基于gis和数据库技术的耕地质量预警系统的设计与实现

基于gis和数据库技术的耕地质量预警系统的设计与实现

0动态监测和模型法土地恢复是维持区域社会可持续发展的重要因素。其核心是确保该地区耕地总数的动态平衡。在认识到耕地总量动态平衡的重要性的同时,仅谈耕地数量保护难以对耕地资源面临的严峻形势有清醒的认识,只有结合耕地的质量才能综合反映人口—耕地供需系统中耕地的供给水平。因此,耕地总量动态平衡的实现既能保证耕地数量水平的动态平衡,还要能保证耕地质量水平的动态平衡,并努力提高耕地质量。建立耕地质量预警系统是提高耕地质量的有效保障措施,耕地质量预警系统可以预报耕地质量超过临界值的时空范围和危险程度,在保障粮食安全的前提下,对满足该时段区域社会经济发展需要的耕地状况实行临界警戒;同时分析耕地质量的演化机理,提出治理方案,对耕地质量进行动态监控,避免耕地质量状况的严重恶化,为土地资源的持续利用和耕地总量动态平衡战略的实施提供实时的数据及模型支持服务。目前,有关土地利用动态监测和宏观经济预警、农业经济预警研究比较多,理论和方法相对比较成熟。然而有关耕地预警的研究较少,尤其是针对耕地质量研究构建的预警系统基本上是空白。在已有研究中,大多集中在耕地预警理论与方法、耕地数量的预警方面。饶应祥等人提出了人均耕地警戒值的测算思路和计算方法,从粮食安全的角度分析了人均耕地数量的警度,该研究只是实现了预警流程的一部分内容。黄贤金等人阐述了生态经济理论所包含的警义、警源、警兆、警度四个方面的基本内容,并提出了构建我国耕地生态经济预警系统的基本思路和方法;但其研究成果从生态经济角度出发,没有从耕地自然特性方面作进一步分析。彭补拙等人将有关经济、环境预警的基本方法引入耕地预警研究中,运用统计法和模型法对城市边缘区域耕地数量变化进行了探讨,但没有涉及耕地质量预警。葛向东等人将有关经济、环境预警的基本方法引入耕地预警研究中,运用统计法与模型法对耕地数量变化进行了探讨;虽然将宏观经济预警的方法应用到耕地质量预警中,但其研究直接将耕地质量与粮食产量挂钩,也有一定的局限性。A.G.deSoyza等人提出了土壤荒漠化预警指标体系,并比较了不同的荒漠化预警指标之间的差别,但其研究成果只是涉及了耕地质量预警的某一方面,没有针对耕地总体质量提出相应的预警指标体系。V.Kumar建立了干旱区农业耕地预警系统,但是其研究只分析了降雨量与耕地产量的相关关系,没有建立真正的耕地质量预警指标体系和预警系统,并且其研究成果只能适用于干旱区的耕地预警,具有一定的局限性。R.E.E.Jongschaap基于遥感手段建立了Rotask模型模拟气候—土壤—农作物之间的相互作用,并对土壤质量和粮食产量进行预警;但其研究只考虑了叶面积指数和冠层氮素两种预警指标,其预警指标体系缺乏一定的综合性和完整性。J.E.Herrick分析了土壤质量和土地可持续利用的相关关系,扩充了土地可持续利用指标体系,并提出需建立耕地预警系统以保障土地可持续利用得以实现,但其研究中并没有提出建立耕地预警系统的具体措施和流程。总之,国内外的研究表明,耕地预警系统的研究从理论到方法尚需进一步的完善,而耕地质量预警系统研究更有待加强。本文试图在已有研究基础上,基于GIS和数据库技术,建立一套能够报警、排警、辅助耕地质量动态监测的耕地质量预警系统,使得预警结果能够客观地反映耕地质量的变动趋势,通过预警能够迅速采取对策治理质量下降的耕地。1预警系统的总体设计1.1分析警迹,预报警度耕地质量预警与其他预警一样,是一个明确警情→寻找警源→分析警兆→预报警度→排警的过程。明确警情是监测预警研究的基础,而寻找警源、分析警兆属于对警情的因素分析及定量分析,预报警度则是预警目标所在。譬如,当人们利用耕地质量预警系统发现某个区域的耕地质量呈下降趋势(明确警情),就要及时地分析引起耕地质量下降的原因(寻找警源),给出未来若干年内耕地质量预测指标下降的具体额度和耕地质量所处的具体状态(分析警兆、预报警度),并提出相应的解决措施,为避免耕地质量下降提供相应的解决措施(排除警情)。总体流程如图1所示。1.2信息查询模块根据系统设计目标和用户需求,将系统划分为七个模块:a)数据录入及维护模块。提供各种图形和属性数据的维护,包括土地利用数据、耕地质量监测数据、社会经济数据的输入、修改、编辑、删除等。b)图形编辑、浏览模块。提供对图形的浏览,任意地放大、缩小,任意区域地漫游、地图标注、距测、图层控制以及鹰眼、编辑、叠加分析等功能。在该模块中可以采用土地利用现状图、土壤图、行政界线图划分耕地质量预警评价单元。c)查询模块。提供完善的以文查图和以图查文功能,可根据属性数据查找图形,亦可从图形查询相应的属性数据。该模块还提供条件组合查询,用户可通过构造复杂的查询条件达到快速定位目标的目的。例如可以查询哪些耕地质量预警评价单元达到警戒值、哪些耕地质量预警评价单元为安全状态。d)统计分析及输出打印功能。将结果以统计图、统计表和专题图形式显示并可输出打印;提供字段统计功能,如统计某一区域超过耕地质量预警警戒值的耕地面积和空间分布情况等。e)预警模型应用模块。通过选取耕地质量预警警兆指标建立耕地质量预警模型。从耕地数量和质量两方面入手,分析引起耕地数量、质量变化及发展势态的各种相关因素,预报耕地数量增减与质量升降超越临界值的危险状况,并按照无警、轻警、中警、重警、巨警五个等级对警情进行判定。该模块为系统的核心模块。f)预警决策支持模块。针对在预警模型应用模块中的警情判定,提出相应的提高耕地质量的方案供用户选择,以便及时排除耕地质量警情,为耕地保护工作提出对应的决策支持。g)系统维护模块,包括对用户的访问权限管理。用户按权限分为一般用户、高级用户和管理员三类。一般用户具有浏览查询各种预警信息的权限,但无权修改任何信息;部门级用户除了具有浏览查询权限,还具有修改、更新数据,发布预警信息,建立预警模型的权限;管理用户具有最高权限,可以浏览、查询和修改所有的资料和数据。1.3计算量表数据的定义耕地质量预警信息系统数据库分为空间数据库和非空间数据库。空间数据包括矢量数据库和栅格数据库;非空间数据包括属性数据、统计分析后获得的数据、其他文档数据、元数据。数据库组成结构如图2所示。矢量数据库主要是以耕地质量预警评价图斑为核心的矢量图形数据,还包括土地利用现状数据、耕地质量监测数据等其他矢量数据。栅格数据库包括遥感影像数据和数字地面模型DEM。遥感影像数据作为土地利用数据更新的一个主要信息来源,同时用于与矢量图形的叠加显示;DEM数据用于产生耕地质量预警评价所需的坡度信息。非空间数据库包括属性数据、统计数据、文档数据和统计分析数据。属性数据是与耕地质量紧密相关的非空间数据,如评价单元的地类号、面积、评价指标值等图斑属性;统计分析数据是指对预警评价单元的预警指标的统计分析,并将其存储于数据库中,以进一步分析,为决策提供服务;元数据记录数据来源、精度、投影方式等,是用于对数据的说明。元数据的建立使数据共享成为可能,同时能够保证为决策提供现势强、准确度和精度高的信息。2土地被再生资源丰富,质量低下基于上述设计思路,笔者结合GIS和数据库技术建立了金坛市耕地质量预警数据库,并开发了金坛市耕地质量预警系统。系统界面如图3所示。金坛市位于江苏省南部,耕地垦植历史悠久,耕地本底质量优越。随着经济发展,在经济利益驱动下,耕地不仅从数量上锐减,而且高产稳产团所占比重下降。另一方面,人们在耕地利用上,只注重生产,不注重培育,土壤有机质下降,氮、磷、钾比例失调,耕地的整体质量呈下降趋势。为了实时监测该地区耕地质量警情、遏制耕地质量继续下降的趋势,利用开发的耕地质量预警系统,针对江苏省金坛市耕地质量保护与提高问题进行了实证研究。2.1划分单元的划分预警评价单元是耕地质量预警的基础图斑,预警评价单元的划分包括叠置法、地块法、网格法和多边形法。在本系统中,预警评价单元的划分采用叠置法进行,同时考虑到单元边界的完整性和不打破行政界线。叠置法划分预警评价单元以金坛市1:1000土地利用现状图、金坛市行政界线图和金坛市土壤图三图叠加形成若干地形特征、土壤性质和耕地类型基本一致的封闭图斑,若图斑小于最小上图面积则进行归并。经叠加分析并合并破碎小图斑后,共生成预警评价单元5661个。2.2模型预警方法本研究中耕地质量预警的监测数据来自金坛市土壤肥料站土壤监测数据(1983—2005年),该数据包括速效K、速效P、土壤有机质含量、pH值和全P、全N含量等指标。由于缺乏历年监测点的粮食产量数据,不适合选用模型预警的方法,笔者选取单指标预警的方法。对1983—2005年土壤监测数据加以分析,发现pH值和全P、全N的含量一直比较稳定,没有预警的必要,而速效K、速效P以及土壤有机质的含量变动较大,并呈下降的趋势,所以笔者选取速效K、速效P以及土壤有机质作为预警指标,并且分别确定其警度。金坛市耕地质量预警指标及其警度划分如表1所示。2.3预警指标数据库的建立预警指标监测数据库的建立主要是根据已获取的1983—2005年的耕地质量预警监测数据,建立预警指标(速效P、速效K、有机质含量)监测数据库。具体操作过程为:a)利用系统提供的属性提取功能从已经矢量化的历年预警指标(速效P、速效K、有机质含量)图中提取历年预警指标监测值,并将其赋予预警评价单元中的每个评价单元,建立预警指标监测数据库;b)基于该数据库,利用系统提供的预测模型可预测速效P、速效K、有机质含量的变化情况。2.4分析预警评价该功能为系统的核心功能,可以提供对试点区的耕地总体质量评价、预警评价单元警情指标在未来若干年内警情的诊断以及相应的辅助决策建议等功能。根据已经确定的相应预警评价指标的警度,系统可以对区域耕地质量进行预警分析,并提供辅助决策建议。例如根据表1,预警评价指标速效P无警的警限为5,某个预警评价单元在2008年速效P的预测值为5.2,系统能自动判断该预警评价单元速效P的警情为轻警,并能根据专家知识库中的相关知识给出消除警情的辅助建议,为农业部门提供相应的辅助决策功能。2.5建立乡镇、村高效农业施策体系该功能主要实现对金坛市各个乡镇和村的预警要素的缺口进行统计,为各个乡镇和村的农业施肥提供辅助决策功能。具体实现的流程为:a)利用乡镇和村的界线图斑与预警评价单元叠加实现空间查询;b)系统自动统计各个乡镇和村在相应预测年的速效P、速效钾、有机质含量的缺口总量;c)根据统计的数值,各个乡镇和村的农业主管领导可根据具体的情况提出相应年限的农业施肥决策措施。2008年速效P的预警统计结果和依据该结果提供的辅助农业施肥建议如表2和3所示。3建立耕地质量预警模型的可行性本文借助于GIS和数据库技术,建立了耕地质量预警数据库和耕地质量预警系统。结果表明,将预警理论运用到区域耕地质量监测和实施耕地总量动态平衡的政策中是必需的,在理论、方法和手段上也是可行的。本文设计了耕地质量预警系统实现的基本流程,概