基于gis和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于gis和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

0動態(tài)監(jiān)測和模型法土地恢復(fù)是維持區(qū)域社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。其核心是確保該地區(qū)耕地總數(shù)的動態(tài)平衡。在認(rèn)識到耕地總量動態(tài)平衡的重要性的同時,僅談耕地數(shù)量保護(hù)難以對耕地資源面臨的嚴(yán)峻形勢有清醒的認(rèn)識,只有結(jié)合耕地的質(zhì)量才能綜合反映人口—耕地供需系統(tǒng)中耕地的供給水平。因此,耕地總量動態(tài)平衡的實現(xiàn)既能保證耕地數(shù)量水平的動態(tài)平衡,還要能保證耕地質(zhì)量水平的動態(tài)平衡,并努力提高耕地質(zhì)量。建立耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)是提高耕地質(zhì)量的有效保障措施,耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)可以預(yù)報耕地質(zhì)量超過臨界值的時空范圍和危險程度,在保障糧食安全的前提下,對滿足該時段區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的耕地狀況實行臨界警戒;同時分析耕地質(zhì)量的演化機(jī)理,提出治理方案,對耕地質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控,避免耕地質(zhì)量狀況的嚴(yán)重惡化,為土地資源的持續(xù)利用和耕地總量動態(tài)平衡戰(zhàn)略的實施提供實時的數(shù)據(jù)及模型支持服務(wù)。目前,有關(guān)土地利用動態(tài)監(jiān)測和宏觀經(jīng)濟(jì)預(yù)警、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)預(yù)警研究比較多,理論和方法相對比較成熟。然而有關(guān)耕地預(yù)警的研究較少,尤其是針對耕地質(zhì)量研究構(gòu)建的預(yù)警系統(tǒng)基本上是空白。在已有研究中,大多集中在耕地預(yù)警理論與方法、耕地數(shù)量的預(yù)警方面。饒應(yīng)祥等人提出了人均耕地警戒值的測算思路和計算方法,從糧食安全的角度分析了人均耕地數(shù)量的警度,該研究只是實現(xiàn)了預(yù)警流程的一部分內(nèi)容。黃賢金等人闡述了生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論所包含的警義、警源、警兆、警度四個方面的基本內(nèi)容,并提出了構(gòu)建我國耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)預(yù)警系統(tǒng)的基本思路和方法;但其研究成果從生態(tài)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),沒有從耕地自然特性方面作進(jìn)一步分析。彭補(bǔ)拙等人將有關(guān)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境預(yù)警的基本方法引入耕地預(yù)警研究中,運用統(tǒng)計法和模型法對城市邊緣區(qū)域耕地數(shù)量變化進(jìn)行了探討,但沒有涉及耕地質(zhì)量預(yù)警。葛向東等人將有關(guān)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境預(yù)警的基本方法引入耕地預(yù)警研究中,運用統(tǒng)計法與模型法對耕地數(shù)量變化進(jìn)行了探討;雖然將宏觀經(jīng)濟(jì)預(yù)警的方法應(yīng)用到耕地質(zhì)量預(yù)警中,但其研究直接將耕地質(zhì)量與糧食產(chǎn)量掛鉤,也有一定的局限性。A.G.deSoyza等人提出了土壤荒漠化預(yù)警指標(biāo)體系,并比較了不同的荒漠化預(yù)警指標(biāo)之間的差別,但其研究成果只是涉及了耕地質(zhì)量預(yù)警的某一方面,沒有針對耕地總體質(zhì)量提出相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)體系。V.Kumar建立了干旱區(qū)農(nóng)業(yè)耕地預(yù)警系統(tǒng),但是其研究只分析了降雨量與耕地產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系,沒有建立真正的耕地質(zhì)量預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警系統(tǒng),并且其研究成果只能適用于干旱區(qū)的耕地預(yù)警,具有一定的局限性。R.E.E.Jongschaap基于遙感手段建立了Rotask模型模擬氣候—土壤—農(nóng)作物之間的相互作用,并對土壤質(zhì)量和糧食產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)警;但其研究只考慮了葉面積指數(shù)和冠層氮素兩種預(yù)警指標(biāo),其預(yù)警指標(biāo)體系缺乏一定的綜合性和完整性。J.E.Herrick分析了土壤質(zhì)量和土地可持續(xù)利用的相關(guān)關(guān)系,擴(kuò)充了土地可持續(xù)利用指標(biāo)體系,并提出需建立耕地預(yù)警系統(tǒng)以保障土地可持續(xù)利用得以實現(xiàn),但其研究中并沒有提出建立耕地預(yù)警系統(tǒng)的具體措施和流程?？傊?國內(nèi)外的研究表明,耕地預(yù)警系統(tǒng)的研究從理論到方法尚需進(jìn)一步的完善,而耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)研究更有待加強(qiáng)。本文試圖在已有研究基礎(chǔ)上,基于GIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù),建立一套能夠報警、排警、輔助耕地質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測的耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng),使得預(yù)警結(jié)果能夠客觀地反映耕地質(zhì)量的變動趨勢,通過預(yù)警能夠迅速采取對策治理質(zhì)量下降的耕地。1預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計1.1分析警跡,預(yù)報警度耕地質(zhì)量預(yù)警與其他預(yù)警一樣,是一個明確警情→尋找警源→分析警兆→預(yù)報警度→排警的過程。明確警情是監(jiān)測預(yù)警研究的基礎(chǔ),而尋找警源、分析警兆屬于對警情的因素分析及定量分析,預(yù)報警度則是預(yù)警目標(biāo)所在。譬如,當(dāng)人們利用耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個區(qū)域的耕地質(zhì)量呈下降趨勢(明確警情),就要及時地分析引起耕地質(zhì)量下降的原因(尋找警源),給出未來若干年內(nèi)耕地質(zhì)量預(yù)測指標(biāo)下降的具體額度和耕地質(zhì)量所處的具體狀態(tài)(分析警兆、預(yù)報警度),并提出相應(yīng)的解決措施,為避免耕地質(zhì)量下降提供相應(yīng)的解決措施(排除警情)?？傮w流程如圖1所示。1.2信息查詢模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和用戶需求,將系統(tǒng)劃分為七個模塊:a)數(shù)據(jù)錄入及維護(hù)模塊。提供各種圖形和屬性數(shù)據(jù)的維護(hù),包括土地利用數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的輸入、修改、編輯、刪除等。b)圖形編輯、瀏覽模塊。提供對圖形的瀏覽,任意地放大、縮小,任意區(qū)域地漫游、地圖標(biāo)注、距測、圖層控制以及鷹眼、編輯、疊加分析等功能。在該模塊中可以采用土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、行政界線圖劃分耕地質(zhì)量預(yù)警評價單元。c)查詢模塊。提供完善的以文查圖和以圖查文功能,可根據(jù)屬性數(shù)據(jù)查找圖形,亦可從圖形查詢相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。該模塊還提供條件組合查詢,用戶可通過構(gòu)造復(fù)雜的查詢條件達(dá)到快速定位目標(biāo)的目的。例如可以查詢哪些耕地質(zhì)量預(yù)警評價單元達(dá)到警戒值、哪些耕地質(zhì)量預(yù)警評價單元為安全狀態(tài)。d)統(tǒng)計分析及輸出打印功能。將結(jié)果以統(tǒng)計圖、統(tǒng)計表和專題圖形式顯示并可輸出打印;提供字段統(tǒng)計功能,如統(tǒng)計某一區(qū)域超過耕地質(zhì)量預(yù)警警戒值的耕地面積和空間分布情況等。e)預(yù)警模型應(yīng)用模塊。通過選取耕地質(zhì)量預(yù)警警兆指標(biāo)建立耕地質(zhì)量預(yù)警模型。從耕地數(shù)量和質(zhì)量兩方面入手,分析引起耕地數(shù)量、質(zhì)量變化及發(fā)展勢態(tài)的各種相關(guān)因素,預(yù)報耕地數(shù)量增減與質(zhì)量升降超越臨界值的危險狀況,并按照無警、輕警、中警、重警、巨警五個等級對警情進(jìn)行判定。該模塊為系統(tǒng)的核心模塊。f)預(yù)警決策支持模塊。針對在預(yù)警模型應(yīng)用模塊中的警情判定,提出相應(yīng)的提高耕地質(zhì)量的方案供用戶選擇,以便及時排除耕地質(zhì)量警情,為耕地保護(hù)工作提出對應(yīng)的決策支持。g)系統(tǒng)維護(hù)模塊,包括對用戶的訪問權(quán)限管理。用戶按權(quán)限分為一般用戶、高級用戶和管理員三類。一般用戶具有瀏覽查詢各種預(yù)警信息的權(quán)限,但無權(quán)修改任何信息;部門級用戶除了具有瀏覽查詢權(quán)限,還具有修改、更新數(shù)據(jù),發(fā)布預(yù)警信息,建立預(yù)警模型的權(quán)限;管理用戶具有最高權(quán)限,可以瀏覽、查詢和修改所有的資料和數(shù)據(jù)。1.3計算量表數(shù)據(jù)的定義耕地質(zhì)量預(yù)警信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)庫和柵格數(shù)據(jù)庫;非空間數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析后獲得的數(shù)據(jù)、其他文檔數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。矢量數(shù)據(jù)庫主要是以耕地質(zhì)量預(yù)警評價圖斑為核心的矢量圖形數(shù)據(jù),還包括土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)等其他矢量數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)庫包括遙感影像數(shù)據(jù)和數(shù)字地面模型DEM。遙感影像數(shù)據(jù)作為土地利用數(shù)據(jù)更新的一個主要信息來源,同時用于與矢量圖形的疊加顯示;DEM數(shù)據(jù)用于產(chǎn)生耕地質(zhì)量預(yù)警評價所需的坡度信息。非空間數(shù)據(jù)庫包括屬性數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)是與耕地質(zhì)量緊密相關(guān)的非空間數(shù)據(jù),如評價單元的地類號、面積、評價指標(biāo)值等圖斑屬性;統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)是指對預(yù)警評價單元的預(yù)警指標(biāo)的統(tǒng)計分析,并將其存儲于數(shù)據(jù)庫中,以進(jìn)一步分析,為決策提供服務(wù);元數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)來源、精度、投影方式等,是用于對數(shù)據(jù)的說明。元數(shù)據(jù)的建立使數(shù)據(jù)共享成為可能,同時能夠保證為決策提供現(xiàn)勢強(qiáng)、準(zhǔn)確度和精度高的信息。2土地被再生資源豐富,質(zhì)量低下基于上述設(shè)計思路,筆者結(jié)合GIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立了金壇市耕地質(zhì)量預(yù)警數(shù)據(jù)庫,并開發(fā)了金壇市耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)界面如圖3所示。金壇市位于江蘇省南部,耕地墾植歷史悠久,耕地本底質(zhì)量優(yōu)越。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,在經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動下,耕地不僅從數(shù)量上銳減,而且高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)團(tuán)所占比重下降。另一方面,人們在耕地利用上,只注重生產(chǎn),不注重培育,土壤有機(jī)質(zhì)下降,氮、磷、鉀比例失調(diào),耕地的整體質(zhì)量呈下降趨勢。為了實時監(jiān)測該地區(qū)耕地質(zhì)量警情、遏制耕地質(zhì)量繼續(xù)下降的趨勢,利用開發(fā)的耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng),針對江蘇省金壇市耕地質(zhì)量保護(hù)與提高問題進(jìn)行了實證研究。2.1劃分單元的劃分預(yù)警評價單元是耕地質(zhì)量預(yù)警的基礎(chǔ)圖斑,預(yù)警評價單元的劃分包括疊置法、地塊法、網(wǎng)格法和多邊形法。在本系統(tǒng)中,預(yù)警評價單元的劃分采用疊置法進(jìn)行,同時考慮到單元邊界的完整性和不打破行政界線。疊置法劃分預(yù)警評價單元以金壇市1:1000土地利用現(xiàn)狀圖、金壇市行政界線圖和金壇市土壤圖三圖疊加形成若干地形特征、土壤性質(zhì)和耕地類型基本一致的封閉圖斑,若圖斑小于最小上圖面積則進(jìn)行歸并。經(jīng)疊加分析并合并破碎小圖斑后,共生成預(yù)警評價單元5661個。2.2模型預(yù)警方法本研究中耕地質(zhì)量預(yù)警的監(jiān)測數(shù)據(jù)來自金壇市土壤肥料站土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)(1983—2005年),該數(shù)據(jù)包括速效K、速效P、土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值和全P、全N含量等指標(biāo)。由于缺乏歷年監(jiān)測點的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù),不適合選用模型預(yù)警的方法,筆者選取單指標(biāo)預(yù)警的方法。對1983—2005年土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析,發(fā)現(xiàn)pH值和全P、全N的含量一直比較穩(wěn)定,沒有預(yù)警的必要,而速效K、速效P以及土壤有機(jī)質(zhì)的含量變動較大,并呈下降的趨勢,所以筆者選取速效K、速效P以及土壤有機(jī)質(zhì)作為預(yù)警指標(biāo),并且分別確定其警度。金壇市耕地質(zhì)量預(yù)警指標(biāo)及其警度劃分如表1所示。2.3預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)庫的建立預(yù)警指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的建立主要是根據(jù)已獲取的1983—2005年的耕地質(zhì)量預(yù)警監(jiān)測數(shù)據(jù),建立預(yù)警指標(biāo)(速效P、速效K、有機(jī)質(zhì)含量)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。具體操作過程為:a)利用系統(tǒng)提供的屬性提取功能從已經(jīng)矢量化的歷年預(yù)警指標(biāo)(速效P、速效K、有機(jī)質(zhì)含量)圖中提取歷年預(yù)警指標(biāo)監(jiān)測值,并將其賦予預(yù)警評價單元中的每個評價單元,建立預(yù)警指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫;b)基于該數(shù)據(jù)庫,利用系統(tǒng)提供的預(yù)測模型可預(yù)測速效P、速效K、有機(jī)質(zhì)含量的變化情況。2.4分析預(yù)警評價該功能為系統(tǒng)的核心功能,可以提供對試點區(qū)的耕地總體質(zhì)量評價、預(yù)警評價單元警情指標(biāo)在未來若干年內(nèi)警情的診斷以及相應(yīng)的輔助決策建議等功能。根據(jù)已經(jīng)確定的相應(yīng)預(yù)警評價指標(biāo)的警度,系統(tǒng)可以對區(qū)域耕地質(zhì)量進(jìn)行預(yù)警分析,并提供輔助決策建議。例如根據(jù)表1,預(yù)警評價指標(biāo)速效P無警的警限為5,某個預(yù)警評價單元在2008年速效P的預(yù)測值為5.2,系統(tǒng)能自動判斷該預(yù)警評價單元速效P的警情為輕警,并能根據(jù)專家知識庫中的相關(guān)知識給出消除警情的輔助建議,為農(nóng)業(yè)部門提供相應(yīng)的輔助決策功能。2.5建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村高效農(nóng)業(yè)施策體系該功能主要實現(xiàn)對金壇市各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村的預(yù)警要素的缺口進(jìn)行統(tǒng)計,為各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村的農(nóng)業(yè)施肥提供輔助決策功能。具體實現(xiàn)的流程為:a)利用鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村的界線圖斑與預(yù)警評價單元疊加實現(xiàn)空間查詢;b)系統(tǒng)自動統(tǒng)計各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村在相應(yīng)預(yù)測年的速效P、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量的缺口總量;c)根據(jù)統(tǒng)計的數(shù)值,各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村的農(nóng)業(yè)主管領(lǐng)導(dǎo)可根據(jù)具體的情況提出相應(yīng)年限的農(nóng)業(yè)施肥決策措施。2008年速效P的預(yù)警統(tǒng)計結(jié)果和依據(jù)該結(jié)果提供的輔助農(nóng)業(yè)施肥建議如表2和3所示。3建立耕地質(zhì)量預(yù)警模型的可行性本文借助于GIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù),建立了耕地質(zhì)量預(yù)警數(shù)據(jù)庫和耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)。結(jié)果表明,將預(yù)警理論運用到區(qū)域耕地質(zhì)量監(jiān)測和實施耕地總量動態(tài)平衡的政策中是必需的,在理論、方法和手段上也是可行的。本文設(shè)計了耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)的基本流程,概