基于gis的耕地质量预警系统研究

基于gis的耕地质量预警系统研究

0国内外耕地预警研究现状土地恢复是保持区域可持续发展的重要因素，其核心是确保该地区耕地总量的动态平衡。在认识到耕地总量动态平衡重要性的同时,仅谈耕地数量保护难以对耕地资源面临的严峻形势有清醒的认识,只有结合耕地质量才能综合反映人口-耕地供需系统中耕地的供给水平。建立耕地质量预警系统可以预报耕地质量超过临界值的时空范围和危险程度,对满足该时段区域社会经济发展需要的耕地状况实行临界警戒;同时提出治理方案,对耕地质量进行动态监控,避免耕地质量状况的严重恶化。目前有关土地利用动态监测和宏观经济预警,农业经济预警研究比较多,理论和方法相对比较成熟,然而有关耕地预警的研究较少,针对耕地质量研究构建的预警系统则更少。目前耕地预警研究主要分为如下4类,其一为耕地数量预警研究,饶应祥、蔡运龙等提出了人均耕地警戒值的测算思路和计算方法,从粮食安全的角度分析了人均耕地数量的警度。彭补拙等将有关经济、环境预警的基本方法引入耕地预警研究中,运用统计法与模型法对城市边缘区耕地数量变化进行了探讨。此类研究主要对耕地数量变化进行监测、预警,并实现了预警的部分流程。其二为耕地预警理论、方法体系研究,黄贤金等阐述了生态经济理论所包含的警义、警源、警兆、警度4个方面的基本内容,提出了构建中国耕地生态经济预警系统的基本思路和方法。刘友兆等提出了耕地质量预警的必要性、意义、基本内容和基本方法。刘艳芳提出了多尺度耕地供需动态平衡预警体系。VijendraKumar建立了干旱区农业耕地预警系统。赵烨等提出了建立了农用地资源安全的监测、评价、预警系统的基本框架。此类研究概括了耕地预警的理论方法体系,并提出了耕地预警的相关方法,但是较少涉及实证研究。其三为土壤性状质量预警研究,Jongschaap基于遥感手段建立了Rotask模型,并对土壤质量和粮食产量进行预警。Herrick分析了土壤质量和土地可持续利用的相关关系,并提出需建立耕地预警系统以保障土地可持续利用得以实现。此类研究对耕地质量中的土壤性状质量进行了预警研究,但其研究结果未与耕地分等结果相结合,难以反映耕地质量的总体水平。其四为区域整体耕地质量预警研究,葛向东等将有关经济、环境预警的基本方法引入耕地预警研究中,运用统计法与模型法对耕地总量动态平衡的监测和预警进行了探讨。这类研究建立了耕地质量预警指标体系,并实现了预警的各个流程,是较为完整的耕地质量预警系统,但是其预警结果是以整个研究区域为单位,无法针对每个评价单元的警情提出具体的排警措施。综合上述国内外的研究结果可发现,耕地预警理论体系已经初步形成,并正在逐步完善,但是已有研究多集中在耕地数量预警方面,耕地质量预警研究涉及较少或不够全面。本研究试图基于已有研究,在耕地质量评价及其变化特征分析的基础上,设计耕地质量预警系统,并以江苏省金坛市为例,进行耕地质量预警系统的实证研究。1预警系统的总体设计1.1分析警迹,预报警度耕地质量预警和其他预警一样,是一个明确警情→寻找警源→分析警兆→预报警度→排警的过程。明确警情是监测预警研究的基础,而寻找警源、分析警兆属于对警情的因素分析及定量分析,预报警度则是预警目标所在。譬如,当我们利用耕地质量预警系统发现某个区域的耕地质量呈下降趋势(明确警情),我们就要及时的分析引起耕地质量下降的原因(寻找警源),给出未来若干年内耕地质量预测指标下降的具体额度和耕地质量所处的具体状态(分析警兆、预报警度),并提出相应的解决措施,为避免耕地质量下降提供相应的解决措施(排除警情)。总体流程见图1。1.2建立耕地质量预警数据库根据系统的设计目标和用户的需求,将系统划分为7个功能模块:1)数据录入及维护模块:提供各种图形和属性数据的维护。包括土地利用数据、耕地质量监测数据、社会经济数据的输入、修改、编辑、删除等。2)图形编辑、浏览模块:提供对土地利用现状图、土壤图、行政界线图、耕地质量预警评价单元图形的浏览。3)查询模块:提供完善的以文查图和以图查文功能。可根据属性数据查找图形,亦可从图形查询相应的属性数据。4)统计分析及输出打印功能:将统计结果以统计图、统计表和专题图形式显示并可输出打印。5)预警模型应用模块:通过选取警兆指标,建立预警模型,预报耕地质量超越临界值的危险状况,并按照无警、轻警、中警、重警、巨警5个等级对警情进行判定。该模块为系统的核心模块,在该模块中,用户还可根据不同的警兆指标选取不同的预测方法对警兆指标进行预测,有回归分析模型、灰色模型、时间序列分析模型等多种预测模型可供选择。6)预警决策支持模块:针对耕地质量警情判定,提出相应的的方案供用户选择,以便及时排除耕地质量警情,为耕地保护工作提出对应的决策支持。7)系统维护模块:对不同的用户的设定不同的访问权限管理。耕地质量预警系统数据库分为空间数据库和非空间数据库,空间数据库包括耕地质量预警评价图斑、土壤图、土地利用现状数据、耕地质量监测数据等矢量数据以及遥感影像、数字地面模型等栅格数据;非空间数据库包括属性数据、统计分析后获得的数据、其他文档数据、元数据。1.3变化率的计算耕地质量涉及面较广,不仅包括生态性质量(生态、空间、时间质量),还包括管理性质量(区位、保护、改造质量),经咨询相关领域专家,本研究选取能反映耕地质量变化情况的综合性能指标-耕地质量综合指数变化率作为耕地质量预警系统的警情指标,耕地质量综合指数的计算公式如下:式中S——耕地质量综合指数;Si——耕地质量评价单元内各个评价因子的的分值;Wi——耕地质量评价单元内各个评价因子相对应的权重。耕地质量综合指数可解释为在最优土地利用水平和最优经济条件下,该评价单元内耕地所能实现的最大可能单产水平。因此,可称之为耕地的“本底”产量。耕地质量评价因子的选择应针对不同区域由专家评判确定,一般应涵盖耕地土壤属性、自然环境条件、农田基本建设等各个方面,相应地选择这些评价因子的变化率作为耕地质量预警系统的警兆指标。1.4耕地质量警影变量的计算耕地质量预警是要预报耕地质量警情与警兆的警度,而警情警度则通过警情警限(L)来判别,警兆警度则依据警兆警区(R)来判定。先利用区间分析、历史分析、数学方法等综合确定耕地质量警情的无警、轻警、中警、重警、巨警的警限L,再根据L来确定对应的耕地质量警兆变量的无警、轻警、中警、重警、巨警的警区R。具体方法是,当警兆变量(X)与警情变量(Y)正相关时,当警兆变量与警情变量负相关时,式中Xmax、Xmin——各个警兆变量的最大值与最小值;Ymax、Ymin——警情变量的最大值与最小值;rn——警兆变量各警区之间的分界值;ln——警情变量各警限之间的分界值,n=1,2,3,4则对应无警与轻警、轻警与中警、中警与重警、重警与巨警之间的分界,报警区间(-r1,r1-r2,r2-r3,r3-r4,r4-)以及(-l1,l1-l2,l2-l3,l3-l4,l4-)分别对应警兆、警情的无警、轻警、中警、重警、巨警5个警度。式中ρ——各警兆变量与警情变量的相似系数;Xk——各个警兆变量在k年的监测值;Yk——代表警情变量在k年的监测值;m——总监测年数。1.5．我国有警教育因素的警时代,有预警结果的检验方法为:用警兆变量对相应警情变量的预警结果进行检验,如预警有效年占预警所有年份的23以上,即为有效,则该警兆变量可用于对警情进行外推预警。用扩散指数DI(Lm)预报警情:假定警兆变量对警情变量的影响重要性(权重)为Wj,且∑Wj=1,则有:规定警兆变量处于相应的警区Rm中时,A(Rm)=1,否则A(Rm)=0,Rm和A(Rm)分别表示警兆变量的预警区间和预警值。当DI(Lm)>.067时,表示警情变量在t时期处于Lm警限中。与m=0,1,2,3,4对应的Rm、Lm分别为警兆与警情的无警、轻警、中警、重警、巨警区间(警度)。然而,实际情况中,DI(Lm)往往小于0.67,此时需将5种警度对应的DI值由大到小排列,按下述方法进行预警:若两种警度所拥有的DI值之和大于0.67,则:1)两警度是相邻的,基本预警结果介于两种警度之间;2)两警度不相邻,且隔1个或3个警度,预警结果为中间的警度;3)间隔两个警度,预警结果处于中间的两个警度之间。若3种警度拥有的DI值之和大于0.67,基本预警结果为中间的那个警度。2确认研究2.11金无作为地的耕地质量评价单元金坛市位于江苏省南部,是宁、沪、杭三角地带之中枢,耕地垦殖历史悠久,垦殖指数为47.34%,高于全省平均水平,耕地本底质量优越。但随着经济发展,在经济利益驱动下,耕地不仅从数量上锐减,而且质量逐年下降,区域土地可持续利用面临严峻考验。结合金坛市区域特征,遵循综合性、主导性、空间变异性、定量化等原则,由专家评判确定涵盖耕地土壤属性、自然环境条件、农田基本建设等方面的耕地质量评价因子,并由AHP法给出权重(表1)。基于金坛市1997~2006年土壤监测资料、土地利用更新调查数据、环境质量监测数据、统计年鉴、耕地地力调查数据以及数字高程模型,通过整理、测算,建立金坛市耕地质量评价空间数据库与属性数据库,耕地质量评价单元的划分采用“叠置法”和“地块法”相结合,由室内预判和现场校核两个步骤完成。室内预判采用计算机辅助进行,即利用ArcGIS软件,以土地利用现状图为底图,叠加土壤图和行政区划图,按上述划分原则,遇到不同权属、不同土壤类别、不同利用现状即以明显的线状地物为界勾出不同单元边界,如果自然界线(如土种界)与土地利用现状图斑不重合时,可用就近的线状地物取直、归并,注上统一单元编号。室内预判的单元在外业调查时,结合单元土地特性、产投情况的调查加以实地校核,边界不对的进行现场修改、订正,需要新划分和合并的,现场加以校核。采用ArcGIS软件直接在屏幕上量算单元面积,每个评价单元都关联有相应的耕地质量评价因子的属性数据。各评价因子与耕地质量的关系主要分为概念型和戒上型曲线、戒下型曲线、峰型曲线以及直线分布等5种类型。概念型因素由专家评判直接给出评语,对于后4种类型,可据惟一差异原则,通过田间试验拟合经验公式,根据式(1)得出各评价单元的耕地质量综合指数,将每一评价单元划入相应的等级(表2),得到1997~2006金坛市耕地质量变化趋势图(图2)。从图2可发现,金坛市耕地主要以一等地和二等地为主,耕地质量总体较好,但是自1997年以来,一等耕地和二等耕地的面积比例总体均呈下降趋势,一等耕地的面积比例从1997年的48.12%下降至2006年的33.72%,二等耕地面积比例则从1997年的30.19%下降至2006年的24.43%,伴随而来的是质量稍差的三等地和四等地面积比例的上升。这表明:随着经济的发展,金坛市自然生态环境被破坏,高质量耕地面积逐年减少,耕地总体质量呈下降趋势。如不及时建立耕地质量预警系统实时监测耕地质量变化,提出改善耕地质量的有效办法,必将导致金坛市耕地质量的进一步下降,从而影响区域粮食安全,并将对人民生活与健康造成严重危害。2.2金无砂耕地质量预警数据库的建立基于上文的设计思路和1997~2006年金坛市耕地质量评价结果,结合GIS技术和数据库技术建立了金坛市耕地质量预警数据库,并开发了金坛市耕地质量预警信息系统。2.2.1耕地质量预警单元分布以2006年为耕地质量预警基准年,以2006年耕地质量评价单元作为耕地质量预警评价单元,共得到耕地质量预警评价单元5637个。遵循本文1.3所作设计,将耕地质量综合指数变化率作为耕地质量预警系统的警情指标,选取速效P、速效K、有机质含量、坡度、地下水位、有效土层厚度、灌溉保证度、道路通达度等8个耕地质量评价因子的变化率作为警兆指标。2.2.2警情警限划分采用本文1.4所述的警度划分方法,确定警情指标与警兆指标的警度需要先确定警情警限(L),亦即要先确定耕地质量综合指数变化率的警限。我国实行世界上最严格的耕地保护政策,因此,在本研究中,耕地质量一下降就预报警度,参照相关研究,按照负数原则,警情警限(L)划分如下:耕地质量综合指数变化率大于0视为无警区间,0~-5%视为轻警区间,-5%~-10%为中警区间,-10%~-15%为重警区间,-15%以上为巨警区间,因此,l1=0,l2=-0.05,l3=-.010,l4=-.015。根据金坛市耕地质量预警数据库中1997-2006年警情变量和各警兆变量的监测值,获取警情变量的最大值(Ymax)与最小值(Ymin)、各警兆变量的最大值(Xmax)与最小值(Xmin)以及各警兆变量与警情变量的相似系数ρ,针对警兆变量与警情变量之间的正、负相关关系,将已求解变量分别带入式(2)、式(3),求得各警兆变量的警区之间的分界值r1,r2,r3,r4,结合各个警兆变量的具体情况加以调整划分,结果见表3。2.2.3耕地质量警情统计分析根据上述警限和警区区间,根据金坛市耕地质量预警数据库提供的历史监测数据,对所选警兆指标进行预警检验,结果全部通过检验。以2008年为目标年,利用预警信息系统所提供的预测功能,针对不同的警兆指标,选择合适的预测方法,如回归分析、灰色模型、时间序列分析等,得到各警兆指标的预测值,再用扩散指数DI(Lm)对2008年耕地质量警情进行外推并预警,得到2008年金坛市耕地质量警情分布图(图3)及警情统计结果(表4)。根据表4的统计结果,2008年警度为无警、轻警、中警、重警、巨警的耕地占全市耕地总面积的比例分别为24.54%、18.80%、26.15%、23.68%、6.83%,其中有警耕地面积合计达到75.46%,这说明金坛市耕地质量下降趋势明显,如不采取积极措施保护耕地、提高耕地质量,2008年金坛市将出现较为严重的耕地质量警情。阻止耕地质量下降的具体措施可参考系统提供的辅助决策功能,具体操作措施为:首先对照耕地质量警情分布图,针对每个有警单元种植作物的种类(金坛市的种植作物主要为水稻与小麦),根据各警兆指标的警度区间进行单指标预警,如200