基于gis的耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)研究

基于gis的耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)研究

0國內(nèi)外耕地預(yù)警研究現(xiàn)狀土地恢復(fù)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(dòng)態(tài)平衡。在認(rèn)識(shí)到耕地總量動(dòng)態(tài)平衡重要性的同時(shí),僅談耕地?cái)?shù)量保護(hù)難以對(duì)耕地資源面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)有清醒的認(rèn)識(shí),只有結(jié)合耕地質(zhì)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(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)可以預(yù)報(bào)耕地質(zhì)量超過臨界值的時(shí)空范圍和危險(xiǎn)程度,對(duì)滿足該時(shí)段區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的耕地狀況實(shí)行臨界警戒;同時(shí)提出治理方案,對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,避免耕地質(zhì)量狀況的嚴(yán)重惡化。目前有關(guān)土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測和宏觀經(jīng)濟(jì)預(yù)警,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)預(yù)警研究比較多,理論和方法相對(duì)比較成熟,然而有關(guān)耕地預(yù)警的研究較少,針對(duì)耕地質(zhì)量研究構(gòu)建的預(yù)警系統(tǒng)則更少。目前耕地預(yù)警研究主要分為如下4類,其一為耕地?cái)?shù)量預(yù)警研究,饒應(yīng)祥、蔡運(yùn)龍等提出了人均耕地警戒值的測算思路和計(jì)算方法,從糧食安全的角度分析了人均耕地?cái)?shù)量的警度。彭補(bǔ)拙等將有關(guān)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境預(yù)警的基本方法引入耕地預(yù)警研究中,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)法與模型法對(duì)城市邊緣區(qū)耕地?cái)?shù)量變化進(jìn)行了探討。此類研究主要對(duì)耕地?cái)?shù)量變化進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警,并實(shí)現(xiàn)了預(yù)警的部分流程。其二為耕地預(yù)警理論、方法體系研究,黃賢金等闡述了生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論所包含的警義、警源、警兆、警度4個(gè)方面的基本內(nèi)容,提出了構(gòu)建中國耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)預(yù)警系統(tǒng)的基本思路和方法。劉友兆等提出了耕地質(zhì)量預(yù)警的必要性、意義、基本內(nèi)容和基本方法。劉艷芳提出了多尺度耕地供需動(dòng)態(tài)平衡預(yù)警體系。VijendraKumar建立了干旱區(qū)農(nóng)業(yè)耕地預(yù)警系統(tǒng)。趙燁等提出了建立了農(nóng)用地資源安全的監(jiān)測、評(píng)價(jià)、預(yù)警系統(tǒng)的基本框架。此類研究概括了耕地預(yù)警的理論方法體系,并提出了耕地預(yù)警的相關(guān)方法,但是較少涉及實(shí)證研究。其三為土壤性狀質(zhì)量預(yù)警研究,Jongschaap基于遙感手段建立了Rotask模型,并對(duì)土壤質(zhì)量和糧食產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)警。Herrick分析了土壤質(zhì)量和土地可持續(xù)利用的相關(guān)關(guān)系,并提出需建立耕地預(yù)警系統(tǒng)以保障土地可持續(xù)利用得以實(shí)現(xiàn)。此類研究對(duì)耕地質(zhì)量中的土壤性狀質(zhì)量進(jìn)行了預(yù)警研究,但其研究結(jié)果未與耕地分等結(jié)果相結(jié)合,難以反映耕地質(zhì)量的總體水平。其四為區(qū)域整體耕地質(zhì)量預(yù)警研究,葛向東等將有關(guān)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境預(yù)警的基本方法引入耕地預(yù)警研究中,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)法與模型法對(duì)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡的監(jiān)測和預(yù)警進(jìn)行了探討。這類研究建立了耕地質(zhì)量預(yù)警指標(biāo)體系,并實(shí)現(xiàn)了預(yù)警的各個(gè)流程,是較為完整的耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng),但是其預(yù)警結(jié)果是以整個(gè)研究區(qū)域?yàn)閱挝?無法針對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)單元的警情提出具體的排警措施。綜合上述國內(nèi)外的研究結(jié)果可發(fā)現(xiàn),耕地預(yù)警理論體系已經(jīng)初步形成,并正在逐步完善,但是已有研究多集中在耕地?cái)?shù)量預(yù)警方面,耕地質(zhì)量預(yù)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(zhì)量評(píng)價(jià)及其變化特征分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng),并以江蘇省金壇市為例,進(jìn)行耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)證研究。1預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)1.1分析警跡,預(yù)報(bào)警度耕地質(zhì)量預(yù)警和其他預(yù)警一樣,是一個(gè)明確警情→尋找警源→分析警兆→預(yù)報(bào)警度→排警的過程。明確警情是監(jiān)測預(yù)警研究的基礎(chǔ),而尋找警源、分析警兆屬于對(duì)警情的因素分析及定量分析,預(yù)報(bào)警度則是預(yù)警目標(biāo)所在。譬如,當(dāng)我們利用耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)區(qū)域的耕地質(zhì)量呈下降趨勢(shì)(明確警情),我們就要及時(shí)的分析引起耕地質(zhì)量下降的原因(尋找警源),給出未來若干年內(nèi)耕地質(zhì)量預(yù)測指標(biāo)下降的具體額度和耕地質(zhì)量所處的具體狀態(tài)(分析警兆、預(yù)報(bào)警度),并提出相應(yīng)的解決措施,為避免耕地質(zhì)量下降提供相應(yīng)的解決措施(排除警情)?？傮w流程見圖1。1.2建立耕地質(zhì)量預(yù)警數(shù)據(jù)庫根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和用戶的需求,將系統(tǒng)劃分為7個(gè)功能模塊:1)數(shù)據(jù)錄入及維護(hù)模塊:提供各種圖形和屬性數(shù)據(jù)的維護(hù)。包括土地利用數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的輸入、修改、編輯、刪除等。2)圖形編輯、瀏覽模塊:提供對(duì)土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、行政界線圖、耕地質(zhì)量預(yù)警評(píng)價(jià)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?jù)屬性數(shù)據(jù)查找圖形,亦可從圖形查詢相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。4)統(tǒng)計(jì)分析及輸出打印功能:將統(tǒng)計(jì)結(jié)果以統(tǒng)計(jì)圖、統(tǒng)計(jì)表和專題圖形式顯示并可輸出打印。5)預(yù)警模型應(yīng)用模塊:通過選取警兆指標(biāo),建立預(yù)警模型,預(yù)報(bào)耕地質(zhì)量超越臨界值的危險(xiǎn)狀況,并按照無警、輕警、中警、重警、巨警5個(gè)等級(jí)對(duì)警情進(jìn)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(jù)不同的警兆指標(biāo)選取不同的預(yù)測方法對(duì)警兆指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測,有回歸分析模型、灰色模型、時(shí)間序列分析模型等多種預(yù)測模型可供選擇。6)預(yù)警決策支持模塊:針對(duì)耕地質(zhì)量警情判定,提出相應(yīng)的的方案供用戶選擇,以便及時(shí)排除耕地質(zhì)量警情,為耕地保護(hù)工作提出對(duì)應(yīng)的決策支持。7)系統(tǒng)維護(hù)模塊:對(duì)不同的用戶的設(shè)定不同的訪問權(quán)限管理。耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫,空間數(shù)據(jù)庫包括耕地質(zhì)量預(yù)警評(píng)價(jià)圖斑、土壤圖、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)等矢量數(shù)據(jù)以及遙感影像、數(shù)字地面模型等柵格數(shù)據(jù);非空間數(shù)據(jù)庫包括屬性數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析后獲得的數(shù)據(jù)、其他文檔數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)。1.3變化率的計(jì)算耕地質(zhì)量涉及面較廣,不僅包括生態(tài)性質(zhì)量(生態(tài)、空間、時(shí)間質(zhì)量),還包括管理性質(zhì)量(區(qū)位、保護(hù)、改造質(zhì)量),經(jīng)咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?本研究選取能反映耕地質(zhì)量變化情況的綜合性能指標(biāo)-耕地質(zhì)量綜合指數(shù)變化率作為耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的警情指標(biāo),耕地質(zhì)量綜合指數(shù)的計(jì)算公式如下:式中S——耕地質(zhì)量綜合指數(shù);Si——耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)單元內(nèi)各個(gè)評(píng)價(jià)因子的的分值;Wi——耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)單元內(nèi)各個(gè)評(píng)價(jià)因子相對(duì)應(yīng)的權(quán)重。耕地質(zhì)量綜合指數(shù)可解釋為在最優(yōu)土地利用水平和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)條件下,該評(píng)價(jià)單元內(nèi)耕地所能實(shí)現(xiàn)的最大可能單產(chǎn)水平。因此,可稱之為耕地的“本底”產(chǎn)量。耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因子的選擇應(yīng)針對(duì)不同區(qū)域由專家評(píng)判確定,一般應(yīng)涵蓋耕地土壤屬性、自然環(huán)境條件、農(nóng)田基本建設(shè)等各個(gè)方面,相應(yīng)地選擇這些評(píng)價(jià)因子的變化率作為耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的警兆指標(biāo)。1.4耕地質(zhì)量警影變量的計(jì)算耕地質(zhì)量預(yù)警是要預(yù)報(bào)耕地質(zhì)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(jù)警兆警區(qū)(R)來判定。先利用區(qū)間分析、歷史分析、數(shù)學(xué)方法等綜合確定耕地質(zhì)量警情的無警、輕警、中警、重警、巨警的警限L,再根據(jù)L來確定對(duì)應(yīng)的耕地質(zhì)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(dāng)警兆變量(X)與警情變量(Y)正相關(guān)時(shí),當(dāng)警兆變量與警情變量負(fù)相關(guān)時(shí),式中Xmax、Xmin——各個(gè)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(duì)應(yīng)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(bào)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(duì)應(yīng)警兆、警情的無警、輕警、中警、重警、巨警5個(gè)警度。式中ρ——各警兆變量與警情變量的相似系數(shù);Xk——各個(gè)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(shù)。1.5．我國有警教育因素的警時(shí)代,有預(yù)警結(jié)果的檢驗(yàn)方法為:用警兆變量對(duì)相應(yīng)警情變量的預(yù)警結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),如預(yù)警有效年占預(yù)警所有年份的23以上,即為有效,則該警兆變量可用于對(duì)警情進(jìn)行外推預(yù)警。用擴(kuò)散指數(shù)DI(Lm)預(yù)報(bào)警情:假定警兆變量對(duì)警情變量的影響重要性(權(quán)重)為Wj,且∑Wj=1,則有:規(guī)定警兆變量處于相應(yīng)的警區(qū)Rm中時(shí),A(Rm)=1,否則A(Rm)=0,Rm和A(Rm)分別表示警兆變量的預(yù)警區(qū)間和預(yù)警值。當(dāng)DI(Lm)>.067時(shí),表示警情變量在t時(shí)期處于Lm警限中。與m=0,1,2,3,4對(duì)應(yīng)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(shí)際情況中,DI(Lm)往往小于0.67,此時(shí)需將5種警度對(duì)應(yīng)的DI值由大到小排列,按下述方法進(jìn)行預(yù)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(yù)警結(jié)果介于兩種警度之間;2)兩警度不相鄰,且隔1個(gè)或3個(gè)警度,預(yù)警結(jié)果為中間的警度;3)間隔兩個(gè)警度,預(yù)警結(jié)果處于中間的兩個(gè)警度之間。若3種警度擁有的DI值之和大于0.67,基本預(yù)警結(jié)果為中間的那個(gè)警度。2確認(rèn)研究2.11金無作為地的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)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(shù)為47.34%,高于全省平均水平,耕地本底質(zhì)量優(yōu)越。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,在經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)下,耕地不僅從數(shù)量上銳減,而且質(zhì)量逐年下降,區(qū)域土地可持續(xù)利用面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。結(jié)合金壇市區(qū)域特征,遵循綜合性、主導(dǎo)性、空間變異性、定量化等原則,由專家評(píng)判確定涵蓋耕地土壤屬性、自然環(huán)境條件、農(nóng)田基本建設(shè)等方面的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因子,并由AHP法給出權(quán)重(表1)?；诮饓?997~2006年土壤監(jiān)測資料、土地利用更新調(diào)查數(shù)據(jù)、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒、耕地地力調(diào)查數(shù)據(jù)以及數(shù)字高程模型,通過整理、測算,建立金壇市耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫,耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)單元的劃分采用“疊置法”和“地塊法”相結(jié)合,由室內(nèi)預(yù)判和現(xiàn)場校核兩個(gè)步驟完成。室內(nèi)預(yù)判采用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行,即利用ArcGIS軟件,以土地利用現(xiàn)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(quán)屬、不同土壤類別、不同利用現(xiàn)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(xiàn)狀圖斑不重合時(shí),可用就近的線狀地物取直、歸并,注上統(tǒng)一單元編號(hào)。室內(nèi)預(yù)判的單元在外業(yè)調(diào)查時(shí),結(jié)合單元土地特性、產(chǎn)投情況的調(diào)查加以實(shí)地校核,邊界不對(duì)的進(jìn)行現(xiàn)場修改、訂正,需要新劃分和合并的,現(xiàn)場加以校核。采用ArcGIS軟件直接在屏幕上量算單元面積,每個(gè)評(píng)價(jià)單元都關(guān)聯(lián)有相應(yīng)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因子的屬性數(shù)據(jù)。各評(píng)價(jià)因子與耕地質(zhì)量的關(guān)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(píng)判直接給出評(píng)語,對(duì)于后4種類型,可據(jù)惟一差異原則,通過田間試驗(yàn)擬合經(jīng)驗(yàn)公式,根據(jù)式(1)得出各評(píng)價(jià)單元的耕地質(zhì)量綜合指數(shù),將每一評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澣胂鄳?yīng)的等級(jí)(表2),得到1997~2006金壇市耕地質(zhì)量變化趨勢(shì)圖(圖2)。從圖2可發(fā)現(xiàn),金壇市耕地主要以一等地和二等地為主,耕地質(zhì)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(shì),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(zhì)量稍差的三等地和四等地面積比例的上升。這表明:隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,金壇市自然生態(tài)環(huán)境被破壞,高質(zhì)量耕地面積逐年減少,耕地總體質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。如不及時(shí)建立耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測耕地質(zhì)量變化,提出改善耕地質(zhì)量的有效辦法,必將導(dǎo)致金壇市耕地質(zhì)量的進(jìn)一步下降,從而影響區(qū)域糧食安全,并將對(duì)人民生活與健康造成嚴(yán)重危害。2.2金無砂耕地質(zhì)量預(yù)警數(shù)據(jù)庫的建立基于上文的設(shè)計(jì)思路和1997~2006年金壇市耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果,結(jié)合GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立了金壇市耕地質(zhì)量預(yù)警數(shù)據(jù)庫,并開發(fā)了金壇市耕地質(zhì)量預(yù)警信息系統(tǒng)。2.2.1耕地質(zhì)量預(yù)警單元分布以2006年為耕地質(zhì)量預(yù)警基準(zhǔn)年,以2006年耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)單元作為耕地質(zhì)量預(yù)警評(píng)價(jià)單元,共得到耕地質(zhì)量預(yù)警評(píng)價(jià)單元5637個(gè)。遵循本文1.3所作設(shè)計(jì),將耕地質(zhì)量綜合指數(shù)變化率作為耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的警情指標(biāo),選取速效P、速效K、有機(jī)質(zhì)含量、坡度、地下水位、有效土層厚度、灌溉保證度、道路通達(dá)度等8個(gè)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)因子的變化率作為警兆指標(biāo)。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(biāo)與警兆指標(biāo)的警度需要先確定警情警限(L),亦即要先確定耕地質(zhì)量綜合指數(shù)變化率的警限。我國實(shí)行世界上最嚴(yán)格的耕地保護(hù)政策,因此,在本研究中,耕地質(zhì)量一下降就預(yù)報(bào)警度,參照相關(guān)研究,按照負(fù)數(shù)原則,警情警限(L)劃分如下:耕地質(zhì)量綜合指數(shù)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(jù)金壇市耕地質(zhì)量預(yù)警數(shù)據(jù)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(shù)ρ,針對(duì)警兆變量與警情變量之間的正、負(fù)相關(guān)關(guān)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(jié)合各個(gè)警兆變量的具體情況加以調(diào)整劃分,結(jié)果見表3。2.2.3耕地質(zhì)量警情統(tǒng)計(jì)分析根據(jù)上述警限和警區(qū)區(qū)間,根據(jù)金壇市耕地質(zhì)量預(yù)警數(shù)據(jù)庫提供的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),對(duì)所選警兆指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警檢驗(yàn),結(jié)果全部通過檢驗(yàn)。以2008年為目標(biāo)年,利用預(yù)警信息系統(tǒng)所提供的預(yù)測功能,針對(duì)不同的警兆指標(biāo),選擇合適的預(yù)測方法,如回歸分析、灰色模型、時(shí)間序列分析等,得到各警兆指標(biāo)的預(yù)測值,再用擴(kuò)散指數(shù)DI(Lm)對(duì)2008年耕地質(zhì)量警情進(jìn)行外推并預(yù)警,得到2008年金壇市耕地質(zhì)量警情分布圖(圖3)及警情統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4)。根據(jù)表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(jì)達(dá)到75.46%,這說明金壇市耕地質(zhì)量下降趨勢(shì)明顯,如不采取積極措施保護(hù)耕地、提高耕地質(zhì)量,2008年金壇市將出現(xiàn)較為嚴(yán)重的耕地質(zhì)量警情。阻止耕地質(zhì)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(duì)照耕地質(zhì)量警情分布圖,針對(duì)每個(gè)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(jù)各警兆指標(biāo)的警度區(qū)間進(jìn)行單指標(biāo)預(yù)警,如200