基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法

摘"要：在農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置過(guò)程中，受到環(huán)境和水源復(fù)雜不確定性的影響，配置算法的計(jì)算誤差比較明顯，需要進(jìn)一步加強(qiáng)算法的適用性。為此，提出了基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法。利用時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從農(nóng)田的歷史供水?dāng)?shù)據(jù)中篩選出關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)支持度和關(guān)聯(lián)度的計(jì)算，獲得特征數(shù)據(jù)集，通過(guò)擁擠距離計(jì)算公式計(jì)算出目標(biāo)數(shù)據(jù)的擁擠度，并按照一定順序排序，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算農(nóng)田的需水量，確定需水量的上下限，結(jié)合擁擠度等參數(shù)，建立水資源自適應(yīng)配置模型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水資源的靈活配置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：提出的基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的配置算法計(jì)算誤差小，在水資源利用上，節(jié)水效果好，該算法的適用性得到加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：擁擠距離；時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘；農(nóng)田；水資源；自適應(yīng)配置

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

An"Adaptive"Allocation"Algorithm"of"Farmland"

Water"Resources"Based"on"Congestion"Distance

and"Spatiotemporal"Data"Mining

ZHOU"Aimin

（Juye"County"Agriculture"and"Rural"Bureau，"Heze，Shandong"274900，China）

Abstract：In"the"process"of"farmland"water"resources"adaptive"allocation，"due"to"the"complex"uncertainty"of"environment"and"water"source，"the"calculation"error"of"the"allocation"algorithm"is"obvious，"and"the"applicability"of"the"algorithm"needs"to"be"further"strengthened."To"solve"this"problem，"an"adaptive"allocation"algorithm"of"farmland"water"resources"based"on"congestion"distance"and"spatiotemporal"data"mining"was"proposed."Spatiotemporal"data"mining"technology"is"used"to"screen"out"the"associated"data"from"the"historical"water"supply"data"of"farmland，"and"through"the"calculation"of"support"degree"and"correlation"degree，"the"characteristic"data"set"is"obtained."The"crowding"degree"of"the"target"data"is"calculated"through"the"crowding"distance"calculation"formula，"and"sorted"in"a"certain"order."On"this"basis，"the"water"demand"of"farmland"is"calculated，"and"the"upper"and"lower"limits"of"water"demand"are"determined."The"adaptive"allocation"model"of"water"resources"was"established"to"realize"the"flexible"allocation"of"farmland"water"resources."The"experimental"results"show"that"the"proposed"allocation"algorithm"based"on"congestion"distance"and"spatiotemporal"data"mining"has"small"calculation"error"and"good"watersaving"effect"on"water"resources"utilization，"and"the"applicability"of"the"algorithm"has"been"strengthened.

Key"words：crowding"distance;"spatiotemporal"data"mining;"farmland;"water"resources;"adaptive"configuration

農(nóng)田水資源配置是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[1-3]，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)農(nóng)田水資源條件和作物生長(zhǎng)需求[4-6]，對(duì)區(qū)域農(nóng)田進(jìn)行合理配置，能夠充分發(fā)揮區(qū)域水資源的生產(chǎn)潛力，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量[7-10]。

文獻(xiàn)[11]采用基于自適應(yīng)精確罰函數(shù)的分布式資源分配算法，利用距離函數(shù)實(shí)現(xiàn)局部約束求解，并通過(guò)信息交互優(yōu)化資源分配。使用跟蹤技術(shù)設(shè)計(jì)算法，結(jié)合凸函數(shù)和非光滑分析法進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖諗啃苑治?，以確保算法在資源分配過(guò)程中收斂到最優(yōu)解。文獻(xiàn)[12]采用水循環(huán)過(guò)程和不確定性條件下的多目標(biāo)模型，以高效配水方案促進(jìn)灌區(qū)精準(zhǔn)灌溉和節(jié)水增效。通過(guò)分析水量分配、經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)量之間的關(guān)系，優(yōu)化灌溉策略。然而，以上農(nóng)業(yè)水資源配置方法存在較大的局限性。

因此，在擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的支持下，構(gòu)建了一種基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法。根據(jù)農(nóng)田灌溉需求和水資源條件變化，利用該算法動(dòng)態(tài)調(diào)整灌溉用水量，將傳統(tǒng)的固定灌溉定額轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)調(diào)配灌溉定額；在保證作物生長(zhǎng)所需用水的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水資源的高效利用。

1"基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水

資源自適應(yīng)配置算法設(shè)計(jì)

1.1"獲取農(nóng)田水文地質(zhì)特征數(shù)據(jù)

在農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置中，關(guān)鍵在于獲得農(nóng)田的需求量，這就需要獲取農(nóng)田的水文地質(zhì)參數(shù)，了解農(nóng)田區(qū)域的地表水、地下水等水資源的分布情況，以及需要供水區(qū)域的分布特征[13，14]。

利用時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從農(nóng)田水資源配置歷史數(shù)據(jù)中挖掘各區(qū)域的特征數(shù)據(jù)，利用擁擠距離計(jì)算公式計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的擁擠度，并按照大小順序排序，將其作為水資源自適應(yīng)配置的依據(jù)之一[15]。

農(nóng)田水資源配置包括農(nóng)田灌溉用水和林牧漁業(yè)用水，從歷史配置數(shù)據(jù)中篩選出相關(guān)時(shí)空數(shù)據(jù)，組成數(shù)據(jù)集合Q，數(shù)據(jù)集中每個(gè)數(shù)據(jù)q均有n個(gè)屬性，用來(lái)描述數(shù)據(jù)。同時(shí)，每個(gè)屬性也是一個(gè)類(lèi)，每個(gè)屬性ai都有唯一的取值，一個(gè)屬性與其對(duì)應(yīng)的取值組成項(xiàng)，在農(nóng)田水資源配置時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程中，利用數(shù)據(jù)的類(lèi)和項(xiàng)挖掘出需要的特征數(shù)據(jù)。

上述中的類(lèi)為農(nóng)田的位置信息，掃描數(shù)據(jù)庫(kù)Q，遍歷農(nóng)田所有區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，以類(lèi)為中心，計(jì)算類(lèi)與類(lèi)之間的支持度和置信度。計(jì)算公式如下：

sup"（ai=gt;aj）=P（ai∪aj）（1）

conf（aiaj）=sup"port（ai∪aj）sup"port（ai）（2）

公式中，sup"（ai=gt;aj）表示類(lèi)ai與類(lèi)aj之間的支持度；P（ai∪aj）表示類(lèi)ai與類(lèi)aj在數(shù)據(jù)中同時(shí)存在的概率；conf（aiaj）表示類(lèi)ai與類(lèi)aj之間的置信度；i和j均為常數(shù)。在獲得所有類(lèi)的置信度和支持度后，選擇滿(mǎn)足最小支持度和最小置信度的數(shù)據(jù)，將其加入新的數(shù)據(jù)集中，作為特征數(shù)據(jù)集。

利用擁擠距離計(jì)算公式對(duì)特征數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

Dm=xm－xm－1xmax"－xmin""（3）

公式中，Dm表示第m個(gè)數(shù)據(jù)的擁擠度；xm表示第m個(gè)數(shù)據(jù)的屬性值；xmax"和xmin"分別表示數(shù)據(jù)集中所有數(shù)據(jù)中屬性的最大值和最小值。依據(jù)公式（3），計(jì)算出所有特征數(shù)據(jù)的擁擠度，按照從大到小的順序排列組成新的數(shù)據(jù)集，擁擠度越大的數(shù)據(jù)擁有的優(yōu)先級(jí)越高，將這一規(guī)則作為水資源自適應(yīng)配置的條件之一。從特征數(shù)據(jù)集中各個(gè)數(shù)據(jù)的擁擠度可以分析出農(nóng)田各個(gè)區(qū)域的需水量?jī)?yōu)先級(jí)，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出具體的需水量。

1.2"計(jì)算農(nóng)田需水量

在計(jì)算農(nóng)田需水量前，確定農(nóng)田供水線，由于地理位置不同，農(nóng)田的實(shí)際供水情況也不同。在計(jì)算時(shí)，以極限供水情況為例，極限供水操作線如圖1所示。

依據(jù)上述極限情況，采用額定法估算農(nóng)田需水量，計(jì)算公式為：

fc=∑k∑lSkc·ukc（4）

公式中，fc表示第c年農(nóng)業(yè)需水估算值；Skc表示區(qū)域k第c年農(nóng)業(yè)產(chǎn)品種植面積；ukc表示區(qū)域k第c年農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的用水定額。依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，確定水資源自適應(yīng)配置模型參數(shù)并建立模型。

1.3"建立水資源自適應(yīng)配置模型

在建立水資源自適應(yīng)配置模型前，要確定模型參數(shù)。由于農(nóng)田水資源配置需要多種水源聯(lián)合供水，因此，需要確定各個(gè)水源的優(yōu)先程度。一般情況下，供水水源包括地下水、蓄水工程、河道引水和污水回收。設(shè)供水水源的優(yōu)先程度為r，其計(jì)算公式為：

rki=1+ykmax"－yki∑Jj=11+ykmax"－ykj"（5）

公式中，yki表示k區(qū)域i水源的供水次序序號(hào)；ykmax"表示供水次序序號(hào)的最大值。為保證水資源的充分利用，還需要設(shè)置農(nóng)田需水量的上限和下限，約束水資源自適應(yīng)配置模型。表達(dá)式如下：

gki=skα×Tk（6）

eki=skδ×Tk（7）

公式中，gki表示農(nóng)田k區(qū)域的需水量上限；eki表示農(nóng)田k區(qū)域的需水量上限；skα表示農(nóng)田k區(qū)域的有效灌溉面積；skδ表示農(nóng)田k區(qū)域的保證灌溉面積；Tk表示農(nóng)田k區(qū)域的綜合灌溉定額。除了以上參數(shù)外，模型的建立還需要區(qū)域權(quán)重系數(shù)和區(qū)域公平系數(shù)，其中區(qū)域權(quán)重系數(shù)與農(nóng)田當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)情況有關(guān)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)的重要性確定權(quán)重；區(qū)域公平系數(shù)則是指農(nóng)田內(nèi)某個(gè)區(qū)域相對(duì)于其他區(qū)域優(yōu)先得到供水的重要性程度，由供水的次序確定。

農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置模型中，存在多個(gè)區(qū)域和多個(gè)水源，因此在構(gòu)建模型時(shí)，以hki表示第i個(gè)水源供水給k區(qū)域，在保證區(qū)域供水凈效益最大、污染物排放最小的情況下，構(gòu)建配置模型。表達(dá)式為：

Z（h）=optz1（h），z2（h）=

max"∑Kk=1∑Mi（gki－eki）hkirkiβkδωkmin"∑Kk=10.01Dkpk∑Mihki（8）

公式中，rki表示區(qū)域水資源利用系數(shù)；βkδ表示區(qū)域公平系數(shù)；ωk表示區(qū)域權(quán)重系數(shù)；pk表示污染物排放系數(shù)。污染物排放系數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況確定，通過(guò)建立的農(nóng)田水資源自適應(yīng)模型即可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的合理供水。至此，基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法設(shè)計(jì)完成。

2"基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水

資源自適應(yīng)配置算法實(shí)驗(yàn)研究

2.1"實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在上述農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法設(shè)計(jì)完成后，針對(duì)以往水資源配置中存在的適應(yīng)性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)中將文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]算法作為對(duì)照，設(shè)計(jì)兩組對(duì)比研究方案。為保證實(shí)驗(yàn)的公平公正，在實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備中，采用相同的參數(shù)的實(shí)驗(yàn)樣本作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。具體的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

以上數(shù)據(jù)為人工設(shè)置的固定數(shù)據(jù)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，利用計(jì)算機(jī)軟件生成大量隨機(jī)樣本數(shù)據(jù)，增加實(shí)驗(yàn)的多樣性。依據(jù)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，開(kāi)展地下水位計(jì)算誤差實(shí)驗(yàn)和節(jié)水率實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)這兩組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析各個(gè)水資源配置算法的適用性。

2.2"地下水位計(jì)算誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置中，涉及的水資源包括地表水、地下水、雨水等多種資源，其中地下水的利用往往更加復(fù)雜，需要準(zhǔn)確掌握地下水位，才能保證水資源配置的靈活性。因此，涉及地下水位計(jì)算誤差實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)對(duì)各個(gè)算法地下水位計(jì)算誤差的分析，判斷算法的實(shí)際適用能力。實(shí)驗(yàn)中，以混合了固定樣本和隨機(jī)樣本的樣本數(shù)據(jù)作為輸入，利用計(jì)算機(jī)軟件執(zhí)行各個(gè)配置算法，在算法執(zhí)行完畢后，統(tǒng)計(jì)各個(gè)算法的執(zhí)行結(jié)果，將各個(gè)算法計(jì)算的地下水位數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析各個(gè)算法的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文獻(xiàn)[11]算法和文獻(xiàn)[12]算法的地下水位估算值與實(shí)測(cè)值存在一定差距，計(jì)算誤差較明顯。相比之下，提出的水資源自適應(yīng)配置算法的地下水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致，計(jì)算誤差小，在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，說(shuō)明提出的基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法計(jì)算能力更好。

2.3"節(jié)水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在節(jié)水率實(shí)驗(yàn)中，主要驗(yàn)證水資源配置算法在執(zhí)行過(guò)程中是否能夠高效利用水資源以及水量調(diào)配是否合理。使用計(jì)算機(jī)軟件執(zhí)行各個(gè)水資源配置算法后，利用統(tǒng)計(jì)軟件統(tǒng)計(jì)出各個(gè)算法在配置前后的用水效率，獲得相應(yīng)的節(jié)水率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，提出的水資源自適應(yīng)配置算法節(jié)水率最高，各個(gè)樣本的節(jié)水率均在50%以上，節(jié)水效果好，水資源配置合理。而其他兩組實(shí)驗(yàn)的節(jié)水率均在50%以下，并且在有效的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，有

明顯的下降趨勢(shì)，節(jié)水效果不佳，水資源配置并不理想。結(jié)合地下水位計(jì)算誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析可知，提出的基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法計(jì)算誤差小、節(jié)水效果好，整體適用性?xún)?yōu)于其他配置算法。

3"結(jié)"論

以農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置作為研究重點(diǎn)，根據(jù)區(qū)域水資源條件和作物生產(chǎn)需求，建立了農(nóng)田水資源配置模型，采用基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法對(duì)該模型進(jìn)行求解，并將結(jié)果與常見(jiàn)的水資源配置算法進(jìn)行對(duì)比，證明了提出的水資源配置算法的適用性。由于農(nóng)田水資源配置模型具有時(shí)空異質(zhì)性和不確定性等特點(diǎn)，本文提出的基于擁擠距離和時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的農(nóng)田水資源自適應(yīng)配置算法雖然取得了不錯(cuò)成果，但是，考慮到時(shí)間和空間數(shù)據(jù)之間存在著較強(qiáng)的非線性關(guān)系，在數(shù)據(jù)處理方面還需要進(jìn)一步研究和完善。

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