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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:已下证
更新日期:2026-09-29
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,生态廊道多路径识别,

采用深度学习与电路理论相结合的方式,在动态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,调整每条迁徙路径的优先级,优先保护高生态价值和高需求物种的生态廊道;

步骤S4,生态夹点与障碍点的动态识别,

基于步骤S2构建的动态生态阻力面,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,执行针对性的生态保护与修复措施;

在步骤S2中,采用卷积神经网络CNN根据矿区地形数据、植被密度和气象数据中的水体分布动态调整阻力值;

步骤S2中,引入环境变化响应机制:

引入时间 和动态环境因子 ,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:,

其中, 表示像素 在时间 的最终动态阻力值, 表示像素的动态调整后阻力值,表示动态环境因子的权重系数,用于调节环境变化对阻力值的影响程度, 表示时间 下像素 的动态环境因子,由实测数据得到,范围在 ,基于最终动态阻力值生成动态生态阻力面:

,

其中, 表示时间 的动态生态阻力面,表示生态系统的总区域范围;

步骤S4中,采用代理模型Agent‑Based Modeling模拟物种在生态廊道中通过夹点的频率:,其中, 表示时间 下代理个体通过夹点 的频率,表示仿真中参与迁徙的代理个体总数, 表示时间 下代理个体 的位置,表示若代理个体经过夹点 ,输出 ,否则输出 。

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,基于步骤S1收集的数据,采用卷积神经网络CNN根据矿区地形数据、植被密度和气象数据中的水体分布动态调整阻力值,具体步骤包括:将地形数据进行空间栅格化:

,

其中, 表示像素 的初始阻力值, 表

示对各生态因子进行归一化的函数,将值域保持在 之间, 表示像素的地形坡度值,坡度越大,阻力越高, 表示像素 的植被覆盖密度,覆盖度越高,阻力越低, 表示像素 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 ,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, 表示像素 的动态调整后阻力值, 表示ReLU激活函数,用于保持输出的非线性特性, 表示卷积核的权重矩阵,代表不同位置的权重,表示卷积核的大小,表示偏置项,用于调整整体阻力值的基准水平, 表示初始阻力值的局部邻域像素值。

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S3中,进行生态廊道多路径识别,具体包括: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强度:,

其中, 表示像素 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面,和 分别表示生态系统中的迁徙起点集和目标点集, 分别表示起点 和目标点 的电压值,设为 和 ;

利用电流强度 ,识别潜在的迁徙路径:

,

表示路径 在像素 的指示值,为路径索引, 表示单位阶跃函数,当输入大于 时输出 ,否则输出 , 表示路径 的电流阈值,用于控制路径流量,控制阈值以调整路径的数量,从而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,其值为所有路径的阻力成本与负面影响的加权和,表示候选迁徙路径的总数, 分别表示第一权重参数、第二权重参数和第三权重参数,分别用于衡量阻力、地形梯度和动态环境因子的影响, 表示像素 的地形梯度,对应迁徙的坡度成本, 表示二维空间上的积分单位。

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S3中,基于时间序列调整路径优先级,具体包括: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, 表示路径 在时间 的优先级, 分别表示第一优先级调整权重和第二优先级调整权重, 表示路径 在时间t的迁徙需求;

使用时间序列分析预测未来迁徙需求:

,

其中, 表示路径 在时间 的迁徙需求,表示迁徙需求的时间衰减因子,表示环境变化的响应系数, 表示时间 下环境因子的实时变化,结合路径优先级,选择高生态价值路径进行保护。

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S4中,基于电路理论模型,计算不同区域的电流密度,以识别出生态网络中高重要性节点和阻碍物种迁徙的障碍点,所述高重要性节点为夹点。

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S4中,根据矿山开采的变化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,采用基于代理的仿真Agent‑Based Modeling方法模拟不同物种在生态廊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。

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, 表示像素 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, 表示像素 的导通率, 表示步骤S2生成的动态生态阻力面;

基于电流密度图,将电流高值聚集区域作为夹点: ,其中,表示像素 是否为夹点,表示为夹点,表示非夹点, 表示指示函数,条件成立时输出 ,否则输出 , 表示电流密度阈值;

采用导通率和阻力变化率检测障碍点即阻塞区域:,其中, 表示像素 是否为障碍点,表示为障碍点,表示非障碍点, 表示像素 的阻力值变化率, 表示阻力变化率阈值。

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: ,其中, 表示时间 下动态调整后的夹点电流密度阈值,表示矿山开采扩展区域电流密度的影响系数, 表示时间 下矿山开采扩展区域的比例;

根据植被破坏的动态变化调整障碍点的判定条件, ,其中, 表示时间 下动态调整后的阻力变化率阈值,表示植被破坏对阻力变化率的影响系数, 表示时间下植被覆盖损失率;

步骤S4中,还包括:

模拟代理通过障碍点的压力水平: ,其中,表示时间 下障碍点 的代理压力水平, 表示代理个体所在位置的动态生态阻力面,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。