1、基于 GIS 的土地适宜性评价决策支持系统研究与应用第 22 卷第 4 期2006 年 11 月农业系统科学与综合研究SYSTEMSCIENCESANDCO【P 髓 HENSIVESDIESINAGRICUI 删 REV01.22.No.4NOV.20o6基于 GIS 的土地适宜性评价决策支持系统研究与应用夏敏.张佳宝.赵小敏.刘友兆.曾志强(1.南京农业大学公共管理学院,江苏南京 210095;2.中国科学院南京土壤研究所,江苏南京 210008;3.江西农业大学国土资源与环境学院,江西南昌 330045)摘要:针对传统的基于地理信息系统的土地适宜性评价系统缺乏对空间问题决策的支持能力的缺点
2、,以地理信息系统和决策支持系统相结合,建立了一个土地适宜性评价决策支持系统.该系统由数据库系统,模型库系统,知识库系统和人机接口 4 部分组成.实践应用表明系统兼有空间分析和辅助决策功能.图 2,表 2,参 6.关键词:土地评价;地理信息系统;决策支持系统中图分类号:F323.21l 文献标识码 :A 文章编号:10010068(2006)040256.一 04DevelopmentandApplicationofLandSuitabilityEvaluationDecisionSupportSystemBasedonGISXIAMin,ZHANGJia-bao2,ZHAOXiao-min3,
3、UUYouzhao,ZENGZhiqiang(1.ofManagement,NangAgricldturalUniversity,Nanfing210095,(ina;2.InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofiences,Nanfing210008,Chit;3.CollegeofLandResowrcesandEnvironmem,JiangxiAgriculturalUnivershy,Nanchang330045,China)Abstract:Traditionallandsuitabilityevaluationsystembasedongeo
4、graphicinfornmtionsystem(GIS)isshortofdecisionsupporttospatialissues.Alandsuitabilityevaluationdecisionsupportsystemisestablishedbasedon(ISanddecisionsupportsystem(Dss)tonmkeupthisdisadvantage.Thesystemismadeofdataba.system,modelstorehousesystem,knowledgestorehousesystemandmanmachineinteractionsurfa
5、ce.Spatialanalysisanddecisionsupportfunctionsofthesystemaredemonstratedthroughitsapplicationinpractice.Keywords:landsuitabilityevaluation;geographicinformationsystem;decisionsupportsystem土地适宜性评价的目的在于揭示土地对不同农业用途的适宜性与限制性,为确定最适宜的用地方式提供依据.加强土地适宜性评价的研究不仅可以丰富土地评价研究的理论与方法,对农业生产的宏观管理与微观控制也有重要的参考价值lj.在目前的土地适
6、宜性评价工作中,地理信息系统(以下简称 GIS)已经得到广泛应用,这大大提高了评价工作的精度和效率.但传统的基于 GIS 建立的土地适宜性评价系统也存在一定的不足,表现在缺乏空间建模能力,对模型的管理能力也较弱 J,这些缺点使评价系统缺乏对空间问题决策的支持能力,阻碍了 GIS 在土地适宜性评价中的进一步应用.决策支持系统(以下简称 DSS)是从数据库中找出必要的数据,并利用数学模型的功能,为用户产生所需要的信息的计算机程序系统3.DSS 以提供决策为目标,对决策者起着“支持“,“ 辅助“的作用,能帮助决策者进行高水平的决策.但目前大多数的 DSS 不能灵活,直观地描述对象的空间位置,空间分布
7、等信息,不能为决策者创造一种空间数据可视化的决策环境.目前 GIS 和 DSS 的发展已经具备两种技术集成的条件.两者的结合,一方面可以实现对空间数据的管理和分析,另一方面可以利用模型进行辅助决策,有利于解决与空间有关的决策问题.笔者根据土地适宜性评价的需求,开发了一个基于 GIS 的土地适宜性评价决策支持系统(以下简称 I_SEDSS),并应用于江苏省南京市江宁区淳化镇农地适宜评价中.l 研究区概况淳化镇位于东经 3050,北纬 1l8.30,面积约76Ohm2 该镇处于北亚热带与暖湿带的过渡地带,气候温和,湿润多雨,四季分明.年平均气温为15.5c【=,平均无霜期为 225;d,年平均降水
8、量为1OO4.6mm.研究区属于高岗地貌类型,海拔高度15m60m,岗地的母质类型属下蜀黄土,冲田部位的土壤母质类型为近代冲积物,这两类母质类型以高黏粒含量与弱透水性为特征.受地形与气候等要素的影响,岗地部位土壤侵蚀作用明显,特别在岗顶部位,表层土壤浅薄.研究区为传统的农耕区,土地利用类型包括旱地和水田,种植制度主要为小麦一水稻轮作.主要针对这两种利用方式,运用 LSEDSS,把土地生产潜收稿日期:20050914;修回日期:20060116.基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2002CIM10808); 国家“973“ 计划项目前期研究专项(2003CCB091).第一作者简介:夏敏(
9、1971 一),女,江苏南京人,讲师,在读博士,主要从事土地评价和土地信息系统等方面的研究第 4 期夏敏等:基于 GIS 的土地适宜性评价决策支持系统研究与应用力评价和土地适宜性评价有机结合起来5】,在潜力评价的基础上对土地评价单元进行适宜性等级划分.2 系统结构设计LSEDSS 以 MaplnfoProfessional6.0 为基础平台,人机接口以 VisualC+6.0 为开发工具,采用类库开发与空间开发相结合的方法,利用 Maplnfo 的 OLE 功能,把所需功能集成到应用程序中开发而成.LSEDSS包括数据库系统,模型库系统,知识库系统以及人机接口 4 个部分,其具体结构如图 1.
10、数据库管理系统 ll 模型库管理系统数据库模型库国 l 囊 ff 垂 lfl蓁蓁I 蓁茎蓁 lf 耋图 1 土地适宜-性评价决策支持系统结构2.1 数据库系统数据库系统是 1SEDSS 的基础,它为决策者提供决策输入所必需的信息和数据.包括空间数据库和属性数据库.在数据库系统中,以空间数据库为核心.空间数据库中存放地形图,土壤图,土地利用现状图等基础图件,以及通过评价过程由系统生成的针对所评价用途的单因素评价图和综合评价图等各种专题图件.基础图件的获取主要有两种途径:一是以通用 GIS 软件如 Maplnfo,ARC/INFO 或 MAPGIS 等软件为依托,通过手扶跟踪数字化仪录入,或通过扫
11、描仪加上屏幕数字化输入,这是传统的方法;二是通过外部数据源如遥感数据获取.此外,目前各地土地管理部门大多在地籍管理中使用 AutoCAD 等软件数字化的图件,为节省时间和成本,也可以运用GIS 软件的相关功能调入系统使用.属性数据库包括自然和社会经济方面的相关数据,以及系统在评价过程中生成的中间和结果数据.其中自然方面包括气候,地形,土壤,水文等数据,社会经济方面包括反映土地生产率和土地利用的投入水平和管理水平,以及土地区位条件的数据,此外随着可持续利用评价的发展,环境数据也知识库管理系统事实库知识库规则库约藿有一定程度的考虑.因为土地适宜性评价的特点,属性数据仍以自然数据为主.属性数据可以在
12、数字化时直接录入系统,也可以根据统计调查等工作的需要,保存在 Access,FoxPro 或 Excel 等数据库中,在系统运行时调入使用.在数据库系统的设计中,组织,管理好空间数据和属性数据并确保空问数据与属性数据的密切配合是反映数据库能力的重要标志,这就涉及到数据库模型的选择,常用的数据库模型有层次模型,网状模型和关系模型,在土地适宜性评价中使用的空间数据和属性数据之间有较强的对应关系,其关系模式满足关系模型的规范条件,因此 LSEDSS 的数据库可以选择关系模型,其中空间数据库选择栅格数据结构和矢量数据结构结合的数据库类型.同时,由于涉及到不同来源的数据,获取数据的时间和手段也有一定的差
13、异,所以其数据结构,格式及规范可能不尽相同,系统设计时要求做好数据的标准化处理,建立统一的数据格式,编码和命名原则.数据库管理系统对空间和属性数据进行常规管理和维护,可以实现对各种数据文件的编辑,检索,修改和组织等项功能,同时支持模型的运算及统汁分析农业系统科学与综合研究第 22 卷2.2 模型库系统模型是综合利用适宜 f 生评价数据进行定性分析和定量计算的工具,也是系统解决评价问题的有力手段,模型库是 LSEDSS 的核心 .LSEDSS 的模型库中包含两类模型,即空间模型和应用模型_6.其中空间模型主要完成对系统空间和属性数据的各种运算,包括空间检索,统计识别,网络分析和空间扩散计算等.L
14、SEDSS 的应用模型包括土地适宜性评价常用的基本方法和标准算法,这些模型需要结合土地资源学,土壤学和地理学等学科知识,运用计算机程序语言开发.每个模型都从数据库中提取数据及参考值,同时又将模型运算结果送回数据库,实现模型库与数据库的资源共享.土地适宜性评价主要程序与适用模型的关系如图 2.图 2 评价程序与适用模型关系目前通用的 GIS 软件中提供了大量的空间模型,在模型库系统设计中可以集成所需模型.而应用模型则主要通过编程实现,模型表示时应注意与数据表示及方法表示的一致性,同时每个模型应具有独立性.模型库里的模型既可以自行开发生成,又可以通过与一些通用的统计分析软件的集成实现.模型库管理系
15、统具备对模型进行查询,检索,维护,修改和连接等项功能,并能快速简便地构造新模型.同时具有模型选择推荐功能,即可以针对不同的决策需要选取适当的算法.2.3 知识库系统LSEDSS 的知识库包括事实库 ,规则库和约束库 3 部分,事实库用于存放评价过程中的说明性知识,构成信息实体的事实等内容,如对于评价专业术语的解释等;规则库中的主要内容是土地适宜性评价的规则,定理,定律等过程性知识及说明模型库中各个模型的使用范围,方法和关系的规则信息;约束库主要用于说明事实库与规则库中知识的适用范围和条件.知识库中存储有大量的知识,因此知识库的设计很重要的一点是对于知识表示:疗法的选择,目前常用的知识表示法有:
16、产生式规则,语义网络,谓词逻辑,面向对象的表示等,土地适宜 f 生评价中的知识大多具有一定的因果关系,可用 IF条件II-IEN动作解释,所以可以用产生式规则加以表示.知识库管理系统的功能是在评价决策过程中,通过人机交互作用,模拟决策者的思维方法和思维过程,依据决策者的经验,判断和推测,从而得到具有一定可信度的评价结果.2.4 人机接口人机接口是人和计算机之间相互作用的一个界面,所有的人和计算机信息交流都发生在这个界面上,它是 LSEDSS 的一个重要组成部分 ,能有效地将数据库,模型库和方法库集成在一起.人机接口可以提供多种形式的人机交互方式,包括菜单,填表,命令语言,屏幕显示,窗口,报表输
17、出等.通过人机交互界面,用户可以方便快捷地调用和查询数据库中的各种数据和模型.人机接口的设计要求可视化程度高,对用户友好.3 系统功能设计3.1 数据输入与输出功能可以通过手扶跟踪数字化仪,扫描数字化仪或屏幕光标数字化及键盘录入等方式,输入各种图形,图像,属性数据等.同时系统还可以接收多种外部数据文件,如以 ARC/Info,MapInfo 等 GIS 软件采集的矢量数据文件,以 Tiff 等格式记录的栅格数据文件,或Access 等关系数据库数据等 ,并提供数据更新功能.系统能以图件和报表等方式输出评价结果.按照国家制图规范的要求,提供丰富的地图模板和自定义模板,进行地图数据符号化,制图比例
18、尺确定,注记,图名,图例,指北针等一系列地图整饰要素的放置等.3.2 图属互查功能一方面可以用光标显示图形上任何一个目标的属性,或查询任意矩形,多边形或圆形窗口中全部目标的属性,也可以用光标查询,显示图形上任一点的坐标.另一方面还可以根据属性检索其相对应的图形.3.3 数据的空间分析功能第 4 期夏敏等:基于 GIS 的土地适宜性评价决策支持系统研究与应用提供了多种空间分析功能,包括空间数据融合,空间数据叠加,缓冲区分析,空间插值等,可以实现对土地利用现状,土地类型,土壤类型等数据的叠加和提取,满足了土地适宜性评价过程中空间数据分析的需要.3.4 辅助决策功能可以利用模型库系统,方法库系统和知
19、识库系统,根据需要运用相关知识,选择评价模型和相应方法,实现对土地利用现状数据的分析,评价单元的划分,评价指标的选择和权重的确定,最终完成土地适宜用途的评价等工作.4 系统应用价地区的土系为单位,以土壤图和地形图叠加,参考实地调查情况生成土地评价单元.根据专家意见,选取了 8 个评价指标,即灌排条件,土壤质地,坡度,耕层厚度,有机质,速效磷,速效钾,pH 值,其数据来源除灌排条件和坡度为实地调查数据外,其余指标值均来源于本校资环学院尹力初硕士研究成果.采用层次分析法确定各指标常权重,详见表 l;再根据指标对产量的影响选用直线型变权模型确定指标权重.运用模糊综合评判法,将权重向量与各指标值构成的
20、模糊矩阵相乘,得到该评价单元的作用系数,利用潜在产量计算公式:潜在产量=作用系数 X 当地最大产量 ,获得该评价单元该作物的潜在产量;最后应用模糊聚类模型划在淳化镇的评价中,考虑样本现有资料,以评分水稻和小麦的适宜等级.评价结果见表 2.表 1 评价区不同利用方式下各指标权重表 2 评价区不同利用方式土地适用性等级由表 2 可知,淳化镇的农地用于种植小麦适宜等级较高,中等以上适宜农地面积占总面积的67.3%.而用于种植水稻适宜等级较低,不适宜农地面积占总面积的 61.3%,但也有占总面积 27.0%的高度适宜地.究其原因,主要因为水稻对灌排条件要求较高,而淳化镇由于地形等因素的影响,除冲田水利
21、设施较为完善外,基本无灌溉与排水设施,影响了水稻的产量,因而出现了不适宜农地比重较大的情况,在未来的利用过程中,对这一部分土地如果能完善灌排设施,将会大大提高其种植水稻的适宜程度.5 结语进行土地适宜性评价是农业生产和土地管理部门工作的客观要求,对于高效利用土地调查资料,实现土地资源管理的科学化与现代化具有重要的意义.LSEDSS 在南京市江宁区淳化镇土地适宜性评价中的成功应用表明:作为基于 GIS 的决策支持系统,LSEDSS 考虑了决策者的偏好 ,能为决策者提供多种决策方案,同时又集成了 GIS 的空间分析功能,具有较强的空间分析能力;评价中的数据处理采用系统提供的模糊数学和系统工程的一些方法,较为先进,并取得了满意的结果;系统可以直接利用土壤分类数据,按土系进行土地适宜性评价,使结果直接与生产相联系,扩大了土壤分类成果的应用;土地适宜性评价传统的方法是采用指数和法确定适宜等级,系统探索了在土地潜力评价
