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专利号: 2024116528285
申请人: 江西省捷登矿山机械有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:授权未缴费
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2025-07-25
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于:包括,步骤S1,矿山数据采集,收集矿山数据,包括矿区地形数据、植被密度、气象数据以及矿山开采记录数据;

步骤S2,动态阻力面建模,

基于步骤S1收集的矿山数据,构建动态生态阻力面,用于反映生态系统中各区域对物种迁徙的阻碍程度的空间分布图,每个区域的阻力值取决于生态因子;

步骤S3,多路径生态廊道识别,

采用深度学习与电路理论相结合的方式,在生态阻力面上识别并生成多条生态廊道,即可能的迁徙路径;

步骤S3中,基于深度学习模型结合时间序列分析,调整每条路径的优先级,优先保护高生态价值和高需求物种通道的廊道;

步骤S4,生态夹点与障碍点的动态识别,

基于步骤S2构建的生态阻力面,识别生态系统中的夹点和障碍点,即迁徙路径中的瓶颈和阻塞区域;

步骤S5,基于动态结果的生态管理,

基于步骤S3和步骤S4识别的生态廊道、夹点和障碍点,进行针对性的生态保护与修复措施。

2.根据权利要求1所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S2中,采用卷积神经网络CNN根据地形数据、植被密度和气象数据中的水体分布动态调整阻力值。

3.根据权利要求2所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S2中,基于步骤S1收集的数据,采用卷积神经网络CNN动态调整阻力值,具体步骤包括:将地形数据进行空间栅格化:

Rraw(x,y)=fnorm(T(x,y))+gnorm(V(x,y))+hnorm(W(x,y)),其中,Rraw(x,y)表示区域(x,y)的初始阻力值,fnorm(·),gnorm(·),hnorm(·)表示对各生态因子进行归一化的函数,将值域保持在[0,1]之间,T(x,y)表示区域(x,y)的地形坡度值,坡度越大,阻力越高,V(x,y)表示区域(x,y)的植被覆盖密度,覆盖度越高,阻力越低,W(x,y)表示区域(x,y)的水体分布特性,越靠近水体区域阻力越低;

基于初始阻力值Rraw(x,y),采用卷积神经网络CNN对其进行动态调整,捕捉局部空间特性并反映生态因子的交互关系,动态调整阻力:其中,Rdyn(x,y)表示区域(x,y)的动态调整后阻力值,σ(·)表示ReLU激活函数,用于保持输出的非线性特性,Ki,j表示卷积核的权重矩阵,代表不同位置的权重,k表示卷积核的大小,b表示偏置项,用于动态调整整体阻力值的基线,Rraw(x+i,y+j)表示初始阻力值的局部邻域像素值。

4.根据权利要求3所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S2中,引入环境变化响应机制:引入时间维度t和动态因子D(x,y,t),基于时间序列捕捉环境变化的影响,计算时间维度的动态阻力值:Rfinal(x,y,t)=Rdyn(x,y)·(1+α·D(x,y,t)),其中,Rfinal(x,y,t)表示区域(x,y)在时间t的最终动态阻力值,α表示动态因子的权重系数,用于调节环境变化对阻力值的影响程度,D(x,y,t)表示时间t下区域(x,y)的动态环境因子,由实测数据得到,范围在[-1,1],生成阻力面图:其中,表示时间t的动态生态阻力面,Ω表示生态系统的研究范围,即总区域范围,Rfinal(x,y,t)表示每个像素的最终阻力值;生成的空间分布图动态反映生态环境中迁徙阻力。

5.根据权利要求4所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S3中,进行生态廊道多路径识别,在动态生态阻力面上,基于电路理论计算物种迁徙时的电流流动,其中,I(x,y)表示像素(x,y)的电流强度,代表生态迁徙网络中的流量强度,表示步骤S2生成的动态生态阻力值,S和T表示生态系统中的迁徙起点集和目标点集,Vs,Vt表示起点s和目标点t的电压值,设为1和0;

利用电流流动模型I(x,y),识别潜在的迁徙路径:Pk(x,y)=H(I(x,y)-θk),Pk(x,y)表示路径k在像素(x,y)的指示值,1表示路径通过该像素,0表示未通过,H(·)表示单位阶跃函数,当输入大于0时输出1,否则输出0,θk表示路径k的电流阈值,用于控制路径流量,控制阈值θk调整路径的数量,生成多条分布均匀的迁徙路径;引入深度学习模型,根据生态因子动态优化路径权重:其中,表示优化目标函数,为所有路径的总阻力和负面影响,N表示候选迁徙路径的总数,λ1,λ2,λ3表示权重参数,分别衡量阻力、地形梯度和动态因子的影响,表示像素(x,y)的地形梯度,对应迁徙的坡度成本,D(x,y,t)表示时间t下像素(x,y)的动态环境因子。

6.根据权利要求5所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S3中,基于时间序列调整路径优先级:结合时间序列模型预测各路径的重要性,并动态调整优先级:

其中,Wk(t)表示路径k在时间t的优先级,β1,β2表示优先级调整权重,Hk(t)表示路径k的动态需求指数,基于时间序列预测的物种迁徙需求,dxdy表示二维空间上的积分单位;

使用时间序列分析预测未来迁徙需求:

Hk(t+1)=γ·Hk(t)+δ·Env(t),其中,Hk(t+1)表示路径k在时间t+1的迁徙需求,γ表示迁徙需求的时间衰减因子,δ表示环境变化的响应系数,Env(t)表示时间t下环境因子的实时变化,结合路径优先级,选高生态价值路径进行保护:Pprior=argmaxkWk(t),其中,Pprior表示优先保护的路径集合,Wk(t)表示路径k的当前优先级,动态选出高生态价值和高需求的迁徙路径,优先进行保护和修复。

7.根据权利要求6所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S4中,基于电路理论模型,计算不同区域的电流密度,识别出生态网络中高重要性节点即夹点,和阻碍物种迁徙的障碍点。

8.根据权利要求7所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S4中,根据矿山开采的变化,包括开采区域扩展和植被破坏调整夹点和障碍点的位置与优先级;

步骤S4中,结合步骤S1收集的植被密度变化和气象变化,并采用基于代理的仿真Agent-BasedModeling方法模拟不同物种在通道中通过夹点和障碍点的频率和压力,动态调整夹点和障碍点位置。

9.根据权利要求8所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S4中,基于阻力面计算电流密度:利用电路理论,在生态阻力面上模拟电流分布,计算每个区域的电流密度:

其中,J(x,y)表示像素(x,y)的电流密度,即该点在生态网络中作为迁徙路径的压力程度,S,T表示起点集S和终点集T,分别定义迁徙的源头和目标区域,Vs,Vt表示起点s和终点t的电压值,G(x,y)表示像素(x,y)的导通率,定义为与阻力值成反比,表示生态阻力面上像素(x,y)的阻力值,此处电流密度J(x,y)反映生态系统中像素(x,y)在迁徙网络中的连通性重要性;

基于电流密度图,识别电流高值聚集区域作为夹点:C(x,y)=I(J(x,y)>θJ),其中,C(x,y)表示像素(x,y)是否为夹点,1表示为夹点,0表示非夹点,I(·)表示指示函数,条件成立时输出1,否则输出0,θJ表示电流密度阈值,用于定义夹点的重要性,将电流密度高于阈值的区域标记为夹点,代表迁徙路径中关键的瓶颈点;

采用导通率和阻力变化率检测障碍点即阻塞区域:

其中,B(x,y)表示像素(x,y)是否为障碍点,1表示为障碍点,0表示非障碍点,表示像素(x,y)的阻力值变化率,表示阻碍程度的动态变化趋势,θB表示阻力变化率阈值,用于定义障碍点的判定条件,阻力值变化率高于阈值的区域标记为障碍点,代表可能阻碍物种迁徙的动态变化区域。

10.根据权利要求9所述的一种基于卷积神经网络模型的矿山生态安全识别方法,其特征在于,步骤S4中,根据矿山开采动态调整夹点与障碍点:根据矿山开采扩展区域,重新定义电流密度阈值:θ'J(t)=θJ·(1+α·Amine(t)),其中,θ'J(t)表示时间t下动态调整后的夹点电流密度阈值,α表示矿山扩展对电流密度的影响系数,Amine(t)表示时间t下矿山扩展区域的比例,随着矿山扩展区域增加;

根据植被破坏的动态变化调整障碍点的判定条件,θ'B(t)=θB·(1+β·Lveg(t)),其中,θ'B(t)表示时间t下动态调整后的阻力变化率阈值,β表示植被破坏对阻力变化率的影响系数,Lveg(t)表示时间t下植被覆盖损失率,植被破坏率越高,则降低判定门槛;

步骤S4中,基于代理仿真动态调整夹点与障碍点:

采用代理模型Agent-BasedModeling模拟物种在迁徙通道中通过夹点的频率:其中,FC(t)表示时间t下夹点C的代理通过频率,NA表示仿真中参与迁徙的代理个体总数,Ai(t)表示时间t下代理i的位置,I(Ai(t)∈C)表示若代理i经过夹点C,输出1,否则输出0,夹点的频率反映该点在迁徙网络中的重要程度,频率高的夹点需优先保护;

模拟代理通过障碍点的压力水平:其中,PB(t)表示时间t下障碍点B的代理压力水平,表示代理i所在位置的阻力值,障碍点的压力水平反映其对迁徙路径的负面影响,压力高的障碍点需优先修复或缓解。