專利名稱：一種區(qū)域作物需水量測(cè)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)田水利工程領(lǐng)域，涉及到對(duì)農(nóng)田水利以及水文水資 源系統(tǒng)中區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法。
技術(shù)背景目前，作物需水量是水土資源平衡計(jì)算、灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn) 行管理中不可缺少的基本數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確地測(cè)定和測(cè)算作物需水量不僅是 制定作物灌溉制度和區(qū)域灌溉需水計(jì)劃的基本依據(jù)，而且業(yè)已成為監(jiān) 測(cè)農(nóng)業(yè)旱情、提高區(qū)域水資源利用效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作物需水量的研究近200多年來(lái)一直受到國(guó)內(nèi)外的高度重視，研 究提出了很多測(cè)定和測(cè)算方法，但這些方法大都以計(jì)算單點(diǎn)的作物需 水量為主，由于作物需水量具有較大的空間變異性，這些定點(diǎn)數(shù)據(jù)大 多不能直接用于其它點(diǎn)上，更不能代替某一較大面積上的平均值，但 是目前無(wú)論是農(nóng)田水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理，還是地區(qū)間水量水 權(quán)分配，跨流域引水、調(diào)水的決策需要的實(shí)際上都是不同尺度的區(qū)域 作物需水量。傳統(tǒng)的區(qū)域作物需水量測(cè)算方法采取的是以點(diǎn)代面方法 但由于人力、物力、財(cái)力等的限制，人們不可能無(wú)限制地布設(shè)監(jiān)測(cè)站 點(diǎn)，特別在地形變化較大的區(qū)域，作物需水量的空間分布更為復(fù)雜， 由于不能考慮地形等因子的影響，因此測(cè)算精度難以滿足實(shí)際工作需 求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種 區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，利用該方法不僅可對(duì)影響作物需水量的 主要影響因子進(jìn)行綜合分析和數(shù)據(jù)變換，降低數(shù)據(jù)處理的工作量，提 高運(yùn)行效率，而且可考慮復(fù)雜地形對(duì)作物需水量空間分布的影響，提 高復(fù)雜地形稀疏站點(diǎn)條件下區(qū)域作物需水量的測(cè)算精度，為區(qū)域水資 源的優(yōu)化配置方案的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是 一種區(qū)域作物需水 量的測(cè)算方法，該方法包括如下步驟
(1) 選定測(cè)算區(qū)域，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用DEM (即Digital elevation model)、 土壤類型、作物種植結(jié)構(gòu)、氣象因子和作物需水?dāng)?shù)據(jù)；
(2) 考慮宏觀地形因子數(shù)據(jù)、根據(jù)系統(tǒng)中的DEM數(shù)據(jù)派生出坡度、 坡向、遮蔽度等微觀地形因子數(shù)據(jù)和輻射因子數(shù)據(jù)，得到微觀地形因 子數(shù)據(jù)；
(3) 根據(jù)用戶所設(shè)定的精度和選用的數(shù)據(jù)插值方法，對(duì)地形因子數(shù) 據(jù)、氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)空間化處理，獲得區(qū)域的影響因子的柵格 數(shù)據(jù)庫(kù)集；
(4) 根據(jù)步驟(3)獲得的區(qū)域柵格數(shù)據(jù)庫(kù)集和土壤類型數(shù)據(jù)庫(kù)，從 各地形因子數(shù)據(jù)、土壤類型因子數(shù)據(jù)、氣象因子數(shù)據(jù)提取影響作物需 水量的綜合因子數(shù)據(jù)；(5) 從步驟(4)獲得的綜合因子數(shù)據(jù)篩選出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合因子數(shù)
據(jù)并與不同作物需水量建立非線性影射關(guān)系，根據(jù)它們之間的關(guān)系獲
得不同作物的需水量數(shù)據(jù)；
(6) 根據(jù)系統(tǒng)中作物種植結(jié)構(gòu)情況和步驟(5)獲得的不同作物需水 量數(shù)據(jù)，采用地圖代數(shù)方法測(cè)算出區(qū)域作物需水量；
所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，對(duì)步驟(3)對(duì)地形因子數(shù) 據(jù)和氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行插值過(guò)程中，采用交叉驗(yàn)證方法，通過(guò)誤差均 值、誤差均方根、估值標(biāo)準(zhǔn)差、平均標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)均方根估值誤差指 標(biāo)來(lái)反映插值精度。
所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，對(duì)步驟(3)對(duì)地形因子數(shù)
據(jù)和氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的方法選用反距離加權(quán)插值法、最小曲 率法、改進(jìn)謝別德法、自然鄰點(diǎn)插值法、最近鄰點(diǎn)活值法、多元回歸 法、徑向基函數(shù)插值法、三角網(wǎng)線性插值法或地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。
所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，在步驟(4)中對(duì)綜合因子 數(shù)據(jù)提取采用原始數(shù)據(jù)歸一化或原始數(shù)據(jù)歸一化和主成分分析法的 結(jié)合方法。
所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，在步驟(5)中，采用小樣 本統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論來(lái)建立綜合因子數(shù)據(jù)與作物需水量之間的非線性影 射關(guān)系。
所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，步驟(6)得出的區(qū)域作物 需水量采用實(shí)現(xiàn)區(qū)域空間位置的可視化表達(dá)或采用數(shù)據(jù)表格形式存 儲(chǔ)。本發(fā)明其核心是利用具有較多監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，又對(duì)作物需水量影響較 大的地形因子、氣象因子，采用系統(tǒng)提供的插值方法進(jìn)行空間化處理， 并對(duì)這些影響因子進(jìn)行數(shù)據(jù)變換和主成分分析，提取出能充分代表這 些因子的主成分，將提取得到的主成分(綜合影響因子)與作物需水 量進(jìn)行非線性映射，根據(jù)綜合影響因子與不同作物需水量的映射關(guān) 系，再將映射數(shù)據(jù)根據(jù)特定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就可得到不同作物的 需水量分布情況，考慮區(qū)域作物的種植結(jié)構(gòu)情況就可得到區(qū)域作物需 水量。本發(fā)明可對(duì)不同的影響因子采用不同的空間化處理方法，充分 考慮各影響因素的空間變異性，因此較傳統(tǒng)的以點(diǎn)代面的區(qū)域作物測(cè) 算方法精度顯著提高。本發(fā)明經(jīng)過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的變換處理和小樣本統(tǒng) 計(jì)學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用，因此可大大提高數(shù)據(jù)處理效率和提高復(fù)雜地形稀 疏站點(diǎn)條件下區(qū)域作物需水量的測(cè)算精度。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明通過(guò)對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，提出一種考慮空間變異性 的區(qū)域作物需水量測(cè)算方法，該系統(tǒng)不僅可考慮各影響因子的空間變 異性，而且可有效提高復(fù)雜地形稀疏站點(diǎn)條件下的測(cè)算精度，為區(qū)域 水資源的優(yōu)化配置方案的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 本發(fā)明的具體實(shí)施方法包括如下幾個(gè)步驟 (1)選定測(cè)算區(qū)域，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用該區(qū)域中DEM (Digital elevation model)、作物種植結(jié)構(gòu)、氣象因子和作物需水?dāng)?shù)據(jù)；(2) 考慮宏觀地形因子數(shù)據(jù)、根據(jù)系統(tǒng)中的DEM數(shù)據(jù)派生出坡度、 坡向、遮蔽度等微觀地形因子數(shù)據(jù)和輻射因子數(shù)據(jù)，得到微觀地形因 子數(shù)據(jù)；
(3) 根據(jù)用戶所設(shè)定的精度，根據(jù)選用的方法對(duì)地形因子數(shù)據(jù)、氣
象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，獲得區(qū)域的影響因子的柵格數(shù)據(jù)庫(kù)集；插
值方法可選用反距離加權(quán)插值法、最小曲率法、改進(jìn)謝別德法、自 然鄰點(diǎn)插值法、最近鄰點(diǎn)活值法、多元回歸法、徑向基函數(shù)插值法、 三角網(wǎng)線性插值法或地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法；
(4) 依靠步驟(3)獲得區(qū)域的影響因子的柵格數(shù)據(jù)庫(kù)集，對(duì)各地形 因子數(shù)據(jù)、土壤類型因子數(shù)據(jù)和氣象因子數(shù)據(jù)采用主成分分析方法獲 取影響作物需水量綜合因子數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)變換和降維處理，使綜合 因子數(shù)據(jù)既能盡量多地反映原來(lái)較多因子所反映的信息，同時(shí)各因子 之間又彼此獨(dú)立，因此在有效減輕工作量的同時(shí)，還提高了精度。
本發(fā)明提供的綜合代表性影響因子的提取采用以下中的一種或
幾種的結(jié)合原始數(shù)據(jù)歸一化、主成分分析。
具體實(shí)施方式
如下 原始數(shù)據(jù)歸一化過(guò)程
設(shè)PHP,，P2，…，Pm)是某一區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)，V^V,，V2，…，VJ是地形、
土壤類型、氣象等影響因子中的n個(gè)影響因子，它們具有不同的類型 和量綱.影響因子矩陣X如下
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，Xij代表第i個(gè)站點(diǎn)的第j個(gè)影響因子值。記第j個(gè)影響因子Vj的最小值、最大值分別為Vj^、 Vjmax: 「—=min(A,l，2,...，nK.腿-max(A)' j:l，2，…,n 可分別選用下式進(jìn)行歸一化(1)(2)y - 「r _/max 乂rr j max ' mm(3)(4)上式中P—般選0.9， a = ) /2<當(dāng)Xij》B，則",=1-爿一Xmax" —「—，^如—5)式中[A，B]分別為區(qū)間型影響因子的最佳穩(wěn)定區(qū)間, 通過(guò)上述計(jì)算就可得到歸一化數(shù)據(jù)矩陣Y(5)(6)<formula>formula see original document page 9</formula>主成分分析過(guò)程根據(jù)確定的測(cè)算區(qū)域中的氣象或灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)數(shù)目/7 ^7^^定游 氣象、土壤類型、地形因子P，，每個(gè)站點(diǎn)P個(gè)影響因子的值分別為 A， Z2，…Zp，就得到了一個(gè)/7Xp階矩陣<formula>formula see original document page 9</formula>如果記原來(lái)的變量指標(biāo)為A， X2， ...， Xp，它們的綜合指標(biāo)一新 變量指標(biāo)為y!，力，…，(w$)。則可將義=(x,，；c2,L ,、)的P個(gè)指標(biāo)綜合成；？個(gè)新指標(biāo)，新的指標(biāo)可以由原來(lái)的指標(biāo)A,^,A ,Xp線性表示，即<formula>formula see original document page 10</formula>
在(8)式中，系數(shù)/^由下列原則來(lái)決定(1) 乂與乃(的'；/，產(chǎn)l， 2，…，m)相互無(wú)關(guān)；(2) 為是;cp x2，…，Xp的一切線性組合中方差最大者；力是與 力不相關(guān)的A， x2，…，A的所有線性組合中方差最大者；......；>V是與力，》，......jVi都不相關(guān)的A， x2，…，Xp的所有線性組合中方差最大者。這樣決定的新變量指標(biāo)力，力，…，力分別稱為原變量指標(biāo)A， 力，…，A的第一，第二，…，第/z 主成分。其中，乃在總方差中占 的比例最大，"，力，…，^的方差依次遞減。根據(jù)用戶設(shè)定的主成 分選擇方式得到主成分，從而達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，抓住問(wèn)題實(shí)質(zhì)的目 的。通過(guò)上述數(shù)據(jù)的變換，不僅可以有效提高數(shù)據(jù)處理效率，而且可 以提高測(cè)算精度。對(duì)地形因子數(shù)據(jù)和氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行插值過(guò)程中，充分考慮各影 響因子數(shù)據(jù)的空間變異性，采用交叉驗(yàn)證方法，通過(guò)誤差均值、誤差 均方根、估值標(biāo)準(zhǔn)差、平均標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)均方根估值誤差等指標(biāo)來(lái)反 映插值精度。(5)從步驟(4)獲得的綜合因子數(shù)據(jù)篩選出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合因子數(shù) 據(jù)并與不同作物需水量建立非線性影射關(guān)系，根據(jù)它們之間的關(guān)系獲得不同作物的需水量數(shù)據(jù)；(6)根據(jù)系統(tǒng)中作物種植結(jié)構(gòu)情況和獲得的不同作物需水量數(shù)據(jù)， 采用地圖代數(shù)方法測(cè)算出區(qū)域作物需水量；本發(fā)明提供的方法，采用了小樣本統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論來(lái)建立主要影響 因子與作物需水量之間的非線性影射關(guān)系，可以顯著提高復(fù)雜地形稀 疏站點(diǎn)條件下的區(qū)域作物需水量。本發(fā)明充分考慮了區(qū)域作物種植結(jié)構(gòu)情況來(lái)測(cè)算區(qū)域作物需水 總量。區(qū)域作物需水量測(cè)算結(jié)果既可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域空間位置的可視化表 達(dá)，也可以采用數(shù)據(jù)表格形式存儲(chǔ)。
權(quán)利要求
1. 一種區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)選定測(cè)算區(qū)域，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用DEM、土壤類型、作物種植結(jié)構(gòu)、氣象因子數(shù)據(jù)和作物需水?dāng)?shù)據(jù)；(2)考慮宏觀地形因子數(shù)據(jù)、根據(jù)系統(tǒng)中的DEM數(shù)據(jù)派生出坡度、坡向、遮蔽度等微觀地形因子數(shù)據(jù)和輻射因子數(shù)據(jù)，得出微觀地形因子數(shù)據(jù)；(3)根據(jù)用戶所設(shè)定的精度和選用的數(shù)據(jù)插值方法，對(duì)地形因子數(shù)據(jù)、氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)空間化處理，獲得區(qū)域的影響因子的柵格數(shù)據(jù)庫(kù)集；(4)根據(jù)步驟(3)獲得的區(qū)域柵格數(shù)據(jù)庫(kù)集和土壤類型數(shù)據(jù)庫(kù)，從各地形因子數(shù)據(jù)、土壤類型因子數(shù)據(jù)、氣象因子數(shù)據(jù)提取影響作物需水量的綜合因子數(shù)據(jù)；(5)從步驟(4)獲得的綜合因子數(shù)據(jù)篩選出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合因子數(shù)據(jù)并與不同作物需水量建立非線性影射關(guān)系，根據(jù)它們之間的關(guān)系獲得不同作物的需水量數(shù)據(jù)；(6)根據(jù)系統(tǒng)中作物種植結(jié)構(gòu)情況和步驟(5)獲得的不同作物需水量數(shù)據(jù)，測(cè)算出區(qū)域作物需水量；
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，其特征 在于對(duì)步驟(3)對(duì)地形因子數(shù)據(jù)和氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行插值過(guò)程中，采用交叉驗(yàn)證方法，通過(guò)誤差均值、誤差均方根、估值標(biāo)準(zhǔn)差、平均 標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)均方根估值誤差指標(biāo)來(lái)反映插值精度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，其特征在于對(duì)步驟(3)對(duì)地形因子數(shù)據(jù)和氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的方法選用反距離加權(quán)插值法、最小曲率法、改進(jìn)謝別德法、自然鄰點(diǎn)插 值法、最近鄰點(diǎn)活值法、多元回歸法、徑向基函數(shù)插值法、三角網(wǎng)線 性插值法或地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，其特征在于在步驟(4)中對(duì)綜合因子數(shù)據(jù)提取采用原始數(shù)據(jù)歸一化或原 始數(shù)據(jù)歸一化和主成分分析法的結(jié)合方法。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，其特征在于在步驟(5)中，采用小樣本統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論來(lái)建立綜合因子數(shù) 據(jù)與作物需水量之間的非線性影射關(guān)系。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，其特征在于步驟(6)得出的區(qū)域作物需水量采用實(shí)現(xiàn)區(qū)域空間位置的可視 化表達(dá)或采用數(shù)據(jù)表格形式存儲(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種區(qū)域作物需水量的測(cè)算方法，包括如下步驟選定測(cè)算區(qū)域，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用測(cè)算區(qū)域的DEM、作物種植結(jié)構(gòu)、土壤類型、氣象因子和作物需水?dāng)?shù)據(jù)；對(duì)地形因子數(shù)據(jù)、氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，獲得區(qū)域的影響因子的柵格數(shù)據(jù)庫(kù)集；從各地形因子數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)和氣象因子數(shù)據(jù)提取影響作物需水量的綜合因子數(shù)據(jù)；將綜合因子數(shù)據(jù)與作物需水量建立非線性影射關(guān)系，獲得不同作物的需水量數(shù)據(jù)；本發(fā)明可對(duì)不同的影響因子采用不同的空間化處理方法，充分考慮各影響因素的空間變異性，經(jīng)過(guò)原始數(shù)據(jù)的變換處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用，有效地減少運(yùn)算工作量和提高數(shù)據(jù)分析效率，提高復(fù)雜地形稀疏站點(diǎn)條件下區(qū)域作物需水量的測(cè)算精度。
文檔編號(hào)G06Q10/00GK101276446SQ20081009824
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者孫景生, 康紹忠, 張寄陽(yáng), 王景雷 申請(qǐng)人:王景雷