应用物元分析法及GIS优化作物布局.pdf

应用物元分析法及GIS优化作物布局 以江苏河横村为例 周小平 卞新民 3 南京农业大学农学院 江苏 南京210095 摘要 针对我国农田面积小 影响作物生产效果的自然 社会和技术因子复杂 各因子田块间差异大等问题 采用物元 分析法结合GIS 地理信息系统 方法 实现了作物空间布局优化的科学化 客观化 自动化 以及结果表现的图形化 直观化 关键词 作物布局 物元分析法 地理信息系统 作物适宜性 中图分类号 S34 文献标识码 A 文章编号 10002030 2004 02002505 Optimizing crop distribution by matter element analysis with GIS A case study of Heheng Village ZHOU Xiao2ping BIAN Xin2min 3 College of Agriculture Nanjing Agricultural University Nanjing 210095 China Abstract Aiming at the complexity of farming system in China such as small farmland great differences in natural social and techno2 logical factorson eachfarmland and their effectson the crop production the solution of combining matter element analysis with GIS geo2 graphic information system was brought forward to optimize the crop distribution The solution was scientific objective and automatic additionally its result was graphic and visual Key words crop distribution matter element analysis GIS crop adaptability 作物布局是指一个地区或生产单位作物结构与配置的总称 1 其主要内容是确定区域范围内作物的 种类 数量比例及空间分布 以往对作物布局的研究多以自然资源环境和社会需求为依据 采用线性规 划等方法来确定作物的种类和数量 2 3 而种植作物的种类 数量确定后 如何将其落实到具体田块或 较小区域的空间布局研究则相对较少 采用现代信息技术进行的研究则更为少见 本研究在数量比例和 空间布局有机结合的基础上 重点探索采用物元分析法和GIS系统进行作物空间布局优化的方法 1 研究方法 111 物元分析模型 11111 物元模型的一般形式 物元分析法将人 事和物统称为事物 把事物名称M 特征c和量值v 作为描述事物的基本要素 即三元 4 因而可用三元组R M c v 对事物进行描述 具有n个 量值的事物可用公式 1 表示 某田块对作物种植的适宜程度称作该田块的 作物适宜性 作物适宜性 也是一种事物 其相应 物元分析法简介模型中的各特征就是田块单元影响作物种植的各属性 一般有肥力状况 高程 耕作距 离 茬口适宜性和水利条件等 收稿日期 20030408 基金项目 国家863计划项目 2001AA245041 子课题 国家区域农业攻关项目 2001BA508B 子课题 江苏省 十五 重点攻关 项目 BE2001329 南通市青年学术带头人项目 Z3005 作者简介 周小平 1977 现为中国科学院南京土壤研究所博士研究生 3通讯作者 Corresponding author 卞新民 1952 教授 博导 主要从事耕作制度 区域农业 农业生态等研究 E2mail bjxlml sina1com 南京农业大学学报 2004 27 2 25 29 Journal of Nanjing Agricultural University R c1 v1 c2 v2 M cn vn 1 11112 经典域和节域 经典域是评价因子在某一等级内的量值范围 可用下式来表示 Rj Nj cj xji c1 xj1 c2 xj2 Nj ci xji cn xjn c1 aj1 bj1 c2 aj2 bj2 Nj ci aji bji cn ajn bjn 2 aji bji aj1 aj2 aji 1 aji aji 1 ajn bj1 bj2 bji 1 bji bji 1 bjn 其中 Nj表示评价因子所划分的第j个质量等级 ci表示事物的第i个特征 xji为特征 评价因子 ci 在j等级内的量值范围 aji bji 称为经典域 而节域则为评价因子的整个取值范围 11113 可拓集合和关联函数 物元模型中 可拓集合是用关联函数来刻画的 关联函数对最后评价单 元与评价等级单元之间关联度的大小有直接的影响 本研究选取的关联函数 5 为 Ki V i V i X0i X0i Vi X0i V i X0i V i Xpi V i X0i Vi X0i 3 其中 V i X0i Vi 1 2 a 0i b0i 1 2 b 0i a0i i 1 2 n 4 V i Xpi Vi 1 2 a pi bpi 1 2 b pi api i 1 2 n 5 xji aji bji 6 11114 隶属度和归属的确定 确定各特征c1 c2 cn的权重系数 1 2 n 这样 隶属度 可用下式表示 K p n i 1 i Ki V i 7 式中 K p 表示p属于P0的程度 当K p 0时 p P0 当K p 0时 p P0 112 GIS 地理信息系统 以GIS软件 Mapinfo 61 0 为平台 以软件自有的开发语言 MapBasic 为工具 通过编程来实现整个作 物布局优化的自动化和程序化 在软件的支持下 以现有的道路 河流等为边界线 对1 7 800的河横 村地图矢量化 将河横村的土地分为253个田块 其中水田197块 然后在Mapinfo中对这197个田块构 建属性数据库 再利用MapBasic语言汇编不同功能的程序包 实现本研究中需求的各个功能 2 河横村作物空间布局优化 河横村隶属江苏省姜堰市沈高镇 地理位置约为东经120 15 北纬32 68 农业生态环境条件好 种植业生产水平较高 2000年耕地面积为230101 hm2 耕作制度以一年两熟制为主 主要栽培水稻 小 麦 油菜和棉花等大田作物 其中粮食作物占64 油料占7 棉花占6 蔬菜占23 211 河横村田块适宜性物元模型分析 21111 田块特征值的选取和度量 根据河横村农田特征以及资料获得的难易性 选取了肥力状况 高 中 低 高程 51 5 m 耕作距离 各田块到农户居住地的距离 0 100 m 100 500 m 500 m 茬口适宜性 适宜 一般 不适宜 和水利条件 旱涝保收 易涝 易旱 非 灌溉田 等5个因素 这5个因素具有连续性特征量 如高程和耕作距离 离散性特征量 如茬口适 宜性 自然属性特征量 如肥力状况 社会属性特征量 如耕作距离 以及耕作制度属性特征量 如 茬口适宜性 所以对耕作特性的研究具有一定的代表性 21112 空间布局优化作物的选取 根据河横村作物种植的历史和现状 参考周边地区种植业结构调整 62 南 京 农 业 大 学 学 报 第27卷 的经验 以及当地的农业生产和市场调查资料 采用模糊线性规划方法对该村种植业结构进行了优 化 6 结果见表1 表1 河横村种植业结构优化结果 Table 1 Optimization of crop composition in Heheng Villagehm2 小麦 Wheat 大麦 Barley 油菜 Rape 胡萝卜 Carrot 大豆 Soybean 水稻 Rice 棉花 Cotton 玉米 Corn 大白菜 Chinese cabbage 黄瓜 Cucumber 西红柿 T omato 茄子 Eggplant 西瓜和香瓜 Watermelon 水稻作为该村绿色食品的主体 主要连片分布于该村农田生态 环境良好的中部区域 利于机械化操作和统一的水分管理 病虫害防治和农事操作 牧草主要集中在生 态农场的周围 便于作饲料利用 也便于畜禽粪便的就近处理 玉米 大豆等种植于该村四周地势稍高 的田块 3 小 结 利用评价单元物元和评价等级物元的关联度大小来确定作物 田块的适宜性程度 结合GIS系统对 82 南 京 农 业 大 学 学 报 第27卷 空间信息分析处理功能进行作物布局的优化 能够充分利用各田块的空间差异特点 实现空间布局优化 的自动化 客观化 科学化 信息化 以及输出的图形化 直观化 实例研究结果对河横村的作物布局 有一定的指导性 本研究表明该方法对乡村种植业结构空间布局优化有较强的实用价值 利用田块的种植业属性数据 的差异 将种植制度和种植作物具体到了田块 已经初步具备了耕作制度上的精确管理思想 但是由于 采用的是地图扫描 屏幕数字化的矢量化技术 本身的精度不高 影响了最后得到的河横村种植业优化 GIS的精度 如果大范围内能与高分辨率遥感技术相结合 小范围内能与地面站式GPS等精确测量技术 相结合 将使优化的程度进一步提高 而适宜性计算过程中各作物的经典域和节域的确定 以及作物适 宜性影响因素的权重设定 都需要一定的专业背景知识和调查资料 这是本研究中较难以确定的内容 今后作物布局研究如果能与决策支持系统和专家系统等智能化技术相结合 上述问题将得到解决 作物 布局的自动化会更趋于完美 参考文献 1 刘巽浩 耕作学 M 北京 中国农业出版社 1992 2 于贵瑞 种植业系统分析与优化控制方法 M 北京 农业出版社 1991 3 徐秀珍 黄湛 陈庆新 Fuzzy线性规划在种植业最优规划上的应用 J 华南农业大学学报 1