[發(fā)明專利]一種網(wǎng)格化作物種植布局優(yōu)化方法

有效

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• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113177345B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設計）人: 史文嬌;王鳴雷
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院地理科學與資源研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06Q10/04;G06Q50/02;A01G22/00;A01G22/20
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳超

本發(fā)明提供了一種網(wǎng)格化作物種植布局優(yōu)化方法，該方法通過對目標種植區(qū)域建立網(wǎng)格模型，獲取每個網(wǎng)格單元內(nèi)的作物潛在單產(chǎn)和適宜種植面積、作物最小灌溉需水量、作物施肥強度、耕地面積以及灌溉面積數(shù)據(jù)，結(jié)合目標種植區(qū)的縣級統(tǒng)計種植數(shù)據(jù)，分配得到每個網(wǎng)格單元內(nèi)的作物種植數(shù)據(jù)，以灌溉需水總量最小為優(yōu)化目標，基于預定的約束條件進行種植布局優(yōu)化，得到優(yōu)化后各個網(wǎng)格單元內(nèi)的作物種植面積。本發(fā)明的優(yōu)化方法是基于網(wǎng)格單元進行，得到的優(yōu)化布局結(jié)果更加精準詳細，可以科學指導作物種植布局調(diào)整，有效緩解地下水位下降等生態(tài)環(huán)境問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于種植布局優(yōu)化調(diào)整技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種網(wǎng)格化作物種植布局優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

目前，基于水資源展開的作物種植布局優(yōu)化研究很多。研究人員多通過約束地區(qū)水資源消耗最少來調(diào)整得到節(jié)水的最優(yōu)布局。然而，現(xiàn)有的優(yōu)化布局存在一定的缺陷。第一，當前的優(yōu)化布局多在區(qū)域尺度上進行，而區(qū)域尺度上的研究具有較大的空間不確定性。也有少部分研究將作物布局精細到網(wǎng)格上，然而優(yōu)化方法多為線性優(yōu)化，優(yōu)化效果有待提升。第二，當前的優(yōu)化研究中多對作物產(chǎn)量進行限制，未考慮作物不同的減產(chǎn)情景。第三，當前多數(shù)研究通過改變作物種植制度，如兩年三熟，三年四熟等來達到節(jié)水目標，而改變種植制度需要改變農(nóng)戶的種植意愿，實施起來較為困難。因此，通過設定不同的作物產(chǎn)量縮減目標，結(jié)合非線性優(yōu)化方法，在考慮農(nóng)民種植習慣和灌溉設施等實際情況下，對作物的種植布局開展網(wǎng)格尺度上的優(yōu)化調(diào)整，能夠更加有針對性的緩解重點地區(qū)地下水位下降等生態(tài)環(huán)境問題，同時保證調(diào)整措施可以有效實施。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種網(wǎng)格化作物種植布局優(yōu)化新方法。在模擬過程中，通過設定不同作物減產(chǎn)比例，采用通用代數(shù)建模系統(tǒng)(The General AlgebraicModeling System，GAMS)提供的Python API接口，選擇Conopt4求解器中的非線性優(yōu)化求解算法進行優(yōu)化模擬。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種網(wǎng)格化作物種植布局優(yōu)化方法，包括：步驟S1、對目標種植區(qū)域建立網(wǎng)格模型，獲取每個網(wǎng)格單元內(nèi)的作物潛在單產(chǎn)和適宜種植面積；步驟S2、獲取每個網(wǎng)格單元內(nèi)的作物最小灌溉需水量；步驟S3、根據(jù)目標種植區(qū)的縣級尺度作物實際種植數(shù)據(jù)，分配得到每個網(wǎng)格單元內(nèi)的作物種植數(shù)據(jù)，種植數(shù)據(jù)包括灌溉和雨養(yǎng)種植條件下的作物種植面積和單產(chǎn)數(shù)據(jù)；步驟S4、獲取每個網(wǎng)格單元內(nèi)的作物施肥強度數(shù)據(jù)；步驟S5、獲取網(wǎng)格單元內(nèi)的耕地面積和灌溉面積；步驟S6，以灌溉需水總量最小為優(yōu)化目標，基于預定的約束條件和前述步驟得到的數(shù)據(jù)進行種植布局優(yōu)化，得到優(yōu)化后各個網(wǎng)格單元內(nèi)的作物種植面積。

其中，所述步驟S2進一步包括：步驟S21，計算網(wǎng)格單元內(nèi)的參考作物潛在蒸散量；步驟S22，結(jié)合參考作物潛在蒸散量、作物系數(shù)和水分脅迫系數(shù)，計算生育期內(nèi)作物潛在蒸散量和作物實際蒸散量；步驟S23，計算網(wǎng)格單元的有效降雨量；步驟S24，基于作物潛在蒸散量和有效降雨量計算每個網(wǎng)格單元的作物最小灌溉需水量。

進一步，所述步驟S3包括：步驟S31，計算縣級尺度灌溉和雨養(yǎng)種植條件下作物的單產(chǎn)和播種面積；步驟S32，計算作物在灌溉和雨養(yǎng)種植條件下的適宜種植面積；步驟S33，計算作物的市場可達性；步驟S34，計算作物先驗分布參數(shù)；步驟S35，基于最小化交叉信息熵方法求解作物在網(wǎng)格單元內(nèi)分配的種植比例；步驟S36，計算每個網(wǎng)格單元內(nèi)作物的單產(chǎn)和種植面積。

優(yōu)選的，在步驟S6之前，還包括步驟S6-1，對步驟S1-S5獲得的網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點狀數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述步驟S6中，所述優(yōu)化目標設定為優(yōu)化后種植區(qū)作物灌溉需水總量最小；其中，灌溉需水總量為步驟S2中得到的每個網(wǎng)格單元內(nèi)最小灌溉需水量乘以對應的每個網(wǎng)格單元優(yōu)化后的種植面積得到每個網(wǎng)格單元內(nèi)的灌溉需水總量，再將種植區(qū)范圍內(nèi)所有網(wǎng)格單元上的灌溉需水總量相加，即得到優(yōu)化后種植區(qū)作物灌溉需水總量。

優(yōu)選的，所述優(yōu)化目標進一步表征為下述目標函數(shù)：