Name: spatial multiobjective optimization of agricultural conservation practices using a swat model and an evolutionary algorithm
Uploaded: 2012-12-09T17:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Spatial Multiobjective Optimization of Agricultural Conservation Practices using a SWAT Model and an Evolutionary Algorithm at JoVE.com

Denna forskning har finansierats delvis från stödet från US Environmental Protection Agency har Riktade avrinningsområden Grants (Projekt # WS97704801), National Science Foundations dynamik kopplade naturliga och mänskliga system (Project # DEB1010259-CARD-Klin) och US Department Jordbruksverket-National Institute of Foodand Jordbruksverkets samordnad jordbruksprojekt (Projekt # 20116800230190-CARD-).

1. Förbered Watershed modell och ge underlag för optimering <ol><li> Skapa en i_SWAT databas <ol><li> Med hjälp av ett program som heter &quot;rotator&quot;, bygga databasen från flera ingångar databaser inklusive mark, väder, ledning och gödningsmedel. </li><li> Alternativt kan en befintlig SWAT körning (eventuellt skapas med ArcSWAT eller AVSWAT) kan importeras med i_SWAT.exe. I det här fallet, programmet &quot;swat_rewrite&quot; kan användas för att ersätta ledningen eller annan HRU information som base...

<ol>
	<li>American Society of Agricultural and Biological Engineers. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design,+layout,+construction,+and+maintenance+of+terrace+systems.">Design, layout, construction, and maintenance of terrace systems.</a> ASAE Standard. , S268 (2003).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Raccoon River Watershed water quality master plan. , (2011).</li><li>Arabi, M., Govindaraju, R. S., Hantush, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cost-effective+allocation+of+watershed+management+practices+using+a+genetic+algorithm.">Cost-effective allocation of watershed management practices using a genetic algorithm.</a> Water Resour. Res. 42, W10429 (2006).</li><li>Bekele, E. G., Nicklow, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiobjective+management+of+ecosystem+services+by+integrative+watershed+modeling+and+evolutionary+algorithms.">Multiobjective management of ecosystem services by integrative watershed modeling and evolutionary algorithms.</a> Water Resour. Res. 41, W10406 (2005).</li><li>Carpentier, C. L., Bosch, D. J., Batie, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+spatial+information+to+reduce+costs+of+controlling+agricultural+nonpoint+source+pollution.">Using spatial information to reduce costs of controlling agricultural nonpoint source pollution.</a> Am. J. Agr. Econ. 61, 404-413 (1998).</li><li>Gassman, P. W., Reyes, M., Green, C. H., Arnold, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Soil+and+Water+Assessment+Tool:+Historical+development,+applications,+and+future+directions.">The Soil and Water Assessment Tool: Historical development, applications, and future directions.</a> Trans. ASABE. 50 (4), 1211-1250 (2007).</li><li>Gassman, P. W., Campbell, T., Secchi, S., Jha, M., Arnold, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+i_SWAT+software+package:+a+tool+for+supporting+SWAT+watershed+applications.">The i_SWAT software package: a tool for supporting SWAT watershed applications.</a> , 66-69 .</li><li>Gitau, M. W., Veith, T. L., Gburek, W. J., Jarrett, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Watershed+level+best+management+practice+selection+and+placement+in+the+Town+Brook+watershed,+New+York.">Watershed level best management practice selection and placement in the Town Brook watershed, New York.</a> J. Am. Water Resour. Assoc. 42, 1565-1581 (2006).</li><li>Jha, M., Rabotyagov, S., Gassman, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+placement+of+conservation+practices+using+genetic+algorithms+with+SWAT.">Optimal placement of conservation practices using genetic algorithms with SWAT.</a> Int. Agr. Eng. J. 18 (1-2), 41-50 (2009).</li><li>Jha, M. K., Wolter, C. F., Schilling, K. E., Gassman, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+total+maximum+daily+load+implementation+strategies+for+nitrate+impairment+of+the+Raccoon+River,+Iowa.">Assessment of total maximum daily load implementation strategies for nitrate impairment of the Raccoon River, Iowa.</a> J. Envir. Qual. 39, 1317-1327 (2010).</li><li>Kanna, M., Yang, W., Farnsworth, R., Onal, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cost+effective+targeting+of+CREP+to+improve+water+quality+with+endogenous+sediment+deposition+coefficients.">Cost effective targeting of CREP to improve water quality with endogenous sediment deposition coefficients.</a> Am. J. Agr. Econ. 85, 538-553 (2003).</li><li>Kramer, R. A., McSweeny, W. T., Kerns, W. R., Stravros, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+evaluation+of+alternative+policies+for+controlling+agricultural+nonpoint+source+pollution.">An evaluation of alternative policies for controlling agricultural nonpoint source pollution.</a> Water Resour. Bull. 20, 841-8446 (1984).</li><li>Lant, C. L., Kraft, S. E., Beaulieu, J., Bennett, D., Loftus, T., Nicklow, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+GIS-based+ecological-economic+modeling+to+evaluate+policies+affecting+agricultural+watersheds.">Using GIS-based ecological-economic modeling to evaluate policies affecting agricultural watersheds.</a> Ecol. Econ. 55, 467-484 (2005).</li><li>Muleta, M. K., Nicklow, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolutionary+algorithms+for+multiobjective+evaluation+of+watershed+management+decisions.">Evolutionary algorithms for multiobjective evaluation of watershed management decisions.</a> J. Hydroinform. 4 (2), 83-97 (2002).</li><li>Muleta, M. K., Nicklow, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Decision+support+for+watershed+management+using+evolutionary+algorithms.">Decision support for watershed management using evolutionary algorithms.</a> J. Water Resour. Plan. Manag. 131 (1), 35-44 (2005).</li><li>Rabotyagov, S. S., Campbell, T., Jha, M., Gassman, P. W., Arnold, J., Kurkalova, L., Secchi, S., Feng, H., Kling, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Least+Cost+Control+of+Agricultural+Nutrient+Contributions+to+the+Gulf+of+Mexico+Hypoxic+Zone.">Least Cost Control of Agricultural Nutrient Contributions to the Gulf of Mexico Hypoxic Zone.</a> Ecol. Appl. 20, 1542-1555 (2010).</li><li>Rabotyagov, S., Jha, M., Campbell, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+crop+rotations+on+optimal+selection+of+conservation+practices+for+water+quality+protection.">Impact of crop rotations on optimal selection of conservation practices for water quality protection.</a> J. Soil. Water Conserv. 65 (6), 369-380 (2010).</li><li>Rabotyagov, S. S., Jha, M., Campbell, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonpoint-source+pollution+for+an+Iowa+watershed:+An+application+of+evolutionary+algorithms.">Nonpoint-source pollution for an Iowa watershed: An application of evolutionary algorithms.</a> Canadian Journal of Agricultural Economics/Revue canadienne d'agroeconomie. , (2010).</li><li>Rabotyagov, S. S., Jha, M., Campbell, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Searching+for+Efficiency:+Least+Cost+Nonpoint+Source+Pollution+Control+with+Multiple+Pollutants,+Practices,+and+Targets.">Searching for Efficiency: Least Cost Nonpoint Source Pollution Control with Multiple Pollutants, Practices, and Targets.</a> J. Nat. and Environ. Sci. 1, 75-90 (2010).</li><li>Ribaudo, M. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Consideration+of+off-site+impacts+in+targeting+soil+conservation+programs.">Consideration of off-site impacts in targeting soil conservation programs.</a> Land Econ. 62, 402-411 (1986).</li><li>Ribaudo, M. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+the+conservation+reserve+program+to+maximize+water+quality+benefits.">Targeting the conservation reserve program to maximize water quality benefits.</a> Land Econ. 65, 320-332 (1989).</li><li>Srivastava, P., Hamlett, J. M., Robillard, P. D., Day, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Watershed+optimization+of+best+management+practices+using+AnnAGNPS+and+a+genetic+algorithm.">Watershed optimization of best management practices using AnnAGNPS and a genetic algorithm.</a> Water Resour. Res. 38 (3), 1-14 (2002).</li><li>Veith, T. L., Wolfe, M. L., Heatwole, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+optimization+procedure+for+cost-effective+BMP+placement.">Development of optimization procedure for cost-effective BMP placement.</a> J. Am. Water Resour. Assoc. 39 (6), 1331-1343 (2003).</li><li>Whittaker, G., Confesor, R., Griffith, S. M., F&#228;re, R., Grosskopf, S., Steiner, J. J., Mueller-Warrant, G. W., Banowetz, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Hybrid+Genetic+Algorithm+for+Multiobjective+Problems+with+Activity+Analysis-based+Local+Search.">A Hybrid Genetic Algorithm for Multiobjective Problems with Activity Analysis-based Local Search.</a> Eur. J. Operat. Res. , (2007).</li><li>Zitzler, E., Laumanns, M., Thiele, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SPEA2:+Improving+the+Strength+Pareto+Evolutionary+Algorithm+for+Multiobjective+Optimization.">SPEA2: Improving the Strength Pareto Evolutionary Algorithm for Multiobjective Optimization.</a> CIMNE. , 95-100 (2002).</li></ol>

Vi bygger en integrerad simulering-optimering ram för att söka efter Pareto-effektiva uppsättningar av avrinningsområden konfigureringar med billigaste mix och placering av jordbruks bevarande metoder för att uppnå en rad vattendelare nivå näringsämnen minskningsmål. En begreppsmässig bild av simuleringen-optimering systemet presenteras i figur 8. Watershed simulering, bland annat simulerar effekterna vattenkvaliteten i jordbruket bevarande praxis hanteras av hydrologiska modellen, SWAT2005, ...

spatial multiobjective optimization of agricultural conservation practices using a swat model and an evolutionary algorithm

Att hitta kostnadseffektiva (dvs. lägst kostnad) sätt att rikta investeringar bevarande praxis för att uppnå specifika mål vattenkvaliteten över landskapet är av största vikt i vattendelare ledning. Traditionella ekonomi metoder för att hitta den billigaste lösningen i vattendelaren sammanhang (t.ex. 5,12,20) antar att off-site effekter noggrant kan beskrivas som en andel av på plats genererade föroreningar. Sådana metoder är osannolikt att vara representativt för den faktiska föroreningen processen i en vattendelare där effekterna av förorenande källorna ofta avgörs av komplexa biofysiska processer. Användningen av moderna fysiskt baserade, rumsligt fördelade hydrologiska simuleringsmodeller möjliggör en högre grad av realism i form av process representation men kräver en utveckling av en simulering-optimering ram där modellen blir en integrerad del av optimering. Evolutionary algoritmer verkar vara en särskilt användbar optimering verktyg, kan hantera den kombinatoriska karaktären av en vattendelare simulering-optimeringsproblem och tillåta användning av hela vattenkvaliteten modell. Evolutionära algoritmer behandlar en viss rumslig fördelning av bevarande praxis i en vattendelare som kandidat lösning och använder uppsättningar (populationer) av kandidat-lösningar iterativt tillämpa stokastiska operatörer av selektion, rekombination och mutation för att hitta förbättringar med avseende på optimering målen. De optimering Målen i detta fall är att minimera Nonpoint föroreningar orsakade av vattendelaren, samtidigt minimera kostnaderna för bevarande praxis. En ny och växande uppsättning av forskning försöker använda liknande metoder och integrerar modeller vattenkvaliteten med brett definierade evolutionära optimeringsmetoder 3,4,9,10,13-15,17-19,22,23,25. I denna ansökan visar vi ett program som följer Rabotyagov et al. S lämpligaACH och integrerar en modern och vanligt SWAT modell vattenkvalitet 7 med en multiobjektiv evolutionär algoritm SPEA2 26, och användaren angiven uppsättning bevarande praxis och deras kostnader för att söka efter de fullständiga avvägning gränser mellan kostnader för bevarande praxis och användardefinierade vattenkvalitet mål. Gränser kvantifiera kompromisser som möter de vattendelare cheferna genom att presentera hela sortimentet av kostnader som är förknippade med olika förbättringsåtgärder vattenkvaliteten mål. Programmet gör det möjligt för ett urval av avrinningsområden konfigurationer uppnå specificerade vatten mål kvalitetsförbättring och en produktion av kartor över optimerad placering av bevarande praxis.

Watch this Scientific Journal Video about Spatial Multiobjective Optimization of Agricultural Conservation Practices using a SWAT Model and an Evolutionary Algorithm at JoVE.com

Spatial Multiobjective Optimization of Agricultural Conservation Practices using a SWAT Model and an Evolutionary Algorithm

Detta arbete visar en integration av en vattenkvalitet modell med en optimering komponent använder evolutionära algoritmer för att lösa optimala (lägsta kostnad) placering av jordbruket bevarande praxis för en angiven uppsättning förbättring vatten kvalitetsmål. Lösningarna skapas med hjälp av en flera mål strategi som möjliggör tydlig kvantifiering av kompromisser.

Spatial multiobjektiv Optimering av jordbruket Bevarande metoder med en SWAT modell och en evolutionär algoritm

Finding the cost-efficient (i.e., lowest-cost) ways of targeting conservation practice investments for the achievement of specific water quality goals ...

Research

JoVE Journal

Biology

Predicting the Effectiveness of Population Replacement Strategy Using Mathematical Modeling

Att förutsäga effektiviteten i reproduktionsnivån strategi Använda matematiska modeller

Charles Taylor and John Marshall explain the utility of mathematical modeling for evaluating the effectiveness of population replacement strategy.  ...

Non-radioactive in situ Hybridization Protocol Applicable for Norway Spruce and a Range of Plant Species

Non-radioactive in situ Hybridization Protocol Applicable for Norway Spruce and a Range of Plant Species

Icke-radioaktivt På plats Hybridisering protokollet som gäller för Norge gran och en rad arter

The high-throughput expression analysis technologies available today give scientists an overflow of expression profiles but their resolution in terms of ...

An Optimized Protocol for Rearing Fopius arisanus, a Parasitoid of Tephritid Fruit Flies

An Optimized Protocol for Rearing Fopius arisanus, a Parasitoid of Tephritid Fruit Flies

Ett optimerat protokoll för uppfödning Fopius arisanus Flugor ett parasitod av Tephritid frukt

Fopius arisanus (Sonan) is an important parasitoid of Tephritid fruit flies for at least two reasons. First, it is the one of only three opiine ...

Ablation of a Single Cell From Eight-cell Embryos of the Amphipod Crustacean Parhyale hawaiensis

Ablation of a Single Cell From Eight-cell Embryos of the Amphipod Crustacean Parhyale hawaiensis

Ablation av en enda cell från åtta-cell Embryon av märlkräftan Kräftdjur<em&gt; Parhyale hawaiensis</em

The amphipod Parhyale hawaiensis is a small crustacean found in intertidal marine habitats worldwide. Over the past decade, Parhyale has emerged as a ...

Measuring Spatial and Temporal Ca2+ Signals in Arabidopsis Plants

Measuring Spatial and Temporal Ca2+ Signals in Arabidopsis Plants

Mätning rumsliga och tids Ca<sup&gt; 2 +</sup&gt; Signaler i Arabidopsis växter

Developmental and environmental cues induce Ca2+ fluctuations in plant cells. Stimulus-specific spatial-temporal Ca2+ patterns are sensed by cellular Ca2+ ...

Observation and Quantification of Mating Behavior in the Pinewood Nematode, Bursaphelenchus xylophilus

Observation and Quantification of Mating Behavior in the Pinewood Nematode, Bursaphelenchus xylophilus

Observation och kvantifiering av parningsbeteendet hos tallvedsnematoden,<em&gt; Bursaphelenchus xylophilus</em

A method for observing and quantifying the mating behavior of the pinewood nematode, Bursaphelenchus xylophilus, was established under a stereomicroscope. ...

Transient Expression and Cellular Localization of Recombinant Proteins in Cultured Insect Cells

Transient expression och cellulär lokalisering av rekombinanta proteiner i odlade insektsceller

Heterologous protein expression systems are used for the production of recombinant proteins, the interpretation of cellular trafficking/localization, and ...

Reproductive Techniques for Ovarian Monitoring and Control in Amphibians

Reproduktionsteknik för ovariell övervakning och kontroll i amfibier

Ovarian control and monitoring in amphibians require a multi-faceted approach. There are several applications that can successfully induce reproductive ...

Standardizing a Non-Lethal Method for Characterizing the Reproductive Status and Larval Development of Freshwater Mussels (Bivalvia: Unionida)

Standardizing a Non-Lethal Method for Characterizing the Reproductive Status and Larval Development of Freshwater Mussels Bivalvia: Unionida

Standardisering av en icke-dödlig metod för att karakterisera reproduktions status och larv utveckling av sötvatten musslor (Bivalvia: Unionida)

Actively monitoring the timing, development, and reproductive patterns of endangered species is critical when managing for population recovery. Freshwater ...

At-Risk Butterfly Captive Propagation Programs to Enhance Life History Knowledge and Effective Ex Situ Conservation Techniques

At-Risk Butterfly Captive Förökningsprogram för att förbättra life history kunskap och effektiv Ex Situ Bevarande Tekniker

Improving knowledge of ex situ best practices for at-risk butterflies is important for generating successful conservation and recovery program outcomes. ...