考虑应用场景空间异质性的流域水文模型结构智能化确定方法
文献类型：学位论文
| 作者 | 王玉靖 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 秦承志 |
| 关键词 | 流域水文建模 应用场景 空间异质性 模型结构 知识与数据协同 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 流域水文模型是解决各类水问题的重要方法与手段，随着流域水文模型在各领域的应用与推广，使用流域水文模型的群体已从水文专家逐渐扩展到参与流域管理决策的公众与管理部门。然而，在流域水文模型的发展过程中，流域水文模型的种类与数量不断增加，模型结构愈加多样，由此引致的流域水文建模过程的复杂性阻碍了缺乏水文背景的非专家用户对流域水文模型的应用。因此，利用水文知识、地理信息和地理计算自动确定合适的流域水文模型结构，即智能化确定流域水文模型结构，成为重要研究方向。 流域水文模型结构是建立流域水文模型的基础，其组成包括流域空间离散方案、考虑的流域子过程和子过程模拟算法等部分，且各有多种选择，各选项都有其适用范围，并非“放之四海而皆准”。流域水文建模专家在确定模型结构时，通常需综合考虑流域水文建模应用场景（建模目标、研究区流域特征、数据可用性与计算资源可用性等）。为了简化这一过程，现有研究发展出了一系列智能化确定模型结构的方法：基于对若干备选模型的模拟结果统计分析进行优选的数据驱动方法；基于应用场景与模型结构间对应关系这类专家知识推荐最适模型结构的知识驱动方法；以及结合前两者的知识与数据协同驱动方法。然而，现有基于专家建模知识的方法将全流域的应用场景视作均质，忽略了因流域中应用场景空间变化导致的合适模型结构的差异，影响了这类方法在应用场景空间差异较大的流域所确定模型结构的合理性与建模结果的准确性。 为解决这一问题，本研究基于分治建模的思想，提出了考虑应用场景空间异质性的流域水文模型结构智能化确定方法，其设计与实现分三个部分： （1）基于应用场景空间异质性的分治建模单元自适应划分方法：选取能够量化应用场景空间异质性的度量指标，以子流域为统计单元计算度量指标，在经主成分分析后，以子流域间的特征向量距离作为流域特征差异的计算方式，并结合存在空间差异的模拟目标，从而自适应地将待建模流域中空间邻近子流域组合形成分治建模单元。 （2）分区混合结构的水文建模方法：基于模块化流域水文建模框架，使其能够在不同子流域内灵活组合不同模拟单元和模拟算法，在不同区域形成不同模型结构，并使其互相之间能够耦合进行建模，以实现分区混合结构的水文建模，保障所确定的模型结构可实现运行。 （3）在上述基础上设计出知识与数据协同的分布式流域水文模型结构智能化确定方法：首先对场景认知型知识、适用性知识、模型算法耦合知识等几类专家知识进行归纳与形式化表达，设计知识驱动的模型结构自动推理方法，为各分治建模单元推荐备选模型结构，再结合数据驱动方法对各模型结构集成的多个总体流域水文模型进行优选，自动推荐出适合应用区的总体流域水文模型结构。 本研究选择两个不同地理环境特点、不同数据来源的研究区进行流域水文建模的案例应用，并在流域特征这一天然存在空间异质性的应用场景外，为每个案例设置了不同的模拟目标、可用计算资源等应用场景，验证所提出的方法的有效性，得到的主要结论如下： （1）本研究提出的方法能够针对研究区中应用场景的空间异质性，自动化地分区域确定出与其应用场景特点相符的模型结构，进而耦合构建分区混合结构的全流域水文模型，运行得到合理结果，案例评价表明在所得模型结构实际运行的模拟精度上，新方法优于现有方法，具有更高的准确性，可有效解决现有的流域模型结构智能化确定方法中存在的问题。 （2）相较手动分区建模的专家建模方法，本方法能自动识别各区域的应用场景特点，以知识驱动的方式进行模型结构的自动推理，自动生成分区混合的流域水文模型结构，并对备选模型结构进行数据驱动的优选。新方法能够为建模者节省大量时间与精力，表明了方法的易用性。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 143 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209356]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王玉靖. 考虑应用场景空间异质性的流域水文模型结构智能化确定方法[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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