基于ArcGIS Engine的区域性粮食生产安全预警系统设计与实现

引用本文

李志斌, 陈佑启, 姚艳敏, 石淑芹, 何英彬. 基于ArcGIS Engine的区域性粮食生产安全预警系统设计与实现[J]. 国土资源遥感, 2010,22(3): 136-142
LI Zhi-bin, CHEN You-qi, YAO Yan-min, SHI Shu-qin, HE Ying-bin. The Design and Realization of the Early Warning System for Regional Grain Production Safety Based on ArcGIS Engine[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2010,22(3): 136-142 复制到剪切板

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《国土资源遥感》编辑部

基于ArcGIS Engine的区域性粮食生产安全预警系统设计与实现

李志斌^1,², 陈佑启^1,², 姚艳敏^1,², 石淑芹³, 何英彬^1,²

1.农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室, 北京 100081

2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081

3.天津工业大学管理学院, 天津 300387

第一作者简介: 李志斌(1981-),男,博士生,研究方向为3S技术与土地利用。

收稿日期: 2009-11-20

基金: 科技部科研院所社会公益研究专项“中国区域性耕地资源变化影响评价及其预警”(编号: 2004DIB3J092)

摘要

介绍了基于ArcGIS Engine开发区域性粮食生产安全预警系统的结构和功能,提出了粮食生产安全预警采用的模型,并以东北三省为例,采用粮食生产安全预警系统进行了粮食生产安全的分析和评价研究。结果表明,基于ArcGIS Engine的区域性粮食生产安全预警系统,能够实现区域粮食生产的有效监测,达到粮食生产安全预警的目的,对保证区域粮食生产安全具有一定的实际意义。

关键词: 粮食生产安全; GIS; 预警

中图分类号:P208 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)03-0136-07

The Design and Realization of the Early Warning System for Regional Grain Production Safety Based on ArcGIS Engine

LI Zhi-bin^1,², CHEN You-qi^1,², YAO Yan-min^1,², SHI Shu-qin³, HE Ying-bin^1,²

1.Key Laboratory of Resources Remote-Sensing and Digital Agriculture of Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

2.Institute of Agricultural Resource and Regional Planning,Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100081, China

3.Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China

Abstract

The structure and function of the early warning system for regional grain production safety on the basis of ArcGIS Engine are described in this paper, and a model for grain production safety pre-warning is proposed. With Northeast China as an example, the authors carried out an analysis and appraisal of grain production safety based on the system. The result shows that the regional early warning system for grain production safety on the basis of GIS can realize the effective monitoring of regional grain-production and achieve the aim of pre-warning of grain production safety. Hence it has certain theoretical value and practical meaning in guaranteeing the regional grain production safety.

Keyword: Grain production safety; GIS; Early warning

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0 引言

粮食生产安全是粮食安全的第一防线。我国的粮食生产如果出现问题, 将直接影响我国乃至世界的粮食安全。在目前我国粮食生产“ 北进中移” 的演进态势下, 粮食主产区集中化程度有进一步加强的趋势, 通过开展粮食主产区粮食生产安全预警研究, 评价和预测粮食主产区粮食生产的安全性和稳定性, 对于我国粮食政策的制定以及保障我国的粮食安全显得尤为迫切和必要, 因此研究区域粮食生产安全预警对于保证我国粮食生产能力和粮食安全具有重大意义。

GIS具有强大的空间表达和分析、区域综合能力和动态预测等功能, 能为粮食生产安全预警提供一个强大的表达、分析和管理工具。ArcGIS Engine是一组跨平台的嵌入式ArcObjects, 拥有强大和完善的GIS服务架构, 支持高度的可伸缩性二次开发, 可开发能够完全脱离ArcGIS Desktop环境而独立运行的应用软件^[1]。因此, 本文借助GIS平台, 耦合粮食生产安全预警模型, 开发粮食生产安全预警系统, 充分利用GIS空间表达和分析等优势, 在地图上标识出当前和未来区域内每一个行政单元上粮食生产安全程度, 为区域粮食生产安全预警提供一种直观、灵活和实用的工具。

1 系统设计

1.1 系统目标

在GIS支持下, 整合基础地理数据、土地利用数据、土壤数据等空间数据以及农业统计数据库等属性数据, 以粮食生产安全预警模型为核心, 建立粮食生产安全预警系统, 对区域粮食生产安全状态进行评价和预测, 预报粮食生产可能产生的变化, 从而为区域的粮食生产决策服务。

1.2 系统框架结构

系统设计的目的是为区域粮食安全生产提供决策支持。图1为粮食生产安全预警系统总体结构图。

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	图1 系统总体结构Fig.1 Structural diagram of early warning system

用户以区域资源环境数据库里的数据为基础, 对其进行加工整理, 借助各种数据预测模型, 获取粮食生产安全预警模型的参数, 然后驱动粮食生产安全模型进行预警, 获得区域粮食生产的安全状况。图2为系统物理结构图。按照粮食生产安全预警的需求, 选用SQL SERVER 2000建立资源数据库及其管理系统, 以ESRI公司推出的组件式ArcGIS为开发平台, 前端采用C#进行集成开发预警系统各项功能模块。

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	图2 系统物理结构Fig.2 Physical structure of the system

1.3 区域资源环境数据库设计

粮食生产安全预警需要大量空间信息、属性信息和文档资料, 为了有效管理这些数据, 须建立一个结构合理且能够适应多种数据类型的综合数据库及其管理系统。考虑到定量统计或观测数据与空间地理特征信息的不同性质, 因而将数据的存贮与管理分割为属性数据库与空间数据库(图3), 并采用一

个关联项将二者联接起来^[2]。由于粮食生产是通过行政机构加以管理的, 因而将行政单元代码作为联接属性数据库与资源空间数据库的关联项。

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	图3 数据库信息结构Fig.3 Diagram of database information structure

系统空间数据库将数据按照逻辑分类分成不同的数据层进行组织, 系统的地图分为中国边界、区域边界、省边界、县市边界共4个图层分别存储, 若想得到需要地图, 将分层地图数据叠置即可。进行空间分析或处理时, 可以将有关的若干数据层叠加得到所需要的数据。属性数据库采用SQL SERVER管理, 主要记录社会经济数据等。系统属性数据库是独立于地图的统计数据和与地图有关的字符或数字, 反映地物某一方面特征的指标。对于与空间实体密切相关的属性数据, 如面积、周长等, 放在空间数据库中, 以便于操作 ^[3]。

考虑到粮食生产管理的主要途径是通过行政单元管理, 为方便数据库维护, 提高数据查询效率, 系统应用了数据字典。数据库实体关系如图4所示。

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	图4 数据库实体关系Fig.4 Entity relation of database

以属性数据检索为例, 在属性数据检索方式中建立行政地名字典、专题字典及时间字典。行政地名字典包含东北地区3个省级单位及所辖的151个县级市地名以及其对应的行政代码。由于在每一行政单元中都包含有跨专业部门的属性数据, 而这些属性又以属性表中的字段形式反映出来, 因而专题字典可根据用户需求选用属性字段作为字典的基础单元, 以便于用户按不同专题内容和指定范围搜寻属性信息。又因为数据库中存储着不同时间序列的信息, 因而将时间作为重要的索引方式极为必须, 时间字典的建立方便用户提取制定时间段的有关信息。

为保证信息的唯一性和完备性, 在数据入库前需要对数据进行检查, 检查内容包括数据格式和数据内容的正确性与完整性、数据是否重复、数据关联情况。在数据通过检查之后, 系统才可以将这些合格的数据导入到数据库中, 否则将提示用户改正数据中存在的错误后, 再做数据入库处理。

1.4 系统功能设计

粮食生产安全预警系统包括的功能项主要有: 系统管理、数据管理、数据预测、GIS工具、模型管理以及分析预警(图5), 下面将详细介绍各项功能。

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	图5 粮食生产安全预警系统功能框架Fig.5 Function structure of system for early warning of regional grain production safety

1.4.1 系统管理

系统管理主要包括系统环境设置、工作区管理和用户管理。系统环境设置用于数据日志路径设置、空间属性文档数据结构设置、地图投影和坐标系设置; 工作区管理主要指工作区新建、打开、保存和删除; 用户管理主要包括增加用户、删除用户和修改用户信息。

1.4.2 数据管理

系统提供数据入库、更新、查询、检索功能, 对各种已入库的数据进行有效管理, 以便于数据能够完整、准确地利用。可以接受矢量和栅格、图像、声音、文字、表格等类型的数据。

1.4.3 数据预测

该模块具有对用户指定区域进行各种指标预测的功能, 包括单个区域数据预测和多区域数据预测。用户只要指定要分析的区域和预测模型, 系统就会自行检索系统的空间数据库所需的数据资料进行推理, 并将预测结论和分析结果在图形上显示出来。预测模型有常用的曲线回归、多元回归、灰色模型和灰色马尔科夫模型等。

1.4.4 GIS工具

基于ArcGIS Engine开发的粮食生产安全预警提供了一些不可或缺的基础功能^[4]: ①基于地图的粮食生产安全预警信息显示。借助GIS平台对不同行政单元内的粮食生产状况进行显示, 将能更全面、直观地了解和分析区域的粮食生产安全状况。②基于空间的检索、查询、统计和计算功能。由于耕地空间分布差异, 农业生产投入的多少都将直接影响到区域内粮食生产的空间分布, 因此, 须了解区域内最小单元的粮食生产安全程度在空间的分布, 这就要求基于空间进行关于区域、河流、道路等的查询、统计、计算等。③空间插值和分析功能。粮食生产安全模型中能反映耕地质量的因子来源于空间采样, 因此, 必须采用空间插值完成从点到面的过程, 而分析功能是完成预警基础。主要的GIS工具有矢量转栅格、栅格重采样、栅格裁剪、空间插值、统计等。

1.4.5 模型管理

模型管理是模型运行的基础, 是用户进行模型选取和自定义的功能模块, 系统可以对模型进行参数的添加、删除、查询和修改。用户可以选择已有的模型进行预警, 也可以自定义模型, 这部分包括空间模型和属性模型。对于属性模型, 用户可以从数据库的属性表中选择字段定义属性因子, 对属性因子进行添加、删除和修改; 对于空间模型, 用户可以选择栅格文件作为空间因子, 并对空间因子进行删除、修改等, 还提供了空间因子数据加工工具, 包括矢量地图转栅格、栅格插值等GIS常用工具。此外, 模型管理可以对数据库中的一个或者多个数据表的属性字段通过连接关系进行综合分析, 分析结果可以由用户自己命名并保存在当前数据库中, 亦可以对空间数据通过数据转化实现综合分析, 并将分析结果进行保存。

1.4.6 预警分析

预警分析是系统最重要的功能。用户采用系统提供的粮食生产安全预警模型, 结合数据预测分析, 对模型指标进行预测, 利用分析结果进行短、中、长期预警, 分析粮食生产的安全程度。系统采用的粮食生产安全预警方法是基于耕地面积、质量及生产投入变化的粮食生产安全模型预警。它是以最小人均耕地面积^[5]为基础的耕地数量预警模型和以耕地自然质量以及其他投入因素为基础的耕地质量预警系数模型结合的产物。通过对两个模型的计算以及其警限、警度区间的确定, 可以进行粮食生产安全模型预警。

耕地数量预警系数是人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积之比, 可以衡量一个地区耕地资源的紧张程度^{[6, 7, 8]}, 即

$K = \begin{matrix} \frac{S_{\min}}{S_{a}} \end{matrix}$ (1)

式中, K为耕地数量预警系数; S_a为实际人均耕地面积(hm²); S_min为最小人均耕地面积(hm²), 它是耕地数量预警模型中最重要的一个参数, 可用如下模型计算:

S_min=β $\begin{matrix} \frac{G_{r}}{P \cdot Q} \end{matrix}$ (2)

式中, S_min为最小人均耕地面积(hm²); β 为粮食供给度(%); G_r为每年人均粮食需求量(kg); P为粮食单产(kg/hm²); Q为粮食播种面积占耕地面积的百分比(%)。

耕地质量预警系数侧重耕地质量安全, 它通过耕地质量参评因子来反应耕地质量变化的程度^[9], 即

$R = \begin{matrix} \frac{T_{i} - T_{j}}{ΔXN} \end{matrix} - 1$ (3)

式中, R为耕地质量预警系数; T_i和T_j分别表示预警年份和基准年耕地生产力总量; Δ X为与基准年相比人口增加数量(Δ X> 0); N为基准年人均耕地生产力总量。而式(3)中耕地生产力总量采用多元回归分析进行计算^{[10, 11]}, 即

T=B₀+B₁f+B₂X₂+……+B_mX_m(4)

式中, T为区域耕地生产力总量; f为耕地自然质量指数^[12]; X_i分别表示粮食播种面积和农业投入因素(包括化肥使用量、农村用电量、农机总动力以及有效灌溉面积等)。

根据模型预警的原理, 把耕地数量和质量预警系数结合即可以开展粮食生产安全预警。根据东北三省具体的耕地状况, 通过预测模型计算得到耕地预警系数和耕地质量预警系数, 获取警度级别, 分别是无警、轻警、中警、重警和巨警(表1)。

表1 模型预警的警限 Tab.1 Thresholds of model for early warning

2 系统应用

2.1 模型运算

系统研制成功后, 以东北三省为例进行实证研究。以东北资源环境数据库为基础, 在粮食生产安全预警系统下, 计算出各县的耕地数量预警系数和耕地质量预警系数, 得到警度判定的要素值, 并根据警度判定的准则, 采用分级制图法来表达各县的警度情况。

要计算耕地数量预警系数值K, 首先要计算最小人均耕地面积(式(2)), 其中粮食供给度取100%, 这是考虑到东北地区的粮食输出情况而定的; 人均粮食需求量G_r是采用东北三省多年的人均粮食输出量对全国的人均粮食占有量无警警限进行修订的结果。1996年发布的《中国的粮食问题》白皮书中确定2030年中国的人均量是占有量不低于400 kg就可以满足人民生活水平提高和营养改善的要求, 且该数值在较多的研究中采用, 根据东北地区1995~2003年粮食输出情况^[14], 东北地区多年的人均输出量为294.98 kg。在全国人均粮食占有量的基础上, 利用东北地区平均的年人均粮食输出量295 kg进行修正, 确定了东北地区年人均粮食占有量无警的警限值695 kg。而人口总数、粮食单产、粮食播种面积和耕地面积利用历史统计数据, 采用灰色预测和时间序列预测方法进行预测得到。

耕地质量预警系数模型(式(3))中的耕地生产力总量采用多元逐步回归分析(式(4))方法得到, 其中自变量选取了影响粮食产量的5个主要因素, 即粮食播种面积(X₁)、化肥用量(X₂)、灌溉面积(X₃)、农业机械总动力(X₄)和单位面积耕地自然质量指数(X₅)。回归模型所需的耕地自然质量指数来源于耕地质量评价结果, 即对影响耕地自然质量的因素(包括海拔、坡向、有机质等)经过标准化后, 采用加权求和的方法得到^{[12, 13]}, 能反映耕地自然质量的高低。为了反映各县耕地自然质量的差异, 需计算各县单位面积耕地内的自然质量指数。而总人口、粮食播种面积、化肥用量、灌溉面积、农业机械总动力均利用历史统计数据, 采用灰色预测和时间序列预测方法获取预测值。经过多元逐步回归分析得到最优的耕地生产力总量预测模型如下:

T=-227 879+4.812X₁+6.855X₂+4 949.151X₅+0.754X₃-0.130X₄ (5)

多元回归分析结果表明, 最优模型的复相关系数R=0.910, 多重判定系数R²=0.828, 调整的判定系数为0.828, 说明粮食生产与所选因子全体之间线性相关较大, 样本的回归效果好, 代表性强。F检验结果为F=1 918.255, 相伴概率P< 0.01, 说明5个自变量与因变量T间存在相关性, 回归系数与0有显著区别, 回归模型有意义。

以1993年为基准年, 首先计算出基准年人均耕地生产力总量和预警年份的人口增加数量, 然后根据各县总人口、粮食播种面积、化肥用量、灌溉面积、农业机械总动力统计数据, 采用式(5)计算出各县在预警年份的耕地生产力总量, 最后采用式(3)计算出各县的耕地质量预警系数。以吉林省榆树市为例, 根据上述耕地数量和质量预警系数的计算方法计算出榆树市不同年份的耕地数量和质量预警系数值(表2), 获得警度判定的要素值。采用表1的警度判定标准可以得出其在不同年份的警度。同理, 可以得到东北三省2000年、2003年和2010年的粮食生产安全警度。

表2 吉林省榆树市不同年份耕地数量和质量预警系数及警度 Tab.2 Arable land early warning in quantity and quality of Yushu in Jilin province

最后, 借助GIS空间表达功能, 采用分级制图法进行空间表达(图6)。

	Figure Option View Download New Window
	图6 东北三省各县粮食生产安全警度Fig.6 Early warning result of Northeast China grain production safety in 2000、2003 and 2010

2.2 模型预警结果分析

对预警结果分析发现, 黑龙江省2003年出现巨警的县比2000年要多, 出现重警的数目相差不大, 而且2003年巨警和重警主要出现在黑龙江省的一个粮食主产区松嫩平原农牧区, 从图上看该区域以巨警和重警为主, 而2000年该区域出现无警和轻警, 巨警区域明显减少, 重警区域差别不大; 而黑龙江省另外的一个粮食主产区三江平原农牧区各县的警度没有太大差异。此外, 2003年大小兴安岭林业区和张广才岭老爷岭林农区都有若干个县的警度有所增加。因此, 总体上看黑龙江省2003年的粮食生产安全程度比2000年差。根据《中国统计年鉴》、《黑龙江统计年鉴》、《吉林统计年鉴》、《辽宁统计年鉴》数据, 整理了粮食输出情况, 如图7所示, 黑龙江省2003年输出的粮食比2000年少, 这也证明了这种对黑龙江省粮食生产安全判定的结论是可信的。

	Figure Option View Download New Window
	图7 1995~2003年东北三省国内粮食输出量Fig.7 Grain quantity of domestic export from 1995 to 2003 in Northeast China

如表3所示, 吉林省2000年出现警情的县比2003年多。从巨警县来看, 2000年巨警主要发生在西部平原农牧区和长白山地林农区, 而2003年巨警主要发生在长白山地林农区。此外, 2000年重警区域主要位于粮食主产区中部平原农业区, 而2003年重警区域远少于2000年, 且多位于非粮食主产区。2003年的粮食生产状况比2000年好, 产量是增加的。因此, 2003年的粮食生产安全程度高于2000年。从2003年的粮食内贸数据可以看出这一点(图7), 因为2003年吉林省输出的粮食量比2000年要多。

表3 东北三省不同年份出现警情的统计 Tab.3 Number of counties with different alert levels in Northeast China

辽宁省2003年出现警情的县比2000年少, 警情程度也有所减轻。2000年除东部山地农业区北部是轻警外, 其他的区域都处于重警和巨警状态, 其中以巨警为主, 重警区域主要分布在中部平原农业区中间的狭长地带; 2003年巨警主要位于西部低山丘陵农业区和滨海农业区, 而粮食产区中部平原农业区出现了一部分无警区域, 该区域其余县的状态没有变化, 且东部山地农业区基本以轻警为主。可见, 辽宁省2000年的粮食生产安全程度比2003年差, 尽管2003年的程度也不高。因此, 粮食产量是增加的。粮食内贸数据也证明了辽宁省2000年粮食输入量比2003年多(图7)。

2010年东北三省中辽宁和黑龙江省各县的粮食生产安全程度较2003年明显增高, 出现警情的县减少, 且出现重警以上的县也有了不同程度的减少。而吉林省粮食出现警情比2003年严重, 主要表现在出现重警的县明显增加。但总体而言, 东北三省2010年的粮食生产安全程度较2003年都是有提高的。

3 结论

地理信息系统(GIS)是对空间信息进行管理和分析的有效工具。把粮食生产安全预警与GIS相结合, 设计和开发区域粮食生产安全预警系统, 以区域粮食生产相关数据为基础, 通过粮食生产安全预警模型, 不仅可以将几乎所有的信息在地理信息系统的空间框架内显示和管理, 实现区域粮食生产的有效监测, 更重要的是可以为国家、地区粮食生产部门的宏观决策提供比单调数据结果更加有效的决策支持信息^[15], 能为区域农业发展决策提供参考。同时, 对一般用户而言, 这种直观、醒目、丰富多样的信息表现方式也便于理解和接受, 是一个具有可视化、可操作性和实用性的工具。

该预警系统提供的预警模型, 可以在耕地质量和数量两个角度对粮食生产安全进行双重预警。该模型从全国粮食安全角度来考虑地区层面的粮食生产安全, 为区域粮食生产提供了信息参考, 对保证区域以及全国的粮食生产安全具有重要的理论价值和实际意义。

该系统在理论和技术层面上进行了初步探索, 将进一步在模型设计和功能上进行扩充完善^[16]。同时, 该系统目前是单机版, 而当前农业信息网络建设已经进入快速发展阶段, 开发基于WebGIS的粮食生产安全预警系统具有较大的需求, 可以使用户通过网络进行数据分析, 实现对信息的高度综合, 扩大系统的服务面。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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On the basis of the project of China Geological Survey,Northeast groundwater resources and geological environment information system was developed with advanced ArcGIS Engine and Visual Basic．NET. The system can integrate the spatial database and attributive database. It supplies the function of spatial data analysis, inquiring in map and data, providing diagram automatically, linking multimedia information and others，which makes it possible to server for regional geology, water resources and ecoenvironment studying, management and decision.

针对研究区内需要处理的数据量大、数据种类与格式复杂的特点，利用国际上最先进的ArcGIS Engine技术和Visual Basic．NET开发平台,建立了东北地区地下水资源及其地质环境信息系统，将空间数据库与属性数据库联合集成，实现了空间数据分析、图文双向查询、图表自动生成、多媒体链接以及数据库管理等多种功能,能够为区域地学、水资源、环境生态等领域的研究、管理和决策提供空间信息和统计信息等综合信息服务。

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在区域作物生产数据库支持下，以MapInfo5.5为系统开发平台，利用MapBasic和VB程序设计语言，建立区域作物生产管理地理信息系统(CPMGIS)，CPMGIS包含信息查询、种植区划、系统预测和精确管理4个子系统，把与区域作物生产有关的农业信息与具体的实物地图相结合进行空间分析处理，并通过相关的模型运算进行作物气候区划、生长预测、栽培管理和作物精确管理方案设计等，并以地图或专题地图、数据表格、图形及文字论述3种形式进行结果输出。

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0.0

蔡运龙, 傅泽强, 戴尔阜. 区域最小人均耕地面积与耕地资源调控[J]. 地理学报, 2002, 57(2): 127-134.

Cultivated land, different from other resources, is fundamental to the sustainable development of Chinese agriculture, society and economy. Market mechanism inevitably drives cultivated land into industrial and urban uses. Rapid industrialization and urbanization lead the scarce cultivated land resources to more crises. So market is a failure to allocate this kind of resource which can be regarded as common property in a certain sense. Government intervention is necessary for optimization allocation of cultivated land. Current policy of macro-administration for cultivated land conservation is oriented to total quantitative control. Every province is demanded that the total number of cultivated land remains not decreased. This policy is difficult for practicing because it does not consider various situations in different regions. For example, in eastern provinces where rapid industrialization and urbanization is proceeding and reserved arable land is scarce, the total number of cultivated land will inevitably decrease unless at the cost of lowering the economic growth. Therefore, it is necessary to innovate the policy of cultivated land resources conservation and utilization. The authors put forward the concept of minimum area per capita of cultivated land (MAPCCL) as a new insight into the optimization of land resource allocation for policy making. MAPCCL can be defined as the minimum number of cultivated land that can meet the needs of food consumption under certain food self-sufficient rate and land productivity. PICL provides a threshold of cultivated land conservation. If K 1, cultivated land should not be conversed into other uses or land quality and productivity should be enhanced by means of increasing input and technological innovation.

耕地资源对农业和国民经济可持续发展起着不可替代的基础性作用。中国人均耕地资源短缺,快速工业化、城市化进程对耕地的占用使耕地资源更趋紧张。目前的市场机制必然驱动耕地资源不断向获利更多的用途转移,最终会危急食物安全。因此,创新耕地资源利用与保护的调控机制已迫切之至。基于中国耕地资源流失原因及态势的分析,提出了最小人均耕地面积和耕地压力指数概念,并以此为基础提出了构建耕地资源利用和管理调控机制的思路。实际数据分析结果表明,以最小人均耕地面积和耕地压力指数作为耕地保护的基本标准,能因地制宜地兼顾食物安全和经济发展对土地的需求,具有显著的科学性和可操作性。

... 它是以最小人均耕地面积^[5]为基础的耕地数量预警模型和以耕地自然质量以及其他投入因素为基础的耕地质量预警系数模型结合的产物 ...

2005

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李晶, 任志远, 周自翔. 区域粮食安全性分析与预测——以陕西省关中地区为例[J]. 资源科学, 2005, 27(4): 89-94.

This paper discusses grain security in Guanzhong basin based on the model of cultivated land pressure index and minimum area of per capita cultivated land through using Lotus 123 for Windows software and setting up the databases of “ peoplecultivated landgrain production ”. The area of cultivated land and population of the region in 2015 were predicted and regression analytic approach was adopted for estimation of total grain output and farmland productivity, calculating the minimum area of per capita farmland and pressure index of cultivated land in 2015 in the region. At the same time chemical fertilize application, mechanical demand and irrigating water consumption for agricultural production by 2015 were also predicted in the region. In addition, possible socioeconomic and environmental problems caused by grain production were estimated and recommendations were suggested. The research results shown that: 1) minimum area of per capita cultivated land in Guanzhong basin in 1999 was 077 hm\+2 and pressure index of cultivated land was 088. It implies the grain supply in the region is generally abundant. For subregions, the grain supply in Xian and Tongchuan is not optimistic and grain supply does not meet its demand. Grain supply in Baoji, Xianyang , Weinan and Yanglin are relatively ample;2) It is predicted that grain yield per unit land and population would increase constantly by 2015, but the cultivated land would decrease continuously. Under the grain consumption level for welloff society, cultivated land pressure index K is 101. It implies that by 2015 the cultivated land pressure in Guanzhong basin would obviously increase compared with 1999 and would exceed the safe cordon of cultivated land pressure.The indexes in 2015 among subdistricts of Guanzhong basin would exceed the level in 1999, especially in Xi'an and Tongchuan. With the grain demand increase, more and more inputs such as machinery, chemical fertilizer would be needed and grain price would hike by a large margin, thus foundation for the stability of socioeconomic development would be shaken. On the other hand, application of more chemical inputs would directly threaten ecological environment, especially water environment Therefore, it is recommended that in Guanzhong basin the loss of cultivated land should be controlled effectively and the land using for grain production should be guaranteed and agricultural production should be strengthened through technology innovation and variety amendment as well as effective development of ecoagriculture.

本文根据最小人均耕地面积和耕地压力指数理论，应用趋势预测分析和回归分析方法，建立研究区域粮食安全状况预测模型，进行预测分析研究。论文主要以陕西省关中地区为例进行分析与实践论证。结果为，1999年关中地区粮食处于安全状态，对于各个地区而言，西安和铜川的粮食状况不容乐观；而宝鸡、咸阳、渭南和杨陵区粮食状况相对安全。特别是杨陵区，在农业科技不断进步的作用下，耕地生产力水平提高，因此粮食状况最安全。到2015年如果人均粮食消费以小康水平记，关中地区耕地承受压力明显增加，甚至超过了耕地压力安全警戒线。关中地区各地耕地压力指数都比1999年的要大，特别是西安和铜川。另外，在粮食增长的同时，需加大灌溉用水，机械、化肥等物质生产资料的投入，必将导致粮食价格上涨，从而影响社会经济；而且，大量的化肥使用威胁生态系统安全。为防止关中出现粮食及相关问题，应限制耕地流失，加大农业科技投入，发展高效生态农业，促进农民产粮积极性。

... 耕地数量预警系数是人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积之比,可以衡量一个地区耕地资源的紧张程度^[6,7,8],即 ...

2003

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... 耕地数量预警系数是人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积之比,可以衡量一个地区耕地资源的紧张程度^[6,7,8],即 ...

2002

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葛向东, 彭补拙, 濮励杰, 等. 耕地总量动态平衡的监测和预警研究[J]. 自然资源学报, 2002, 17(1): 35-41.

The strategic ultimate aim of the dynamic balance maintenance of total farmland is to ensure the safety of food supplies and to make the output capacity of reserved farmland and the per capita output level increase.Because of the difference in occupied and supplement ed farmland quality,while the system quantity of farmland is monitored,we should warn the spatial-temporal range and dangerous degree of the quality degradation critical value.Therefore we can reflect the state of farmland system on the whole.The monitoring of farmland quality should be inte grated with the dynamic change of farmland area of all grades.The researches on the grading and ranks of farmland,the dynamic change of farmland quality and the monitoring system of dy-namic balance maintenance of total farmland should have unified index system and technological project,so we can solve the operational problem of"occupying one but supplying some "in ba-lancing occupation and supplementation of farmland quality.On the basis of the fixed-site moni-toring of occupied and supplemented farmland and farmland productivity grade based on the in-dex of farmland productivity,we have carried out the critical alertness and early warning of dy-namic balance maintenance of the total farmland,regarded that actualizing the strategy of dy-namic balance maintenance of the total farmland should be combined with the construction of farmland quality,the protection of basic farmland,technical advancement and population control-ling.

Department of Urban&Resources Science,Nanjing University,Nanjing210093,China

耕地总量动态平衡战略的终极目的是保障粮食安全,使得存量耕地的产出能力总量及其人均水平只能增加不能下降。由于耕地占补质量差异的存在,在监测耕地系统数量增减的同时,应警戒其质量升降超过临界值的时空范围和危险程度,才能全面反映耕地系统的状态。耕地质量的监测必须与各等级耕地面积的动态变化监测结合起来。耕地分等定级、耕地质量动态变化和耕地总量动态平衡监测体系的研究应有统一的指标体系和技术方案,才能解决耕地占补质量平衡中“占一补几”的操作难题。论文在耕地占补的定位监测和基于耕地基础地力指数的耕地地力等级划分基础上,对耕地总量动态平衡进行了预警分析。

... 耕地数量预警系数是人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积之比,可以衡量一个地区耕地资源的紧张程度^[6,7,8],即 ...

2002

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葛向东, 张侠, 濮励杰, 等. 江苏锡山市耕地预警系统研究[J]. 南京大学学报(自然科学), 2002, 38(4): 532-538.

依据第二次土壤普查资料、多年土壤监测数据和有关耕地系统状态的统计数据,结合研究区耕地状况的调查分析,建立了耕地预警系统指标体系和预警模型;据此模型进行了锡山市2010年耕地系统的预警分析.结果表明,耕地系统产出能力的稳定性呈下降趋势,加大投入以保持耕地质量的稳定,提高耕地产出水平是该区警情排除的主要对策.

... 耕地质量预警系数侧重耕地质量安全,它通过耕地质量参评因子来反应耕地质量变化的程度^[9],即 ...

2002

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... 而式(3)中耕地生产力总量采用多元回归分析进行计算^[10,11],即 ...

1995

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... 而式(3)中耕地生产力总量采用多元回归分析进行计算^[10,11],即 ...

2007

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石淑芹, 陈佑启, 姚艳敏, 等. 耕地变化对粮食生产能力的影像评价[J]. 资源科学, 2007, 29(5): 143-149.

The current situation of grain supply and demand in our country is still tense, and the trend of cultivated land converting to non-agricultural use will get more obvious. The conflicts between the goal of local government's grain safety and farmers' interests have not been thoroughly solved. Furthermore, internationalization of domestic grain-production is progressing and opportunity and challenge of market for agricultural products coexist recently. Under the above-mentioned background, analysis of the changing patterns of cultivated land in main grain production areas and assessment of the impact of this change imposed on grain productivity is of great significance. This paper aims to explore the systematic approach to assess the impact of regional cultivated land change on grain productive capacity, by analyzing the spatial distribution of change of cultivated land quality caused by change of cultivated land quantity through GIS technology. Central and west regions of Jilin Province were selected as study area, this paper analyzed the impact of cultivated land change on its grain production capacity within this region. The result shows: 1)The quantity of cultivated land has increased by 8 200 hectares; 2)Through dividing cultivated land quality into fifth grades and analyzing the spatial distribution of change amount of each graded cultivated land, detailed information about the cultivated land quality has been obtained. the thirdgrade cultivated land reduced plentifully among these decreased cultivated land, while the first-grade cultivated land reduced little at the same time; On the other hand, the fifth-grade cultivated land increased plentifully among the increased cultivated land and the first-grade cultivated land increased little simultaneously; 3)By analyzing the change pattern of grain yield in study area in combination data of change amount with data of grain yield per hectare within each graded cultivated land; it has been found that the grain production has only increased 0.52×10 4 t. Decreased amount of grain production caused by reduction of cultivated land was 39.09×10 4 t. And decreased amount of second-grade and third-grade cultivated land accounts for 28.36% and 44.82% respectively of the total decreased amount of grain production. At the same time, the increased amount of the second-grade cultivated land played quite an important role in grain production, accounting for 44.53% of the total increased amount of grain production; 4)To obtain a dynamic equilibrium of cultivated land general quantity in this area, the dual balances of the quantity and quality of cultivated land should be guaranteed simultaneously.

在目前我国粮食供需相对紧张，部分耕地非农化利用的趋势日渐明显，政府粮食安全目标与农户利益之间的矛盾尚未真正解决，农产品市场日趋国际化以及国内粮食生产机遇与挑战并存的背景下，分析粮食主产区耕地资源变化格局与态势，研究其耕地资源变化对粮食生产能力的影响，具有重要的现实意义。本文利用GIS空间分析技术，着重从空间分布角度，通过研究两个不同时期区域耕地数量变化及引起的耕地质量空间分布变化，探讨区域耕地数量与质量变化对粮食生产能力的综合影响，并以吉林省中西部地区为例进行了实证研究。结果表明：①吉林中西部地区耕地数量净增加了0.82×10 4 hm 2 ；②减少的耕地中，三等地减少数量最多，一等地减少量最少；增加的耕地中，五等地增加数量最多，一等地增加数量最少；③吉林省中西部地区粮食总产净增加了0.52×10 4 t。其中耕地减少使本地区粮食总产减少了39.09×10 4 t，二等地和三等地的减少对粮食总产有较为突出的影响，分别占粮食总产减少总量的28.36％和44.82％。同时增加的耕地中，二等地的增加对粮食总产增加起了相当重要的作用，占本区粮食总产增加量的44.53％；④要实现耕地总量动态平衡必须保证耕地数量与质量的双重平衡。

... f为耕地自然质量指数^[12] ...

... 回归模型所需的耕地自然质量指数来源于耕地质量评价结果,即对影响耕地自然质量的因素(包括海拔、坡向、有机质等)经过标准化后,采用加权求和的方法得到^[12,13],能反映耕地自然质量的高低 ...

2008

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石淑芹, 陈佑启, 姚艳敏, 等. 东北地区耕地自然质量和利用质量评价[J]. 资源科学, 2008, 30(3): 378-384.

Cultivated land quality is the comprehensive reflection of different properties of cultivated land. Since natural resources, cropping structure and socioeconomic conditions varies among different regions, the natural factors and socioeconomic factors affecting cultivated land will have different influences on grain production. Therefore, it is important to manage cultivated land resources based on regionalization. The current international research relating to assessment of cultivated land quality has made great progress. Generally, these researches have been already developed from assessment of the natural quality of cultivated land to comprehensive and systematic assessment including natural, economic and social elements. However, there are still little researches focusing on assessment of land natural quality and land use quality. This paper adopted two methods to analyze the cultivated land quality in the Northeast region based on existing research achievements. The first method was used to explore the grading of natural quality and use quality of cultivated land through indicators system. And the second method was used to classify the land types according to land production level, such as high-yield cultivated land, medium-yield cultivated land and low-yield cultivated land based on grain yield. Then, Correlations between land quality and unit production was analyzed through GIS technology. The results show that natural quality of cultivated land is at the medium level or above. The total input to cultivated land is at medium level or below. It is suggested that more attentions should give to grain production of high-yield land, improvement of the medium-and-low-yielding land, and development and protection of wasteland resources. These maybe the key measures to increase the grain yield in Northeast at present. In a word, this paper is meaningful for sustainable utilization and management of cultivated land resources in this area, and also gives the useful method for the similar research.

耕地质量是耕地各种性质的综合反映，耕地质量的构成要素主要包括自然因素和社会经济因素。本文参考已有的评价模式，以东北地区为例，利用“3S”技术，着重应用GIS空间分析优势开展耕地自然质量评价与耕地利用质量评价，并分别分析了高产田、中产田和低产田中耕地自然质量、耕地利用质量与粮食单产的关系。结果表明：研究区域的耕地自然质量大都处在中等或中上等水平，耕地投入水平基本处于中等或中等偏下。中高产田的粮食单产与适当的社会经济投入有很大关系，而低产田的耕地自然质量对粮食单产具有较大影响。主攻高产田，抓好中低产田改造，有计划地开发并保护好有限的宜农荒地资源，是目前东北地区增加粮食产量的最大潜力所在。本次研究为东北地区耕地资源可持续利用与管理提供依据，为完善耕地质量评价研究提供了方法参考。

2006

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李鹏, 王玉斌, 谭向勇. 东北地区粮食生产与贸易分析[J]. 中国农业大学学报(社会科学版), 2006, (1): 57-62.

东北地区是我国重要的商品粮生产基地,粮食常年产量约为5 500～7 000吨,每年有大量粮食输出到国内外市场,其在我国粮食国内市场和出口市场上具有很强的竞争力,东北地区粮食生产在未来的发展中应该提高大豆和玉米的专用性,同时大力发展优质水稻种植,以适应国内外市场的需求.

... 1996年发布的《中国的粮食问题》白皮书中确定2030年中国的人均量是占有量不低于400 kg就可以满足人民生活水平提高和营养改善的要求,且该数值在较多的研究中采用,根据东北地区1995~2003年粮食输出情况^[14],东北地区多年的人均输出量为294 ...

2005

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... 把粮食生产安全预警与GIS相结合,设计和开发区域粮食生产安全预警系统,以区域粮食生产相关数据为基础,通过粮食生产安全预警模型,不仅可以将几乎所有的信息在地理信息系统的空间框架内显示和管理,实现区域粮食生产的有效监测,更重要的是可以为国家、地区粮食生产部门的宏观决策提供比单调数据结果更加有效的决策支持信息^[15],能为区域农业发展决策提供参考 ...

2007

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... 该系统在理论和技术层面上进行了初步探索,将进一步在模型设计和功能上进行扩充完善^[16] ...