[發明專利]一種管理田塊的矩形格網構建方法

在審

• 申請號: 201710509683.7
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107392356A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 張小虎;張杰;蔣理;邱小雷;黃芬;朱艷
• 申請（專利權）人: 南京農業大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/02
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司32218
• 代理人: 劉暢,徐冬濤

技術領域

本發明涉及一種管理田塊的矩形格網構建方法，尤其是大面積田塊的管理格網構建，具體地說是一種通過對土壤微量元素進行半方差分析得到最優格網尺寸后利用二次線性整數規劃進行矩形格網分區的方法。

本發明公開了一種管理田塊的矩形格網構建方法，屬于精確農業中田塊管理領域，用于大田的管理分區構建。

背景技術

目前，管理分區分析是根據土壤屬性將田塊分成多個環境要素相似的管理分區的技術，是實現精確農作的基礎。對于田塊管理分區來說，選擇能直接影響作物產量的土壤環境要素才是有意義的，如土壤酸堿度、土壤含水量、土壤養分等。

現有管理分區分析大多數為非監督聚類分析，分類往往由聚類算法決定且生成的分區結果為不矩形的分區。考慮到農業機械的可操作性和不發達地區農戶施肥的便利性，分區結果為矩形格網更為合適。通過對大田進行矩形格網的分區管理可以節約肥料、節省勞動力并減少環境污染。然而，現有矩形分區結果也存在著若干問題。首先，在大部分情況下，沒有充分采用數據進行分區計算；其次，不同大小的格網尺寸會導致不同的分區結果，需要找到最適合的格網尺寸。

發明內容

本發明的目的是針對農田分區管理不規范的問題，提出一種新型矩形格網分區描繪方法。該方法將半方差分析利用到了格網插值的過程中對管理分區格網的最優尺寸進行了判斷，并對二次線性整數規劃方法進行改進。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案步驟如下：

S101采樣：算法從研究田塊里選取N(h)采樣點，并獲取土壤環境信息；選擇某一土壤環境要素為網格化管理田塊的依據要素，記為Z；

S102確定最優格網尺寸：繪制采樣點的Z變量半方差變異圖，擬合評價多種半方差模型，確定最優半方差模型，以最優半方差模型的變程a為最優格網尺寸；

S103插值：以田塊的最小外接矩形作為管理田塊的范圍，用尺寸為a*a的格網分割該管理范圍，使用普通克里金方法對土壤環境要素Z插值，即計算所有格網的屬性值；

S104矩形格網實例生成：根據插值結果生成可能存在的所有實例(矩形管理分區)并建立一個與實例數目一致的對應矩陣C，用該對應矩陣C存儲所有實例內部格網土壤要素Z 的方差；

S105最優格網實例選擇：以二值整型規劃算法確定最優分區實例，并記v_i為決策變量，目標為區域分區內部空間變異綜合最小，通過求解，獲取最優分區實例，即管理田塊的矩形格網構建結果。

具體的，步驟S101中：實際管理所需的要素數據包括土壤氮含量數據、土壤有機質含量、土壤速效磷含量、土壤速效鉀含量等。

具體的，步驟S102具體為：

S1021、利用采樣獲取的要素數據繪制關于γ(h)的半方差變異函數圖，其公式為：

其中，h為半方差變異圖自變量，n(h)表示間隔為h時采樣點的配對數目，Z(x)是采樣點的值；

S1022、利用多種半方差理論模型進行擬合得到各模型的半方差曲線，通過交叉驗證的方法來評估各模型；選擇均值誤差接近0且均方差接近1的模型作為最優模型，并確定最優半方差模型的變程a為最優格網尺寸，進行土壤要素Z的插值。

所述選擇均值誤差接近0且均方差接近1的模型作為最優模型，可以通過下式計算： min[a丨x-0丨+b(1-y)]，ab為權重，x、y分別為均值誤差和均方差。

優選的，a＝b＝1。

具體的，步驟S1022中多種半方差理論模型包括線性模型、球狀模型、指數模型和高斯模型。

具體的，步驟S104具體為：根據插值結果，生成所有的矩形格網實例，建立相關矩陣 C＝{c_ij}，其中，如果實例i覆蓋網格j，則c_ij＝1，否則c_ij＝0；并計算每個實例i內部格網的土壤要素變量方差

具體的，步驟S105具體為：

S1051、以二值整型規劃算法確定最優分區實例，并記v_i∈{0,1}為決策變量，目標為區域分區內部空間變異綜合最小，二值整數線性規劃由決定；

S1052、設置最大網格閾值LX和最小網格閾值LN來保證農機實踐的效率和可操作性，其約束公式為：

同時引入一個相對變量來對原始方法進行改善，從而保證分區結果的均質性，其約束公式為