分布数据；
具体包括以下步骤：
步骤S1、基于第一适用种植方案采用第一重构算法更新灯光分布数据；首次执行更新时的第一适用种植方案为数据处理模块输出的适用种植方案；
步骤S2、并根据更新后的灯光分布数据采用布置优化算法重新生成适用种植方案；
步骤S3、计算重新生成之前的适用种植方案的生物共生平衡参数，计算重新生成的适用种植方案的生物共生平衡参数/>，并计算进化程度参数/>，进化程度参数/>与生物共生平衡参数/>和生物共生平衡参数/>的差值成正比，如果进化程度参数小于设定的第一参数阈值，则将更新后的适用种植方案替换为当前的第一适用种植方案之后返回步骤S1；如果进化程度参数不小于设定的第一参数阈值，则进入下一步骤；
生物共生平衡参数的计算公式如下：
；
其中，表示S形函数，/>和/>分别表示照射第i个和第j个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域的最大波长，/>表示所有灯的能耗总和；
步骤S4、将步骤S2中重新生成的适用种植方案和更新后的灯光分布数据作为输出；
第一重构算法包括以下步骤：
获取适用种植方案和灯光分布数据，定义灯之间的相互作用，相互作用包含互利共生、互不利共生、寄生，具体为，照射区域不相邻的两个灯之间为互利共生关系，照射区域相邻的两个灯之间为互不利共生关系；
构建连接矩阵或相邻列表：将灯之间的位置关系表示为连接矩阵或相邻列表；
设定互不利共生关系的灯之间存在竞争关系M：
；
表示第c个和第d个灯的竞争关系，第c个灯照射第i个种植节点，第d个灯照射第j个种植节点；
灯包括寄生体，寄生体被定义为其所照射的种植节点只有表层种植水生植物；
判断竞争关系大于竞争阈值的两个个体是否包含寄生体，如果包含寄生体，则将寄生体重新布置；
将寄生体重新布置的方式包括：将寄生体布置在其所照射的种植节点的水下，变为从水下照射种植节点。
本发明提供了一种存储介质，其存储了非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，能够执行如上述的一种河流生态景观规划管理方法中的步骤。
本发明的有益效果在于：本发明可根据待规划河流的水文信息自动化生成水生植物的种植节点数据和灯光分布数据，并采用布置优化算法生成最优的水生植物种植方案，同时基于采用第一重构算法对布置的灯光分布数据进行更新，避免原先的灯光分布设置出现相邻的灯光的照射区域的颜色呈现差别较大，调整之后能够使各个灯光照射水生植物形成的色彩的过渡更加均匀，并根据更新的灯光分布数据来重新优化种植方案，迭代多次后，从而生成最优的水生植物种植方案和灯光分布数据，从而使得河流规划的生态多样性、稳定性和观赏性均达到最佳。
附图说明
图1是本发明的一种河流生态景观规划管理系统的模块图；
图2是本发明的一种河流生态景观规划管理方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题。另外，相对一些示例所描述的特征在其他例子中也可以进行组合。
如图1所示，一种河流生态景观规划管理系统，包括：
数据采集模块，用于获取待规划河流区域的水文信息、水生植物数据，水生植物数据包括水生植物的品种、水生植物垂直水面的投影面积范围、水生植物的反光特性、种植水深；
待规划河流区域的水文信息包括河道的起点和终点、河道设定位置处的河道横断面的下界线和上界线的宽度；
水生植物的反光特性为可见光反射率。
数据预处理模块，基于待规划河流区域的水文信息生成水生植物的种植节点数据以及灯光分布数据，并对水生植物数据进行编码后按照设定规则组合成相应的编码结果；
基于待规划河流区域的水文信息生成水生植物的种植节点数据，具体为，从河流的河道的起点开始遍历河道横断面，相邻的两个河道横断面的下界线的中点之间的距离为Z，将遍历获得的河道横断面放入断面集合中；
计算河道横断面上的种植节点的数量，然后沿河道横断面与上界线的两个端点（河岸的交点）向内分别沿上界线移动作为种植节点的位置，每次移动的距离为，移动的次数为河道横断面上的种植节点的数量除以2，/>的缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的16%；
断面集合中的第i个河道横断面上的种植节点，计算公式如下：
；
表示第i个河道横断面上的种植节点的数量，/>表示河道横断面的上界线的宽度，/>表示种植间距系数，缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的20%，/>表示向下取整函数，例如4.6取整为4；
为生成的种植节点按照生成的顺序标记节点ID。
在本发明的一个实施例中，基于待规划河流区域的水文信息生成灯光分布数据，具体为，沿着河流的河岸线等距分布多个灯，获取每个灯的位置坐标点、相应灯的灯光颜色、能耗以及照射范围，生成灯光分布数据，每个灯距离各个种植节点之间的距离可计算获知。
在本发明的一个实施例中，对水生植物数据进行编码后按照设定规则组合成相应的编码结果，具体为：
对水生植物的品种进行编码；
使用数字来表示不同的水生植物品种，例如1表示睡莲、2表示荷花、3表示水草等；
然后将编码后的数据按照设定规则组合成多个三位数的百分小数作为最终的编码结果，设定规则如三位数的百分小数中，其第一位数、第二位数、第三位数分别表示种植在某一种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物的ID。
数据处理模块，基于灯光分布数据、种植节点数据集和水生植物数据的编码结果，随机生成多个符合约束条件的水生植物种植方案，然后采用布置优化算法根据随机生成的水生植物种植方案来生成适用种植方案；
具体为：
一个水生植物种植方案表示为，其中/>、/>和/>分别表示第1、2、n个种植节点的节点种植方案，是三位数的百分小数，对于第i个种植节点的节点种植方案/>，其第一位数、第二位数、第三位数表示第i个种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物的ID；
约束条件包括：
如果种植节点的水深小于0.4m，则该种植节点不种植表层的水生植物；
如果种植节点的水深小于1m，则该种植节点不种植中层的水生植物；
如果种植节点的水深小于1.8m，则该种植节点不种植底层的水生植物；
表层一般种植湿生植物和挺水植物，中层种植浮叶植物，底层种植沉水植物；
多次随机生成N个水生植物种植方案；
通过三个更新条件来判断规划方案集的更新方式，一个更新条件对应于一种规划方案集的更新方式；
三个更新条件分别是：
一、；
二、；
三、；
其中，，/>表示更新之前的水生植物种植方案，/>表示水生植物种植方案中的第j个种植节点的节点种植方案，/>表示水生植物种植方案中的节点种植方案的均值向量，/>表示向量转置，/>表示S型函数；
其中，，/>为值域/>的随机数，/>两个分量分别是/>和/>；
；
；
其中，表示预设的整数值，其值域为/>，/>表示水生植物种植方案已经更新的次数，e表示自然常数；
符合第一更新条件的更新方式如下：
；
符合第二更新条件的更新方式如下：
；
符合第三更新条件的更新方式如下：
；
式中，是当前的节点种植方案，/>表示平衡度值最小的节点种植方案，表示第t次更新的任意一个节点种植方案，l为[-1,1]区间内的随机数；
；
式中，，/>；
；
；
式中，为水生植物种植方案中第j个节点种植方案的适应度值，/>为水生植物种植方案中最优节点种植方案的适应度值；
对于任意一个水生植物种植方案的平衡度值的计算公式如下：
；
；
其中，表示第i个种植节点的最上层的水生植物在/>的平均反射率，表示照射第i个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域；可见光谱包括了人眼能够感知的光的一部分，波长范围大约在380nm到780nm之间，一般以颜色划分波长范围为多个区，例如紫色（Violet）对应区域为380nm到450nm。
表示种植节点的集合，/>表示相邻的第i个和第j个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积，/>表示相邻的两个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积，相邻的两个种植节点的定义是这两个种植节点的距离小于距离阈值，距离阈值的缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的16%，断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度越大，该值取值越大，是一个可调参数。
种植节点的水生植物垂直水面的投影面积是指该种植节点种植的水生植物在1年后扩散生长的面积，该数据根据水生植物在相近的水域下的生长数据统计获得。
其中，和/>表示相邻的两个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的半径，d表示相邻的两个种植节点圆心之间的距离。
从更新次的水生植物种植方案中选择平衡度值最小的一个作为适用种植方案。
适用种植方案解码后，可获得所有种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物数据。
需要说明的是，布置优化算法生成的适用种植方案，可以确保在待规划河流中种植最多品种的水生植物，提高河流的生态稳定性，同时增加了河流的美观效果，可实际应用于风景区河流布置，提高风景区生态多样性、稳定性的同时，提高风景区河流的观赏性，可有效促进旅游业的经济收益。
灯光布局优化模块，基于适用种植方案采用第一重构算法迭代更新灯光分布数据，并生成最优灯光分布数据；
步骤S1、基于第一适用种植方案采用第一重构算法更新灯光分布数据；首次执行更新时的第一适用种植方案为数据处理模块输出的适用种植方案；
步骤S2、并根据更新后的灯光分布数据采用布置优化算法重新生成适用种植方案；
步骤S3、计算重新生成之前的适用种植方案的生物共生平衡参数，计算重新生成的适用种植方案的生物共生平衡参数/>，并计算进化程度参数/>，进化程度参数/>与生物共生平衡参数/>和生物共生平衡参数/>的差值成正比，如果进化程度参数小于设定的第一参数阈值，则将更新后的适用种植方案替换为当前的第一适用种植方案之后返回步骤S1；如果进化程度参数不小于设定的第一参数阈值，则进入下一步骤；
生物共生平衡参数的计算公式如下：
；
其中，表示S形函数，/>和/>分别表示照射第i个和第j个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域的最大波长，/>表示所有灯的能耗总和；
步骤S4、将步骤S2中重新生成的适用种植方案和更新后的灯光分布数据作为输出。
在本发明的一个实施例中，第一重构算法包括以下步骤：
获取适用种植方案和灯光分布数据，定义灯之间的相互作用，相互作用包含互利共生、互不利共生、寄生，具体为，照射区域不相邻的两个灯之间为互利共生关系，照射区域相邻的两个灯之间为互不利共生关系；
构建连接矩阵或相邻列表：将灯之间的位置关系表示为连接矩阵或相邻列表。连接矩阵是一个二维矩阵，其中的元素表示灯光之间的位置关系。相邻列表则是一种表示灯位置关系的数据结构，它记录了每个灯的位置和照射范围；
设定互不利共生关系的灯之间存在竞争关系M：
；
表示第c个和第d个灯的竞争关系，第c个灯照射第i个种植节点，第d个灯照射第j个种植节点。
灯包括寄生体，寄生体被定义为其所照射的种植节点只有表层种植水生植物；
判断竞争关系大于竞争阈值的两个个体是否包含寄生体，如果包含寄生体，则将寄生体重新布置。
竞争阈值为人工设置的可调参数，缺省值为0.6。
在本发明的一个实施例中，将寄生体重新布置的方式包括：将寄生体布置在其所照射的种植节点的水下，变为从水下照射种植节点。
需要说明的是，基于布置优化算法生成的适用种植方案，反向迭代更新灯光的分布布局，避免原先的灯光分布设置出现相邻的灯光的照射区域的颜色呈现差别较大，调整之后能够使各个灯光照射水生植物形成的色彩的过渡更加均匀，可以有效避免初始人为进行灯光分布而产生的错误分布或不合理分布情况，可杜绝水生植物种植和灯光分布搭配陷入错误最优解的可能，最终生成的同时增加了河流的美观效果，可实际应用于风景区河流布置，提高风景区生态多样性、稳定性的同时，可使得风景区河流的观赏性达到最优化，可有效促进旅游业的经济收益，也可为其他具有相同环境的风景区提供规划参考。
如图2所示，一种河流生态景观规划管理方法，包括以下步骤：
步骤101，获取待规划河流区域的水文信息、水生植物数据，水生植物数据包括水生植物的品种、水生植物垂直水面的投影面积范围、水生植物的反光特性、种植水深，待规划河流区域的水文信息包括河道的起点和终点、河道设定位置处的河道横断面的下界线和上界线的宽度，水生植物的反光特性为可见光反射率；
步骤102，从河流的河道的起点开始遍历河道横断面，相邻的两个河道横断面的下界线的中点之间的距离为Z，将遍历获得的河道横断面放入断面集合中；
计算河道横断面上的种植节点的数量，然后沿河道横断面与上界线的两个端点（河岸的交点）向内分别沿上界线移动作为种植节点的位置，每次移动的距离为，移动的次数为河道横断面上的种植节点的数量除以2，/>的缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的16%；
断面集合中的第i个河道横断面上的种植节点，计算公式如下：
；
表示第i个河道横断面上的种植节点的数量，/>表示河道横断面的上界线的宽度，/>表示种植间距系数，缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的20%，/>表示向下取整函数，例如4.6取整为4；
为生成的种植节点按照生成的顺序标记节点ID；
沿着河道两侧的河岸线等距分布若干个灯，生成灯光分布数据；
对水生植物数据进行编码。
步骤103，基于灯光分布数据、种植节点数据集和水生植物数据的编码结果，随机生成多个符合约束条件的水生植物种植方案，然后采用布置优化算法根据随机生成的水生植物种植方案来生成适用种植方案；
一个水生植物种植方案表示为，其中/>、/>和/>分别表示第1、2、n个种植节点的水生植物种植方案，是三位数的百分小数，对于第i个种植节点的水生植物种植方案/>，其第一位数、第二位数、第三位数表示第i个种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物的ID；
约束条件包括：
如果种植节点的水深小于0.4m，则该种植节点不种植表层的水生植物；
如果种植节点的水深小于1m，则该种植节点不种植中层的水生植物；
如果种植节点的水深小于1.8m，则该种植节点不种植底层的水生植物；
表层一般种植湿生植物和挺水植物，中层种植浮叶植物，底层种植沉水植物；
多次随机生成N个水生植物种植方案；
通过三个更新条件来判断规划方案集的更新方式，一个更新条件对应于一种规划方案集的更新方式；
三个更新条件分别是：
一、；
二、；
三、；
其中，，/>表示更新之前的水生植物种植方案，/>表示水生植物种植方案中的第j个种植节点的节点种植方案，/>表示水生植物种植方案中的节点种植方案的均值向量，/>表示向量转置，/>表示S型函数；
其中，，/>为值域/>的随机数，/>两个分量分别是/>和/>；
；
；
其中，表示预设的整数值，其值域为/>，/>表示水生植物种植方案已经更新的次数，e表示自然常数；
符合第一更新条件的更新方式如下：
；
符合第二更新条件的更新方式如下：
；
符合第三更新条件的更新方式如下：
；
式中，是当前的节点种植方案，/>表示平衡度值最小的节点种植方案，表示第t次更新的任意一个节点种植方案，l为[-1,1]区间内的随机数；
；
式中，，/>；/>
；
；
式中，为水生植物种植方案中第j个节点种植方案的适应度值，/>为水生植物种植方案中最优节点种植方案的适应度值。
对于任意一个水生植物种植方案的平衡度值的计算公式如下：
；
；
其中，表示第i个种植节点的最上层的水生植物在/>的平均反射率，表示照射第i个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域；
表示种植节点的集合，/>表示相邻的第i个和第j个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积，/>表示相邻的两个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积，相邻的两个种植节点的定义是这两个种植节点的距离小于距离阈值，距离阈值的缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的16%；
其中，和/>表示相邻的两个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的半径，d表示相邻的两个种植节点圆心之间的距离。
从更新次的水生植物种植方案中选择平衡度值最小的一个作为适用种植方案。
适用种植方案解码后，可获得所有种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物数据。
步骤104，根据适用种植方案来对待规划区域种植水生植物。
在本发明的一个实施例中，水生植物的种植密度根据过往经验进行适应性的选择。
在本发明的一个实施例中，步骤103还包括：基于适用种植方案采用第一重构算法迭代更新灯光分布数据，并生成最优灯光分布数据；
具体包括以下步骤：
步骤S1、基于第一适用种植方案采用第一重构算法更新灯光分布数据；首次执行更新时的第一适用种植方案为数据处理模块输出的适用种植方案；
步骤S2、并根据更新后的灯光分布数据采用布置优化算法重新生成适用种植方案；
步骤S3、计算重新生成之前的适用种植方案的生物共生平衡参数，计算重新生成的适用种植方案的生物共生平衡参数/>，并计算进化程度参数/>，进化程度参数/>与生物共生平衡参数/>和生物共生平衡参数/>的差值成正比，如果进化程度参数小于设定的第一参数阈值，则将更新后的适用种植方案替换为当前的第一适用种植方案之后返回步骤S1；如果进化程度参数不小于设定的第一参数阈值，则进入下一步骤；
生物共生平衡参数的计算公式如下：
；
其中，表示S形函数，/>和/>分别表示照射第i个和第j个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域的最大波长，/>表示所有灯的能耗总和；
步骤S4、将步骤S2中重新生成的适用种植方案和更新后的灯光分布数据作为输出。
在本发明的一个实施例中，第一重构算法包括以下步骤：
获取适用种植方案和灯光分布数据，定义灯之间的相互作用，相互作用包含互利共生、互不利共生、寄生，具体为，照射区域不相邻的两个灯之间为互利共生关系，照射区域相邻的两个灯之间为互不利共生关系；
构建连接矩阵或相邻列表：将灯之间的位置关系表示为连接矩阵或相邻列表。连接矩阵是一个二维矩阵，其中的元素表示灯光之间的位置关系。相邻列表则是一种表示灯位置关系的数据结构，它记录了每个灯的位置和照射范围；
设定互不利共生关系的灯之间存在竞争关系M：
；
表示第c个和第d个灯的竞争关系，第c个灯照射第i个种植节点，第d个灯照射第j个种植节点。
灯包括寄生体，寄生体被定义为其所照射的种植节点只有表层种植水生植物；
判断竞争关系大于竞争阈值的两个个体是否包含寄生体，如果包含寄生体，则将寄生体重新布置。
竞争阈值为人工设置的可调参数，缺省值为0.6。
在本发明的一个实施例中，将寄生体重新布置的方式包括：将寄生体布置在其所照射的种植节点的水下，变为从水下照射种植节点。
本发明还提供了一种存储介质，其存储了非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，能够执行如上述的一种河流生态景观规划管理方法中的步骤。
上面对本实施例进行了描述，但是本实施例并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实施例的启示下，还可做出很多形式，均属于本实施例的保护之内。
Claims (10)
1.一种河流生态景观规划管理系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于获取待规划河流区域的水文信息、水生植物数据，水生植物数据包括水生植物的品种、水生植物垂直水面的投影面积范围、水生植物的反光特性、种植水深，待规划河流区域的水文信息包括河道的起点和终点、河道设定位置处的河道横断面的下界线和上界线的宽度，水生植物的反光特性为可见光反射率；
数据预处理模块，基于待规划河流区域的水文信息生成水生植物的种植节点数据以及灯光分布数据，并对水生植物数据进行编码后按照设定规则组合成相应的编码结果；
数据处理模块，基于灯光分布数据、种植节点数据集和水生植物数据的编码结果，随机生成多个符合约束条件的水生植物种植方案，然后采用布置优化算法根据随机生成的水生植物种植方案来生成适用种植方案；
灯光布局优化模块，基于适用种植方案采用第一重构算法迭代更新灯光分布数据，并生成最优灯光分布数据，具体包括以下步骤：
步骤S1、基于第一适用种植方案采用第一重构算法更新灯光分布数据；首次执行更新时的第一适用种植方案为数据处理模块输出的适用种植方案；
步骤S2、并根据更新后的灯光分布数据采用布置优化算法重新生成适用种植方案；
步骤S3、计算重新生成之前的适用种植方案的生物共生平衡参数，计算重新生成的适用种植方案的生物共生平衡参数/>，并计算进化程度参数/>，进化程度参数/>与生物共生平衡参数/>和生物共生平衡参数/>的差值成正比，如果进化程度参数小于设定的第一参数阈值，则将更新后的适用种植方案替换为当前的第一适用种植方案之后返回步骤S1；如果进化程度参数不小于设定的第一参数阈值，则进入下一步骤；
生物共生平衡参数的计算公式如下：
；
其中，表示S形函数，/>和/>分别表示照射第i个和第j个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域的最大波长，/>表示所有灯的能耗总和，/>表示第i个种植节点的最上层的水生植物在/>的平均反射率，/>表示照射第i个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域，/>表示种植节点的集合，/>表示相邻的第i个和第j个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积；
步骤S4、将步骤S2中重新生成的适用种植方案和更新后的灯光分布数据作为输出。
2.根据权利要求1所述的一种河流生态景观规划管理系统，其特征在于，基于待规划河流区域的水文信息生成水生植物的种植节点数据，具体为，从河流的河道的起点开始遍历河道横断面，相邻的两个河道横断面的下界线的中点之间的距离为Z，将遍历获得的河道横断面放入断面集合中；
计算河道横断面上的种植节点的数量，然后沿河道横断面与上界线的两个端点向内分别沿上界线移动作为种植节点的位置，每次移动的距离为，移动的次数为河道横断面上的种植节点的数量除以2，/>的缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的16%；
断面集合中的第i个河道横断面上的种植节点，计算公式如下：
；
表示第i个河道横断面上的种植节点的数量，/>表示河道横断面的上界线的宽度，/>表示种植间距系数，缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的20%，表示向下取整函数；
为生成的种植节点按照生成的顺序标记节点ID。
3.根据权利要求1所述的一种河流生态景观规划管理系统，其特征在于，基于待规划河流区域的水文信息生成灯光分布数据，具体为，沿着河流的河岸线等距分布多个灯，获取每个灯的位置坐标点、相应灯的灯光颜色、能耗以及照射范围，生成灯光分布数据。
4.根据权利要求1所述的一种河流生态景观规划管理系统，其特征在于，对水生植物数据进行编码后按照设定规则组合成相应的编码结果，具体为：
对水生植物的品种进行编码；
使用数字来表示不同的水生植物品种；
然后将编码后的数据按照设定规则组合成多个三位数的百分小数作为最终的编码结果，设定规则包括：组合成三位数的百分小数，其第一位数、第二位数、第三位数分别表示种植在某一种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物的ID。
5.根据权利要求1所述的一种河流生态景观规划管理系统，其特征在于，基于灯光分布数据、种植节点数据集和水生植物数据的编码结果，随机生成多个符合约束条件的水生植物种植方案，然后采用布置优化算法根据随机生成的水生植物种植方案来生成适用种植方案；
具体为：
一个水生植物种植方案表示为，其中/>、/>和/>分别表示第1、2、n个种植节点的节点种植方案，是三位数的百分小数，对于第i个种植节点的节点种植方案/>，其第一位数、第二位数、第三位数表示第i个种植节点的水体表层、中层和底层所种植的水生植物的ID；
约束条件包括：
如果种植节点的水深小于0.4m，则该种植节点不种植表层的水生植物；
如果种植节点的水深小于1m，则该种植节点不种植中层的水生植物；
如果种植节点的水深小于1.8m，则该种植节点不种植底层的水生植物；
多次随机生成N个水生植物种植方案；
通过三个更新条件来判断规划方案集的更新方式，一个更新条件对应于一种规划方案集的更新方式；
三个更新条件分别是：
一、；
二、；
三、；
其中，，/>表示更新之前的水生植物种植方案，/>表示水生植物种植方案中的第j个种植节点的节点种植方案，/>表示水生植物种植方案中的节点种植方案的均值向量，/>表示向量转置，/>表示S型函数；
其中，，/>为值域/>的随机数，/>两个分量分别是/>和/>；
；
；
其中，表示预设的整数值，其值域为/>，/>表示水生植物种植方案已经更新的次数，e表示自然常数；
符合第一更新条件的更新方式如下：
；
符合第二更新条件的更新方式如下：
；
符合第三更新条件的更新方式如下：
；
式中，是当前的节点种植方案，/>表示平衡度值最小的节点种植方案，/>表示第t次更新的任意一个节点种植方案，l为[-1,1]区间内的随机数；
；
式中，，/>；
；
；
式中，为水生植物种植方案中第j个节点种植方案的适应度值，/>为水生植物种植方案中最优节点种植方案的适应度值。
6.根据权利要求5所述的一种河流生态景观规划管理系统，其特征在于，对于任意一个水生植物种植方案的平衡度值的计算公式如下：
；
；
其中，表示第i个种植节点的最上层的水生植物在/>的平均反射率，表示照射第i个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域；
表示种植节点的集合，/>表示相邻的第i个和第j个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积，/>表示相邻的两个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的重叠面积，相邻的两个种植节点的定义是这两个种植节点的距离小于距离阈值，距离阈值的缺省值为断面集合中的河道横断面的上界线的最大宽度的16%；
其中，和/>表示相邻的两个种植节点的水生植物垂直水面的投影面积的半径，d表示相邻的两个种植节点圆心之间的距离；
从更新次的水生植物种植方案中选择平衡度值最小的一个作为适用种植方案。
7.根据权利要求1所述的一种河流生态景观规划管理系统，其特征在于，第一重构算法包括以下步骤：
获取适用种植方案和灯光分布数据，定义灯之间的相互作用，相互作用包含互利共生、互不利共生、寄生，具体为，照射区域不相邻的两个灯之间为互利共生关系，照射区域相邻的两个灯之间为互不利共生关系；
构建连接矩阵或相邻列表：将灯之间的位置关系表示为连接矩阵或相邻列表；
设定互不利共生关系的灯之间存在竞争关系M：
；
表示第c个和第d个灯的竞争关系，第c个灯照射第i个种植节点，第d个灯照射第j个种植节点；
灯包括寄生体，寄生体被定义为其所照射的种植节点只有表层种植水生植物；
判断竞争关系大于竞争阈值的两个个体是否包含寄生体，如果包含寄生体，则将寄生体重新布置；
将寄生体重新布置的方式包括：将寄生体布置在其所照射的种植节点的水下，变为从水下照射种植节点。
8.一种河流生态景观规划管理方法，其特征在于，其通过如权利要求1-7任一所述的一种河流生态景观规划管理系统执行以下步骤：
步骤101，获取待规划河流区域的水文信息、水生植物数据，水生植物数据包括水生植物的品种、水生植物垂直水面的投影面积范围、水生植物的反光特性、种植水深，待规划河流区域的水文信息包括河道的起点和终点、河道设定位置处的河道横断面的下界线和上界线的宽度，水生植物的反光特性为可见光反射率；
步骤102，基于待规划河流区域的水文信息生成水生植物的种植节点数据以及灯光分布数据，并对水生植物数据进行编码后按照设定规则组合成相应的编码结果；
步骤103，基于灯光分布数据、种植节点数据集和水生植物数据的编码结果，随机生成多个符合约束条件的水生植物种植方案，然后采用布置优化算法根据随机生成的水生植物种植方案来生成适用种植方案；
步骤104，根据适用种植方案来对待规划区域种植水生植物。
9.根据权利要求8所述的一种河流生态景观规划管理方法，其特征在于，所述步骤103还包括：基于适用种植方案采用第一重构算法迭代更新灯光分布数据，并生成最优灯光分布数据；
具体包括以下步骤：
步骤S1、基于第一适用种植方案采用第一重构算法更新灯光分布数据；首次执行更新时的第一适用种植方案为数据处理模块输出的适用种植方案；
步骤S2、并根据更新后的灯光分布数据采用布置优化算法重新生成适用种植方案；
步骤S3、计算重新生成之前的适用种植方案的生物共生平衡参数，计算重新生成的适用种植方案的生物共生平衡参数/>，并计算进化程度参数/>，进化程度参数/>与生物共生平衡参数/>和生物共生平衡参数/>的差值成正比，如果进化程度参数小于设定的第一参数阈值，则将更新后的适用种植方案替换为当前的第一适用种植方案之后返回步骤S1；如果进化程度参数不小于设定的第一参数阈值，则进入下一步骤；
生物共生平衡参数的计算公式如下：
；
其中，表示S形函数，/>和/>分别表示照射第i个和第j个种植节点的灯的发光所在的可见光光谱区域的最大波长，/>表示所有灯的能耗总和；
步骤S4、将步骤S2中重新生成的适用种植方案和更新后的灯光分布数据作为输出；
第一重构算法包括以下步骤：
获取适用种植方案和灯光分布数据，定义灯之间的相互作用，相互作用包含互利共生、互不利共生、寄生，具体为，照射区域不相邻的两个灯之间为互利共生关系，照射区域相邻的两个灯之间为互不利共生关系；
构建连接矩阵或相邻列表：将灯之间的位置关系表示为连接矩阵或相邻列表；
设定互不利共生关系的灯之间存在竞争关系M：
；
表示第c个和第d个灯的竞争关系，第c个灯照射第i个种植节点，第d个灯照射第j个种植节点；
灯包括寄生体，寄生体被定义为其所照射的种植节点只有表层种植水生植物；
判断竞争关系大于竞争阈值的两个个体是否包含寄生体，如果包含寄生体，则将寄生体重新布置；
将寄生体重新布置的方式包括：将寄生体布置在其所照射的种植节点的水下，变为从水下照射种植节点。
10.一种存储介质，其特征在于，其存储了非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，能够执行如权利要求8-9任一所述的一种河流生态景观规划管理方法中的步骤。
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