一种并行的土地资源质量评价因子空间量化方法技术

本发明专利技术涉及一种并行的土地资源质量评价因子空间量化方法，包括对评价空间区域进行并行离散化、土地资源质量评价因子分层和土地资源质量评价因子并行空间量化。本发明专利技术总体上具有简单、快速的特点，适用于在具有多CPU、多核的个人计算、小型工作站和计算机集群上执行。本发明专利技术对于充分发挥当前计算机的硬件计算潜能、缩短土地评价工作时间、提高工作效率具有重要的现实意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于土地资源质量评价
，特别是涉及ー种并行的土地资源质量评价因子空间量化方法。
技术介绍
( I) 土地资源质量评价技术随着21世纪的到来，人类面临的人口问题、粮食安全问题等诸多全球性问题日益严峻。我国作为人口大国，土地资源相对稀缺，如何合理利用土地，实现土地资源的可持续利用是当前迫切需要解决的问题。因此，采用科学的技术手段和方法对土地资源的质量进行评价，是促进土地资源合理利用的必要手段。根据联合国粮农组织FAO的定义，土地资源质量评价(简称为“土地评价”)是指对土地针对特定的利用方式所表现出来的效果进行评估的过程，包括对土地的形态、土壤、植被、气候等方面属性进行质量综合鉴定，从而区分并比较不同土地利用方式对评价目标所表现出的适宜性程度。有关文献[I] FAO. Land Evaluation. Towards a revisedframework. 2007.。在借鉴国外先进技术的基础上，我国已形成了包括针对农用地与建设用地的土地分等、定级、估价、土地适宜性评价、土地集约利用评价、土地退化评价等在内的符合当前国情需求的土地评价体系。(2) 土地资源质量评价因子及其空间量化技术在进行评价土地资源质量时，对土地资源质量有着显著影响的各种因素实体如商服中心、集贸市场、灌溉水源、道路网络等对象，被定义为“土地资源评价因子”(简称为“评价因子”)或“土地资源评价指标”。评价因子的规模(或大小)、对土地质量影响的空间范围、评价因子和土地之间的距离等不同，造成了评价因子在空间上的影响强度不同。因此，在进行土地评价时，需要根据评价因子的規模、空间影响范围，计算出因子在评价区域内各处土地的影响强度，这ー过程称之为评价因子的空间量化。有关文献[2]国家质量监瞀检验检疫总局.城镇土地分等定级规程(GB/T 18507-2001) [S] . 2001;有关文献[3]国土资源部.农用地定级规程(TD/T1005-2004) [S]·2003。在进行评价因子空间量化时，通常需要将评价区域按照一定大小的栅格象元或矢量网格进行离散，在此基础上计算评价因子在各网格处的影响强度。由于土地资源质量评 价范围通常可达数十平方公里，为了获得较高的计算精度，评价区域通常按照50-100米的间距进行离散，因而涉及数十万网格的数据处理，计算量巨大。按照目前的评价因子量化方法，在当前主流配置的个人计算机上对ー个对于I个中等城市的单个评价因子空间进行量化计算，其过程通常需要1-2个小吋。而土地资源评价过程通常涉及10-20个评价因子，可见其计算过程非常耗时。因此，必须充分发挥计算机软硬件发展的最新成果，提高计算效率。(3)并行计算技术并行计算(也称为高性能计算、超级计算)是在并行计算平台下执行的计算。采用并行计算的主要目的在于提高计算机解决问题的速度和規模。有关文献[4]:龙柏.并行计算平台上的数据索引技术研究[D].中国科学技术大学.2011.随着计算机软硬件技术的快速发展，网格、多核处理器、集群、桌面超级计算机、云计算等先进计算设施先后出现，为提高大规模计算问题的求解速度和效率提供了重要的技术支撑。此外，个人计算机上的CPU也日益朝着多核化的方向发展(从双核、四核、八核向更多核数发展)，使得并行计算的硬件成本更加低廉。另ー方面，OpenMP、MPICH、OpenMPI、MapReduce等并行编程规范的出现,也大大降低了并行软件开发的门槛。因此，如何充分利用多核CPU的计算能力，提高大规模计算问题的求解速度和效率，是未来程序开发和科学计算中面临的主要问题
技术实现思路
针对现有的串行土地资源质量评价因子空间量化方法中存在的低效、耗时等问题，本专利技术将根据评价因子量化所涉及的空间数据的特点，结合计算机硬件特点，设计空间数据分解并行策略，充分挖掘多核计算机的计算潜力，提高评价因子空间量化的效率，缩短工作时间。本专利技术的技术方案为ー种并行的土地资源质量评价因子空间量化方法，包括以下步骤步骤1，对评价空间区域进行并行离散化，包括以下子步骤，步骤I. 1，根据计算机CPU的数量N，采用数据横向分解的方式，将评价空间区域划分为N个子区域；步骤I. 2，将N个子区域分配给N个CPU进程，每个CPU进程将ー个子区域离散成固定大小的网格，并各自输出子区域内的离散結果，离散结果采用shp格式的矢量文件进行存储，得到N个离散网格矢量文件；步骤2，土地资源质量评价因子分层，包括以下子步骤，步骤2. 1，设所有的土地质量评价因子按空间影响特性分成M类，将每类土地质量评价因子分别存储在ー个数据图层中，得到M个评价因子图层；步骤2. 2，将步骤I所得N个离散网格矢量文件复制成M份，得到NXM个用于存储评价因子空间量化结果的离散网格矢量文件；步骤3，土地资源质量评价因子并行空间量化，包括以下子步骤，步骤3. 1，将NXM个离散网格文件按子区域分配给N个CPU进程，每个CPU进程用于处理ー个子区域内的M类土地质量评价因子的量化计算，各CPU进程在计算过程中采用MPI实现进程间的通信；在每个CPU进程内，采用OpenMP节点内并行技术开辟M个线程，每个线程分别进行一个评价因子图层的量化计算，所得评价因子量化结果分别存入对应的离散网格矢量文件；步骤3. 2，将每个子区域内包含的M个离散网格矢量文件合并到ー个文件中，共得到N个文件；步骤3. 3，将步骤3. 2中所得N个文件合并成ー个文件，得到最終的计算結果。而且，步骤3. I中，任一线程上进行ー个评价因子图层的量化计算时，对任ー网格进行以下步骤，步骤a，分别计算当前网格与当前评价因子图层中每个土地质量评价因子之间的空间距离，并找出最近的土地质量评价因子，记为F ；步骤b，获得土地质量评价因子F的规模指数f，作用半径D，步骤C，计算土地质量评价因子F在当前网格处影响强度S，计算公式如下S =/x(l--)D其中，d为土地质量评价因子F距离当前网格的空间距离。本专利技术总体上具有简单、快速的特点，适用于在具有多CPU、多核的个人计算、小型工作站和计算机集群上执行。本专利技术对于充分发挥当前计算机的硬件计算潜能、缩短土 地评价工作时间、提高工作效率具有重要的现实意义。相对于传统串行的评价因子空间量化方法，本专利技术主要解决的问题有(1)设计了适用于土地评价因子空间量化的空间数据分解策略对评价因子进行分层、评价范围分区，实现了评价因子空间量化方法的并行化；(2)充分利用当前计算机硬件领域的多CPU、多核化发展趋势，极大的提高计算效率，缩短エ作时间。附图说明图I是本专利技术实施例的流程图；图2是本专利技术实施例的离散网格矢量文件的属性字段结构；图3是本专利技术实施例的多线程计算结果合成示意图。具体实施例方式本专利技术设计的并行土地资源质量评价因子空间量化方法流程见附图1，可采用计算机软件技术实现自动运行流程。实施例具体实现过程如下步骤1，对评价空间区域进行并行离散化，包括以下子步骤，步骤I. 1，根据计算机CPU的数量N，采用数据横向分解的方式，将评价空间区域划分为N个子区域。设可用的CPU数量为N个，实施例将评价区域分解成N个子区域，分别记为{nl, n2, n3..· nN}。步骤I. 2，将N个子区域分配给N个CPU进程，每个CPU进程将ー个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并行的土地资源质量评价因子空间量化方法，其特征是，包括以下步骤 步骤1，对评价空间区域进行并行离散化，包括以下子步骤， 步骤I. I，根据计算机CPU的数量N，采用数据横向分解的方式，将评价空间区域划分为N个子区域； 步骤I. 2，将N个子区域分配给N个CPU进程，每个CPU进程将ー个子区域离散成固定大小的网格，并各自输出子区域内的离散結果，离散结果采用shp格式的矢量文件进行存储，得到N个离散网格矢量文件； 步骤2，土地资源质量评价因子分层，包括以下子步骤， 步骤2. 1，设所有的土地质量评价因子按空间影响特性分成M类，将每类土地质量评价因子分别存储在ー个数据图层中，得到M个评价因子图层； 步骤2. 2，将步骤I所得N个离散网格矢量文件复制成M份，得到NXM个用于存储评价因子空间量化结果的离散网格矢量文件； 步骤3，土地资源质量评价因子并行空间量化，包括以下子步骤， 步骤3. 1，将NXM个离散网格文件按子区域分配给N个CPU进程，每个CPU进程用于处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘耀林，赵翔，刘殿锋，何建华，焦利民，唐旭，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：