本發(fā)明涉及大數(shù)據(jù)及海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域,具體而言,涉及一種農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)基于gis的農(nóng)業(yè)土地適宜性評價分析方法。
背景技術(shù):
農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)技術(shù)和方法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的實踐,從微觀層面講涉及到耕地、育種、播種、飼養(yǎng)、施肥、植保、收獲、儲運、農(nóng)產(chǎn)品加工、銷售、畜牧業(yè)生產(chǎn)等各環(huán)節(jié),從宏觀層面講涉及到結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)村增綠、農(nóng)民增收等板塊,呈現(xiàn)出跨行業(yè)、跨專業(yè)的產(chǎn)業(yè)格局,用農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)來指導(dǎo)生產(chǎn)、經(jīng)營、產(chǎn)業(yè),將為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和政府決策提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)。
農(nóng)業(yè)土地適宜性評價就是對某塊土地是否適宜發(fā)展特定農(nóng)業(yè)種植及其適宜程度如何進行綜合評定,通過采集不同時間維度上的土地環(huán)境資源數(shù)據(jù)并進行大數(shù)據(jù)并行處理,得出反映土地適宜性的綜合指標(biāo),再結(jié)合地理信息系統(tǒng)(gis)將土地評價指標(biāo)直觀得展現(xiàn)在地圖中供監(jiān)管門戶進行決策分析。另外,當(dāng)前我國部分土壤污染極為嚴(yán)重,各類耕地土壤質(zhì)量嚴(yán)重下降,土壤污染嚴(yán)重超標(biāo),“土十條”己獲國務(wù)院審核通過。通過農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析將影響土地種植適宜性的基本因子如氣候、地質(zhì)、地形、水文、土壤、土壤污染源以及反映宏觀指標(biāo)的產(chǎn)量、價格等數(shù)據(jù)進行匯集、加工和處理,且這些因子都具有較強的區(qū)域差異性,表現(xiàn)為空間數(shù)據(jù),地理信息系統(tǒng)(gis)可以使土地適宜性評價的空間信息與屬性信息通過“大數(shù)據(jù)+gis”整合展示,使土地適宜性評價更加定量化、規(guī)范化、綜合化,一是能夠為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行指導(dǎo),二是對土壤的環(huán)境質(zhì)量,尤其污染土壤的風(fēng)險管控和土壤修復(fù)問題提供依據(jù)。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明提供一種農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)基于gis的農(nóng)業(yè)土地適宜性評價分析方法,對適宜農(nóng)作物生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)資源類型進行評價和排行,為生產(chǎn)決策提供可靠依據(jù)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)基于gis的農(nóng)業(yè)土地適宜性評價分析方法,具體步驟如下:
第一步是選取評價指標(biāo):對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫中的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)進行選取,選取的評價指標(biāo)有:氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、病蟲害數(shù)據(jù)、價格數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù);
第二步對所述評價指標(biāo)進行數(shù)據(jù)采集和抽?。涸u價指標(biāo)進行單因子量化分級、評價數(shù)據(jù)積累;
第三步運用大數(shù)據(jù)并行計算對單因子適宜性評價指數(shù)進行計算;
第四步檢驗單因子適應(yīng)性評價指數(shù)的選取精度;
第五步結(jié)合層次分析法ahp對單因子相對權(quán)重進行計算;
第六步建立綜合評價模型:在第五步的基礎(chǔ)上按照多因子采樣抽取,使得每個評價單因子都有相應(yīng)的權(quán)重指數(shù)分配,再通過二維矩陣模型建立向量表,計算每一個評價單因子的土地適宜度,即通過權(quán)重調(diào)整后的土地適宜性評價指數(shù);該土地適宜性綜合評價指數(shù)采用線性回歸中的向量計算公式計算,同時采用線性函數(shù)建立最適宜函數(shù)、一般適宜函數(shù)及不適宜函數(shù)三級函數(shù)模型;
第七步對第六步的結(jié)果進行綜合評價模型定量測試校驗;如果校驗結(jié)果通過,則進度到下一步對綜合評價指數(shù)進行多維分析。反之檢驗結(jié)果偏差較大,則需要重新劃分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo)采集范圍,并重復(fù)第二、三、四、五、六步的計算過程;
第八步對土地適宜度綜合評價模型進行大數(shù)據(jù)多維分析,主要分析指標(biāo)包括:產(chǎn)量價格組合分析、評價指數(shù)分布范圍,土地覆蓋率、農(nóng)作物適宜度分類幾個維度;找出最適宜種植的農(nóng)作物種類,并輸出為土地資源空間數(shù)據(jù)庫,形成數(shù)據(jù)源。
農(nóng)業(yè)土地適宜性就是對某塊土地是否適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其適宜程度如何進行綜合評定,是土地評價最基本的工作。從微觀層面上來講,它通過采集大量關(guān)于氣候、地質(zhì)、地形、水文、土壤、病蟲害發(fā)生率、周邊建筑地形地貌、資金投入比重、交通條件等主要影響農(nóng)業(yè)土地適宜性的因子樣本和歷史數(shù)據(jù),整合為空間大數(shù)據(jù)庫,以便直觀清晰的量化和反映土地的“四情”;從宏觀層面上來講,將這些空間數(shù)據(jù)通過復(fù)雜的大數(shù)據(jù)分析計算后得出反映土地適宜性的綜合指標(biāo),將每種影響因子的貢獻比例進行延伸和篩選,突出影響較大的因素,抑制干擾較深的條件,最終形成適宜性評價指標(biāo)體系單元及其最優(yōu)因子的覆蓋程度,再與地理信息系統(tǒng)(gis)相結(jié)合進行數(shù)字分析處理,通過多圖層技術(shù)將評價指標(biāo)因子進行層級劃分,對適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的類型(宜農(nóng)、宜林、宜牧)進行排行,為生產(chǎn)決策提供可靠依據(jù)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明流程圖;
圖2為本發(fā)明在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)效果圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
如圖1所示,一種農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)基于gis的農(nóng)業(yè)土地適宜性評價分析方法第一步是選取評價指標(biāo),對農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心中的土地資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行選取,選取的評價指標(biāo)有:氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、病蟲害數(shù)據(jù)、價格數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)。
第二步,主要對評價指標(biāo)進行數(shù)據(jù)采集和抽取,評價指標(biāo)進行單因子量化分級、評價數(shù)據(jù)積累,其中氣象數(shù)據(jù)單因子量化分級采集指標(biāo)包括:空氣溫度、氣壓、空氣濕度、蒸發(fā)量、光照、風(fēng)向、風(fēng)速;土壤數(shù)據(jù)包括:土壤類型、土壤溫度、土壤濕度、有機質(zhì)、氮磷鉀含量、土壤容量;地質(zhì)數(shù)據(jù)包括:地質(zhì)形態(tài)、巖石構(gòu)造、傾斜程度、礦物成分、巖層厚度;地形數(shù)據(jù)包括:山丘、平原、高原、盆地、邱原、山地;水文數(shù)據(jù)包括:徑流、泥沙含量、水質(zhì)、水位、巖層土壤含水量;病蟲害數(shù)據(jù)包括:糧食作物病蟲害、蔬菜作物病蟲害、經(jīng)濟作物病蟲害、果樹作物病蟲害、病蟲害類型、病蟲害防治方法;價格數(shù)據(jù)包括:地頭價格、批發(fā)價格、同比價格、環(huán)比價格;產(chǎn)量數(shù)據(jù)包括:畝產(chǎn)量、年產(chǎn)量。以上采集指標(biāo)作為評價指標(biāo)的單因子,進行后續(xù)計算。
第三步運用大數(shù)據(jù)并行計算對單因子適宜性評價指數(shù)進行計算。由于各種影響土地適宜性評價的單因子都會產(chǎn)生和吸收海量的底層數(shù)據(jù),且單因子適宜性評價指數(shù)的分析也會涉及到大量的矩陣計算,傳統(tǒng)的線性計算方式已不能滿足整體指標(biāo)的分析,因此本發(fā)明采用目前業(yè)界流行的大數(shù)據(jù)并行計算技術(shù)來充分發(fā)揮硬件計算資源的使用效率,這將會大大減少矩陣計算的誤差和耗費時間。本專利所采用的大數(shù)據(jù)并行計算技術(shù)采用目前業(yè)界流行的hadoop計算架構(gòu)體系進行,其分布式、并行性、多線程性能,滿足綜合評價指數(shù)的計算需求。
第四步檢驗單因子適應(yīng)性評價指數(shù)的選取精度,如果對某一項被選取的因子適宜度發(fā)生偏差的話,則應(yīng)該在下一次計算中剔除出去,例如土壤濕度和土壤水含量兩個因子的適宜度計算產(chǎn)生相互干擾的話,則只保證其中一項因子作為備選。
第五步結(jié)合層次分析法(ahp)對單因子相對權(quán)重進行計算。層次分析法建立的步驟。第一,建立遞階層次結(jié)構(gòu),確定權(quán)重的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、措施層;第二,采用特爾菲法構(gòu)造判斷矩陣,確定各個評價單因子的相對重要性;第三,層次單排序與檢驗,對于構(gòu)造的判斷矩陣,利用特定數(shù)學(xué)方法進行層次排序。單排序是指每一個判斷矩陣各因素針對其準(zhǔn)則的相對權(quán)重。在實際中要求判斷矩陣滿足大體上的一致性,需進行一致性檢驗。只有通過檢驗,才能說明判斷矩陣在邏輯上是合理的,才能繼續(xù)對結(jié)果進行分析;第四,層次總排序與檢驗,總排序是指每一個判斷矩陣各因素針對目標(biāo)層(最上層)的相對權(quán)重。這一權(quán)重的計算采用從上而下的方法,逐層合成。
第六步建立綜合評價模型,在第五步的基礎(chǔ)上按照多因子采樣抽取,使得每個評價因子都有相應(yīng)的權(quán)重指數(shù)分配,再通過二維矩陣模型建立向量表,計算每一個評價因子的土地適宜度(通過權(quán)重調(diào)整后的土地適宜性評價指數(shù))。本發(fā)明采用線性回歸中的向量計算公式計算土地適宜性綜合評價指數(shù),在以下公式中:
s為土地適宜性綜合評價指數(shù),wi為第i個評價因子的相對權(quán)重,si為第i個評價因子的適宜性評價指數(shù)。
同時建立函數(shù)模型時采用線性函數(shù)。其中最適宜函數(shù)可描述為:
一般適宜函數(shù)可描述為:
不適宜函數(shù)可描述為:
以上各式中,ui、uj、uk分別為最適宜、一般適宜和不適宜3級函數(shù)模型,xi為評價單元第i個影響因子的擾動因素,sij為第i個影響因子j的指標(biāo)。
本發(fā)明將等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的間斷點作為指標(biāo)對應(yīng)最適宜、適宜、不適宜三個等級模糊子集的代表值,根據(jù)上述函數(shù)模型通式構(gòu)造各自的線性回歸函數(shù),計算出各單因素指標(biāo)值分別隸屬于最適宜、中、低三個級別的程度,形成單要素評價矩陣r。在建立綜合評價模型中,為減少因為歷史評價經(jīng)驗而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差異性并最終消除擾動因素,每一個評價單因子都應(yīng)該在一致性滿意度的正態(tài)分布區(qū)間中進行權(quán)重計算。
第七步對第六步的結(jié)果進行綜合評價模型定量測試校驗。如果校驗結(jié)果通過,則進度到下一步對綜合評價指數(shù)進行多維分析。反之檢驗結(jié)果偏差較大,則需要重新劃分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo)采集范圍,并重復(fù)第二、三、四、五、六步的計算過程。
第八步對土地適宜度綜合評價模型進行大數(shù)據(jù)多維分析,主要分析指標(biāo)包括:產(chǎn)量價格組合分析、評價指數(shù)分布范圍,土地覆蓋率、農(nóng)作物適宜度分類等幾個維度,例如當(dāng)適宜度綜合評價指數(shù)介于一定的區(qū)間范圍時,對此條件下的土壤、氣象、水文、產(chǎn)量和價格等多重因子進行綜合分析,找出最適宜種植的農(nóng)作物種類,并輸出為土地資源空間數(shù)據(jù)庫,形成數(shù)據(jù)源。
第九步中整合第八步中的數(shù)據(jù)結(jié)果,對當(dāng)前綜合適宜度評價指數(shù)進行多因子組合,并使用gis多圖層技術(shù)進行逐個輸出,通過抽取不同的指數(shù)區(qū)間,地圖圖層會聯(lián)動顯示不同的影響因子分布情況。
下面以天津市武清區(qū)天鷹椒種植區(qū)域適宜性評價分析舉例說明
1、選取評價指標(biāo)
評價指標(biāo)對評價的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:其一,對不同的評價目標(biāo)(例如不同的土地利用方式)要選用不同的評價因子,根據(jù)特定區(qū)域的不同狀況適當(dāng)增加或減少評價因子的個數(shù);其二,各評價因子對評價目標(biāo)的影響大小不是完全一致的,對于不同的評價目標(biāo),各評價因子的權(quán)重可能不同。
根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況,天鷹椒種植用地的評價因子包括:年平均氣溫(t年)、≥10℃活動積溫(∑t≥10℃)、年極端最低氣溫≤-18℃出現(xiàn)的頻率(ftmin≤-18℃)、3-10月平均相對濕度(u3-10)、海拔高度、坡度、坡向、土壤質(zhì)地、土壤類型等9個指標(biāo)作為備選評價因子。
2、評價指標(biāo)數(shù)據(jù)采集和抽取
通過采集和抽取農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)中心的相關(guān)評價指標(biāo)數(shù)據(jù),整合成基礎(chǔ)因子數(shù)據(jù)集合作為備選數(shù)據(jù)庫表。每一個評價因子都對農(nóng)作物種植起著至關(guān)重要的作用,在綜合評價作物土地適宜性之前,必須研究作物種植每一個影響因子的等級。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況及天鷹椒對各項指標(biāo)的要求,對評價因子進行分級(表1)。
表1、天鷹椒土地適宜性評價因子分級
3、單因子適宜性評價指數(shù)計算
采用大數(shù)據(jù)并行計算對天鷹椒種植的氣候、地形、土壤數(shù)據(jù)進行計算,確定影響天鷹椒生長的主要單因子屬性。
4、檢驗單因子適應(yīng)性評價指數(shù)
由于各個因子對作物用地適宜性的影響程度各不相同,只有對各評價因子的重要性大小做出正確判斷,才能保證評價結(jié)果的真實性。
5、單因子相對權(quán)重計算
經(jīng)過層次分析法(ahp)確定各評價因子及權(quán)重,很明顯,第二層的單排序結(jié)果就是總排序結(jié)果,同樣,對總排序結(jié)果進行一致性檢驗。如果通過,則可以認(rèn)為判斷矩陣的整體一致性是可以接受的。
最后,在參考已有研究成果和實地調(diào)查的基礎(chǔ)上,確定了天鷹椒用地適宜性各評價因子的相對重要性,采用大數(shù)據(jù)并行計算技術(shù)進行層次分析法的演繹,并通過一致性檢驗(o≤cr≤0.05.小于0.1),得出武清區(qū)天鷹椒特色經(jīng)濟作物土地適宜性評價因子的權(quán)重(表2)
表2、武清區(qū)天鷹椒適宜性評價因子權(quán)重
6、構(gòu)建天鷹椒種植適宜性評價綜合模型
在評價因子的適宜度量化分級里,有些指標(biāo)是定量描述的,如年平均氣溫,年降水量,年日照時數(shù)等,而有些指標(biāo)只能做定性描述,如坡向,土壤類型,土壤質(zhì)地等。為了方便分析問題,應(yīng)使這些定量或定性的指標(biāo)有一個統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn),以便采用構(gòu)造隸屬函數(shù)的方式進行描述。對定量指標(biāo)可進行歸一化處理,對定性指標(biāo)可根據(jù)該目標(biāo)的適宜度等級綜合考慮。
本專利采用分段函數(shù)來確定天鷹椒土地適宜度綜合評價等級的回歸函數(shù)模型。對于定性指標(biāo)(坡向、土壤類型、土壤質(zhì)地),本發(fā)明擬根據(jù)適宜度的三個分級程度分別賦值為1、2、3。
回歸函數(shù)建立后,利用gis軟件的spatialanalyst模塊中的“con”條件函數(shù)對指標(biāo)圖層進行運算,進而得到各指標(biāo)相對于評價等級的適宜度,最后得到相應(yīng)的適宜度矩陣r圖層運算的范圍是武清區(qū),基本評價單元為柵格單元,每個單因素指標(biāo)的空間模糊評價結(jié)果是生成3個適宜度圖層。
7、綜合評價模型定量測試校驗
在確定各評價因子權(quán)重和單因子模糊評價之后,得到評價因子權(quán)重集a和模糊關(guān)系矩陣r。要考慮所有因素的影響,得出科學(xué)的結(jié)論,仍必須進行綜合評價模型定量測試校驗,校驗采用模糊綜合評價。進行模糊綜合評價,還需要進行模糊變換,通過選擇模糊合成算子進行綜合評價。模糊變換的模型為
式中,b=(b1,b2,……,bn)為模糊綜合評價結(jié)果向量,a為評價因素的權(quán)向量,符號“o”為模糊合成算子,本文采用m(?,+)是一種較為廣泛應(yīng)用的加權(quán)平均型算子模型。其特點是既充分運用評價因子數(shù)據(jù),又能明顯地體現(xiàn)各評價因子的權(quán)重差異,且具有較強的綜合作用。
上式的模糊變換分兩部分完成:第一步是權(quán)重向量與單因素評價模糊矩陣進行乘法運算,對于空間圖像,其運算過程是權(quán)重向量與每一個等級的所有因子圖層進行加權(quán)平均運算,生成相對于一個評語等級的隸屬度圖層。第二步為求解出各指標(biāo)對三個評價等級的隸屬度之后,根據(jù)最大隸屬度原則,來判斷最終的評價結(jié)果等級。
8、天鷹椒適宜性綜合評價結(jié)果大數(shù)據(jù)多維分析
武清區(qū)天鷹椒適宜性評價結(jié)果表明全區(qū)最適宜、適宜和不適宜土地面積分別為1355.48畝、3312.74畝和1440.59畝,分別占全區(qū)參評土地總面積的2.23%、5.45%和2.37%。
9、天鷹椒適宜性綜合評價結(jié)果gis多圖層輸出
天鷹椒最適宜區(qū)主要集中在武清南部地區(qū)。這些地區(qū)主要是海拔0-50m的平原,濕度適宜,在天鷹椒生長旺季4-6月的濕度都穩(wěn)定在75-90%之間,熱量充足,年平均氣溫均大于15℃,大于10℃的年積溫也是處在4500℃以上,冬季極端最低溫度≤-18℃的頻率都小于20%,土壤為砂壤質(zhì)紅壤和黃壤,正常情況下天鷹椒生產(chǎn)能獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。
天鷹椒適宜區(qū),主要分布在武清區(qū)東部,土壤主要是水稻土、紅、黃壤,冬季極端最低溫度≤-18℃的頻率大于20%以上,天鷹椒產(chǎn)量不穩(wěn)定,這些地區(qū)可作為武清蔬菜的生態(tài)效益而發(fā)展。
天鷹椒不適宜區(qū),主要在武清區(qū)西北部,冬季極端最低溫度≤-18℃的頻率大于50%以上,此區(qū)域天鷹椒容易受到凍害,因此這些地區(qū)不宜盲目發(fā)展天鷹椒生產(chǎn)。