专利名称：一种基于gis的省域可比耕地质量评价方法
技术领域：
本发明属于土地评价与管理领域，具体说一种基于GIS的省域可比耕地质量评价方法。
技术背景 耕地质量评价是在特定的用途下(主要是种植农作物)，对耕地的自然、社会经济两方面属性进行综合、定量评定并划分等级的过程。
①国外研究 国外的耕地质量评价研究已有两千多年的历史。在古希腊、埃及、印度、罗马古国的文献史料中，都有关于耕地等级划分的记载。古罗马著名的学者和农学家瓦罗在其著作《论农业》中提出按“农地的价值大小来排列”进行土壤的分级。18世纪以来随着化学和地质学的发展，各国学者对土壤性质进行分析并分等定级。而对耕地质量评价体系最早做出较全面和系统阐述的是1886年俄罗斯道库恰耶夫的“尼日格勒州土地的鉴定材料”的著作，其方法体系目前仍在前苏联各国中应用。前苏联学者针对农业生产的要求，开展了景观潜力(或土地质量)评价和鉴定方面的应用研究。Storie(1933)在美国加州所提出SIR(5011知deX尺武ing)指数，考虑了土壤剖面发育程度、土壤表面质地、土壤可变性状等耕地质量的影响。德国财政部(1934)提出“农地评价条例”，根据土地性状对产量的影响划分耕地质量。HalCrow和Stucky(1949)依据作物估计产量将蒙大拿土壤分成不同的等级，并计算每16公顷土壤的平均质量级别作为税收的依据。澳大利亚最大的研究机构联邦科学与工业组织(CSIRO)，把资源调查和评价作为主要研究任务之一，自1946年设立一来，在澳大利亚开展土地资源综合调查，建立了一套分类和评价系统，并形成一套较为规范的调查、评价和制图方法。美国学者KlingebieA.A.(1985)按照土地集约程度将土地划分为八个潜力级，每个潜力级适用于农、林、牧发展的不同程度。
二十世纪六十年代以后，国外耕地质量评价进入了明显不同的发展阶段，开始为区域开发和土地利用规划服务。随着更广泛的资源调查以及遥感等技术手段在资源调查中的应用，土地研究开始由土地清查走向土地评价。1976年联合国粮农组织(FAO)颁布了“土地评价纲要”(Framework of landevaluation)(Beroteran，1997)，该纲要从土地的适宜性角度出发，分为纲、类、亚类、单元四级，主要反映土地的适宜性程度及土地的限制性因素和改良管理措施(FAO，1976)，提供了比较全面的土地特性及其匹配的土地生产力评价和土地利用方式，成为土地资源评价史上的里程碑。1981年美国农业部土壤保持局提出了，“土地评价和立地评价”系统，主要用于农业目的的土地评价，对重要农田和农业土壤的生产力进行评定。这一系统除了考虑耕地的物理和化学特性外，也反映了经济因子；既考虑了土地管理措施，又考虑了耕地的税收和法规，具有较好的综合性、精确性和法律性。另外，加拿大生物土地委员会、荷兰地学研究所、澳大利亚土地资源研究处以及东欧、南亚、拉美一些国家都广泛展开了耕地质量评价研究工作。六十年代以后，尤其是随着GIS技术、信息技术、最优化计算等技术的发展，国外土地生产力定量模拟模型的应用更为广泛，这一阶段评价已经开始步入半定量、基本定量化时期。
②国内研究 我国耕地质量评价研究具有悠久的历史，是世界上研究土地分类、进行土地评价最早的国家。2000多年前的《管子·地员篇》根据地下水位、自然植被、土壤性质和生产力差异，将土地分为三等十八类，每类又分为五种，共九十种，是世界上最早的土地分类和土地评价的科学著作。《禹贡》一书则根据土地自然肥力的差别将九州土地分为上、中、下三等，每等又分为上、中、下三级，共九级，并按土地等级规定田赋标准(王成组，1982)。《周礼·地官司徒》则着重以土壤肥力为主，对九州土壤按颜色和质地进行分类，以土宜之法”发展生产(王成组，1982)。北魏《齐民要术》一书认为“地势有良薄，山泽有异宜，顺天时，量地利，则用力少而成功多”(缪启愉，1982)。这些都是世界上最早有关耕地质量评价的著作。而且中国历史中的各个朝代，都采用各种不同的方式管理土地，进行土地分类和评价，作为制定税收的依据。
我国较系统的耕地质量评价研究始于五十年代后的两次土壤普查，1958年进行了第一次土壤普查。而后又于1979年开展了历时16年的全国第二次土壤普查。在第二次土壤普查中完成2444个县、312个国营农场和44个林业区的土壤普查，汇总编著了《中国土壤》和《中国土种志》等专著，为开展耕地质量评价提供了详实的基础资料。从五十年代中期至七十年代中期，是我国土地资源学科形成的准备时期。结合中国科学院组织的自然资源综合考察中的土壤地理和土地资源调查进行的土地评价，按水热条件将全国划分为区和副区，在副区下又按开垦措施的难易程度分为五等或三等，等以下分组。代表性成果有《新疆土地资源评价与估算》、《内蒙古地区宜农土地资源》(程鸿，1962)。这一时期的土地评价大多属于区域性单项评价研究，与生产建设紧密结合，具有较强的针对性，但由于经验色彩较浓，理论总结不足。七十年代中期开始至八十年代中期，是我国土地评价研究的成熟期。这一时期的土地评价研究由单项评价逐步转为全面和综合的土地评价，地区性研究与全国性研究相结合，遥感技术在土地评价调查与制图中得到了比较广泛的应用，并逐步形成了具有我国特色土地评价理论与方法体系。中国科学院、国家计委自然资源综考会的主持下制定了符合我国国情的土地资源分类和土地评价项目与指标，编制了《中国1100万土地资源图》，出版了覆盖全国的63幅图件和中国土地资源数据库。这些研究全面系统地总结了过去的土地研究工作，阐明了土地资源及其编图的一系列理论与方法问题，获得了各地、各类土地质量的数据，有力地推动了我国土地评价理论的深化和方法的发展。这一时期土地资源研究的主要特点是(1)从地区性走向全国性的研究；(2)从单项资源走向全国的综合资源研究；(3)更重要的是从经验上升到理论和系统的研究，从而初步形成了具有我国特色的土地资源学及其研究体系；(4)遥感技术在土地资源制图中得到较广泛的应用。八十年代中期，土地质量评价区域研究从全国或省(区)的大范围逐步过渡到中、小区域范围，更加注重将土地评价研究与区域土地利用规划等实践任务结合起来。从过去偏重土地的自然评价逐步转向自然、经济综合评价，将更多的注意力集中于城市用地和旅游用地评价，从而提高了土地评价成果的实用性。同时，计量方法及遥感、地理信息系统等高新技术在土地评价中得到日益广泛地应用，增强了土地评价的定量化、自动化和动态预测性。如“三北”防护林的建设、黄土高原水土流失的综合治理、北京丰台区(申元村，1987)、四川西昌市(杨子生，1989)、河南清丰县(王国强，1990)、开封市郊(林德光，1990)等县市的耕地质量评价。2002年—2003年农业部全国农业技术推广服务中心在全国大部分省市开展了耕地地力评价指标体系建立工作，建立了全国耕地分等定级数据库和管理信息系统。
综上所述目前我国对耕地质量评价整体状况是①对耕地质量评价的探讨重视不够，对其研究的目的、意义认识不清；②在部分地区对耕地质量等级作了一些试点性研究，但在评价方法上多以专家经验结合人工评价制图法进行，方法手段较为落后；③有关GIS支持下的耕地质量评价，特别是农用地分等定级研究至今尚没有较完善的可推广的实践经验和技术体系；④对大区域、不同类型区域耕地质量可比评价尚没有明确的方法技术。
本发明采用GIS空间叠置技术和采用系统聚类法划分指标控制区，主成分分析法确定评价因素，模糊层次法确定权重，分段函数法将因素指标标准化，采用模块式设计计算耕地自然质量等指数、利用等指数和经济等指数，构建耕地质量因素组合类比体系，频率法和等间距法相结合划分耕地质量等别。既能反映出区域多层次可比的、宏观地带性分异规律与长期稳定的耕地质量，又能精确反映区域景观尺度范围内非地带性分异规律、体现短期人为活动影响的耕地质量与社会经济效益。可为省域乃至全国耕地资源的合理利用与保护、土地开发整理提供有力的支持与借鉴，对大区域或不同类型区域耕地资源的统一管理明确了支撑技术，从而为制定耕地资源开发与规划利用政策、确保粮食安全提供了技术保障。
发明内容
本发明在融合光温生产潜力、土地生产潜力、土地利用水平与土地效益基础上，采用模块化设计应用逐步订正研究方法建立耕地质量评价体系，以耕地自然质量为核心，通过协调耕地资源的自然禀赋与持续高效利用，既反映了可比的、宏观地带性分异规律与长期稳定的耕地质量，又能精确反映区域景观尺度范围内非地带性分异规律、体现短期人为活动影响的耕地质量与社会经济效益；构建不同尺度可比的耕地资源质量综合定量化评价技术参数体系；建立耕地资源质量评价的因素组合类比体系。
一、区域可比的耕地质量评价技术参数体系的建立 1评价因素指标控制区的划分 基于GIS空间叠置技术，通过对气候图和地形地貌图的叠置整合，形成复合图，从而确定耕地质量指标控制一级区，在一级分区基础上，根据二级区指标，以乡(镇)为基础单元，采用系统聚类法分别对一级区内各乡进行归类，通过以下各步的计算实现耕地质量指标控制二级区的初步划分。
(1)采用标准差转换法对各项指标的原始数据标准化处理，其公式为 (式1) 其中式中，Xij为各项指标的实际值，Xj为Xij的均值；σj为Xij的标准差。
(2)采用欧氏距离计算各项指标之间的聚类距离，其公式为 (式2) (3)采用离差平方和法进行聚类分析，即设Gp与Gq并类为Gr，则Gr与另一类Gk的距离为(式3) (4)指标控制区划分结果检验 根据聚类分析结果，若每个一级区内包含不同数量的二级区，最终结果需要对一级区内的所有二级区进行回判检验。其数学方法及步骤简述如下 ①分别计算各区判别指标的均值。
②通过计算机求解，得到判定函数的待定系数λ，并列出判别函数的方程于 ③计算两区的判别临界值Rij，计算公式为 (式4) 式中，Rij为第i区与第j区的判别临界值，∑Ai，∑Bi，...，∑Ni为第i区各指标之和；∑Aj，∑Bj，…，∑Nj为第j区各指标之和；ni，，nj分别为第i区、第j区代表样点数。
④计算待判样点的判别值，并进行归属判别。将待判样点各指标值代入判别函数，可求得该样点的
别值R。然后根据下述条件进行归属
别当R在Rij→Ri一侧，应归于i区；当R在Rij→Rj一侧，应归于j区。
对于未参加计算及错
的县(市)，再结合地形地貌、生态环境特征，通过类比法确定其归属。
2 耕地质量评价参评因素及权重的确定 影响耕地质量的因素有很多，并且不同指标控制区影响耕地质量的因素也不尽相同，这极大的增加了确定评价指标体系的难度。为此，提出分层控制指标的技术，通过指标控制区的划分，来控制影响耕地质量的因素的选择，在各指标控制区，按不同作用尺度构建评价因素指标体系，使质量耕地质量评价因素的选择有了化繁为简的基础。并且本发明是针对未来保障耕地资源安全与粮食安全战略进行的耕地质量评价，不是针对影响当前粮食产量高低进行的现实地力评价，因此选择是影响耕地质量相对稳定的自然和社会经济条件。
(1)耕地质量评价参评因素的确定 运用主成分分析法对耕地样本的影响因素进行研究，为耕地质量评价寻找依据。通过SPSS14.0软件，实现主成份分析各步骤，选取特征值大于1.5，累积贡献率大于75％的主成分代替原始因素。
(2)耕地质量参评因素权重的确定 对于具体的区域，限制耕地质量的因素有所不同，且同一个因素对当地耕地质量影响程度也不相同，这给耕地质量的评定的可比性带来困难，所以有必要针对每个具体的区域进行影响因素权重的计算。本发明采用模糊层次法进行限制因子选取和权重确定。
利用粗
集和模糊集的相关理论，首先根据所用的特征属性进行模糊聚类，找到最佳分类，将它看作某种决策属性的分类，可得到按某种假设决策属性的k等价集。根据同样的方法，依次删除单个属性Ci再进行模糊聚类，从而得到条件属性C-{ci}的等价集；然后计算条件属性与决策属性之间的依赖程度γ(C-{ci}，D)，求得属性ci的重要程度；最后利用归一化重要程度的方法来求解各因素的权重.具体步骤如下 Step1对象集为X＝{x1，x2，...，xn}，条件属性值为(xi1，xi2，...，xim)，得到原始数据矩阵，按模糊聚类分析的一般步骤进行分类。
Step2由F-统计量方法确定最佳置信水平阈值λ，找出最佳分类 Y＝{Y1，Y2，...，Ys}， Yi表示一个等价集.将该分类当作某种决策属性的等价集的集合. Step3删除条件属性ci(i＝1，2，...，m)后，得到删除后的原始数据矩阵，对该矩阵按模糊聚类分析的方法进行分类，利用F-统计量确定最佳置信水平，找出
除条件属性ci后的最佳分类，得到依次删除ci的分类集 E＝{E1，E2，...，Em} (式5) 其中对于不同的i值，k也可以不同；表示删除第i个条件属性后得到的分类等价集；
表示删除第i个条件属性后所得到分类的第l个等价集。
Step4利用粗
集相关原理，求解每个属性的重要程度.分别求解决策属性的各等价集的下近似集的并集，公式为 (式6) 其中1≤l≤s，且由条件属性C-ci决定分类的等价集为由粗糙集定义3计算两个属性集的依赖程度 γ(C-{ci}，D)＝|POSC-{ci}(D)|/|U| (式7) 再由粗糙集相关理论定义4求解条件属性ci的重要程度SGF(ci，C，D). Step5根据每个条件属性的重要程度，用归一化处理方法分配权重，权重分配公式为 (式8) (3)耕地质量参评因素指标分值确定 参评因素对耕地质量等别的影响程度，并不随因素属性指标数据的增减呈
线性变化，有时是非线性的。所以，这些属性指标数据需进行属性指标数据一因素质量分值的转换。这种转换的实质，是进行因素不同指标值的无量纲处理，即得到一个新的因素质量的表征值一一因素指标质量分值。以因素指标质量分值作为耕地质量评价的计算数据，能更为
观、合理地反映参评因素对耕地等别影响作用的大小。
在分析耕地自然质量参评因素各属性指标值与耕地自然质量的关系基础上，通过隶属函数和直接赋值法，采用百分制相对值方法计算各自然质量参评因素指标分值。
(4)标准耕作制度 本发明通过主要作物的生态适宜性分析，针对作物对生态环境的要求及其受害情况和不同复种方式对水热的要求，分别对指标控制二级区进行分区域标准耕作制度的确定。
(5)计算作物光温潜力指数α 光温生产潜力是耕地自然质量评定的基础，它是以当地太阳辐射为基础，通过光合、温度的校正计算而来，具体计算步骤如下 ①总辐射的计算 计算生长季内各月总辐射Qi(cal/cm2.月) Qi＝59QAi*Di*(a+b*Si) (式9) 式中 i＝1，2，...，n农作物生长季内的各月； QAi 各月平均大气上界日辐射量 Di 各月实际天数； a、b 各地区辐射回归系数 Si 月平均日照百分率。
生长季总辐射Q (式10) i＝1，2，...，n农作物生长季内的各月 ②光合生产潜力的计算 作物生长季内月光合生产速率为Ypi YPi＝(E*Qi)/[h(1-CA)] (式11)
(式12) 式中 i＝1，2，...，n为农作物生长季内的各月； CA 作物灰分含量，取为0.08 h 每形成1克干物质所需的热量，等于干物质燃烧热； E 理论光能利用率； ξ 光合有效辐射占总辐射的比例，取为0.49 α 作物生长季的叶面反射率，平均取为0.08 β 作物群体对太阳辐射的漏射率，平均为0.06 γ 光饱和限制率，在自然条件下一般不构成限制，取为0 ρ 作物非光合器官对太阳辐射的无效吸收，取为0.1 ω 作物呼吸损耗率，取为0.3
量子转化效率，取为0.224 作物生长季光合生产潜力Yp(式13) CH 作物收获指数校正系数，表示收获的经济产量占作物总生物量的比例。
③光温生产潜力的计算 各月的光温生产潜力计算通式 YPTi＝YPi*f(Ti) (式14) 其中 YPti生长季内各月的光温生产潜力； f(Ti)各月温度影响函数，因作物种类而异；水稻、玉米为喜温作物，小麦为喜凉作物。
喜凉作物
(式15) 喜温作物
(式16) 式中t作物生长季内各月平均气温。
作物生长季内的光温生产潜力(式17) YPT即作物光温生产潜力； CH是作物收获指数校正系数。
(6)标准粮产量与产量比系数β 标准粮产量是以基准作物产量为准，其他指定作物的产量用产量比系数折算得到的产量。
产量比系数(β)是基准作物实际产量与当地各种指定作物单位面积实际产量比值。从理论上讲，作物产量比系数的作用就是为了使不同区域、种植不同作物的不同地块的生产能力可进行对比，从而判断两地生产能力的高低。实际上就是为不同作物产量之间的转换提供一个折算系数，进而使不同作物产量之间具有可比性。
按当地各种作物光温生产潜力指数与基准作物光温生产潜力指数之比为产量比系数。以指标控制一级区为单位，通过各主要作物光温生产潜力的计算，按下式计算各指定作物的产量比系数。产量比系数＝基准作物光温生产潜力/指定作物光温上产潜力 二、采用模块式设计进行不同层次耕地质量综合评价 1 耕地自然质量等别的评价 耕地自然质量指耕地能够连续不断地供应和满足作物生长发育对光照、温度、水分和养分的需要，以及支撑作物生长基地和其他环境条件与性能的总体质量。依据作物产量形成原理，以耕地的光温生产潜力为耕地生产潜力的最高值，选择与耕地自然质量形成密切相关的土壤与地形因素等指标，形成耕地自然质量评价子模块。耕地自然等指数的计算依据下列公式计算 Ri＝∑Rij (式18) 其中，Rij计算公式为Rij＝αj×CLij×βj/100 式中Rij——第i单元第j种指定作物的自然质量等指数； Ri——第i个评价单元的耕地自然质量等指数； ∑——连加运算符； αj——第j种作物的光温生产潜力； CLij——第i个评价单元内种植第j种指定作物的耕地自然质量分值； βj——第j种指定作物的产量比系数。
其中CLij计算公式为 (i＝1，2，...p；j＝1，2，...n；k＝1，2，...m)(式19) 式中Wk—第k个评价因素的权重； CLij—评价单元指定作物自然质量分，为无量纲数； i—评价单元编号；j—指定作物编号； k—评价因素编号；p—评价单元的数目； n—指定作物的数目；m—评价因素的数目； fijk—第i个单元内第j种作物第k个评价因素的质量 2 耕地利用质量等别的评价 在特定区域内尽管局地气候与耕地自然生态条件在一定程度上具有相似性，但由于区域耕地资源的农耕历史、种植习惯和人类经济活动强度的不同，而造成耕地资源质量具有区域差异性，耕地生产潜力的开发与利用受的社会平均利用水平的限制。因此，应对耕地的基础质量进行社会长期土地利用状况的修正，即耕地资源利用质量评价。其评价是通过构建以区域平均实际产量与潜在理论产量比值的耕地利用系数来修正反映区域农耕水平、利用强度与劳动态度等对耕地资源质量发挥的影响。主要体现相同土地质量与潜力上由于利用水平的差异造成的耕地资源质量的差异，从而建立反映耕地在长期社会平均利用水平条件下形成的耕地资源利用质量评价子模块。
(1)耕地利用系数的计算 ①根据标准耕作制度和产量比系数，计算样点的标准粮实际产量 Y＝∑Yj*βj(式20) 式中Y—样点的标准粮实际产量； Yj—第j种指定作物的实际产量； βj—第j种指定作物的产量比系数。
②根据一级指标控制区指定作物最大产量、产量比系数计算样点的最大标准粮单产 Ymax＝∑Yj，max·βj (式21) 式中Ymax—样点最大标准粮单产； Yj，max—样点第j种指定作物的最大产量； βj—样点第j种指定作物的产量比系数。
③计算样点的综合耕地利用系数 KLij＝Yij/Yjmax (式22) 式中KLij—样点的综合土地利用系数； Yij—样点的标准粮实际产量； Yj，max—指标区内最大标准粮单产。
(2)耕地利用质量等指数的计算 耕地利用等指数按下式计算 Yi＝Ri*KL (式23) 式中Yi—第i个评价单元土地利用等指数； Ri—第i个评价单元的自然质量等指数； KL—单元所在等值区综合土地利用系数。
3 耕地经济效益质量等别的评价 具有相同的生产潜力和社会平均利用水平的耕地资源，所体现的仅是区域耕地资源具有相同的开发与利用水平。然而由于社会经济条件不同会导致投入产出水平不同，致使同样土地上获得的土地收益不同，这就意味着在相同社会平均利用水平条件下的耕地资源其经营收益具有差异性。因此按土地报酬递减率理论，通过建立反映特定区域耕地的区域平均投入产出状况与最优平均投入产出比值的耕地经济系数修正由于经济效益不同造成耕地资源质量的差异，将耕地资源利用质量水平即作物的生产量修正为包含土地投入产出效益的耕地资源经济效益质量。根据不同区域间土地社会平均投入产出水平建立耕地资源经济质量评价子模块。
(1)耕地经济效益系数的计算 ①计算“产量—成本”指数 将各样点调查获得的投入产出数据，按下式计算样点的“产量—成本”指数 αj＝Yj/Cj (式24) 式中αj—样点产量—成本指数； Yj—样点第j种作物实际产量； Cj—样点第j种指定作物实际成本。
②按下式计算样点的综合耕地经济效益系数 Kc＝α/A (式25) 式中Kc—样点的综合土地经济系数； α—样点综合产量—成本指数； A—指标区最大产量—成本指数。
(2)耕地经济效益质量等指数的计算 耕地利用等指数经过耕地经济系数修正后，即得耕地经济指数，其定义式为 Gi＝Yi*Kc(式26) 式中Gi—第i个评价单元的耕地等指数； Yi—第i个评价单元的耕地利用等指数； Kc—综合土地经济系数。
三、耕地质量因素组合类比体系构建 在耕地质量评价过程中，由于采用因素个数多，表达不
观并难于应用GIS技术进行分析，因此，针对耕地质量与因素之间的内在联系与特点，通过对影响耕地资源质量的各因素分析，将各评价因素进行分级，并将各评价因素的不同级别以数字代码的形式进行一一组合，在对各组合综合归纳和档次续分的基础上，用因素组合类型
观表达耕地质量，从而建立反映耕地质量的因素组合类比体系，并以此作为连接县域、指标控制区与省域各层次的桥梁，简化不同尺度耕地资源质量的表达方式。
因素组合的设计采用参评耕地质量评定因素，将参评因素的各个指标级别用数字代码表示，再一一组合即形成耕地的各因素组合类型。每种类型的耕地具有唯一的因素组合，每一因素组合代表唯一类型的耕地，耕地因素组合代码参照因素指标划分标准的结果确定，不同的指标赋予不同的数字代码。例如灌
保证率为充分满足、表土质地为轻壤、土体构型为通体壤、有机质>2.0的评价单元，其因素组合为1111。
耕地质量等别反映了某一地区耕地自然质量的高低差异，因素组合是耕地利用系统中主要自然因素而且能够影响耕地质量的因素及其状态的组合体，通过统计耕地质量各等别中因素组合数量，从而探
因素组合与耕地质量等别的类比关系。
实施例 本发明通过上述方法对X省进行耕地质量评价。
1 耕地质量评价技术参数体系的建立 (1)X省评价因素指标控制区的划分 ①一级区的划分 基于GIS空间叠置技术，通过对X省气候图和地形地貌图的叠置整合，形成复合图，从而确定X省耕地质量指标控制一级区，X省评价因素一级区标控制区所采用的气候、地貌划分指标特征如下表 表1 指标控制区一级分区基本特征
②二级区的划分 在一级分区基础上，根据上表中二级区指标，以乡(镇)为基础单元，采用系统聚类法分别对八个一级区内各乡进行归类，通过聚类过程，及回判检验调整后，最终确定X省耕地质量指标控制区二级分区。
(2)耕地质量评价参评因素及权重的确定 ①耕地质量评价参评因素的确定 运用主成分分析法对X省耕地49053个样本的14个因素进行研究，为耕地质量评价寻找依据。通过SPSS14.0软件，实现主成份分析各步骤，选取特征值大于1.5，累积贡献率大于75％的前3个主成分代替原始因素，得到表3和表4。
表3 影响X省耕地质量前3个主成分的特征值和贡献率
表4 影响X省耕地质量前3个主成分的因子载荷矩阵
由表4数据可以看出，特征值大于1.5的主成分共有3个，并且前三个主成分特征值的
积贡献率达到76.82％，超过了75％。根据有关资料，特征值大于1，主成分
具有重要意义，以及
积贡献率大于75％的原则，来选取主成分，可选前3个主成分。前3个主成分所包含的信息量占总体信息量的76.82％.相应得到的前3个主成分的因子载荷矩阵，表3中显示了评价X省耕地质量所选14个因素所构成的评价耕地质量的全部信息范围内的3个主要综合指标。
各主成分的因子载荷量能反映出各个因素对该综合指标相对作用的大小。因此根据各因素的因子载荷量大小即可选取出影响X省耕地质量的主要因素，包括有效土层厚度、表土质地、土体构型、地形坡度、灌
保证率、排水状况、土壤有机质、盐渍化程度，共八个因素。
②耕地质量参评因素权重的确定 应用上述方法对23个二级区的指标进行权重的计算，结果为 表5 X省各指标控制二级区耕地质量参评因素及权重值
(3)X省标准耕作制度确定结果 通过X省小麦、玉米、水稻等主要作物的生态适宜性分析，针对作物对生态环境的要求及其受害情况和不同复种方式对水热的要求，分别对指标控制二级区进行分区域标准耕作制度的确定。
(4)作物光温潜力指数α计算 通过上述方法由上述公式计算可以得到全省各县(市、区、场)的光温生产潜力。
(4)产量比系数的计算结果 以X省基准作物为基础，按当地各种作物光温生产潜力指数与基准作物光温生产潜力指数之比为产量比系数。以X省八个指标控制一级区为单位，通过各主要作物光温生产潜力的计算，按下式计算各指定作物的产量比系数。产量比系数＝基准作物光温生产潜力/指定作物光温上产潜力 表7 X省各指标控制区指定作物光温潜力及产量比系数
2 采用模块式设计进行不同层次耕地质量综合评价 根据前述方法，按乡(镇)计算各评价单元耕地质量指数Ri、Yi与Gi，并分别按指标控制区、全省绘制评价单元的各层次质量等指数Ri、Yi与Gi频率
方图。根据各层次质量等指数频率
方图上的明显拐点，对各指标控制区、全省耕地资源各层次质量指数进行比较并与实地验证，最终确定耕地资源自然质量、利用质量、经济质量等别分别以200、200、100分为界线进行划分，标准见下表 表8 X省耕地自然质量等别划分标准
表9 X省耕地利用质量等别划分标准
表10 X省耕地经济质量等别划分标准
3 耕地质量分布规律及景观格局 根据各层次耕地质量划分标准对X省耕地各层次质量进行等别划分，并绘制X省耕地资源各层次质量等别图，见图3、耕地自然质量等别图，图4、耕地利用质量等别图，图5、耕地经济效益质量等别图。
X省耕地自然质量等共划分十五个等别，数量分布上，二至六等各等面积比例较大，共占全省面积的64.57％，其中三等地面积最大，为1122454.281公顷，占全省耕地面积17.25％。十四和十五等地面积较小，两者共占全省面积的1.25％；其中十五等地面积最小，为13638.5046公顷，占X省耕地面积的0.21％；表明X省耕地自然质量总体较优。。
X省耕地利用质量等共划分十四个等别，数量分布上，一等和二等地面积最小，两者面积仅占全省面积的0.49％。面积较大的为五等、六等、七等、十一等、十二等和十三等，其中十三等地面积最大，为797987.62公顷，十一等地次之。
经济质量等共划分十四个等别，各等别面积从一等到十四等有逐渐升高的趋势。十三等地面积最大，占全省面积比例达18.69％；十四等地次之，为18.36％；一等、二等和三等地面积较小，三者面积之和仅占全省面积比例的0.87％，表明X省农业投入产出经济效益较低。
4X省组合类型空间分状况 因素组合的设计采用参评X省耕地质量评定因素，将8个参评因素的各个指标级别用数字代码表示，再一一组合即形成耕地的各因素组合类型。每种类型的耕地具有唯一的因素组合，每一因素组合代表唯一类型的耕地，耕地因素组合代码参照因素指标划分标准的结果确定，不同的指标赋予不同的数字代码。例如灌
保证率为充分满足、表土质地为轻壤、土体构型为通体壤、有机质>2.0的评价单元，其因素组合为1111。具体因素指标与数字代码对应关系见下表 表11 因素指标与数字代码对应表
不同指标控制区影响耕地质量的因素种类和数量不相同，相应的因素组合的数量也不相同。但为使因素组合在X省内具有可比性，在因素组合的设计上，因素的代码组合按照八个因素对耕地质量影响的相对重要程度顺序进行位置的固定排列，即不同组合代码的相同位置所代表的因素是相同的。位置次序固定为灌
保证率、有效土层厚度、表土质地、土体构型、坡度、有机质、土壤盐渍化、排水状况。在不同指标控制区内那些因为能够充分保障而没选择的非限制性因素，仍然留有位置，并且设置代码为1，通过运用上述建立耕地因素组合模型的方法，对X省评价数据进行归纳汇总，最终得到X省1107种耕地因素组合类型。
为了明确由于耕地质量等别差异所导致因素组合类型变化情况。选取1、2等和14、15等分别代表自然质量较高和较低的耕地，并选取具分布面积广、有代表性的因素组合类型进行比较分析，见下表。
表12 各类型区耕地自然质量14、15等别区域因素组合特征
表13 各类型区耕地自然质量1、2等别区域因素组合特征
如表12和表13所示14、15等别因素组合类型面积为253848.83公顷，仅占整个X省耕地面积的3.90％，1、2等别因素组合类型面积为1127675公顷，占整个X省耕地面积的17.32％。
X省组合类型空间分状况如下 (1)X省面积大于100000公顷的因素组合中，21111411、41111411、11111411这3种耕地因素组合类型分布相当广泛，面积均大于2×105公顷，面积总和占X省耕地面积的12.69％。
(2)X省面积在50000-100000hm2的因素组合中，共有21331411、41111421、11111511、41331411、21111411、21111511、11331311这7个因素组合类型，总面积507909.6公顷占X省耕地面积7.8％。
(3)X省面积在10000-50000hm2的因素组合中，21111311与41111111这种耕地因素组合类型分布相当广泛。
(4)X省面积小于10000hm2的因素组合类型较多，在全省八个二级指标区均有
星分布。这是由于X省地形地貌复杂，自然条件差异较大引起的。各区成土母质不均一；光温水热条件各地之间差异明显，其中水资源分布不均衡，造成灌
保证率各地也有明显差异，排水条件也多有限制；盐渍化情况本就属局部地区分布。
权利要求
1、一种基于GIS的省域可比耕地质量评价方法，主要以GIS为技术平台，通过省级参数宏观控制和统一标准的指标体系，采用县级调查基础数据、地市级统一建模计算和建立四层次质量检查的模式，达到了省域耕地质量评价结果的可比。具体步骤为采用GIS空间叠置技术和采用系统聚类法划分指标控制区，主成分分析法确定评价因素，模糊层次法确定权重，分段函数法将因素指标标准化，采用模块式设计计算耕地自然质量等指数、利用等指数和经济等指数，构建耕地质量因素组合类比体系，频率法和等间距法相结合划分耕地质量等别。
2、根据权利要求1中所述的耕地质量评价技术参数体系的建立，其特征在于基于GIS空间叠置技术，通过对气候图和地形地貌图的叠置整合，形成复合图，从而确定耕地质量指标控制一级区，在一级分区基础上，根据二级区指标，以乡(镇)为基础单元，采用系统聚类法分别对一级区内各乡进行归类，通过以下各步的计算实现耕地质量指标控制二级区的初步划分。
(1)采用标准差转换法对各项指标的原始数据标准化处理，其公式为
(式1)
其中式中，Xij为各项指标的实际值，Xj为Xij的均值；σj为Xij的标准差。
(2)采用欧氏距离计算各项指标之间的聚类距离，其公式为
(式2)
(3)采用离差平方和法进行聚类分析，即设Gp与Gq并类为Gr，则Gr与另一类Gk的距离为
(式3)
(4)指标控制区划分结果检验
根据聚类分析结果，若每个一级区内包含不同数量的二级区，最终结果需要对一级区内的所有二级区进行回判检验。其数学方法及步骤简述如下
①分别计算各区判别指标的均值。
②通过计算机求解，得到判定函数的待定系数λ，并列出判别函数的方程于
③计算两区的判别临界值Rij，计算公式为
(式4)
式中，Rij为第i区与第j区的判别临界值，∑Ai，∑Bi，...，∑Ni为第i区各指标之和；∑Aj，∑Bj，…，∑Nj为第j区各指标之和；ni，，nj分别为第i区、第j区代表样点数。
④计算待判样点的判别值，并进行归属判别。将待判样点各指标值代入判别函数，可求得该样点的判别值R。然后根据下述条件进行归属判别当R在Rij→Ri一侧，应归于i区；当R在Rij→Rj一侧，应归于j区。
耕地质量评价参评因素及权重的确定
(1)耕地质量评价参评因素的确定
运用主成分分析法对耕地样本的影响因素进行研究，为耕地质量评价寻找依据。通过SPSS14.0软件，实现主成份分析各步骤，选取特征值大于1.5，累积贡献率大于75％的主成分代替原始因素。
(2)耕地质量参评因素权重的确定
采用模糊层次法进行限制因子选取和权重确定。首先根据所用的特征属性进行模糊聚类，找到最佳分类，将它看作某种决策属性的分类，可得到按某种假设决策属性的k等价集。根据同样的方法，依次删除单个属性Ci再进行模糊聚类，从而得到条件属性C-{ci}的等价集；然后计算条件属性与决策属性之间的依赖程度γ(C-{ci}，D)，求得属性ci的重要程度；最后利用归一化重要程度的方法来求解各因素的权重.具体步骤如下
Step1对象集为X＝{x1，x2，...，xn}，条件属性值为(xi1，xi2，...，xim)，得到原始数据矩阵，按模糊聚类分析的一般步骤进行分类。
Step2由F-统计量方法确定最佳置信水平阈值λ，找出最佳分类
Y＝{Y1，Y2，...，Ys}，
Yi表示一个等价集.将该分类当作某种决策属性的等价集的集合.
Step3删除条件属性ci(i＝1，2，...，m)后，得到删除后的原始数据矩阵，对该矩阵按模糊聚类分析的方法进行分类，利用F-统计量确定最佳置信水平，找出删除条件属性ci后的最佳分类，得到依次删除ci的分类集
E＝{E1，E2，...，Em}(式5)
其中对于不同的i值，k也可以不同；表示删除第i个条件属性后得到的分类等价集；
表示删除第i个条件属性后所得到分类的第l个等价集。
Step4利用粗糙集相关原理，求解每个属性的重要程度.分别求解决策属性的各等价集的下近似集的并集，公式为
(式6)
其中1≤l≤s，且由条件属性C-ci决定分类的等价集为由粗糙集定义3计算两个属性集的依赖程度
γ(C-{ci}，D)＝|POSC-{ci}(D)|/|U| (式7)
再由粗糙集相关理论定义4求解条件属性ci的重要程度SGF(ci，C，D).
Step5根据每个条件属性的重要程度，用归一化处理方法分配权重，权重分配公式为
(式8)
(3)耕地质量参评因素指标分值确定，通过隶属函数和直接赋值法，采用百分制相对值方法计算各自然质量参评因素指标分值。
3、根据权利要求1中所述的耕地质量因素组合类比体系构建，其特征在于通过对影响耕地资源质量的各因素分析，将各评价因素进行分级，并将各评价因素的不同级别以数字代码的形式进行一一组合，在对各组合综合归纳和档次续分的基础上，用因素组合类型直观表达耕地质量，从而建立反映耕地质量的因素组合类比体系，并以此作为连接县域、指标控制区与省域各层次的桥梁，简化不同尺度耕地资源质量的表达方式。
全文摘要
一种基于GIS的省域可比耕地质量评价方法，主要以GIS为技术平台，通过省级参数宏观控制和统一标准的指标体系，采用县级调查基础数据、地市级统一建模计算和建立四层次质量检查的模式，达到了省域耕地质量评价结果的可比。具体步骤为采用GIS空间叠置技术和采用系统聚类法划分指标控制区，主成分分析法确定评价因素，模糊层次法确定权重，分段函数法将因素指标标准化，采用模块式设计计算耕地自然质量等指数、利用等指数和经济等指数，构建耕地质量因素组合类比体系，频率法和等间距法相结合划分耕地质量等别。本发明可为省域乃至全国耕地差别化精准管理提供科学依据，对促进耕地资源的合理利用与保护，确保国家粮食安全具有重大意义。
文档编号G06Q50/26GK101546421SQ20091013174
公开日2009年9月30日 申请日期2009年4月1日 优先权日2009年4月1日
发明者王树涛, 陈亚恒, 门明新, 朱永明, 周亚鹏, 利 张 申请人:河北农业大学