一种管理田块的矩形格网构建方法技术

本发明专利技术公开了一种管理田块的矩形格网构建方法，以在大田中获取的土壤采样点数据为数据，建立基于半方差分析和二值线性规划的矩形格网分区。本发明专利技术改善现有管理分区方法，确定最优的管理格网尺寸、保证分区结果的均质性并提高了规则格网构建计算的效率。本发明专利技术方法能够利用不同土壤要素进行矩形分区，与现有大田环境管理分区方法对比，效率提升，应用性、普适性和准确性提高。

【技术实现步骤摘要】
一种管理田块的矩形格网构建方法
本专利技术涉及一种管理田块的矩形格网构建方法，尤其是大面积田块的管理格网构建，具体地说是一种通过对土壤微量元素进行半方差分析得到最优格网尺寸后利用二次线性整数规划进行矩形格网分区的方法。本专利技术公开了一种管理田块的矩形格网构建方法，属于精确农业中田块管理领域，用于大田的管理分区构建。
技术介绍
目前，管理分区分析是根据土壤属性将田块分成多个环境要素相似的管理分区的技术，是实现精确农作的基础。对于田块管理分区来说，选择能直接影响作物产量的土壤环境要素才是有意义的，如土壤酸碱度、土壤含水量、土壤养分等。现有管理分区分析大多数为非监督聚类分析，分类往往由聚类算法决定且生成的分区结果为不矩形的分区。考虑到农业机械的可操作性和不发达地区农户施肥的便利性，分区结果为矩形格网更为合适。通过对大田进行矩形格网的分区管理可以节约肥料、节省劳动力并减少环境污染。然而，现有矩形分区结果也存在着若干问题。首先，在大部分情况下，没有充分采用数据进行分区计算；其次，不同大小的格网尺寸会导致不同的分区结果，需要找到最适合的格网尺寸。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对农田分区管理不规范的问题，提出一种新型矩形格网分区描绘方法。该方法将半方差分析利用到了格网插值的过程中对管理分区格网的最优尺寸进行了判断，并对二次线性整数规划方法进行改进。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案步骤如下：S101采样：算法从研究田块里选取N(h)采样点，并获取土壤环境信息；选择某一土壤环境要素为网格化管理田块的依据要素，记为Z；S102确定最优格网尺寸：绘制采样点的Z变量半方差变异图，拟合评价多种半方差模型，确定最优半方差模型，以最优半方差模型的变程a为最优格网尺寸；S103插值：以田块的最小外接矩形作为管理田块的范围，用尺寸为a*a的格网分割该管理范围，使用普通克里金方法对土壤环境要素Z插值，即计算所有格网的属性值；S104矩形格网实例生成：根据插值结果生成可能存在的所有实例(矩形管理分区)并建立一个与实例数目一致的对应矩阵C，用该对应矩阵C存储所有实例内部格网土壤要素Z的方差；S105最优格网实例选择：以二值整型规划算法确定最优分区实例，并记vi为决策变量，目标为区域分区内部空间变异综合最小，通过求解，获取最优分区实例，即管理田块的矩形格网构建结果。具体的，步骤S101中：实际管理所需的要素数据包括土壤氮含量数据、土壤有机质含量、土壤速效磷含量、土壤速效钾含量等。具体的，步骤S102具体为：S1021、利用采样获取的要素数据绘制关于γ(h)的半方差变异函数图，其公式为：其中，h为半方差变异图自变量，n(h)表示间隔为h时采样点的配对数目，Z(x)是采样点的值；S1022、利用多种半方差理论模型进行拟合得到各模型的半方差曲线，通过交叉验证的方法来评估各模型；选择均值误差接近0且均方差接近1的模型作为最优模型，并确定最优半方差模型的变程a为最优格网尺寸，进行土壤要素Z的插值。所述选择均值误差接近0且均方差接近1的模型作为最优模型，可以通过下式计算：min[a丨x-0丨+b(1-y)]，ab为权重，x、y分别为均值误差和均方差。优选的，a＝b＝1。具体的，步骤S1022中多种半方差理论模型包括线性模型、球状模型、指数模型和高斯模型。具体的，步骤S104具体为：根据插值结果，生成所有的矩形格网实例，建立相关矩阵C＝{cij}，其中，如果实例i覆盖网格j，则cij＝1，否则cij＝0；并计算每个实例i内部格网的土壤要素变量方差具体的，步骤S105具体为：S1051、以二值整型规划算法确定最优分区实例，并记vi∈{0,1}为决策变量，目标为区域分区内部空间变异综合最小，二值整数线性规划由决定；S1052、设置最大网格阈值LX和最小网格阈值LN来保证农机实践的效率和可操作性，其约束公式为：同时引入一个相对变量来对原始方法进行改善，从而保证分区结果的均质性，其约束公式为其中是所有实例总方差，α是保证分区均质性的适宜变异指数，N是实例数量，α取值范围[0.5,1)，ni表示实例i内的采样点个数。本专利技术的有益效果本专利技术方法设计的管理分区格网大小是可精确的表现土壤属性的空间分布形态的最大尺寸，优化了矩形网格管理分区中实例生成。与未改善的方法相比，本专利技术方法运算速度大大加快，是应用于大田生产中更为经济和有效的方法。附图说明图1为是本专利技术的方法流程示意图。图2是本专利技术的插值结果图。图3是本专利技术的各格网氮含量示意图。图4是本专利技术的管理格网构建结果示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于此：如图1所示。本实施例中采集测得大田内多个采样点土壤氮含量数据，制作半方差变异图并利用四种模型拟合出最适合半方差模型的格网尺寸，在确定最适格网范围后进行格网插值。最后利用二值整数线性规划对所有实例进行计算，完成管理田块的矩形格网描绘。S101采样：本实施例在2012年于江苏如皋41块耕地中(近七万平方米)随机设置136个采样点(N(h)＝136)如图2所示，本实施例中采集土壤全氮含量数据(Z变量＝全氮含量，其它实施例中Z可以为土壤有机质含量、土壤速效磷含量、土壤速效钾含量等)。S102计算格网尺寸：绘制土壤全氮含量的半方差图。利用四种半方差理论模型(线性模型、球状模型、指数模型和高斯模型)进行拟合得到各模型的半方差曲线。利用交叉验证法得高斯模型的均值误差为-0.004，均方差为-0.012；球状模型的均值误差为-0.003，均方差为-0.007；环状模型的均值误差为-0.003，均方差为-0.009；指数模型的均值误差为-0.001，均方差为-0.003。因此在本实施例中指数模型为最适模型，其变程为35.075m，本实施例的最优格网尺寸为35m(a＝35m)。S103插值：在研究区绘制35m*35m格网，使用克里金插值计算所有格网的属性值(在本实施例中即土壤全氮含量数值)，结果如图2所示，格网的不同编号代表不同的土壤全氮含量水平，图2为3行18列的格网，图3表示各格网的土壤氮含量，图3所示各格网的土壤氮含量同下表：S104实例生成：根据插值结果，生成所有的矩形格网实例(矩形管理分区)，建立相关矩阵C＝{cij}，其中，如果实例i覆盖网格j，cij＝1，否则cij＝0。并计算每个实例i的土壤要素变量方差，本实施例格网数目为3*18个，总矩形格网实例数目为1026个。S105管理格网构建：以二值整型规划算法确定最优分区实例，并记Vi为决策变量，目标为区域分区内部空间变异综合最小，二值整数线性规划由决定(表示每个实例i内部格网的土壤要素变量方差)；设置最大LX和最小LN网格数量阈值来保证农机实践的效率和可操作性。其约束公式为：同时引入一个相对变量来对原始方法进行改善，从而保证分区结果的均质性，其约束公式为其中是所有实例总方差，N是实例数量。α是保证分区均质性的适宜变异指数，在本实施例中取0.8。图4所示为LX取10，LN取0时本实施例最优规则格网管理方案，1-10代表的是本实施例条件下获得的规则管理分区结果，不同的分区可以使用不同的栽培管理方案。本专利技术未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。本文中所描述的具体实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管理田块的矩形格网构建方法，其特征在于它包括以下步骤：S101采样：从研究田块里选取N(h)采样点，并获取土壤环境信息；选择某一土壤环境要素为网格化管理田块的依据要素，记为Z；S102确定最优格网尺寸：绘制采样点的Z变量半方差变异图，拟合评价多种半方差模型，确定最优半方差模型，以最优半方差模型的变程a为最优格网尺寸；S103插值：以田块的最小外接矩形作为管理田块的范围，用尺寸为a*a的格网分割该管理范围，使用普通克里金方法对土壤环境要素Z插值；S104矩形格网实例生成：根据插值结果生成可能存在的所有实例，并建立一个与实例数目一致的对应矩阵C，用该对应矩阵C存储所有实例内部格网土壤要素Z的方差；S105最优格网实例选择：以二值整型规划算法确定最优分区实例，并记vi为决策变量，目标为区域分区内部空间变异综合最小，通过求解，获取最优分区实例。

【技术特征摘要】
1.一种管理田块的矩形格网构建方法，其特征在于它包括以下步骤：S101采样：从研究田块里选取N(h)采样点，并获取土壤环境信息；选择某一土壤环境要素为网格化管理田块的依据要素，记为Z；S102确定最优格网尺寸：绘制采样点的Z变量半方差变异图，拟合评价多种半方差模型，确定最优半方差模型，以最优半方差模型的变程a为最优格网尺寸；S103插值：以田块的最小外接矩形作为管理田块的范围，用尺寸为a*a的格网分割该管理范围，使用普通克里金方法对土壤环境要素Z插值；S104矩形格网实例生成：根据插值结果生成可能存在的所有实例，并建立一个与实例数目一致的对应矩阵C，用该对应矩阵C存储所有实例内部格网土壤要素Z的方差；S105最优格网实例选择：以二值整型规划算法确定最优分区实例，并记vi为决策变量，目标为区域分区内部空间变异综合最小，通过求解，获取最优分区实例。2.如权利要求1所述一种管理田块的矩形格网构建算法，其特征为：步骤S101中：实际管理所需的要素数据包括土壤氮含量数据、土壤有机质含量、土壤速效磷含量、土壤速效钾含量。3.如权利要求1所述一种管理田块的矩形格网构建算法，其特征为：步骤S102具体为：S1021、利用采样获取的要素数据绘制关于γ(h)的半方差变异函数图，其公式为：其中，h为半方差变异图自变量，n(h)表示间隔为h时采样点的配对数目...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小虎，张杰，蒋理，邱小雷，黄芬，朱艳，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32