專利名稱：一種基于gis的省域可比耕地質量評價方法
技術領域：
本發(fā)明屬于土地評價與管理領域，具體說一種基于GIS的省域可比耕地質量評價方法。
技術背景 耕地質量評價是在特定的用途下(主要是種植農作物)，對耕地的自然、社會經(jīng)濟兩方面屬性進行綜合、定量評定并劃分等級的過程。
①國外研究 國外的耕地質量評價研究已有兩千多年的歷史。在古希臘、埃及、印度、羅馬古國的文獻史料中，都有關于耕地等級劃分的記載。古羅馬著名的學者和農學家瓦羅在其著作《論農業(yè)》中提出按“農地的價值大小來排列”進行土壤的分級。18世紀以來隨著化學和地質學的發(fā)展，各國學者對土壤性質進行分析并分等定級。而對耕地質量評價體系最早做出較全面和系統(tǒng)闡述的是1886年俄羅斯道庫恰耶夫的“尼日格勒州土地的鑒定材料”的著作，其方法體系目前仍在前蘇聯(lián)各國中應用。前蘇聯(lián)學者針對農業(yè)生產的要求，開展了景觀潛力(或土地質量)評價和鑒定方面的應用研究。Storie(1933)在美國加州所提出SIR(5011知deX尺武ing)指數(shù)，考慮了土壤剖面發(fā)育程度、土壤表面質地、土壤可變性狀等耕地質量的影響。德國財政部(1934)提出“農地評價條例”，根據(jù)土地性狀對產量的影響劃分耕地質量。HalCrow和Stucky(1949)依據(jù)作物估計產量將蒙大拿土壤分成不同的等級，并計算每16公頃土壤的平均質量級別作為稅收的依據(jù)。澳大利亞最大的研究機構聯(lián)邦科學與工業(yè)組織(CSIRO)，把資源調查和評價作為主要研究任務之一，自1946年設立一來，在澳大利亞開展土地資源綜合調查，建立了一套分類和評價系統(tǒng)，并形成一套較為規(guī)范的調查、評價和制圖方法。美國學者KlingebieA.A.(1985)按照土地集約程度將土地劃分為八個潛力級，每個潛力級適用于農、林、牧發(fā)展的不同程度。
二十世紀六十年代以后，國外耕地質量評價進入了明顯不同的發(fā)展階段，開始為區(qū)域開發(fā)和土地利用規(guī)劃服務。隨著更廣泛的資源調查以及遙感等技術手段在資源調查中的應用，土地研究開始由土地清查走向土地評價。1976年聯(lián)合國糧農組織(FAO)頒布了“土地評價綱要”(Framework of landevaluation)(Beroteran，1997)，該綱要從土地的適宜性角度出發(fā)，分為綱、類、亞類、單元四級，主要反映土地的適宜性程度及土地的限制性因素和改良管理措施(FAO，1976)，提供了比較全面的土地特性及其匹配的土地生產力評價和土地利用方式，成為土地資源評價史上的里程碑。1981年美國農業(yè)部土壤保持局提出了，“土地評價和立地評價”系統(tǒng)，主要用于農業(yè)目的的土地評價，對重要農田和農業(yè)土壤的生產力進行評定。這一系統(tǒng)除了考慮耕地的物理和化學特性外，也反映了經(jīng)濟因子；既考慮了土地管理措施，又考慮了耕地的稅收和法規(guī)，具有較好的綜合性、精確性和法律性。另外，加拿大生物土地委員會、荷蘭地學研究所、澳大利亞土地資源研究處以及東歐、南亞、拉美一些國家都廣泛展開了耕地質量評價研究工作。六十年代以后，尤其是隨著GIS技術、信息技術、最優(yōu)化計算等技術的發(fā)展，國外土地生產力定量模擬模型的應用更為廣泛，這一階段評價已經(jīng)開始步入半定量、基本定量化時期。
②國內研究 我國耕地質量評價研究具有悠久的歷史，是世界上研究土地分類、進行土地評價最早的國家。2000多年前的《管子·地員篇》根據(jù)地下水位、自然植被、土壤性質和生產力差異，將土地分為三等十八類，每類又分為五種，共九十種，是世界上最早的土地分類和土地評價的科學著作。《禹貢》一書則根據(jù)土地自然肥力的差別將九州土地分為上、中、下三等，每等又分為上、中、下三級，共九級，并按土地等級規(guī)定田賦標準(王成組，1982)?！吨芏Y·地官司徒》則著重以土壤肥力為主，對九州土壤按顏色和質地進行分類，以土宜之法”發(fā)展生產(王成組，1982)。北魏《齊民要術》一書認為“地勢有良薄，山澤有異宜，順天時，量地利，則用力少而成功多”(繆啟愉，1982)。這些都是世界上最早有關耕地質量評價的著作。而且中國歷史中的各個朝代，都采用各種不同的方式管理土地，進行土地分類和評價，作為制定稅收的依據(jù)。
我國較系統(tǒng)的耕地質量評價研究始于五十年代后的兩次土壤普查，1958年進行了第一次土壤普查。而后又于1979年開展了歷時16年的全國第二次土壤普查。在第二次土壤普查中完成2444個縣、312個國營農場和44個林業(yè)區(qū)的土壤普查，匯總編著了《中國土壤》和《中國土種志》等專著，為開展耕地質量評價提供了詳實的基礎資料。從五十年代中期至七十年代中期，是我國土地資源學科形成的準備時期。結合中國科學院組織的自然資源綜合考察中的土壤地理和土地資源調查進行的土地評價，按水熱條件將全國劃分為區(qū)和副區(qū)，在副區(qū)下又按開墾措施的難易程度分為五等或三等，等以下分組。代表性成果有《新疆土地資源評價與估算》、《內蒙古地區(qū)宜農土地資源》(程鴻，1962)。這一時期的土地評價大多屬于區(qū)域性單項評價研究，與生產建設緊密結合，具有較強的針對性，但由于經(jīng)驗色彩較濃，理論總結不足。七十年代中期開始至八十年代中期，是我國土地評價研究的成熟期。這一時期的土地評價研究由單項評價逐步轉為全面和綜合的土地評價，地區(qū)性研究與全國性研究相結合，遙感技術在土地評價調查與制圖中得到了比較廣泛的應用，并逐步形成了具有我國特色土地評價理論與方法體系。中國科學院、國家計委自然資源綜考會的主持下制定了符合我國國情的土地資源分類和土地評價項目與指標，編制了《中國1100萬土地資源圖》，出版了覆蓋全國的63幅圖件和中國土地資源數(shù)據(jù)庫。這些研究全面系統(tǒng)地總結了過去的土地研究工作，闡明了土地資源及其編圖的一系列理論與方法問題，獲得了各地、各類土地質量的數(shù)據(jù)，有力地推動了我國土地評價理論的深化和方法的發(fā)展。這一時期土地資源研究的主要特點是(1)從地區(qū)性走向全國性的研究；(2)從單項資源走向全國的綜合資源研究；(3)更重要的是從經(jīng)驗上升到理論和系統(tǒng)的研究，從而初步形成了具有我國特色的土地資源學及其研究體系；(4)遙感技術在土地資源制圖中得到較廣泛的應用。八十年代中期，土地質量評價區(qū)域研究從全國或省(區(qū))的大范圍逐步過渡到中、小區(qū)域范圍，更加注重將土地評價研究與區(qū)域土地利用規(guī)劃等實踐任務結合起來。從過去偏重土地的自然評價逐步轉向自然、經(jīng)濟綜合評價，將更多的注意力集中于城市用地和旅游用地評價，從而提高了土地評價成果的實用性。同時，計量方法及遙感、地理信息系統(tǒng)等高新技術在土地評價中得到日益廣泛地應用，增強了土地評價的定量化、自動化和動態(tài)預測性。如“三北”防護林的建設、黃土高原水土流失的綜合治理、北京豐臺區(qū)(申元村，1987)、四川西昌市(楊子生，1989)、河南清豐縣(王國強，1990)、開封市郊(林德光，1990)等縣市的耕地質量評價。2002年—2003年農業(yè)部全國農業(yè)技術推廣服務中心在全國大部分省市開展了耕地地力評價指標體系建立工作，建立了全國耕地分等定級數(shù)據(jù)庫和管理信息系統(tǒng)。
綜上所述目前我國對耕地質量評價整體狀況是①對耕地質量評價的探討重視不夠，對其研究的目的、意義認識不清；②在部分地區(qū)對耕地質量等級作了一些試點性研究，但在評價方法上多以專家經(jīng)驗結合人工評價制圖法進行，方法手段較為落后；③有關GIS支持下的耕地質量評價，特別是農用地分等定級研究至今尚沒有較完善的可推廣的實踐經(jīng)驗和技術體系；④對大區(qū)域、不同類型區(qū)域耕地質量可比評價尚沒有明確的方法技術。
本發(fā)明采用GIS空間疊置技術和采用系統(tǒng)聚類法劃分指標控制區(qū)，主成分分析法確定評價因素，模糊層次法確定權重，分段函數(shù)法將因素指標標準化，采用模塊式設計計算耕地自然質量等指數(shù)、利用等指數(shù)和經(jīng)濟等指數(shù)，構建耕地質量因素組合類比體系，頻率法和等間距法相結合劃分耕地質量等別。既能反映出區(qū)域多層次可比的、宏觀地帶性分異規(guī)律與長期穩(wěn)定的耕地質量，又能精確反映區(qū)域景觀尺度范圍內非地帶性分異規(guī)律、體現(xiàn)短期人為活動影響的耕地質量與社會經(jīng)濟效益?？蔀槭∮蚰酥寥珖刭Y源的合理利用與保護、土地開發(fā)整理提供有力的支持與借鑒，對大區(qū)域或不同類型區(qū)域耕地資源的統(tǒng)一管理明確了支撐技術，從而為制定耕地資源開發(fā)與規(guī)劃利用政策、確保糧食安全提供了技術保障。


發(fā)明內容
本發(fā)明在融合光溫生產潛力、土地生產潛力、土地利用水平與土地效益基礎上，采用模塊化設計應用逐步訂正研究方法建立耕地質量評價體系，以耕地自然質量為核心，通過協(xié)調耕地資源的自然稟賦與持續(xù)高效利用，既反映了可比的、宏觀地帶性分異規(guī)律與長期穩(wěn)定的耕地質量，又能精確反映區(qū)域景觀尺度范圍內非地帶性分異規(guī)律、體現(xiàn)短期人為活動影響的耕地質量與社會經(jīng)濟效益；構建不同尺度可比的耕地資源質量綜合定量化評價技術參數(shù)體系；建立耕地資源質量評價的因素組合類比體系。
一、區(qū)域可比的耕地質量評價技術參數(shù)體系的建立 1評價因素指標控制區(qū)的劃分 基于GIS空間疊置技術，通過對氣候圖和地形地貌圖的疊置整合，形成復合圖，從而確定耕地質量指標控制一級區(qū)，在一級分區(qū)基礎上，根據(jù)二級區(qū)指標，以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為基礎單元，采用系統(tǒng)聚類法分別對一級區(qū)內各鄉(xiāng)進行歸類，通過以下各步的計算實現(xiàn)耕地質量指標控制二級區(qū)的初步劃分。
(1)采用標準差轉換法對各項指標的原始數(shù)據(jù)標準化處理，其公式為 (式1) 其中式中，Xij為各項指標的實際值，Xj為Xij的均值；σj為Xij的標準差。
(2)采用歐氏距離計算各項指標之間的聚類距離，其公式為 (式2) (3)采用離差平方和法進行聚類分析，即設Gp與Gq并類為Gr，則Gr與另一類Gk的距離為(式3) (4)指標控制區(qū)劃分結果檢驗 根據(jù)聚類分析結果，若每個一級區(qū)內包含不同數(shù)量的二級區(qū)，最終結果需要對一級區(qū)內的所有二級區(qū)進行回判檢驗。其數(shù)學方法及步驟簡述如下 ①分別計算各區(qū)判別指標的均值。
②通過計算機求解，得到判定函數(shù)的待定系數(shù)λ，并列出判別函數(shù)的方程于 ③計算兩區(qū)的判別臨界值Rij，計算公式為 (式4) 式中，Rij為第i區(qū)與第j區(qū)的判別臨界值，∑Ai，∑Bi，...，∑Ni為第i區(qū)各指標之和；∑Aj，∑Bj，…，∑Nj為第j區(qū)各指標之和；ni，，nj分別為第i區(qū)、第j區(qū)代表樣點數(shù)。
④計算待判樣點的判別值，并進行歸屬判別。將待判樣點各指標值代入判別函數(shù)，可求得該樣點的

別值R。然后根據(jù)下述條件進行歸屬

別當R在Rij→Ri一側，應歸于i區(qū)；當R在Rij→Rj一側，應歸于j區(qū)。
對于未參加計算及錯

的縣(市)，再結合地形地貌、生態(tài)環(huán)境特征，通過類比法確定其歸屬。
2 耕地質量評價參評因素及權重的確定 影響耕地質量的因素有很多，并且不同指標控制區(qū)影響耕地質量的因素也不盡相同，這極大的增加了確定評價指標體系的難度。為此，提出分層控制指標的技術，通過指標控制區(qū)的劃分，來控制影響耕地質量的因素的選擇，在各指標控制區(qū)，按不同作用尺度構建評價因素指標體系，使質量耕地質量評價因素的選擇有了化繁為簡的基礎。并且本發(fā)明是針對未來保障耕地資源安全與糧食安全戰(zhàn)略進行的耕地質量評價，不是針對影響當前糧食產量高低進行的現(xiàn)實地力評價，因此選擇是影響耕地質量相對穩(wěn)定的自然和社會經(jīng)濟條件。
(1)耕地質量評價參評因素的確定 運用主成分分析法對耕地樣本的影響因素進行研究，為耕地質量評價尋找依據(jù)。通過SPSS14.0軟件，實現(xiàn)主成份分析各步驟，選取特征值大于1.5，累積貢獻率大于75％的主成分代替原始因素。
(2)耕地質量參評因素權重的確定 對于具體的區(qū)域，限制耕地質量的因素有所不同，且同一個因素對當?shù)馗刭|量影響程度也不相同，這給耕地質量的評定的可比性帶來困難，所以有必要針對每個具體的區(qū)域進行影響因素權重的計算。本發(fā)明采用模糊層次法進行限制因子選取和權重確定。
利用粗

集和模糊集的相關理論，首先根據(jù)所用的特征屬性進行模糊聚類，找到最佳分類，將它看作某種決策屬性的分類，可得到按某種假設決策屬性的k等價集。根據(jù)同樣的方法，依次刪除單個屬性Ci再進行模糊聚類，從而得到條件屬性C-{ci}的等價集；然后計算條件屬性與決策屬性之間的依賴程度γ(C-{ci}，D)，求得屬性ci的重要程度；最后利用歸一化重要程度的方法來求解各因素的權重.具體步驟如下 Step1對象集為X＝{x1，x2，...，xn}，條件屬性值為(xi1，xi2，...，xim)，得到原始數(shù)據(jù)矩陣，按模糊聚類分析的一般步驟進行分類。
Step2由F-統(tǒng)計量方法確定最佳置信水平閾值λ，找出最佳分類 Y＝{Y1，Y2，...，Ys}， Yi表示一個等價集.將該分類當作某種決策屬性的等價集的集合. Step3刪除條件屬性ci(i＝1，2，...，m)后，得到刪除后的原始數(shù)據(jù)矩陣，對該矩陣按模糊聚類分析的方法進行分類，利用F-統(tǒng)計量確定最佳置信水平，找出

除條件屬性ci后的最佳分類，得到依次刪除ci的分類集 E＝{E1，E2，...，Em} (式5) 其中對于不同的i值，k也可以不同；表示刪除第i個條件屬性后得到的分類等價集；

表示刪除第i個條件屬性后所得到分類的第l個等價集。
Step4利用粗

集相關原理，求解每個屬性的重要程度.分別求解決策屬性的各等價集的下近似集的并集，公式為 (式6) 其中1≤l≤s，且由條件屬性C-ci決定分類的等價集為由粗糙集定義3計算兩個屬性集的依賴程度 γ(C-{ci}，D)＝|POSC-{ci}(D)|/|U| (式7) 再由粗糙集相關理論定義4求解條件屬性ci的重要程度SGF(ci，C，D). Step5根據(jù)每個條件屬性的重要程度，用歸一化處理方法分配權重，權重分配公式為 (式8) (3)耕地質量參評因素指標分值確定 參評因素對耕地質量等別的影響程度，并不隨因素屬性指標數(shù)據(jù)的增減呈

線性變化，有時是非線性的。所以，這些屬性指標數(shù)據(jù)需進行屬性指標數(shù)據(jù)一因素質量分值的轉換。這種轉換的實質，是進行因素不同指標值的無量綱處理，即得到一個新的因素質量的表征值一一因素指標質量分值。以因素指標質量分值作為耕地質量評價的計算數(shù)據(jù)，能更為

觀、合理地反映參評因素對耕地等別影響作用的大小。
在分析耕地自然質量參評因素各屬性指標值與耕地自然質量的關系基礎上，通過隸屬函數(shù)和直接賦值法，采用百分制相對值方法計算各自然質量參評因素指標分值。
(4)標準耕作制度 本發(fā)明通過主要作物的生態(tài)適宜性分析，針對作物對生態(tài)環(huán)境的要求及其受害情況和不同復種方式對水熱的要求，分別對指標控制二級區(qū)進行分區(qū)域標準耕作制度的確定。
(5)計算作物光溫潛力指數(shù)α 光溫生產潛力是耕地自然質量評定的基礎，它是以當?shù)靥栞椛錇榛A，通過光合、溫度的校正計算而來，具體計算步驟如下 ①總輻射的計算 計算生長季內各月總輻射Qi(cal/cm2.月) Qi＝59QAi*Di*(a+b*Si) (式9) 式中 i＝1，2，...，n農作物生長季內的各月； QAi 各月平均大氣上界日輻射量 Di 各月實際天數(shù)； a、b 各地區(qū)輻射回歸系數(shù) Si 月平均日照百分率。
生長季總輻射Q (式10) i＝1，2，...，n農作物生長季內的各月 ②光合生產潛力的計算 作物生長季內月光合生產速率為Ypi YPi＝(E*Qi)/[h(1-CA)] (式11)

(式12) 式中 i＝1，2，...，n為農作物生長季內的各月； CA 作物灰分含量，取為0.08 h 每形成1克干物質所需的熱量，等于干物質燃燒熱； E 理論光能利用率； ξ 光合有效輻射占總輻射的比例，取為0.49 α 作物生長季的葉面反射率，平均取為0.08 β 作物群體對太陽輻射的漏射率，平均為0.06 γ 光飽和限制率，在自然條件下一般不構成限制，取為0 ρ 作物非光合器官對太陽輻射的無效吸收，取為0.1 ω 作物呼吸損耗率，取為0.3

量子轉化效率，取為0.224 作物生長季光合生產潛力Yp(式13) CH 作物收獲指數(shù)校正系數(shù)，表示收獲的經(jīng)濟產量占作物總生物量的比例。
③光溫生產潛力的計算 各月的光溫生產潛力計算通式 YPTi＝YPi*f(Ti) (式14) 其中 YPti生長季內各月的光溫生產潛力； f(Ti)各月溫度影響函數(shù)，因作物種類而異；水稻、玉米為喜溫作物，小麥為喜涼作物。
喜涼作物

(式15) 喜溫作物

(式16) 式中t作物生長季內各月平均氣溫。
作物生長季內的光溫生產潛力(式17) YPT即作物光溫生產潛力； CH是作物收獲指數(shù)校正系數(shù)。
(6)標準糧產量與產量比系數(shù)β 標準糧產量是以基準作物產量為準，其他指定作物的產量用產量比系數(shù)折算得到的產量。
產量比系數(shù)(β)是基準作物實際產量與當?shù)馗鞣N指定作物單位面積實際產量比值。從理論上講，作物產量比系數(shù)的作用就是為了使不同區(qū)域、種植不同作物的不同地塊的生產能力可進行對比，從而判斷兩地生產能力的高低。實際上就是為不同作物產量之間的轉換提供一個折算系數(shù)，進而使不同作物產量之間具有可比性。
按當?shù)馗鞣N作物光溫生產潛力指數(shù)與基準作物光溫生產潛力指數(shù)之比為產量比系數(shù)。以指標控制一級區(qū)為單位，通過各主要作物光溫生產潛力的計算，按下式計算各指定作物的產量比系數(shù)。產量比系數(shù)＝基準作物光溫生產潛力/指定作物光溫上產潛力 二、采用模塊式設計進行不同層次耕地質量綜合評價 1 耕地自然質量等別的評價 耕地自然質量指耕地能夠連續(xù)不斷地供應和滿足作物生長發(fā)育對光照、溫度、水分和養(yǎng)分的需要，以及支撐作物生長基地和其他環(huán)境條件與性能的總體質量。依據(jù)作物產量形成原理，以耕地的光溫生產潛力為耕地生產潛力的最高值，選擇與耕地自然質量形成密切相關的土壤與地形因素等指標，形成耕地自然質量評價子模塊。耕地自然等指數(shù)的計算依據(jù)下列公式計算 Ri＝∑Rij (式18) 其中，Rij計算公式為Rij＝αj×CLij×βj/100 式中Rij——第i單元第j種指定作物的自然質量等指數(shù)； Ri——第i個評價單元的耕地自然質量等指數(shù)； ∑——連加運算符； αj——第j種作物的光溫生產潛力； CLij——第i個評價單元內種植第j種指定作物的耕地自然質量分值； βj——第j種指定作物的產量比系數(shù)。
其中CLij計算公式為 (i＝1，2，...p；j＝1，2，...n；k＝1，2，...m)(式19) 式中Wk—第k個評價因素的權重； CLij—評價單元指定作物自然質量分，為無量綱數(shù)； i—評價單元編號；j—指定作物編號； k—評價因素編號；p—評價單元的數(shù)目； n—指定作物的數(shù)目；m—評價因素的數(shù)目； fijk—第i個單元內第j種作物第k個評價因素的質量 2 耕地利用質量等別的評價 在特定區(qū)域內盡管局地氣候與耕地自然生態(tài)條件在一定程度上具有相似性，但由于區(qū)域耕地資源的農耕歷史、種植習慣和人類經(jīng)濟活動強度的不同，而造成耕地資源質量具有區(qū)域差異性，耕地生產潛力的開發(fā)與利用受的社會平均利用水平的限制。因此，應對耕地的基礎質量進行社會長期土地利用狀況的修正，即耕地資源利用質量評價。其評價是通過構建以區(qū)域平均實際產量與潛在理論產量比值的耕地利用系數(shù)來修正反映區(qū)域農耕水平、利用強度與勞動態(tài)度等對耕地資源質量發(fā)揮的影響。主要體現(xiàn)相同土地質量與潛力上由于利用水平的差異造成的耕地資源質量的差異，從而建立反映耕地在長期社會平均利用水平條件下形成的耕地資源利用質量評價子模塊。
(1)耕地利用系數(shù)的計算 ①根據(jù)標準耕作制度和產量比系數(shù)，計算樣點的標準糧實際產量 Y＝∑Yj*βj(式20) 式中Y—樣點的標準糧實際產量； Yj—第j種指定作物的實際產量； βj—第j種指定作物的產量比系數(shù)。
②根據(jù)一級指標控制區(qū)指定作物最大產量、產量比系數(shù)計算樣點的最大標準糧單產 Ymax＝∑Yj，max·βj (式21) 式中Ymax—樣點最大標準糧單產； Yj，max—樣點第j種指定作物的最大產量； βj—樣點第j種指定作物的產量比系數(shù)。
③計算樣點的綜合耕地利用系數(shù) KLij＝Yij/Yjmax (式22) 式中KLij—樣點的綜合土地利用系數(shù)； Yij—樣點的標準糧實際產量； Yj，max—指標區(qū)內最大標準糧單產。
(2)耕地利用質量等指數(shù)的計算 耕地利用等指數(shù)按下式計算 Yi＝Ri*KL (式23) 式中Yi—第i個評價單元土地利用等指數(shù)； Ri—第i個評價單元的自然質量等指數(shù)； KL—單元所在等值區(qū)綜合土地利用系數(shù)。
3 耕地經(jīng)濟效益質量等別的評價 具有相同的生產潛力和社會平均利用水平的耕地資源，所體現(xiàn)的僅是區(qū)域耕地資源具有相同的開發(fā)與利用水平。然而由于社會經(jīng)濟條件不同會導致投入產出水平不同，致使同樣土地上獲得的土地收益不同，這就意味著在相同社會平均利用水平條件下的耕地資源其經(jīng)營收益具有差異性。因此按土地報酬遞減率理論，通過建立反映特定區(qū)域耕地的區(qū)域平均投入產出狀況與最優(yōu)平均投入產出比值的耕地經(jīng)濟系數(shù)修正由于經(jīng)濟效益不同造成耕地資源質量的差異，將耕地資源利用質量水平即作物的生產量修正為包含土地投入產出效益的耕地資源經(jīng)濟效益質量。根據(jù)不同區(qū)域間土地社會平均投入產出水平建立耕地資源經(jīng)濟質量評價子模塊。
(1)耕地經(jīng)濟效益系數(shù)的計算 ①計算“產量—成本”指數(shù) 將各樣點調查獲得的投入產出數(shù)據(jù)，按下式計算樣點的“產量—成本”指數(shù) αj＝Yj/Cj (式24) 式中αj—樣點產量—成本指數(shù)； Yj—樣點第j種作物實際產量； Cj—樣點第j種指定作物實際成本。
②按下式計算樣點的綜合耕地經(jīng)濟效益系數(shù) Kc＝α/A (式25) 式中Kc—樣點的綜合土地經(jīng)濟系數(shù)； α—樣點綜合產量—成本指數(shù)； A—指標區(qū)最大產量—成本指數(shù)。
(2)耕地經(jīng)濟效益質量等指數(shù)的計算 耕地利用等指數(shù)經(jīng)過耕地經(jīng)濟系數(shù)修正后，即得耕地經(jīng)濟指數(shù)，其定義式為 Gi＝Yi*Kc(式26) 式中Gi—第i個評價單元的耕地等指數(shù)； Yi—第i個評價單元的耕地利用等指數(shù)； Kc—綜合土地經(jīng)濟系數(shù)。
三、耕地質量因素組合類比體系構建 在耕地質量評價過程中，由于采用因素個數(shù)多，表達不

觀并難于應用GIS技術進行分析，因此，針對耕地質量與因素之間的內在聯(lián)系與特點，通過對影響耕地資源質量的各因素分析，將各評價因素進行分級，并將各評價因素的不同級別以數(shù)字代碼的形式進行一一組合，在對各組合綜合歸納和檔次續(xù)分的基礎上，用因素組合類型

觀表達耕地質量，從而建立反映耕地質量的因素組合類比體系，并以此作為連接縣域、指標控制區(qū)與省域各層次的橋梁，簡化不同尺度耕地資源質量的表達方式。
因素組合的設計采用參評耕地質量評定因素，將參評因素的各個指標級別用數(shù)字代碼表示，再一一組合即形成耕地的各因素組合類型。每種類型的耕地具有唯一的因素組合，每一因素組合代表唯一類型的耕地，耕地因素組合代碼參照因素指標劃分標準的結果確定，不同的指標賦予不同的數(shù)字代碼。例如灌

保證率為充分滿足、表土質地為輕壤、土體構型為通體壤、有機質>2.0的評價單元，其因素組合為1111。
耕地質量等別反映了某一地區(qū)耕地自然質量的高低差異，因素組合是耕地利用系統(tǒng)中主要自然因素而且能夠影響耕地質量的因素及其狀態(tài)的組合體，通過統(tǒng)計耕地質量各等別中因素組合數(shù)量，從而探

因素組合與耕地質量等別的類比關系。
實施例 本發(fā)明通過上述方法對X省進行耕地質量評價。
1 耕地質量評價技術參數(shù)體系的建立 (1)X省評價因素指標控制區(qū)的劃分 ①一級區(qū)的劃分 基于GIS空間疊置技術，通過對X省氣候圖和地形地貌圖的疊置整合，形成復合圖，從而確定X省耕地質量指標控制一級區(qū)，X省評價因素一級區(qū)標控制區(qū)所采用的氣候、地貌劃分指標特征如下表 表1 指標控制區(qū)一級分區(qū)基本特征
②二級區(qū)的劃分 在一級分區(qū)基礎上，根據(jù)上表中二級區(qū)指標，以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為基礎單元，采用系統(tǒng)聚類法分別對八個一級區(qū)內各鄉(xiāng)進行歸類，通過聚類過程，及回判檢驗調整后，最終確定X省耕地質量指標控制區(qū)二級分區(qū)。
(2)耕地質量評價參評因素及權重的確定 ①耕地質量評價參評因素的確定 運用主成分分析法對X省耕地49053個樣本的14個因素進行研究，為耕地質量評價尋找依據(jù)。通過SPSS14.0軟件，實現(xiàn)主成份分析各步驟，選取特征值大于1.5，累積貢獻率大于75％的前3個主成分代替原始因素，得到表3和表4。
表3 影響X省耕地質量前3個主成分的特征值和貢獻率
表4 影響X省耕地質量前3個主成分的因子載荷矩陣
由表4數(shù)據(jù)可以看出，特征值大于1.5的主成分共有3個，并且前三個主成分特征值的

積貢獻率達到76.82％，超過了75％。根據(jù)有關資料，特征值大于1，主成分

具有重要意義，以及

積貢獻率大于75％的原則，來選取主成分，可選前3個主成分。前3個主成分所包含的信息量占總體信息量的76.82％.相應得到的前3個主成分的因子載荷矩陣，表3中顯示了評價X省耕地質量所選14個因素所構成的評價耕地質量的全部信息范圍內的3個主要綜合指標。
各主成分的因子載荷量能反映出各個因素對該綜合指標相對作用的大小。因此根據(jù)各因素的因子載荷量大小即可選取出影響X省耕地質量的主要因素，包括有效土層厚度、表土質地、土體構型、地形坡度、灌

保證率、排水狀況、土壤有機質、鹽漬化程度，共八個因素。
②耕地質量參評因素權重的確定 應用上述方法對23個二級區(qū)的指標進行權重的計算，結果為 表5 X省各指標控制二級區(qū)耕地質量參評因素及權重值
(3)X省標準耕作制度確定結果 通過X省小麥、玉米、水稻等主要作物的生態(tài)適宜性分析，針對作物對生態(tài)環(huán)境的要求及其受害情況和不同復種方式對水熱的要求，分別對指標控制二級區(qū)進行分區(qū)域標準耕作制度的確定。
(4)作物光溫潛力指數(shù)α計算 通過上述方法由上述公式計算可以得到全省各縣(市、區(qū)、場)的光溫生產潛力。
(4)產量比系數(shù)的計算結果 以X省基準作物為基礎，按當?shù)馗鞣N作物光溫生產潛力指數(shù)與基準作物光溫生產潛力指數(shù)之比為產量比系數(shù)。以X省八個指標控制一級區(qū)為單位，通過各主要作物光溫生產潛力的計算，按下式計算各指定作物的產量比系數(shù)。產量比系數(shù)＝基準作物光溫生產潛力/指定作物光溫上產潛力 表7 X省各指標控制區(qū)指定作物光溫潛力及產量比系數(shù)
2 采用模塊式設計進行不同層次耕地質量綜合評價 根據(jù)前述方法，按鄉(xiāng)(鎮(zhèn))計算各評價單元耕地質量指數(shù)Ri、Yi與Gi，并分別按指標控制區(qū)、全省繪制評價單元的各層次質量等指數(shù)Ri、Yi與Gi頻率

方圖。根據(jù)各層次質量等指數(shù)頻率

方圖上的明顯拐點，對各指標控制區(qū)、全省耕地資源各層次質量指數(shù)進行比較并與實地驗證，最終確定耕地資源自然質量、利用質量、經(jīng)濟質量等別分別以200、200、100分為界線進行劃分，標準見下表 表8 X省耕地自然質量等別劃分標準

表9 X省耕地利用質量等別劃分標準
表10 X省耕地經(jīng)濟質量等別劃分標準
3 耕地質量分布規(guī)律及景觀格局 根據(jù)各層次耕地質量劃分標準對X省耕地各層次質量進行等別劃分，并繪制X省耕地資源各層次質量等別圖，見圖3、耕地自然質量等別圖，圖4、耕地利用質量等別圖，圖5、耕地經(jīng)濟效益質量等別圖。
X省耕地自然質量等共劃分十五個等別，數(shù)量分布上，二至六等各等面積比例較大，共占全省面積的64.57％，其中三等地面積最大，為1122454.281公頃，占全省耕地面積17.25％。十四和十五等地面積較小，兩者共占全省面積的1.25％；其中十五等地面積最小，為13638.5046公頃，占X省耕地面積的0.21％；表明X省耕地自然質量總體較優(yōu)。。
X省耕地利用質量等共劃分十四個等別，數(shù)量分布上，一等和二等地面積最小，兩者面積僅占全省面積的0.49％。面積較大的為五等、六等、七等、十一等、十二等和十三等，其中十三等地面積最大，為797987.62公頃，十一等地次之。
經(jīng)濟質量等共劃分十四個等別，各等別面積從一等到十四等有逐漸升高的趨勢。十三等地面積最大，占全省面積比例達18.69％；十四等地次之，為18.36％；一等、二等和三等地面積較小，三者面積之和僅占全省面積比例的0.87％，表明X省農業(yè)投入產出經(jīng)濟效益較低。
4X省組合類型空間分狀況 因素組合的設計采用參評X省耕地質量評定因素，將8個參評因素的各個指標級別用數(shù)字代碼表示，再一一組合即形成耕地的各因素組合類型。每種類型的耕地具有唯一的因素組合，每一因素組合代表唯一類型的耕地，耕地因素組合代碼參照因素指標劃分標準的結果確定，不同的指標賦予不同的數(shù)字代碼。例如灌

保證率為充分滿足、表土質地為輕壤、土體構型為通體壤、有機質>2.0的評價單元，其因素組合為1111。具體因素指標與數(shù)字代碼對應關系見下表 表11 因素指標與數(shù)字代碼對應表
不同指標控制區(qū)影響耕地質量的因素種類和數(shù)量不相同，相應的因素組合的數(shù)量也不相同。但為使因素組合在X省內具有可比性，在因素組合的設計上，因素的代碼組合按照八個因素對耕地質量影響的相對重要程度順序進行位置的固定排列，即不同組合代碼的相同位置所代表的因素是相同的。位置次序固定為灌

保證率、有效土層厚度、表土質地、土體構型、坡度、有機質、土壤鹽漬化、排水狀況。在不同指標控制區(qū)內那些因為能夠充分保障而沒選擇的非限制性因素，仍然留有位置，并且設置代碼為1，通過運用上述建立耕地因素組合模型的方法，對X省評價數(shù)據(jù)進行歸納匯總，最終得到X省1107種耕地因素組合類型。
為了明確由于耕地質量等別差異所導致因素組合類型變化情況。選取1、2等和14、15等分別代表自然質量較高和較低的耕地，并選取具分布面積廣、有代表性的因素組合類型進行比較分析，見下表。
表12 各類型區(qū)耕地自然質量14、15等別區(qū)域因素組合特征
表13 各類型區(qū)耕地自然質量1、2等別區(qū)域因素組合特征

如表12和表13所示14、15等別因素組合類型面積為253848.83公頃，僅占整個X省耕地面積的3.90％，1、2等別因素組合類型面積為1127675公頃，占整個X省耕地面積的17.32％。
X省組合類型空間分狀況如下 (1)X省面積大于100000公頃的因素組合中，21111411、41111411、11111411這3種耕地因素組合類型分布相當廣泛，面積均大于2×105公頃，面積總和占X省耕地面積的12.69％。
(2)X省面積在50000-100000hm2的因素組合中，共有21331411、41111421、11111511、41331411、21111411、21111511、11331311這7個因素組合類型，總面積507909.6公頃占X省耕地面積7.8％。
(3)X省面積在10000-50000hm2的因素組合中，21111311與41111111這種耕地因素組合類型分布相當廣泛。
(4)X省面積小于10000hm2的因素組合類型較多，在全省八個二級指標區(qū)均有

星分布。這是由于X省地形地貌復雜，自然條件差異較大引起的。各區(qū)成土母質不均一；光溫水熱條件各地之間差異明顯，其中水資源分布不均衡，造成灌

保證率各地也有明顯差異，排水條件也多有限制；鹽漬化情況本就屬局部地區(qū)分布。
權利要求
1、一種基于GIS的省域可比耕地質量評價方法，主要以GIS為技術平臺，通過省級參數(shù)宏觀控制和統(tǒng)一標準的指標體系，采用縣級調查基礎數(shù)據(jù)、地市級統(tǒng)一建模計算和建立四層次質量檢查的模式，達到了省域耕地質量評價結果的可比。具體步驟為采用GIS空間疊置技術和采用系統(tǒng)聚類法劃分指標控制區(qū)，主成分分析法確定評價因素，模糊層次法確定權重，分段函數(shù)法將因素指標標準化，采用模塊式設計計算耕地自然質量等指數(shù)、利用等指數(shù)和經(jīng)濟等指數(shù)，構建耕地質量因素組合類比體系，頻率法和等間距法相結合劃分耕地質量等別。
2、根據(jù)權利要求1中所述的耕地質量評價技術參數(shù)體系的建立，其特征在于基于GIS空間疊置技術，通過對氣候圖和地形地貌圖的疊置整合，形成復合圖，從而確定耕地質量指標控制一級區(qū)，在一級分區(qū)基礎上，根據(jù)二級區(qū)指標，以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為基礎單元，采用系統(tǒng)聚類法分別對一級區(qū)內各鄉(xiāng)進行歸類，通過以下各步的計算實現(xiàn)耕地質量指標控制二級區(qū)的初步劃分。
(1)采用標準差轉換法對各項指標的原始數(shù)據(jù)標準化處理，其公式為
(式1)
其中式中，Xij為各項指標的實際值，Xj為Xij的均值；σj為Xij的標準差。
(2)采用歐氏距離計算各項指標之間的聚類距離，其公式為
(式2)
(3)采用離差平方和法進行聚類分析，即設Gp與Gq并類為Gr，則Gr與另一類Gk的距離為
(式3)
(4)指標控制區(qū)劃分結果檢驗
根據(jù)聚類分析結果，若每個一級區(qū)內包含不同數(shù)量的二級區(qū)，最終結果需要對一級區(qū)內的所有二級區(qū)進行回判檢驗。其數(shù)學方法及步驟簡述如下
①分別計算各區(qū)判別指標的均值。
②通過計算機求解，得到判定函數(shù)的待定系數(shù)λ，并列出判別函數(shù)的方程于
③計算兩區(qū)的判別臨界值Rij，計算公式為
(式4)
式中，Rij為第i區(qū)與第j區(qū)的判別臨界值，∑Ai，∑Bi，...，∑Ni為第i區(qū)各指標之和；∑Aj，∑Bj，…，∑Nj為第j區(qū)各指標之和；ni，，nj分別為第i區(qū)、第j區(qū)代表樣點數(shù)。
④計算待判樣點的判別值，并進行歸屬判別。將待判樣點各指標值代入判別函數(shù)，可求得該樣點的判別值R。然后根據(jù)下述條件進行歸屬判別當R在Rij→Ri一側，應歸于i區(qū)；當R在Rij→Rj一側，應歸于j區(qū)。
耕地質量評價參評因素及權重的確定
(1)耕地質量評價參評因素的確定
運用主成分分析法對耕地樣本的影響因素進行研究，為耕地質量評價尋找依據(jù)。通過SPSS14.0軟件，實現(xiàn)主成份分析各步驟，選取特征值大于1.5，累積貢獻率大于75％的主成分代替原始因素。
(2)耕地質量參評因素權重的確定
采用模糊層次法進行限制因子選取和權重確定。首先根據(jù)所用的特征屬性進行模糊聚類，找到最佳分類，將它看作某種決策屬性的分類，可得到按某種假設決策屬性的k等價集。根據(jù)同樣的方法，依次刪除單個屬性Ci再進行模糊聚類，從而得到條件屬性C-{ci}的等價集；然后計算條件屬性與決策屬性之間的依賴程度γ(C-{ci}，D)，求得屬性ci的重要程度；最后利用歸一化重要程度的方法來求解各因素的權重.具體步驟如下
Step1對象集為X＝{x1，x2，...，xn}，條件屬性值為(xi1，xi2，...，xim)，得到原始數(shù)據(jù)矩陣，按模糊聚類分析的一般步驟進行分類。
Step2由F-統(tǒng)計量方法確定最佳置信水平閾值λ，找出最佳分類
Y＝{Y1，Y2，...，Ys}，
Yi表示一個等價集.將該分類當作某種決策屬性的等價集的集合.
Step3刪除條件屬性ci(i＝1，2，...，m)后，得到刪除后的原始數(shù)據(jù)矩陣，對該矩陣按模糊聚類分析的方法進行分類，利用F-統(tǒng)計量確定最佳置信水平，找出刪除條件屬性ci后的最佳分類，得到依次刪除ci的分類集
E＝{E1，E2，...，Em}(式5)
其中對于不同的i值，k也可以不同；表示刪除第i個條件屬性后得到的分類等價集；
表示刪除第i個條件屬性后所得到分類的第l個等價集。
Step4利用粗糙集相關原理，求解每個屬性的重要程度.分別求解決策屬性的各等價集的下近似集的并集，公式為
(式6)
其中1≤l≤s，且由條件屬性C-ci決定分類的等價集為由粗糙集定義3計算兩個屬性集的依賴程度
γ(C-{ci}，D)＝|POSC-{ci}(D)|/|U| (式7)
再由粗糙集相關理論定義4求解條件屬性ci的重要程度SGF(ci，C，D).
Step5根據(jù)每個條件屬性的重要程度，用歸一化處理方法分配權重，權重分配公式為
(式8)
(3)耕地質量參評因素指標分值確定，通過隸屬函數(shù)和直接賦值法，采用百分制相對值方法計算各自然質量參評因素指標分值。
3、根據(jù)權利要求1中所述的耕地質量因素組合類比體系構建，其特征在于通過對影響耕地資源質量的各因素分析，將各評價因素進行分級，并將各評價因素的不同級別以數(shù)字代碼的形式進行一一組合，在對各組合綜合歸納和檔次續(xù)分的基礎上，用因素組合類型直觀表達耕地質量，從而建立反映耕地質量的因素組合類比體系，并以此作為連接縣域、指標控制區(qū)與省域各層次的橋梁，簡化不同尺度耕地資源質量的表達方式。
全文摘要
一種基于GIS的省域可比耕地質量評價方法，主要以GIS為技術平臺，通過省級參數(shù)宏觀控制和統(tǒng)一標準的指標體系，采用縣級調查基礎數(shù)據(jù)、地市級統(tǒng)一建模計算和建立四層次質量檢查的模式，達到了省域耕地質量評價結果的可比。具體步驟為采用GIS空間疊置技術和采用系統(tǒng)聚類法劃分指標控制區(qū)，主成分分析法確定評價因素，模糊層次法確定權重，分段函數(shù)法將因素指標標準化，采用模塊式設計計算耕地自然質量等指數(shù)、利用等指數(shù)和經(jīng)濟等指數(shù)，構建耕地質量因素組合類比體系，頻率法和等間距法相結合劃分耕地質量等別。本發(fā)明可為省域乃至全國耕地差別化精準管理提供科學依據(jù)，對促進耕地資源的合理利用與保護，確保國家糧食安全具有重大意義。
文檔編號G06Q50/26GK101546421SQ20091013174
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月1日 優(yōu)先權日2009年4月1日
發(fā)明者王樹濤, 陳亞恒, 門明新, 朱永明, 周亞鵬, 利 張 申請人:河北農業(yè)大學