基于两级选择性聚类集成的农用地整治时空配置分区

针对传统聚类算法易陷入局部最优、不兼顾地理空间的问题,该研究以湖南省怀化市为例,从生态敏感性、用地适宜性与整治迫切性3个维度建立分区评价指标体系,应用一种基于混合距离,同时具有聚类方案质量识别功能的两级选择性聚类集成方法对怀化市农用地整治进行时空配置。通过聚类运算,将怀化市300个聚类单元划分为：近期重点整治区、近期适度整治区、中期重点整治区、中期适度整治区和远期限制整治区5个类型,面积比例分别为9.05%、30.48%、22.58%、7.33%、30.56%,符合怀化现状条件;相较于传统聚类方法,两级选择性聚类集成方法具有聚类质量识别与兼顾地理空间的优势,且更适用聚类单元较多、属性空间复杂的情况。研究结果在客观上为未来土地整治工作与聚类方法的创新提供了可供借鉴的思路。     

基于GIS与灰色星座聚类的巢湖流域土地整治分区

土地整治分区是土地综合整治与规划有效进行的前提和基础。该文以巢湖流域为例,从自然条件、区位优势、社会经济和土地利用4个方面因素考虑,构建分区指标体系,利用熵值法确定权重,采用GIS空间数据可视化对指标体系空间分布特征进行分析,在此基础上,运用灰色星座聚类法将研究区划分为4种整治类型区,根据综合指标值的排序和最大相似性原理、自然空间连续性对分区结果进行调整。研究认为,Ⅰ区(生态涵养型土地整治区)应着重低丘缓坡开发利用整治模式;Ⅱ区(城镇发展型土地整治区)应依据城市发展需求以服务城市的郊野公园生态化土地整治模式为主;Ⅲ区(基本农田型土地整治区)应以提高耕地数量提高耕地质量的高标准基本农田建设模式为主;Ⅳ区(综合整治型土地整治区)应以迁村并点、内部挖潜为主进行农用地与建设用地的综合土地整治。研究结果可为巢湖流域制定土地整治规划提供科学合理的依据。     

基于多元国土空间整治情景模拟的生态系统服务功能分区

生态系统服务功能分区是科学管理生态系统的重要手段。国土空间整治能够通过综合治理闲置、低效和生态退化国土资源,改变国土空间结构与布局,从而对生态系统功能产生影响。现有研究较少关注土地整治措施对未来生态系统服务空间集聚模式的潜在影响作用,整治措施的生态导向性有待提升。因此,该研究以山东招远市为例,设计了基准情景、废弃矿区修复情景以及城乡建设用地整治情景,定量化预测生态系统服务变化特征,并运用模糊C均值聚类算法开展生态系统功能区划定。结果表明,整治情景下土地利用数量结构变化显著,各生态系统服务能力均有所提升。全域可以划分为生态综合区、生境保育区、固碳释氧区、固碳产粮区、生态维护区5个生态功能区。与基准情景相比,废弃矿区修复情景下各生态功能区60%生态系统服务水平持平,28%处于劣势,仅12%显著提升。城乡建设用地整治则能够显著提升全域自然娱乐能力,总体增长了1.89%。生境保育区的自然娱乐和粮食生产能力平均值分别增加了0.01和0.10,固碳释氧区的生境质量、水源涵养能力分别增长了20.69%和100%。研究表明全面提升生态系统多功能性需要综合开展多元的国土空间整治措施。     

基于两维图论聚类的辽宁省土地利用多功能性分区

辽宁省土地利用功能间的矛盾相对突出,明晰区域土地利用多功能的现状、进行土地利用多功能性分区可为促进区域土地利用功能的协调发展提供依据。选取2017年辽宁省县域土地利用生活、生产、生态方面22个典型指标构建区域土地利用多功能性评价指标体系,运用熵权法和两维图论聚类法进行土地利用多功能性评价及分区研究。研究发现：1）研究区生活功能高值区于中部呈斜\     

基于"三生"空间优化的城乡交错区土地整治功能单元划定

为提升城乡交错区土地整治精细化管理水平,统筹发挥空间生产、生活、生态功能,开展土地整治功能单元划定研究。该文明确了土地整治功能单元内涵,以北京市海淀区为例,根据"明确功能区—确定评价单元—评价单元功能—确定功能单元"的划定思路,综合运用图层叠置法、区位商法、特尔斐法、多指标综合评价法和距离法,确定了5类整治功能,共计54个土地整治功能单元:1个农业生产提质增效类、3个产业园区节地类、28个乡村人居环境提升类单元集中分布在北部,17个城镇更新类单元集中分布在南部,5个山水林田湖综合整治类单元分散在中部和北部。通过单元划定指导整治工程有序推进,土地综合整治的空间优化功能可得到充分发挥:空间结构有效优化,农业生产空间将增加975 hm~2,3 061 hm~2乡村生活空间和308 hm~2城镇生活空间将得到改善,617 hm~2的集体产业园区将完成改造升级;空间发展质量得以保障,农田提高1.4个等级,农业规模化和产业化水平约提高3.7%,单位国内生产总值建设用地面积将年均降低8%。结果充分体现了海淀区"三生"空间优化的差异化需求,可为基于功能导向的土地综合整治差异化设计提供方法借鉴。     

单元聚类分析法在滑坡分析中的应用

在滑坡灾害分析时应用单元聚类分析法,从单因素相关分析过渡到多因素相关分析,从而找出规律,建立滑坡灾害预测预报模型。运用该方法对承德市滑坡进行分析得出预报模型,经调查资料反算,误差在10％～30％范围之内。介绍了单元聚类分析步骤。     

基于Ward系统聚类的中国农用地整治实施状况分析

为科学分析当前中国农用地整治的实施特征和空间格局特点,厘清实施状态与规划目标的协调状态,该文基于土地整治项目管理信息,以县域为研究单元,通过整治强度、整治潜力和整治难度3项指标,采用Ward系统聚类法,对2006-2012年中国农用地整治实施状况进行综合分区,并结合既定的规划目标,对实施状态进行了定量分析,得出以下结论:1)高整治强度区主要位于华北平原、三江平原、长江三角洲等传统农区;高整治潜力区主要位于青甘农牧区、黄土高原区等半湿润半干旱地区;高整治难度区主要位于秦巴山地和云贵高原等地形较为复杂的地区。2)研究期内中国农用地整治实施状态可划分为"中高-低-中"(Ⅰ类)、"中-中低-中"(Ⅱ类)、"中高-中高-中高"(Ⅲ类)、"低-中-高"(Ⅳ类)和"高-中低-中"(Ⅴ类)等5种类型,其中以Ⅲ类最为集中,Ⅰ类和Ⅱ类次之,Ⅳ类、Ⅴ类数量较少且分布零散。3)从实施状态与整治规划的协调性看,实施现状与规划确定的农用地整治重点区域、高标准基本农田建设示范县,以及基本农田整治重大工程等重点任务,均存在一定偏差;从与表征经济发展、粮食生产、土地整治活动的分区对比来看,区域差异不甚明显,整治重点尚不突出。该研究成果可为中国土地整治规划评价和宏观制度设计提供参考。     

基于空间特征谱聚类算法的含噪苹果图像优化分割

为了减少噪声对苹果采摘机器人的目标识别所带来的影响,对含噪苹果图像的分割方法进行了研究。该研究设计一种针对噪声具有鲁棒性的苹果图像分割方法,首先计算苹果图像的三维空间特征点的紧致性函数,用以构造邻近点的相似矩阵实现苹果图像的去噪效果;再利用离群点矩阵拆分并由其他剩余列向量线性表示,对相似矩阵进行离群点调优实现聚类优化,进而提出基于空间特征的谱聚类含噪苹果图像分割的优化算法,旨在提高分割算法的效率和识别准确率。通过对两幅苹果图像添加不同程度的高斯和椒盐噪声（方差分别为0.01、0.05和0.1的高斯噪声和概率为0.01、0.05和0.1的椒盐噪声）进行试验,分别求出谱聚类方法、基于空间特征的谱聚类方法和该文优化方法的苹果目标图像的分割图,并计算三类方法的分割准确率。该文优化方法对于单个苹果受不同噪声影响下的分割准确率均在99%以上,对于重叠苹果的分割准确率均在98%以上,对于所选取的30幅苹果图在方差为0.05的高斯噪声和概率为0.01的椒盐噪声影响下的平均分割准确率为99.014%。结果表明：谱聚类方法受噪声的影响较大;基于空间特征的谱聚类方法的分割效果受噪声的影响较小,但在边界区域仍然有很多错分的像素;优化方法在边界区域的分割要优于基于空间特征的谱聚类方法;在设定的试验条件下,其分割结果准确率相对于基于空间特征的谱聚类方法和传统的谱聚类方法可分别提高5%～6%和9%～25%。在分割效率方面,该文优化方法的分割时间低于传统的谱聚类算法,且与基于空间特征谱聚类方法接近。研究结果为苹果采摘机器人的快速目标识别提供参考。     

模糊聚类方法在农村能源综合区划中的应用

本文采用多因子模糊聚类方法,对中国东北地区农村能源进行了综合区划,为科学地划分综合农村能源区,推动农村能源建设提供了一种行之有效的方法。     

集成"质量-格局-功能"的中国耕地整治潜力综合分区

面向新时期耕地资源多功能综合保护的新要求,科学评价耕地整治潜力,合理确定整治分区是聚焦"新三农"、服务国土综合整治的有力抓手。该研究围绕耕地自然资源禀赋、空间格局、要素功能等3方面,构建了集成"质量-格局-功能"的耕地整治潜力评价指标体系,在对全国耕地进行整治潜力综合评价的基础上,采用k-means聚类方法划定耕地整治潜力综合分区,得到以下主要研究结果:1)通过构建集成"质量-格局-功能"的耕地整治潜力评价框架,采用"一级区-二级区-三级区"3个层级的潜力分区体系,并结合"聚类区域+农业格局+整治类型"的分区方法开展耕地整治潜力综合分区,对因地制宜布局农业生产格局、差别化开展新时期国土综合整治具有积极作用;2)中国耕地资源整治潜力在质量、格局及功能之间存在显著的空间分异,质量改善潜力区主要分布于长江流域、海河流域和淮河流域等地区;格局优化潜力区主要集中于黄河流域、东南诸河流域、内陆河流域及长江中下游等地区;功能提升潜力区主要分布于长江流域、珠江流域及内陆河流域等地区;3)采用k-means空间聚类分析方法,从整治潜力视角将中国耕地资源划分为7个一级分区、38个二级分区和409个三级类型区。研究结果有利于因地制宜推进以全要素整合为核心的耕地综合整治,提高耕地资源供给服务能力及区域农业资源配置效率。     

基于多源空间数据的"三生"空间异质性评价与分区划定

为优化"三生"空间评价方法体系,探索海南岛"三生"空间聚集性与协调度特征并制定有效的空间分区方案,该研究从空间异质性角度出发,采用多源空间数据从栅格尺度上对同地类不同地块的"三生"空间功能进行评价,再通过空间自相关及三角坐标图分析乡镇尺度上"三生"空间的聚集性与协调度特征,并为国土空间优化提供相关分区方案。结果表明:1)海南岛生产空间高分值区域集中分布在沿海市县,呈"四周高、中间低,北部高、南部低"的分布特征,且城镇生产空间与农业生产空间有所差异;生活空间高分值区域多集中在各市县城镇范围内,整体呈"小集聚、大分散"的空间格局;生态空间高分值区域集中在中部地区,呈"中间高、四周低,南部高、北部低"的分布格局。2)乡镇尺度上海南岛生产、生活、生态空间功能值的Moran’sI指数分别为0.569,0.221和0.716,表现出空间自相关性特征,据此面向全岛提出基于空间聚集性的"三生"空间分区方案。3)海南岛各乡镇"三生"空间存在较大的协调度差异,高值区以生态主导和"三生"协调型为主,分别占乡镇总数的51.72%与43.97%;低值区则以生态主导型为主,占乡镇总数的72.41%,据此面向全岛提出基于空间协调度的"三生"空间分区方案。该研究有效识别了同地类不同地块"三生"空间的异质性,并从空间聚集性与协调度视角提出"三生"空间分区管制方案,能够为当前国土空间优化提供参考。     

基于地理空间适宜性指数自相关的农村居民点整理分区

农村居民点整理是提高建设用地节约集约利用水平的重要手段,为研究基于地理空间属性的区域农村居民点差异化整理方向和模式,提高整理效率,该文以甘肃省临夏县北塬地区为例,从农村居民点地理环境、空间区位、空间分布和空间形态4个方面构建居民点整理地理空间适宜性评价指标体系,通过对各指标标准化值加权求和并进行空间自相关分析,获取适宜性程度的空间聚集特征并结合各行政村超标可整理面积进行农村居民点整理分区,针对不同分区特征提出差异化的整理方向和模式。结果表明：1）地理空间适宜性值为32.093～85.226,空间分异明显,指标体系可较好地反映区域农村居民点地理空间属性差异;2）全局Moran指数为0.66,在0.01显著水平上极显著,呈显著正空间自相关性,LISA 图显示只存在显著高高、低低聚集,与全局分析一致;3）分区划为优先整理区、次级整理区、并点整理区和选择性整理区,包含空间聚集特征,可较好地识别居民点整理适宜性和整理效益差异。研究可为农村居民点整理实践作参考,为农村居民点整理分区研究提供新的思路和方法。     

基于降维处理密度图聚类解析的农田整治分区

为了增强多维空间大样本数据分类的直观性和可解释性,提高农田整治类型区划分结果的实用性,该文提出了一种基于降维处理的密度图法与定性解析相结合的分类方法。该方法首先对多维变量进行主成分分析以提取主变量,然后在第一和第二主变量构成的二维平面空间制作样品分布散点图,采用密度图分割法对样本进行初步分类;最后再结合定性变量特征,对初步分类结果进行定性解析续分。采用该方法对新郑市的315个行政村单元进行了农田整治分区研究,结果表明:1)第一主分量(F1)和第二主分量(F2)包含了土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾、农田灌溉率等原始变量信息总量的85.55%,可由其替代原始变量信息;2)F1、F2主变量与粮食单产间的相关性总体优于原始变量,在F1-F2二维平面散点图上,样品聚类特征明显;3)新郑市的315个行政村可划分为6种类型的农田整治区,不同类型区的粮食单产及影响因素差异显著,农田整治工程建设的重点各不相同。结果说明,基于主成分分析的密度图法与定性解析相结合的分类方法适宜于多因素大样本情况下的农田整治类型区划分,研究结果可为新郑市的农田整治规划设计提供重要参考。     

基于空间自相关的农村居民点空间格局演变及其分区

农村居民点形态特征是自然地理条件和社会经济发展水平的集中体现,其形态特征空间集聚格局可为农村居民点分区提供基础依据。该文以北京市平谷区为例,基于空间自相关方法,分析平谷区农村居民点的空间格局及其演变特征,测度其空间关联性,获取农村居民点空间形态集聚格局,进而结合村庄定位、相关规划等,提出平谷区农村居民点分区方案。研究结果显示,农村居民点规模、形状、分布均呈显著空间自相关,正相关类型多以组团形式出现,而负相关类型则呈零星分布。不同的自然与社会经济特点区域表现出不同的集聚格局,地形地貌等自然条件控制下的农村居民点规模、形状和分布的集聚区域空间一致性较强,而城市化、工业化等人文过程则降低了其空间一致性。可据此将农村居民点分为5个管理区域,平原区农村居民点管理应注重其用地综合效益的提升,适时调整优化农村居民点用地结构以改善生产生活条件;半山区应因地制宜推行区域统筹的综合管理模式;而山区则应突出村庄特色,完善居民点内基础设施建设,实现农村居民点整合发展。     

松嫩高平原黑土区耕地利用系统安全格局及其空间演变

为切实保护耕地和实现区域耕地的可持续利用,该文以巴彦县为研究区,将研究区的耕地利用分为西北部平原耕地区、中部漫岗平原缓坡耕地区、东部低山丘陵坡耕地区、南部平原耕地区和南部冲积平原耕地区5个区,从系统角度,以影响研究区耕地利用系统安全的自然、经济社会、生态等驱动因子分析为切入点,运用"3S"技术手段,利用因子分析法和加权综合评价法计算耕地利用系统安全值,采用Kriging插值法将安全值分为Ⅰ级(非常安全)、Ⅱ级(较安全)、Ⅲ级(基本安全)、Ⅳ级(临界安全)和Ⅴ级(不安全)5个等级,运用栅格数据的空间分析功能,分析研究区1991-2009年耕地利用系统安全格局变化及空间演变。结果表明:1991年和2009年,研究区各安全等级所占比例以Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级为主,Ⅴ级最低。从1991-2009年的变化趋势上看Ⅰ级、Ⅱ级呈减少趋势,Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级呈增加趋势,耕地利用系统安全程度在降低;1991年和2009年2个时点,耕地利用系统安全水平空间分布均不平衡,西部、北部高,东部、南部低,且2009年较1991年有增强趋势,各安全等级在不同耕地利用分区上空间分布格局差异明显,安全级别较高的Ⅰ级、Ⅱ级集中在西北部平原耕地区、中部漫岗平原缓坡耕地区和东部低山丘陵坡耕地区,安全级别较低的Ⅳ级和Ⅴ级主要分布在南部平原耕地区和南部冲积平原耕地区,安全等级最高的Ⅰ级在中部漫岗平原缓坡耕地区分布最多;1991-2009年近20 a研究区耕地利用系统安全格局空间演变特征明显,Ⅰ级表现为集中向西北部平原耕地区转移,Ⅱ级变化较为分散,在西北部平原耕地区和南部平原耕地区分布比例降低,在其余3区升高,Ⅲ级由南部平原耕地区向南部冲积平原耕地区过渡,Ⅳ级以原区域为中心向四周扩散,Ⅴ级由南部冲积平原耕地区向南部平原耕地区转移;为保障研究区耕地利用系统安全,提出应优化土地利用结构、改变传统的农业生产方式、严格控制非农建设侵占耕地以及合理开发耕地后备资源等对策建议。     

基于全球导航卫星系统的智能化精细平地系统优化与试验

农田土地精细平整是中国现代地面精细灌溉的重要基础,能提高农田灌溉均匀度,改良土壤水盐分布,控制杂草,达到节水增产的效果。应用GNSS(global navigation satellite system,全球导航卫星系统)技术进行土地精细平整具有不受天气影响、测量速度快、工作效率高等优点,具有广泛应用前景。该文结合中国土地平整的实际情况和前期的研究成果,开发了适合国内应用的GNSS控制平地系统,降低了研发的设备成本,优化完善了平地系统的功能。为减少分立设备数量,提高系统集成度,设计了集成控制终端,集成GNSS接收模块、差分电台模块、核心处理平台和阀控制模块,并设计了集成控制终端的外壳,通过可旋转调整支架固定在拖拉机驾驶室内,具有良好的防尘、降温和牢固等优点;为完善地形测量功能,增加了测量轨迹的实时显示,以及农田面积等地势信息的计算,便于指导后续平整作业;优化了基准设计,建立了坡面平整的数学模型,实现了任意坡度坡面平整。优化后的系统主要由集成控制终端、自主差分GNSS接收设备、液压系统以及平地铲运设备几部分构成;以Visual Studio2008为系统软件开发环境,GNSS精细平整集成软件能够实现农田地势测量、基准设计及平整作业等功能。该智能平地系统在中国农业大学上庄试验站进行了长时间平整实验,平面平整后最大高程差从20.9降到10.5 cm,高程标准差从10.6降到5.5 cm,平地误差小于5 cm的测点累积百分比从77%上升到90%左右,平整效果良好。坡面平整的坡度从0.239%降到0.120%,符合设计要求。结果表明,系统工作稳定可靠,作业精度满足土地精细平整要求,适用于在中国推广应用。