CN110991921A

CN110991921A - 一种基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法

Info

Publication number: CN110991921A
Application number: CN201911272512.2A
Authority: CN
Inventors: 何玲; 陈亚恒; 李金鹿; 王千; 杜哲; 李春雨; 徐聪; 加鹏华; 刘绍雄; 张家琛
Original assignee: Hebei Agricultural University
Current assignee: Hebei Agricultural University
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN110991921B

Abstract

本发明公开了一种基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法，基本步骤包括以下几个方面：评价单元确定、指标体系确定、评价指标标准化、评价方法选择、耕地生态质量分级。而根据耕地生态质量的评价特点，方法对应的评估流程包括数据整理与预处理、指标体系构建及元指标计算及指标数据标准化、特尔菲法确定权重、综合评估值计算和障碍因子诊断法以及评估等级划分。该方法从宏观、中观、微观尺度上构建耕地生态质量评价指标体系，既能够提高评价结果的准确性，又能够提升评价结果可视化效果。

Description

一种基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法

技术领域

本发明涉及生态领域，尤其涉及一种基于三维模型的耕地生态质量综合评价方法。

背景技术

耕地生态质量是指在一定时空范围内耕地生态系统自我维持存在和发展演化的能力。耕地生态质量取决于耕地生态系统的稳定性，而其稳定性又决定于耕地生态系统的结构和功能。耕地生态质量综合评价是对耕地生态系统的结构、功能和生态环境质量进行的多角度评价。现有的耕地评价研究大多集中在耕地质量评价、耕地地力评价、耕地生态风险评价以及耕地生态安全评价。

“三维魔方”是综合评价模型的一种，相比于传统的综合评价模型，现有的“三维魔方”综合评价模型通过构建矩阵，模拟不同环境下各因素或指标之间的运作机制，根据X、Y、Z轴上的三种评价功能或指标的评价结果，以X、Y、Z为“魔方”的长、宽、高建立三维坐标体系，使评价结果更加直观、具体，以及通过构建“三维魔方”评价模型，综合评价事物价值，可以体现各因子间的协同运作。其中评价尺度、评价指标、评价因子以及评价方法方面得到了广泛关注并具有很大进步，常在国土空间优化、适宜性评价以及功能区划分等综合评价中应用，目前还未应用于耕地生态质量评价领域。

耕地是最宝贵的农业资源、最重要的生产要素。现有的耕地质量评价研究在耕地质量的评价尺度、评价指标、评价因子以及评价方法方面得到了广泛关注并具有很大进步。评价耕地生态质量状况，寻求耕地质量的主导影响因素以及提高耕地生态质量的措施，是当今土地科学研究的重要领域。耕地生态质量的评价是土地评价的一个重要途径，土地质量是土地的综合属性，包括生态质量、自然质量、经济质量和管理质量。耕地生态质量评价是耕地生态保护的基础工作，提高物质生产能力，防止耕地生态环境污染，保持耕地生态系统持续存在和发展。目前在耕地生态评价指标方面有较多的探索与研究，但仍然未形成统一的评价指标体系，尤其在宏观、中观、微观等不同尺度下的评价指标体系构建原则、要求和目标等方面还需要进一步研究。现有的耕地生态质量评价数据源不丰富，指标选取中存在着片面性，精度有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法，该方法从宏观、中观、微观尺度上构建耕地生态质量评价指标体系，既能够提高评价结果的准确性，又能够提升评价结果可视化效果。

为了解决上述问题，本发明采取如下技术方案：

耕地生态质量评价的基本步骤包括以下几个方面：评价单元确定、指标体系确定、评价指标标准化、评价方法选择、耕地生态质量分级。而根据耕地生态质量的评价特点，方法对应的评估流程包括数据整理与预处理、指标体系构建及元指标计算及指标数据标准化、特尔菲法确定权重、综合评估值计算和障碍因子诊断法以及评估等级划分。包括如下步骤：

步骤一：数据获取，该评价方法从地上遥感数据、地面调查数据以及地下土壤取样化验数据为支撑。从三个层面选取评价指标来构建耕地生态质量评价指标体系。其中遥感数据包括防护林网密度、植被覆盖度、叶面积指数、归一化植被指数（NDVI）、生物量和光合有效辐射；地面调查数据包括复种指数、单位面积化肥投入、单位面积农药投入、单位面积劳动力、粮食单产、单位面积除草剂投入；土壤取样化验数据包括土壤质地指数、土壤重金属污染、土壤容重、土壤全氮、土壤全磷、土壤有机质含量。

步骤二：将三类数据源嵌入笛卡尔坐标系中，组成“三维立体魔方”模型。

步骤三：笛卡尔坐标系拥有三个坐标轴，分别为X轴、Y轴、Z轴，X轴自定义为地表数据源，Y轴自定义为地下数据源，Z轴自定义为地上数据源。

步骤四：将获取的X、Y、Z轴上的三种数据，无量纲化、确定权重，得出各指标评价数据。

步骤五：利用特尔菲法，对指标评价数据赋分（一分制），将数据源的各个指标分值累加分值嵌入对应轴内，累加分值即为该数据源的综合评分值。

步骤六：将笛卡尔三个坐标轴上的数据进行乘积，乘积所得体积为该评价单元的综合评分。

步骤七：评价单元所得评分与级别分值查询表（表1）对比，确定评价单元的级别。

表1 级别分值查询表

综合评分值	评价单元级别
		0-36	极差
36-72	差
		72-108	良
108-144	好
		144-180	优
180-216	极优

本表以每个数据源有6个指标为例，最大值为6³=216

指标说明

地表指标：

（1）复种指数=农作物种植总面积/耕地总面积

（2）单位面积化肥投入=化肥施用量/耕地总面积

（3）单位面积农药投入=农药施用量/耕地总面积

（4）单位面积除草剂投入=除草剂施用量/耕地总面积

（5）粮食单产=粮食作物总产量/种植粮食作物的耕地面积

（6）单位面积劳动力=农业就业人口/耕地总面积

其中，（2）（3）（4）为负向指标。

地下指标：

（1）土壤质地指数：首先，根据土壤质地的生态影响对土壤质地单因素进行分级：1等为粘土和壤粘土；2等为重壤土和中壤土；3等为轻壤土和砂壤土；4等为砂土和细砂土。然后，计算土壤质地指数。土壤质地属定性指标，必须转化为定量指标，这样方能与其它指标共同对耕地生态系统质量进行综合评价。借鉴专家意见，从1到4等分别赋以3、2.5、1.5、0.5的分值。

（2）土壤重金属污染：土壤重金属污染是由于土壤中废弃物重金属过量沉淀而导致的土壤污染。污染耕地土壤的重金属主要包括汞、镉和铅等生物毒性较强的元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。

土壤重金属元素为国家土壤环境质量标准（GB15618-1995）中规定的 8 种重金属污染元素砷（As）、铬（Cr）、镉（Cd）、铜（Cu）、汞（Hg）、铅（Pb）、镍（Ni）和锌（Zn））。以 GB15618-1995 中的土壤环境质量二级标准为标准值，求得各评价单元单因素污染指数，见公式：

其中，C ± i为土壤重为土壤中有害重金属i的实测量，i为 GB15618-1995 土壤环境质量标准中的8种重金属元素。S ± i为土壤中有害重金属i的二级标准值。按照表2给出的土壤重金属污染等级划分界限值，分别进行评价单元土壤环境等级划分。

表2 土壤重金属污染等级划分界限及得分值

等级	一级	二级	三级	四级	五级
						单元素环境指数	p±i≤1	1≤p±i≤2	2≤p±i≤3	3≤p±i≤5	p±i＞5
得分值	0	-0.1	-0.2	-0.3	-0.4
						含义	清洁	轻微污染	轻度污染	中度污染	重度污染

（3）土壤容重：一定容积的土壤（包括土粒及粒间的孔隙）烘干后的重量与同容积水重的比值。土壤容重反映土壤具有一个较长时间变异的动态属性，其大小受土壤质地、结构及利用方式等的影响。用环刀法法测定。

（4）土壤全氮：是指土壤中各种形态氮素含量之和。用半微量开氏法测定。

（5）土壤全磷：指的是土壤全磷量即磷的总贮量，包括有机磷和无机磷两大类。用硫酸高氯酸消煮钼锑比色法测定。

（6）土壤有机质：土壤中含碳的有机物质被称为有机质。土壤有机质是土壤重要元素，它和其他有机物质共同组合形成了土壤，并且会影响到土壤的各种理化性状，同时也是是土壤肥力不可或缺的指标。用重铬酸钾容量外加热法测定。

地上指标：

（1）防护林网密度：农田周边防护林在单位面积上的数量，是刻画耕地生态质量的重要参数。

（2）植被覆盖度：植被覆盖度是观测区域内植被垂直投影面积占地表面积的百分比，是刻画陆地表面植被数量的一个重要参数，也是指示生态系统变化的重要指标。依据像元二分模型的原理进行计算。

像元二分模型的原理：假设遥感传感器所观测到的每个像元的信息S可表达为由绿色植被部分所贡献的信息SV与由裸土部分所贡献的信息SS 2部分组成，即：

S=SV+SS

假设像元中有植被覆盖的面积为fc，则裸土覆盖的面积为1-fc；假设全由植被所覆盖的纯像元的遥感信息为Sveg，全由裸土所覆盖的纯像元的遥感信息为Ssoil，则混合像元的遥感信息为：

S=fc·Sveg+（1-fc）·Ssoil

植被覆盖度为：

fc=（S-Ssoil）/（Sveg-Ssoil）

（3）叶面积指数：叶面积指数又叫叶面积系数，是指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数。即：叶面积指数=叶片总面积/土地面积。

（4）NDVI：植被指数是利用卫星不同波段探测数据组合而成的，能反映植物的生长状况。植物叶面在可见光红光波段有很强的吸收特性，在近红外波段有很强的反射特性，这是植被遥感监测的物理基础。

（5）生物量：指某一时间单位面积或体积栖息地内所含一个或一个以上生物种，或所含一个生物群落中所有生物种的总个数或总干重（包括生物体内所存食物的重量）。目前区域大尺度的生物量反演主要是样地清查法与遥感信息结合进行的。绿色植物的光谱特征反映了植物的叶绿素含量以及生长状况，而叶绿素含量与叶生物量及群落生物量相关。因此，根据植物反射光谱特征，结合遥感信息可以估算植被的生物量。

（6）光合有效辐射：太阳直接辐射中的光合有效辐射系数，即直接辐射中的光合有效辐射与太阳直接辐射之比，随太阳高度角的增大和大气混浊度的减小而增高。其比值随时间的变化在晴天快，一般早晚低，正午前后高而稳定，夏季高，冬季低。

附图说明：

图1耕地生态质量综合评价基本流程

图2耕地生态质量综合评价的“三维魔方模型”

图3“三维魔方”综合评价模型评价流程图

图4耕地生态质量综合评价指标体系。

Claims

1.一种基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法，其特征在于包括如下步骤：

（a）数据获取：从地上遥感数据、地面调查数据和地下土壤取样化验数据三个层面选取评价指标来构建耕地生态质量评价指标体系，所述地上遥感数据包括防护林网密度、植被覆盖度、叶面积指数、归一化植被指数、生物量和光合有效辐射；所述地面调查数据包括复种指数、单位面积化肥投入、单位面积农药投入、单位面积劳动力、粮食单产、单位面积除草剂投入；所述地下土壤取样化验数据包括土壤质地指数、土壤重金属污染、土壤容重、土壤全氮、土壤全磷、土壤有机质含量；

（b）将步骤（a）中地上遥感数据、地面调查数据和地下土壤取样化验数据嵌入笛卡尔坐标系的X、Y、Z三个轴上，定义X轴为地面调查数据源，Y轴为地下土壤取样化验数据源，Z轴为地上遥感数据源，形成“三维魔方”模型；

（c）将所述X轴、Y轴、Z轴上的数据源无量纲化并确定权重，得出指标评价数据；

（d）利用特尔菲法，对所述指标评价数据赋分，将所述X轴、Y轴、Z轴上的数据源的指标分值累加分值嵌入对应的坐标轴内，累加分值即为相应数据源的综合评分值；

（e）将所述X、Y、Z三个轴上的数据进行乘积，乘积所得体积为该评价单元的综合评分，根据所述综合评分来评定所述耕地生态质量。

2.如权利要求1所述的基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法，其特征在于，

所述防护林网密度是农田周边防护林在单位面积上的数量；所述叶面积指数是单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数；所述归一化植被指数是利用卫星不同波段探测数据组合而成的，能反映植物的生长状况；所述生物量是某一时间单位面积或体积栖息地内所含一个或一个以上生物种，或所含一个生物群落中所有生物种的总个数或总干重；所述光合有效辐射是直接辐射中的光合有效辐射与太阳直接辐射之比。

3.如权利要求1所述的基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法，其特征在于，所述土壤质地指数按如下方法确定：首先，根据土壤质地的生态影响对土壤质地单因素进行分级：1等为粘土和壤粘土；2等为重壤土和中壤土；3等为轻壤土和砂壤土；4等为砂土和细砂土；然后从1到4等分别赋以3、2.5、1.5、0.5的分值；所述土壤重金属污染是由于土壤中废弃物重金属过量沉淀而导致的土壤污染，土壤重金属元素为国家土壤环境质量标准中规定的砷、铬、镉、铜、汞、铅、镍和锌8 种重金属污染元素；

所述土壤全氮是土壤中各种形态氮素含量之和；

所述土壤全磷是土壤全磷量即磷的总贮量；

所述土壤有机质是土壤中含碳的有机物质。

4.如权利要求1所述的基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法，其特征在于，所述复种指数等于农作物种植总面积/耕地总面积；

所述单位面积化肥投入等于化肥施用量/耕地总面积；

所述单位面积农药投入等于农药施用量/耕地总面积；

所述单位面积除草剂投入等于除草剂施用量/耕地总面积；

所述粮食单产等于粮食作物总产量/种植粮食作物的耕地面积；

所述单位面积劳动力等于农业就业人口/耕地总面积。

5.如权利要求1所述的基于三维魔方的耕地生态质量综合评价方法，其特征在于，所述步骤（e）中，根据级别分值查询表来评定所述更低的生态质量：

级别分值查询表

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