一种区域作物耗水空间格局优化设计方法技术

本发明专利技术公开了属于农作物种植技术领域的一种区域作物耗水空间格局优化设计方法。选取研究区域，确定研究作物种类；选取与作物生长相关的评价指标，应用模糊数学原理量化评价指标，消除指标间的量纲差异，形成评价指标隶属度矩阵；计算指标权重，以单方水经济效益最大为目标函数，通过水量约束、邻居约束、转换优先级、转换规则进行优化建立区域作物耗水空间格局优化模型；根据实际情况选择最适合的优化方案，得到优化后作物种植结构及其耗水的空间分布。本发明专利技术除了能对研究的现状年调整作物耗水空间格局以获得更高的经济效益外，更重要的是可应用在未来气候情景下通过调整未来种植作物的空间格局来对作物耗水进行空间优化。

An Optimum Design Method of Regional Crop Water Consumption Spatial Patterns

The invention discloses an optimal design method of regional crop water consumption spatial pattern, which belongs to the field of crop cultivation technology. Select the research area to determine the types of crops; select the evaluation indicators related to crop growth, apply the principle of fuzzy mathematics to quantify the evaluation indicators, eliminate the dimensional differences between indicators, and form the membership matrix of evaluation indicators; calculate the weight of indicators, and take the maximum economic benefits of single water as the objective function, through water constraints, neighborhood constraints, conversion priorities, conversion rules. Optimize the establishment of regional crop water consumption spatial pattern optimization model; select the most suitable optimization scheme according to the actual situation, and get the optimized crop planting structure and spatial distribution of water consumption. The invention can not only adjust the spatial pattern of crop water consumption to obtain higher economic benefits, but also can be applied to spatial optimization of crop water consumption by adjusting the spatial pattern of future crop cultivation in future climate scenarios.

【技术实现步骤摘要】
一种区域作物耗水空间格局优化设计方法
本专利技术属于农作物种植
，特别涉及一种区域作物耗水空间格局优化设计方法。具体说是一种基于元胞自动机模型的区域耗水空间格局优化的设计方法。
技术介绍
水是人们生产生活中不可或缺的一项重要资源，我国属于严重缺水的国家，水资源的空间分布十分不均匀。随着经济发展和人口规模的不断扩大，水资源开发利用的极不合理，使得水资源供需矛盾日益突出，也造成了一系列问题。我国是一个拥有着13亿人口的农业大国，农业关系到我们每个人的切身利益。近年来，《中国水资源公报》显示农业用水占比高达60％左右。这对于将农业作为支柱产业的北方地区来说，水资源成为影响其发展的重要因素。自2012年国务院印发《关于实行最严格水资源管理制度的意见》开始对水资源量进行严格控制后，农业节水变得刻不容缓。在农业可利用水资源总量受限制的情况下，综合考虑作物的生长环境，包括气候、土壤、地形等因素，将有限的灌溉水进行空间优化和分配，调整农业种植结构，为促进区域农业节水、提高经济效益提供了新的方法。目前国内外关于作物耗水的优化多为数量优化，即宏观的对种植结构比例进行调整，具体到空间位置调整的研究很少。作物耗水空间格局优化则更多的考虑作物种植结构的空间分布和数量配置，通常的数学模型是无法表达这种空间的功能的。元胞自动机模型不同于一般的动力学模型，没有明确的方程，而是包含了一系列模型构建的规则，在实际作物耗水优化中能灵活的根据需求进行优化。同时它又是一个基于微观个体相互作用的时空动态模拟模型，通过划分研究对象的元胞空间和研究初始状态及状态转换规则，元胞自动机就能实现自动迭代运算。由于元胞自动机能处理复杂的优化问题，且能进行空间优化，常被应用在景观格局优化方面。基于此，本专利技术针对水资源短缺的现实问题，充分考虑作物耗水影响因子的时空变异性及其生长适宜性，通过建立基于元胞自动机(CellularAutomata)的区域作物耗水空间格局优化模型(WaterConsumptionSpatialOptimization，简称GCA-WCSO)，以单方水经济效益最大为目标，实现区域作物种植结构的调整和耗水的空间格局优化，从而提高当地的经济效益。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种区域作物耗水空间格局优化的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：选取研究区域，确定研究作物种类；步骤2：选取与作物生长相关的评价指标，应用模糊数学原理量化评价指标，消除指标间的量纲差异，形成评价指标隶属度矩阵；分别应用因子分析法和改进的层次分析法计算指标权重，采用多项式组合指标权重值模型计算评价指标组合权重，通过评价模型计算各栅格点上的作物适宜值；利用自然间断法、等间距法、标准差与数据统计法、分位数法对适宜值进行分区，划分作物的生长适宜区间；步骤3：建立基于元胞自动机的区域作物耗水空间格局优化模型(GCA-WCSO)，以单方水经济效益最大为目标函数，通过水量约束、邻居约束、转换优先级、转换规则进行优化；通过设置不同搜索路径和方向对比优化结果，根据实际情况选择最适合的优化方案，得到优化后不同作物的种植区域和面积大小的种植结构分布以及不同作物耗水的空间分布。所述步骤1包括选取研究区域并确定现状年，根据遥感图像通过ArcGIS软件提取研究区内耕地分布，结合当地主要作物的生育期通过NDVI图像识别不同作物类型，得到该区域内的作物空间分布情况；即若当地主要种植作物为玉米，考虑当地玉米的生育期在4月15日至9月25日之间，分析生育期内的所有NDVI影像，提取NDVI值均大于0的栅格即为玉米,否则考虑下一作物类型。所述步骤2选取与作物生长相关的评价指标是综合考虑气候、地形、土壤资源与作物生长的匹配性，选择评价指标时，不仅要考虑各种指标对作物生长的影响，还要兼顾数据的可获取性，同时满足定量化、空间化的要求。所述选择气候因素为作物生育期积温；地形因素为高程、坡度；土壤因素为土壤容重、土壤质地、全氮、全磷、全钾、有机质或pH值共10个指标对各栅格点上的作物生长适宜性进行评价；其评价指标包含了定量指标和定性指标，对于定性指标，需要根据实际情况对其赋值；对评价定量化是采用模糊数学的原理进行评价指标的量化，并消除各个评价指标间的量纲差异，建立评价指标的隶属度矩阵Fj×k；其中j：栅格单元，k：影响因素。所述评价指标又分为：离散型、正向S型和逆向S型指标；对于离散型指标，根据分级标准确定隶属度值，计算公式为式中：f(x)为隶属度值，a1、a2为指标上下限。所述采用多项式组合指标权重值模型计算评价指标组合权重，计算指标组合权值，W＝λ1ω1+λ2ω2式中：W为组合权重值，λ1为因子分析法计算的指标权重的系数，λ2为改进的层次分析法计算的指标权重的系数，ω1为因子分析法计算的指标权重，ω2为改进的层次分析法计算的指标权重；由此通过对各栅格点上的评价指标数据进行频率分析进行分级：对于积温、容重、高程、坡度这类连续型数据，确定每个等级的最大值和最小值；对于其他离散型数据，分析每个指标分级的频率，取单个分级频率大于10％，频率总和在80％以上的分级为各适宜性等级的最佳范围；将得到的各栅格点上的适宜值和适宜等级对比不同作物在同一栅格点上的适宜值大小，选择适宜值最大的为相对优势作物，划分空间相对优势区。所述作物耗水空间格局优化模型，该模型通过MATLAB软件平台进行构建，GIS提供模型的输入数据和输出数据的栅格化，得到相应的优化后的作物种植结构及相应的作物耗水空间格局。本专利技术的有益效果是除了能对研究的现状年调整作物耗水空间格局以获得更高的经济效益外，更重要的是可应用在未来气候情景下通过调整未来种植作物的空间格局来对作物耗水进行空间优化。即在模型中利用未来气候情景下的气象数据计算作物耗水空间分布、未来作物种植的适宜值，计算净灌溉需水量及净灌溉效益，将规划年的农业可用水量及可用耕地面积作为约束条件，修改模型的转换函数，设置不同优化路径和方法，就可以得到优化后的作物种植结构方案及耗水空间格局。除此以外，由于本专利技术基于元胞自动机模型的灵活性，使用者在模型优化使用过程中有其他更多的约束条件，也可以自行在转换函数中进行添加和修改。用以获得区域作物单方水净效益值最大的种植结构分配方案，达到优化区域作物耗水空间格局的目的。附图说明图1为区域作物耗水空间格局优化流程图。具体实施方式本专利技术提供一种区域作物耗水空间格局优化的设计方法，下面结合附图，对优选实施例作详细说明。如图1所示为区域作物耗水空间格局优化流程图。图中所示步骤包括：步骤1：选取研究区域，确定研究区域的作物种类。选取研究区域并确定现状年，根据遥感图像通过ArcGIS软件提取研究区内耕地分布，结合当地主要作物的生育期通过NDVI图像识别不同作物类型，得到该区域内的作物空间分布情况。即若当地主要种植作物为玉米，考虑当地玉米的生育期在4月15日至9月25日之间，分析生育期内的所有NDVI影像，提取NDVI值均大于0的栅格即为玉米,否则考虑下一作物类型。步骤2：选取与作物生长相关的评价指标，应用模糊数学原理量化评价指标，消除指标间的量纲差异，形成评价指标隶属度矩阵。分别应用因子分析法和改进的层次分析法计算指标权重，采用多项式组合指标权重值模型计算评价本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种区域作物耗水空间格局优化的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：选取研究区域，确定研究作物种类；步骤2：选取与作物生长相关的评价指标，应用模糊数学原理量化评价指标，消除指标间的量纲差异，形成评价指标隶属度矩阵；分别应用因子分析法和改进的层次分析法计算指标权重，采用多项式组合指标权重值模型计算评价指标组合权重，通过评价模型计算各栅格点上的作物适宜值；利用自然间断法、等间距法、标准差与数据统计法、分位数法对适宜值进行分区，划分作物的生长适宜区间；步骤3：建立基于元胞自动机的区域作物耗水空间格局优化模型(GCA‑WCSO)，以单方水经济效益最大为目标函数，通过水量约束、邻居约束、转换优先级、转换规则进行优化；通过设置不同搜索路径和方向对比优化结果，根据实际情况选择最适合的优化方案，得到优化后不同作物的种植区域和面积大小的种植结构分布以及不同作物耗水的空间分布。

【技术特征摘要】
1.一种区域作物耗水空间格局优化的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：选取研究区域，确定研究作物种类；步骤2：选取与作物生长相关的评价指标，应用模糊数学原理量化评价指标，消除指标间的量纲差异，形成评价指标隶属度矩阵；分别应用因子分析法和改进的层次分析法计算指标权重，采用多项式组合指标权重值模型计算评价指标组合权重，通过评价模型计算各栅格点上的作物适宜值；利用自然间断法、等间距法、标准差与数据统计法、分位数法对适宜值进行分区，划分作物的生长适宜区间；步骤3：建立基于元胞自动机的区域作物耗水空间格局优化模型(GCA-WCSO)，以单方水经济效益最大为目标函数，通过水量约束、邻居约束、转换优先级、转换规则进行优化；通过设置不同搜索路径和方向对比优化结果，根据实际情况选择最适合的优化方案，得到优化后不同作物的种植区域和面积大小的种植结构分布以及不同作物耗水的空间分布。2.根据权利要求1所述一种区域作物耗水空间格局优化的设计方法，其特征在于，所述步骤1包括选取研究区域并确定现状年，根据遥感图像通过ArcGIS软件提取研究区内耕地分布，结合当地主要作物的生育期通过NDVI图像识别不同作物类型，得到该区域内的作物空间分布情况；即若当地主要种植作物为玉米，考虑当地玉米的生育期在4月15日至9月25日之间，分析生育期内的所有NDVI影像，提取NDVI值均大于0的栅格即为玉米,否则考虑下一作物类型。3.根据权利要求1所述一种区域作物耗水空间格局优化的设计方法，其特征在于，所述步骤2选取与作物生长相关的评价指标是综合考虑气候、地形、土壤资源与作物生长的匹配性，选择评价指标时，不仅要考虑各种指标对作物生长的影响，还要兼顾数据的可获取性，同时满足定量化、空间化的要求。4.根据权利要求3所述一种区域作物耗水空间格局优化的设计方法，其特征在于，所述选择气候因素为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素芬，范云飞，包建霞，何柳月，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11