基于空间聚类的平原旱作农区土地平整单元区划分方法

平整工程是土地整治项目的重要组成部分,其工程量和投资都占整个项目的很大比例,平整过程中通过合理规划土地平整单元区可以有效降低工程投资,并最大限度地满足农业生产需求。该文提出通过空间聚类划分平整单元区的方法,并基于工程量、平整度和单元区斑块规则度构建了用于确定最佳分区数及其平整单元区分布的目标函数。采用该方法对研究区进行平整单元区划分并计算相应评价参数,结果表明:随着分区数的增加工程量逐渐降低、分区间高程差升高,平整度下降、分区形状指数减小规则度升高,目标函数值随分区数增加呈现先降低后升高的趋势,根据目标函数的低谷可确定最优分区数目;相对于经验法,空间聚类法的工程量下降24%,高程极差下降11%,对于平整后项目区的平整工程量和平整度有较大地改善,但分区斑块形状指数增大11%,分区规则性降低,因此在实践中可将空间聚类法划分结果作为基础,再依靠专家经验对方案进行调整,以充分发挥2种方法各自的优势。     

地形起伏度最佳统计单元算法的比较研究

基于90m分辨率SRTM DEM数据,利用邻域分析法在不同大小窗口下(2×2,3×3,4×4,…,30×30)对山西省地形起伏度进行了提取,运用人工作图法、最大高差法、模糊数学法、均值变点分析法和累积和(CUSUM)分析算法分别计算最佳统计单元,对统计单元计算方法的准确性及适用性进行分析,提出山西省地形起伏度提取的最佳统计单元。研究分析表明:均值变点分析法和累积和分析算法是相对比较有效的方法;运用均值变点分析法与累积和分析算法计算所得的最佳统计单元分别为11×11(0.980 1km~2)和14×14(1.587 6km~2);均值变点分析法是计算最佳统计单元的一种最为理想的方法;对于同一地区而言,不同DEM数据类型、不同分辨率DEM,所使用的最佳统计单元大小也不同。     

基于多源数据的盐碱地精确农作管理分区研究

为了便于对盐碱地实施变量管理和精确农作，以海涂围垦区盐碱土为研究对象，以NDVI数据、盐分数据以及作物产量数据作为分区变量，对一面积为15 hm²的盐碱地农田进行了基于多个数据源的精确农作管理分区研究。利用模糊c均值聚类方法进行分类分区，引入了模糊聚类指数(FPI)和归一化分类熵(NCE)作为最佳分区数目的判断标准，通过单项方差分析对分区结果进行比较和评价。研究发现，对本研究区，最佳的分区数目为三个。不同管理分区之间土壤化学性质(EC1:5,有机质，速效磷，速效钾，全氮，碱解氮以及阳离子交换量)的均值都存在着统计意义上的显著差异性，其中子区3具有最高的肥力水平和作物生产能力而子区1最低。利用所选取的三个变量，模糊c均值聚类算法可以较好地进行精确农作管理分区划分。分区结果不但可以指导采样, 而且可以作为变量管理的决策单元用于田间变量管理作业中,为精确农业变量投入的实施提供有效手段和决策依据。     

小尺度下滴灌棉田养分管理分区研究

以小尺度下滴灌棉田为研究对象,采集研究区87个耕层土壤(0～30 cm)样品,土壤有机质、全氮、速效磷和总盐含量为变量进行土壤养分精确管理分区研究。结果表明,运用模糊c-均值聚类法进行分区,并采用c-φ多次组合法来确定适宜的模糊控制参数,得出研究区最佳分区数为4,模糊指数为1.7,平均混乱度指数为0.29,土壤属性数据的模糊分类输出结果不确定性较小,地理空间上土壤的隶属关系相对明确。在研究区内,模糊分类的输出结果符合管理分区的定义,各管理分区均可以作为变量施肥的单独作业单元进行耕作管理。     

基于同态滤波和K均值聚类算法的杨梅图像分割

针对自然环境下光照不均杨梅果实分割效果不理想问题展开研究。应用同态滤波算法对HSV(色调hue,饱和度saturation,亮度value)颜色空间下杨梅图像V分量进行亮度增强,以补偿光线。而后针对彩色杨梅图像的颜色特征,结合Lab(L(亮度Lightness),a(色度chromaticity,+a表示红色,-a表示绿色),b(色度chromaticity,+b表示黄色,-b表示蓝色)颜色空间a、和b分量的特点,应用K均值聚类算法在Lab颜色空间中对彩色杨梅图像进行分割。为了验证该算法的有效性,在100余幅图像中选用15幅因光照不均和生长状态不同而存在不同程度阴影影响的杨梅图像,进行了3组比较试验,先采用K均值聚类算法对光线补偿去除阴影前后的杨梅图像分割结果进行比较;接着,采用基于色差2*R-G-B自适应灰度阈值分割算法和K均值聚类算法2种不同分割算法对去除阴影后的杨梅图像分割结果进行比较;最后,与基于灰度变换法、直方图均衡化方法的图像增强法去除阴影的效果进行对比。试验结果表明,该文算法的分割误差、假阳性率、假阴性率平均值分别为3.78%,0.69%和6.8%,分别比光线补偿前降低了21.01,12.79和21.14个百分点;与基于色差(2*R-G-B)自适应灰度阈值分割算法相比,分割误差、假阳性率、假阴性率这3个指标的性能平均提高了12.93,1.45和7.11个百分点;与基于灰度变换法图像增强法比较表明,分割误差、假阳性率、假阴性率平均值分别降低了32.94,6.85和29.65个百分点,与直方图均衡化图像增强法相比,这3个值分别降低了24.92,6.12和33.06个百分点。通过试验结果图的主观判断和评价指标的定量分析,验证了该算法能有效地分割出杨梅目标,保证了杨梅目标在颜色、纹理和形状方面的完整度,研究结果为研究采摘机器人进行杨梅等果实的分割和识别提供参考。     

青海湖地区盐地凤毛菊群落优势种群分布格局研究

以青海省三角城种羊场地区典型的盐地凤毛菊(Saussurea salsa)盐碱草甸为研究对象,采用相邻格子样方法取样,应用方差/均值比率法、负二项参数K、扩散系数C、Cassie指标、丛生指标I、平均拥挤度与聚块性指标等方法,研究了青海湖地区盐地凤毛菊群落优势种群的空间分布格局。结果表明,盐地凤毛菊群落优势种群的空间格局均为集群分布,这主要与物种本身的生态和生物学特性有关。     

基于多种土壤养分的精准管理分区方法研究

根据土壤养分的空间变异性和空间自相关性进行管理分区的划分是精准农业实施变量施肥管理的重要环节。本研究首先分析了3种主要土壤养分的空间变异特征和空间自相关性,碱解氮、有效磷、速效钾在空间上均达到了中等强度的变异,但仅有碱解氮和有效磷具有中等强度的空间自相关性,而速效钾在本研究采样尺度下则表现为纯块金效应,不具有空间自相关性;与各向同性相比,碱解氮在各向异性条件下克里金插值精度提高了42.8%。以空间上既存在变异又具有空间相关性的有效磷、碱解氮两种土壤养分为数据源,利用模糊K-均值聚类算法将整个地块划分为不同的管理分区,并引入模糊效果指数(PFI)和标准化分类熵(MPE)两个指标确定适宜的分区数为4个。最后,为了评价分区结果的合理性,对各管理分区进行了统计,并用LSD法进行了各分区间差异显著性检验。结果表明:各管理分区内的碱解氮的变异系数由整个地块的13.2%减小到3.0%~5.3%,趋于同质性;有效磷的变异系数由整个地块的44.3%减小到10.1%~17.2%,也得到了大幅度的减少;而且不同分区之间各养分均达到了显著差异。     

滨海废弃盐田复垦区土壤空间变异及其分区管理研究

  目的  针对山东省莱州湾南岸废弃盐田复垦区盐分高、土壤养分空间差异性大、管理粗放和效益低等问题,研究田间管理分区的精准划分方法,便于农户差异化施肥管理,提高盐渍土改良水平。  方法  以废弃盐田复垦区典型地块为研究对象,运用传统统计学、主成分分析和模糊c-均值分类等方法对研究区进行管理分区的划分,并评价管理分区划分的适宜性和有效性。  结果  研究区土壤含盐量均值达到1.73 g kg?1,处于轻度盐渍化水平;土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾和速效磷等含量均处于较低的水平;全磷和阳离子交换量处于中等水平;全钾和pH值达到了较高的水平。全钾和pH值的变异系数 < 0.1,属于弱变异,其他土壤属性属于中等变异强度。土壤各属性在空间分布上差异性大。主成分分析结果表明,将10个土壤属性分组为统计因子可划分成3个主成分。模糊c-均值分类结果表明,研究区可划分为2个管理分区,不同管理分区中土壤含盐量、有机质、土壤养分等属性存在显著差异。  结论  可以利用不同土壤属性借助模糊c-均值分类方法来确定废弃盐田复垦区农田的管理分区。     

新型城镇化背景下昌黎县农村居民点空间重构评价与分区

改变农村居民点低效利用的现状,可以对其布局实施空间重构优化,能够促进各项要素在农村地域空间上的合理配置,并使农村和农业自觉适应并融入工业化和城镇化发展进程,促进城乡协调联动发展。该文以昌黎县为例,利用GIS手段提取评价单元并进行空间数据的采集和矢量化。充分考虑不同指标组合对评价目标和评价方向的差异影响,并规避相关案例研究中综合分值法的使用对评价指标相互作用的复杂性考虑不足,融合了分层次评价和综合分值法2种方法,构建出两步评价法,实现农村居民点的空间重构分区的评价。两步评价法:1)构建农村居民点空间重构指标体系及多逻辑条件评价标准,实施分层次评价,剔除禁建区并得到农业产业优势、居民点整治潜力及迁聚条件、居民点综合经济和区位条件分级结果。2)选择判别评价法,结合并继承第1步评价结果,建立重构判别准则,进行昌黎县农村居民点空间重构分区,并将昌黎县宜居评价结果与农村居民点空间重构分区图叠合,调整并完善昌黎县居民点空间迁聚规划方案及策略。该研究结果将昌黎县分成优农区、优城区、分流区和低保区,分区提出迁聚重构策略,并结合昌黎县社会经济发展目标构建了"昌黎县城—一级小城镇—二级小城镇—新农村社区"的空间发展格局,针对昌黎县居民点迁聚过程中需要注意的问题进行了讨论。该方案有利于加快昌黎县"十二五"和"十三五"社会发展规划的实施,可以有效地推动该县域的新型城镇化建设进程,因地制宜的推进新农村建设,为实现农村的现代化、工业化和城镇化提供思路。     

基于粒子群优化算法的土壤养分管理分区

土壤养分管理分区的划分为变量施肥技术提供依据,是精准农业实施变量施肥管理的重要环节。在对7种土壤养分的空间变异特征和变异结构进行分析的基础上,以其中6种养分作为变量进行土壤养分管理分区的研究,最后用基于粒子群优化属性均值聚类来划分管理分区,并引入3种指标确定合理的分区数目。通过计算得出,试验区的合理分区数目为2个,对各管理分区实际采样点的土壤养分数据进行单因素方差分析,除速效磷外各土壤养分均在99%的置信水平上具有极显著差异,其中分区2土壤肥力水平较高,分区1较低。基于粒子群优化属性均值聚类算法可以很好地划分土壤养分管理分区,分区结果能够为精准农业变量施肥提供决策依据。     

近20年农田精准管理分区施肥方法研究进展

精准管理分区（Site Specific Management Zones,SSMZ）是精准农业中实现定时、定点、定量、定配方投入水肥药等农业生产资料的关键环节。SSMZ已经在精准农业中得到了迅速的发展与应用,该技术对于减少农业投入、提高经济效益及减轻农业面源污染具有重要意义。全面地认识SSMZ的研究现状及存在问题,有利于更好地把握SSMZ的发展动态并开展更进一步的研究。本文对国内外以SSMZ为主题的论文进行了梳理,概述了SSMZ研究中不同输入量的应用原理、数据类型、优势及局限性;其次,对现有的分区方法进行了总结归纳,最后,整理了常用的SSMZ评价方法,对不同评价方法进行分析,进行总结与展望。得到如下结论:（1）SSMZ输入量由基于空间插值映射土壤空间属性,过渡为利用遥感技术获取土壤、植被等相关信息;（2）随着大数据时代的到来,综合考虑历史土壤理化性质、成土要素、农作物时空动态、水土气生地形地貌的作用有助于提升SSMZ的精度;（3）基于近端传感器及无人机获取的密集数据的研究不断增加,田块尺度的空间信息精度高,连续性增强;（4）传统的非监督分类算法逐步被面向对象分割方法取代,分区结果更有助于指导田间管理措施;（5）用于SSMZ的评价信息以与作物生长关系密切的土壤属性或表征作物长势的参数为主。国内外对于SSMZ的关注度逐渐增加,各类SSMZ研究成果对于实现绿色农业、维护生态安全具有重要实践意义。     

基于WebGIS的农业空间信息管理及辅助决策系统

该研究在总结和提炼区域农业信息管理和评价理论与技术研究成果的基础上，运用知识工程和系统建模方法，建立了种植制度评价、农产品生态区划、农作生产潜力分析和精确农作管理的定量化动态知识模型。并运用软构件技术，基于B/S的分布式网络结构，以WebGIS为空间信息管理平台，建立了网络化、数字化的农业空间信息管理及辅助决策系统。系统实现了基本地图操作、农业空间信息查询与分析、种植制度评价、农产品生态区划、农作生产潜力分析、精确农作管理、可视化输出以及系统维护等功能。以江苏省为案例区，对系统进行了实例应用，结果表明，系统能有效地管理区域性农业空间信息，并在基于空间信息的农业生产管理决策方面具有较好的适应性和指导性。     

不同取样方式下土壤质地空间插值的精度分析

为研究土壤质地的合理取样方式,进而研究其空间变异情况,为田间施肥及灌溉提供依据,本试验利用地统计学方法和GIS技术,在重庆市彭水县重庆烟草试验站,利用289个表层土样,研究了16 m间距的栅格取样法(对照,253个土样,扣除36个验证样点)、34 m间距的栅格取样法(115个土样)和随机取样法(115个土样)3种取样方式下土壤质地的空间插值精度。3种土壤颗粒指标中粉粒占68.43%,砂粒含量最少,占12.68%,黏粒含量略高于砂粒。砂粒和黏粒具有中等强度的变异性,粉粒具弱变异性,且数据符合正态分布。地统计分析显示,在分析该区域土壤质地时,采用栅格取样方法应适当增大取样间距,而采用随机取样方法可适当缩小取样间距。交叉检验显示,土壤质地成分在3种取样方式下的插值精度均以对照最大,栅格取样次之,随机取样最小。综合考虑插值误差、样品采集和分析成本及时效性等因素,本研究建议在该区域进行土壤质地空间变异规律分析为生产服务时应采用随机取样。     

基于SOM和NDVI的黑土区精准管理分区对比

根据土壤养分的空间异质性对耕地进行分区是实施变量施肥管理的关键环节,施肥的变量管理将减轻黑土区农业面源污染和土壤退化问题。该文以典型黑土区黑龙江省海伦市某合作社地块为研究对象,利用SPOT-6遥感影像提取归一化植被指数(normalized differential vegetation index, NDVI)、插值计算土壤有机质(soil organic matter,SOM),结合数字高程模型(digital elevation model,DEM),应用面向对象的分割方法,对研究地块进行分区,并应用莫兰(Morans)指数对分区结果进行评价,以期对比研究基于SOM空间插值与遥感信息的分区精度。结果表明:结合4期NDVI空间信息分区的精度最高;结合SOM、DEM、NDVI空间信息进行分区的精度次之;结合地形与SOM空间信息分区精度较低;仅根据SOM空间插值进行分区的精度最低。研究结果可为黑土区农田精准管理分区输入量的选择与多尺度分区提供思路,为实施田间精准追肥提供科学依据。     

基于人工神经网络的田间信息插值方法研究

提出了一种基于人工神经网络的田间信息插值新方法，并利用ArcView3.2软件绘制碱解氮的BP神经网络插值空间分布图和球状插值分布图，并对BP神经网络插值方法和克立格球状插值方法的结果进行了误差分析。结果表明，BP神经网络的插值方法优于克立格球状插值法，该方法有利于田间信息空间分布特性准确、直观的表达，有利于农田精确施肥、灌溉、播种等精细农业生产管理。     

基于WebGIS和条码技术的土壤空间信息管理系统

针对精准农业土壤肥力诊断的需要,基于条码技术和WebGIS构建了针对土壤样品采集、化验和存储以及分析数据的空间管理与发布的松耦合系统。该系统基于条码技术对土壤样品采集、化验及存储等流程进行管理,基于WebGIS进行空间数据管理和发布,同时,基于Web Service技术实现数据同步,较好地解决了分布式系统中异构数据库数据的同步问题。应用实践表明,系统的设计思想和架构符合精准农业信息获取、信息管理的需要,同时,在大规模土壤调查、土壤监测领域也具有良好应用前景。     

精细农业中农情信息采集技术的研究进展

由于现代信息技术在农业中的应用，精细农业在世界范围内引起了广泛关注。快速有效地采集和描述影响作物生长环境的空间变量信息，是开展精细农业实践的重要基础。围绕土壤环境、作物产量分布、病虫草害及作物长势等信息采集技术的研究情况进行了阐述，指出了现有采集技术存在的优缺点，并在此基础上指出提高设备的采集精度和速度，开发研制产量监测系统、土壤环境信息快速测量仪以及多功能采集设备是近阶段的主要研究方向。     

基于地统计的土壤养分采样布局优化

传统的土壤养分采样布置方法都是基于采样区土壤特征状态空间随机变异的假设。而地统计学研究表明,土壤特征状态在空间上有关联性,因此利用传统方法来制定采样方案并不是最优的,因为它没有考虑土壤特性的空间相关性,不能反映其局部的变化特征。该文在分析土壤肥力空间变异的基础上,研究利用经典统计学方法确定合理的采样点数目,并基于地统计学的半方差函数拟合与Kriging方法确定合理的采样点布局的方法,选择典型地区的土壤肥力进行空间变异分析和采样点布置的优化设计。研究结果表明：在合理的位置布置14个采样点就可以满足典型基地种植区绘制施肥处方图进行变量施肥决策的要求;利用经典统计学与地统计分析相结合的方法进行农田尺度的土壤肥力采样布点优化分析具有良好的可行性。     

世界主要国家精准农业发展概况及对中国的发展建议

中国是一个农业生产和消费大国,同时也面临着投入产出比率相对较低、环境污染等一系列问题,尤其在国际形势变化、自然灾害频发的背景下,中国传统农业生产方式亟需转型升级。在人工智能、物联网、云平台等新兴技术的带动下,精准农业孕育而生,成为了全球农业实现绿色、高产的有效途径。该文瞄准世界精准农业发展较好的发达国家和地区,通过文献梳理和总结,凝练出政府引导、信息化建设、科技支撑、新型农民培育等发达国家和地区发展精准农业的成功经验。在此基础上,着眼于中国大田种植,分析中国发展精准农业的基础,从农田配套设施及信息化建设、农业信息获取、自动变量作业系统及装备等方面充分认识中国发展精准农业的薄弱环节。该文旨在厘清中国精准农业的发展方向,借鉴国际经验,提出中国精准农业今后的发展建议,如强化政府组织领导作用、加强基础设施和信息化建设、聚焦核心技术研发、培养新型农业人才、分区域试点示范。