基于gis的耕地質量預警系統(tǒng)研究

基于gis的耕地質量預警系統(tǒng)研究

0國內外耕地預警研究現狀土地恢復是保持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要因素，其核心是確保該地區(qū)耕地總量的動態(tài)平衡。在認識到耕地總量動態(tài)平衡重要性的同時,僅談耕地數量保護難以對耕地資源面臨的嚴峻形勢有清醒的認識,只有結合耕地質量才能綜合反映人口-耕地供需系統(tǒng)中耕地的供給水平。建立耕地質量預警系統(tǒng)可以預報耕地質量超過臨界值的時空范圍和危險程度,對滿足該時段區(qū)域社會經濟發(fā)展需要的耕地狀況實行臨界警戒;同時提出治理方案,對耕地質量進行動態(tài)監(jiān)控,避免耕地質量狀況的嚴重惡化。目前有關土地利用動態(tài)監(jiān)測和宏觀經濟預警,農業(yè)經濟預警研究比較多,理論和方法相對比較成熟,然而有關耕地預警的研究較少,針對耕地質量研究構建的預警系統(tǒng)則更少。目前耕地預警研究主要分為如下4類,其一為耕地數量預警研究,饒應祥、蔡運龍等提出了人均耕地警戒值的測算思路和計算方法,從糧食安全的角度分析了人均耕地數量的警度。彭補拙等將有關經濟、環(huán)境預警的基本方法引入耕地預警研究中,運用統(tǒng)計法與模型法對城市邊緣區(qū)耕地數量變化進行了探討。此類研究主要對耕地數量變化進行監(jiān)測、預警,并實現了預警的部分流程。其二為耕地預警理論、方法體系研究,黃賢金等闡述了生態(tài)經濟理論所包含的警義、警源、警兆、警度4個方面的基本內容,提出了構建中國耕地生態(tài)經濟預警系統(tǒng)的基本思路和方法。劉友兆等提出了耕地質量預警的必要性、意義、基本內容和基本方法。劉艷芳提出了多尺度耕地供需動態(tài)平衡預警體系。VijendraKumar建立了干旱區(qū)農業(yè)耕地預警系統(tǒng)。趙燁等提出了建立了農用地資源安全的監(jiān)測、評價、預警系統(tǒng)的基本框架。此類研究概括了耕地預警的理論方法體系,并提出了耕地預警的相關方法,但是較少涉及實證研究。其三為土壤性狀質量預警研究,Jongschaap基于遙感手段建立了Rotask模型,并對土壤質量和糧食產量進行預警。Herrick分析了土壤質量和土地可持續(xù)利用的相關關系,并提出需建立耕地預警系統(tǒng)以保障土地可持續(xù)利用得以實現。此類研究對耕地質量中的土壤性狀質量進行了預警研究,但其研究結果未與耕地分等結果相結合,難以反映耕地質量的總體水平。其四為區(qū)域整體耕地質量預警研究,葛向東等將有關經濟、環(huán)境預警的基本方法引入耕地預警研究中,運用統(tǒng)計法與模型法對耕地總量動態(tài)平衡的監(jiān)測和預警進行了探討。這類研究建立了耕地質量預警指標體系,并實現了預警的各個流程,是較為完整的耕地質量預警系統(tǒng),但是其預警結果是以整個研究區(qū)域為單位,無法針對每個評價單元的警情提出具體的排警措施。綜合上述國內外的研究結果可發(fā)現,耕地預警理論體系已經初步形成,并正在逐步完善,但是已有研究多集中在耕地數量預警方面,耕地質量預警研究涉及較少或不夠全面。本研究試圖基于已有研究,在耕地質量評價及其變化特征分析的基礎上,設計耕地質量預警系統(tǒng),并以江蘇省金壇市為例,進行耕地質量預警系統(tǒng)的實證研究。1預警系統(tǒng)的總體設計1.1分析警跡,預報警度耕地質量預警和其他預警一樣,是一個明確警情→尋找警源→分析警兆→預報警度→排警的過程。明確警情是監(jiān)測預警研究的基礎,而尋找警源、分析警兆屬于對警情的因素分析及定量分析,預報警度則是預警目標所在。譬如,當我們利用耕地質量預警系統(tǒng)發(fā)現某個區(qū)域的耕地質量呈下降趨勢(明確警情),我們就要及時的分析引起耕地質量下降的原因(尋找警源),給出未來若干年內耕地質量預測指標下降的具體額度和耕地質量所處的具體狀態(tài)(分析警兆、預報警度),并提出相應的解決措施,為避免耕地質量下降提供相應的解決措施(排除警情)。總體流程見圖1。1.2建立耕地質量預警數據庫根據系統(tǒng)的設計目標和用戶的需求,將系統(tǒng)劃分為7個功能模塊:1)數據錄入及維護模塊:提供各種圖形和屬性數據的維護。包括土地利用數據、耕地質量監(jiān)測數據、社會經濟數據的輸入、修改、編輯、刪除等。2)圖形編輯、瀏覽模塊:提供對土地利用現狀圖、土壤圖、行政界線圖、耕地質量預警評價單元圖形的瀏覽。3)查詢模塊:提供完善的以文查圖和以圖查文功能?？筛鶕傩詳祿檎覉D形,亦可從圖形查詢相應的屬性數據。4)統(tǒng)計分析及輸出打印功能:將統(tǒng)計結果以統(tǒng)計圖、統(tǒng)計表和專題圖形式顯示并可輸出打印。5)預警模型應用模塊:通過選取警兆指標,建立預警模型,預報耕地質量超越臨界值的危險狀況,并按照無警、輕警、中警、重警、巨警5個等級對警情進行判定。該模塊為系統(tǒng)的核心模塊,在該模塊中,用戶還可根據不同的警兆指標選取不同的預測方法對警兆指標進行預測,有回歸分析模型、灰色模型、時間序列分析模型等多種預測模型可供選擇。6)預警決策支持模塊:針對耕地質量警情判定,提出相應的的方案供用戶選擇,以便及時排除耕地質量警情,為耕地保護工作提出對應的決策支持。7)系統(tǒng)維護模塊:對不同的用戶的設定不同的訪問權限管理。耕地質量預警系統(tǒng)數據庫分為空間數據庫和非空間數據庫,空間數據庫包括耕地質量預警評價圖斑、土壤圖、土地利用現狀數據、耕地質量監(jiān)測數據等矢量數據以及遙感影像、數字地面模型等柵格數據;非空間數據庫包括屬性數據、統(tǒng)計分析后獲得的數據、其他文檔數據、元數據。1.3變化率的計算耕地質量涉及面較廣,不僅包括生態(tài)性質量(生態(tài)、空間、時間質量),還包括管理性質量(區(qū)位、保護、改造質量),經咨詢相關領域專家,本研究選取能反映耕地質量變化情況的綜合性能指標-耕地質量綜合指數變化率作為耕地質量預警系統(tǒng)的警情指標,耕地質量綜合指數的計算公式如下:式中S——耕地質量綜合指數;Si——耕地質量評價單元內各個評價因子的的分值;Wi——耕地質量評價單元內各個評價因子相對應的權重。耕地質量綜合指數可解釋為在最優(yōu)土地利用水平和最優(yōu)經濟條件下,該評價單元內耕地所能實現的最大可能單產水平。因此,可稱之為耕地的“本底”產量。耕地質量評價因子的選擇應針對不同區(qū)域由專家評判確定,一般應涵蓋耕地土壤屬性、自然環(huán)境條件、農田基本建設等各個方面,相應地選擇這些評價因子的變化率作為耕地質量預警系統(tǒng)的警兆指標。1.4耕地質量警影變量的計算耕地質量預警是要預報耕地質量警情與警兆的警度,而警情警度則通過警情警限(L)來判別,警兆警度則依據警兆警區(qū)(R)來判定。先利用區(qū)間分析、歷史分析、數學方法等綜合確定耕地質量警情的無警、輕警、中警、重警、巨警的警限L,再根據L來確定對應的耕地質量警兆變量的無警、輕警、中警、重警、巨警的警區(qū)R。具體方法是,當警兆變量(X)與警情變量(Y)正相關時,當警兆變量與警情變量負相關時,式中Xmax、Xmin——各個警兆變量的最大值與最小值;Ymax、Ymin——警情變量的最大值與最小值;rn——警兆變量各警區(qū)之間的分界值;ln——警情變量各警限之間的分界值,n=1,2,3,4則對應無警與輕警、輕警與中警、中警與重警、重警與巨警之間的分界,報警區(qū)間(-r1,r1-r2,r2-r3,r3-r4,r4-)以及(-l1,l1-l2,l2-l3,l3-l4,l4-)分別對應警兆、警情的無警、輕警、中警、重警、巨警5個警度。式中ρ——各警兆變量與警情變量的相似系數;Xk——各個警兆變量在k年的監(jiān)測值;Yk——代表警情變量在k年的監(jiān)測值;m——總監(jiān)測年數。1.5．我國有警教育因素的警時代,有預警結果的檢驗方法為:用警兆變量對相應警情變量的預警結果進行檢驗,如預警有效年占預警所有年份的23以上,即為有效,則該警兆變量可用于對警情進行外推預警。用擴散指數DI(Lm)預報警情:假定警兆變量對警情變量的影響重要性(權重)為Wj,且∑Wj=1,則有:規(guī)定警兆變量處于相應的警區(qū)Rm中時,A(Rm)=1,否則A(Rm)=0,Rm和A(Rm)分別表示警兆變量的預警區(qū)間和預警值。當DI(Lm)>.067時,表示警情變量在t時期處于Lm警限中。與m=0,1,2,3,4對應的Rm、Lm分別為警兆與警情的無警、輕警、中警、重警、巨警區(qū)間(警度)。然而,實際情況中,DI(Lm)往往小于0.67,此時需將5種警度對應的DI值由大到小排列,按下述方法進行預警:若兩種警度所擁有的DI值之和大于0.67,則:1)兩警度是相鄰的,基本預警結果介于兩種警度之間;2)兩警度不相鄰,且隔1個或3個警度,預警結果為中間的警度;3)間隔兩個警度,預警結果處于中間的兩個警度之間。若3種警度擁有的DI值之和大于0.67,基本預警結果為中間的那個警度。2確認研究2.11金無作為地的耕地質量評價單元金壇市位于江蘇省南部,是寧、滬、杭三角地帶之中樞,耕地墾殖歷史悠久,墾殖指數為47.34%,高于全省平均水平,耕地本底質量優(yōu)越。但隨著經濟發(fā)展,在經濟利益驅動下,耕地不僅從數量上銳減,而且質量逐年下降,區(qū)域土地可持續(xù)利用面臨嚴峻考驗。結合金壇市區(qū)域特征,遵循綜合性、主導性、空間變異性、定量化等原則,由專家評判確定涵蓋耕地土壤屬性、自然環(huán)境條件、農田基本建設等方面的耕地質量評價因子,并由AHP法給出權重(表1)?；诮饓?997~2006年土壤監(jiān)測資料、土地利用更新調查數據、環(huán)境質量監(jiān)測數據、統(tǒng)計年鑒、耕地地力調查數據以及數字高程模型,通過整理、測算,建立金壇市耕地質量評價空間數據庫與屬性數據庫,耕地質量評價單元的劃分采用“疊置法”和“地塊法”相結合,由室內預判和現場校核兩個步驟完成。室內預判采用計算機輔助進行,即利用ArcGIS軟件,以土地利用現狀圖為底圖,疊加土壤圖和行政區(qū)劃圖,按上述劃分原則,遇到不同權屬、不同土壤類別、不同利用現狀即以明顯的線狀地物為界勾出不同單元邊界,如果自然界線(如土種界)與土地利用現狀圖斑不重合時,可用就近的線狀地物取直、歸并,注上統(tǒng)一單元編號。室內預判的單元在外業(yè)調查時,結合單元土地特性、產投情況的調查加以實地校核,邊界不對的進行現場修改、訂正,需要新劃分和合并的,現場加以校核。采用ArcGIS軟件直接在屏幕上量算單元面積,每個評價單元都關聯有相應的耕地質量評價因子的屬性數據。各評價因子與耕地質量的關系主要分為概念型和戒上型曲線、戒下型曲線、峰型曲線以及直線分布等5種類型。概念型因素由專家評判直接給出評語,對于后4種類型,可據惟一差異原則,通過田間試驗擬合經驗公式,根據式(1)得出各評價單元的耕地質量綜合指數,將每一評價單元劃入相應的等級(表2),得到1997~2006金壇市耕地質量變化趨勢圖(圖2)。從圖2可發(fā)現,金壇市耕地主要以一等地和二等地為主,耕地質量總體較好,但是自1997年以來,一等耕地和二等耕地的面積比例總體均呈下降趨勢,一等耕地的面積比例從1997年的48.12%下降至2006年的33.72%,二等耕地面積比例則從1997年的30.19%下降至2006年的24.43%,伴隨而來的是質量稍差的三等地和四等地面積比例的上升。這表明:隨著經濟的發(fā)展,金壇市自然生態(tài)環(huán)境被破壞,高質量耕地面積逐年減少,耕地總體質量呈下降趨勢。如不及時建立耕地質量預警系統(tǒng)實時監(jiān)測耕地質量變化,提出改善耕地質量的有效辦法,必將導致金壇市耕地質量的進一步下降,從而影響區(qū)域糧食安全,并將對人民生活與健康造成嚴重危害。2.2金無砂耕地質量預警數據庫的建立基于上文的設計思路和1997~2006年金壇市耕地質量評價結果,結合GIS技術和數據庫技術建立了金壇市耕地質量預警數據庫,并開發(fā)了金壇市耕地質量預警信息系統(tǒng)。2.2.1耕地質量預警單元分布以2006年為耕地質量預警基準年,以2006年耕地質量評價單元作為耕地質量預警評價單元,共得到耕地質量預警評價單元5637個。遵循本文1.3所作設計,將耕地質量綜合指數變化率作為耕地質量預警系統(tǒng)的警情指標,選取速效P、速效K、有機質含量、坡度、地下水位、有效土層厚度、灌溉保證度、道路通達度等8個耕地質量評價因子的變化率作為警兆指標。2.2.2警情警限劃分采用本文1.4所述的警度劃分方法,確定警情指標與警兆指標的警度需要先確定警情警限(L),亦即要先確定耕地質量綜合指數變化率的警限。我國實行世界上最嚴格的耕地保護政策,因此,在本研究中,耕地質量一下降就預報警度,參照相關研究,按照負數原則,警情警限(L)劃分如下:耕地質量綜合指數變化率大于0視為無警區(qū)間,0~-5%視為輕警區(qū)間,-5%~-10%為中警區(qū)間,-10%~-15%為重警區(qū)間,-15%以上為巨警區(qū)間,因此,l1=0,l2=-0.05,l3=-.010,l4=-.015。根據金壇市耕地質量預警數據庫中1997-2006年警情變量和各警兆變量的監(jiān)測值,獲取警情變量的最大值(Ymax)與最小值(Ymin)、各警兆變量的最大值(Xmax)與最小值(Xmin)以及各警兆變量與警情變量的相似系數ρ,針對警兆變量與警情變量之間的正、負相關關系,將已求解變量分別帶入式(2)、式(3),求得各警兆變量的警區(qū)之間的分界值r1,r2,r3,r4,結合各個警兆變量的具體情況加以調整劃分,結果見表3。2.2.3耕地質量警情統(tǒng)計分析根據上述警限和警區(qū)區(qū)間,根據金壇市耕地質量預警數據庫提供的歷史監(jiān)測數據,對所選警兆指標進行預警檢驗,結果全部通過檢驗。以2008年為目標年,利用預警信息系統(tǒng)所提供的預測功能,針對不同的警兆指標,選擇合適的預測方法,如回歸分析、灰色模型、時間序列分析等,得到各警兆指標的預測值,再用擴散指數DI(Lm)對2008年耕地質量警情進行外推并預警,得到2008年金壇市耕地質量警情分布圖(圖3)及警情統(tǒng)計結果(表4)。根據表4的統(tǒng)計結果,2008年警度為無警、輕警、中警、重警、巨警的耕地占全市耕地總面積的比例分別為24.54%、18.80%、26.15%、23.68%、6.83%,其中有警耕地面積合計達到75.46%,這說明金壇市耕地質量下降趨勢明顯,如不采取積極措施保護耕地、提高耕地質量,2008年金壇市將出現較為嚴重的耕地質量警情。阻止耕地質量下降的具體措施可參考系統(tǒng)提供的輔助決策功能,具體操作措施為:首先對照耕地質量警情分布圖,針對每個有警單元種植作物的種類(金壇市的種植作物主要為水稻與小麥),根據各警兆指標的警度區(qū)間進行單指標預警,如200