專利名稱：：一種多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及環(huán)境生態(tài)信息融合研究領(lǐng)域和數(shù)據(jù)同化領(lǐng)域，具體涉及一種環(huán)境生態(tài)信息的數(shù)據(jù)同化模型。
背景技術(shù)：
：環(huán)境生態(tài)信息反映了環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中的自然生態(tài)系統(tǒng)和社會生態(tài)系統(tǒng)的特征及演替規(guī)律。隨著環(huán)境生態(tài)信息獲取手段趨于多元化，獲取的環(huán)境生態(tài)信息越來越多，越來越復(fù)雜。進行環(huán)境生態(tài)分析時，希望環(huán)境生態(tài)信息在時間上分布在分析時刻，在空間上分布在分析區(qū)域，但是不同來源的環(huán)境生態(tài)信息時間，精度都不同，假若簡單地將它們放在一起使用，較高精度的環(huán)境生態(tài)信息發(fā)揮不出它的效用；并且社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)通常是以行政區(qū)為單元，逐級統(tǒng)計和匯總獲得，而自然環(huán)境數(shù)據(jù)則主要基于自然單元，兩者在空間單元上的不重合使得分析某一區(qū)域進行環(huán)境生態(tài)狀況變得十分困難，所以多源環(huán)境生態(tài)信息不能直接用于環(huán)境生態(tài)狀況分析，如何充分利用各種數(shù)據(jù)以滿足環(huán)境生態(tài)研究的需要是一個不容回避的問題。目前，我國開展的環(huán)境生態(tài)信息的獲取，以單一信息來源為主，信息融合方法也主要集中在對遙感信息的處理，如申請?zhí)枮?2136098.7，名為多傳感器目標(biāo)信息融合方法，公開號為CN1389710A的申請專利，申請?zhí)枮?00410016869.1，名為動態(tài)情況下異步多傳感器信息融合方法，公開號為CN1560568A的申請專利，而對不同來源環(huán)境生態(tài)信息的綜合利用研究能力較弱，傳統(tǒng)的環(huán)境生態(tài)數(shù)據(jù)處理，融合的方法已不能滿足研究需要，尤其是對如何將環(huán)境生態(tài)信息在空間上分布到分析區(qū)域上，現(xiàn)有的環(huán)境生態(tài)信息處理方法實現(xiàn)比較困難。數(shù)據(jù)同化是一種多源數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)集成的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用數(shù)據(jù)同化可以獲得具有時間一致性、空間一致性和物理一致性的數(shù)據(jù)集。目前主要的數(shù)據(jù)同化方法有插入觀測同化法、四維最優(yōu)插值同化法、變分同化方法、濾波算法同化法、最大條件概率同化法、廣義解同化法、伴隨方程同化法和平滑樣條同化法，但這些方法都產(chǎn)生于大氣、海洋科學(xué)領(lǐng)域，無法直接應(yīng)用于環(huán)境生態(tài)領(lǐng)域，無法直接用于多源環(huán)境生態(tài)信息的數(shù)據(jù)同化，無法將環(huán)境生態(tài)信息在空間上分布到分析區(qū)域上。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)方法很難如何將環(huán)境生態(tài)信息在空間上分布到分析區(qū)域上的不足，提供一種對多源環(huán)境生態(tài)信息進行數(shù)據(jù)同化的方法，可以將觀測值從不規(guī)則的觀測點插到規(guī)則構(gòu)格點，有鑒于此，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化方法，其特征在于包括以下步驟Si，根據(jù)研究目的，獲取多源的環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)。S2，將環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)整理成SET軟件需求形式，標(biāo)定數(shù)據(jù)的缺失值，利用SET軟件補充缺失值。S3，對獲得的環(huán)境生態(tài)信息進行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成反映環(huán)境生態(tài)狀況的歸一化數(shù)據(jù)指標(biāo)。S4，建立多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化模型。S5，利用多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化模型對環(huán)境生態(tài)信息進行數(shù)據(jù)同化。S6，對同化后的環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)進行處理，輸出數(shù)據(jù)集。其中，步驟Sl獲取的環(huán)境生態(tài)信息包括自然環(huán)境條件數(shù)據(jù)，氣候數(shù)據(jù)，人口數(shù)據(jù)同化模型，其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。其中步驟S4數(shù)據(jù)同化模型的建立包括以下步驟S41，建立氣象數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化模型；S42，建立人口數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化模型；S43，建立其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化模型；其中步驟S5對環(huán)境生態(tài)信息進行數(shù)據(jù)同化包括以下步驟S41，氣象數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化；S42，人口數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化；S43，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化；其中步驟S6輸出的為分布在柵格上的自然環(huán)境條件、氣候數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)和其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)圖層。圖1是本發(fā)明實施例的環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化的流程圖。具體實施例方式下面結(jié)合圖1，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細(xì)描述。以下用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖1是本發(fā)明實施的環(huán)境生態(tài)信息融合與分析的流程圖。如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟Si，根據(jù)研究目的，獲取多源的環(huán)境生態(tài)信息，選取自然條件數(shù)據(jù)，氣候數(shù)據(jù)，人口數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對區(qū)域環(huán)境生態(tài)狀況描述。S2，將環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)整理成SET軟件所需形式，標(biāo)出數(shù)據(jù)的缺失值。SET軟件要求，所處理的數(shù)據(jù)需是文本文檔格式且以制表符(Tab鍵)為間隔的數(shù)據(jù)，第一列可以是ID等數(shù)據(jù)，第二，三列可以是經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從第四列開始至倒數(shù)第二列為參數(shù)列，最后一列即是插值的數(shù)據(jù)列，例如人口數(shù)據(jù)(Population)，其中空的為待插值項。數(shù)據(jù)格式如下~IDX_C00RDI-TcoordΓζ~Γζ~I...Xs~~Population~I873467.400~~4475721000O12~TTΓΤ1000<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>安裝，運行SET軟件，點擊FiIe菜單，選Open，選擇正確的數(shù)據(jù)文件打開后，就打開了SourceData的窗點擊Extrapolation菜單，選擇Extrapolation進行插值，點擊File菜單，選Save保存結(jié)果。S3，對獲得的環(huán)境生態(tài)信息進行數(shù)據(jù)歸一化處理，將多源的環(huán)境生態(tài)信息的量綱歸一化，相同指標(biāo)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一度量單位，形成反映環(huán)境生態(tài)狀況的歸一化數(shù)據(jù)指標(biāo)。S4，建立多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化模型，其中包括氣候數(shù)據(jù)同化模型，人口數(shù)據(jù)同化模型，其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)同化模型，其中包括以下步驟S41，建立氣象數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化模型采用梯度距離平方反比法，建立氣象數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化模型，其估值公式為Z1+(X-Xl)XCx-^(Y-Yl)XCy+(E-Ei)XCe]^1“ζ=X--丨Σ~ττ,=1Uj」L'=I_式中，Z為所要估計的柵格點的氣象要素；X和Xi為待估點與氣象點的X軸坐標(biāo)值；Y和Yi為待估值點與氣象站點的Y軸坐標(biāo)值；E和Ei為待估點與氣象站點的海拔高程；Cx、Cy和C；為站點氣象要素值與X、Y和海拔高程的回歸系數(shù)噸為待估點到第i站點的大圓距離；η為用于插值的氣象站點的數(shù)目。S42，建立人口數(shù)據(jù)同化模型，模型的一般形式如下ηPi=YZ1jXj=BjJ=I式中，Pi為區(qū)內(nèi)i縣的人口總數(shù)；…為該縣第j類土地利用類型的人口分布系數(shù)(人/km2)；Xj為該縣第j類土地利用類型所占面積(km2)；η為二級土地利用類型總數(shù)。S43，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化模型建立包括以下步驟S431，在ArcGISGRID模塊下，利用110萬土地利用/覆被矢量圖，提取出耕地邊界，生成mask模板；S432，根據(jù)收集的相應(yīng)指標(biāo)值計算單位耕地面積上的指標(biāo)權(quán)重，并轉(zhuǎn)成Ikm柵格數(shù)據(jù)；S433，以扣除了線狀地物的耕地邊界為mask模板，通過地圖代數(shù)運算，獲得相應(yīng)指標(biāo)的同化數(shù)據(jù)。S5，利用多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化模型對環(huán)境生態(tài)信息進行數(shù)據(jù)同化，其中對自然環(huán)境數(shù)據(jù)不做處理。多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化包括以下步驟S51，氣候數(shù)據(jù)同化包括以下步驟S511，確定各柵格點最近的四個氣象站點的順序號并計算距離在程序運算中，按照柵格中心的大地坐標(biāo)，計算它與所有氣象站點的距離，以冒泡法選取四個最近氣象站點的內(nèi)部ID號。設(shè)氣象站點Si和柵格點G具有相同屬性橫坐標(biāo)(米)x，縱坐標(biāo)(米)y，年等降水量線(毫米)，則柵格點到四個站點的距離平方為d]=(S,.X一G.xf+(S1—G.yfS512，計算各個站點對柵格點的影響因子，即權(quán)重I。首先要判斷每個站點數(shù)據(jù)是否有效。如果氣象站點Si的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，則其權(quán)值設(shè)為0；若數(shù)據(jù)有效則設(shè)為Wi=IidfS513，對氣溫數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)同化按照海拔高度每升高100米，日均氣溫下降0.6°C、日極端最高溫下降0.9°C和日極端最低溫下降0.4°C的溫度遞減速率，將溫度數(shù)據(jù)調(diào)整到海平面的溫度Si.T*=Si.T+rXSi.elv/100.0其中，Si為氣象站點i，Τ*為調(diào)整后的溫度(包括最高、最低和日均溫)，T為原始數(shù)據(jù)，海拔高度(米)elv。然后按照如下公式計算柵格點海平面高度的溫度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>最后調(diào)整到實際海拔的溫度G-T=G.T*-rXG.elv/100.0S514，降水量、日照時數(shù)與氣溫數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化過程類似，僅是不需要考慮海拔高度的影響。S52，人口數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化包括以下步驟S521，收集分縣分類數(shù)據(jù)，按照縣級行政單元，逐個縣級行政單元校對邊界，將所有縣級行政邊界統(tǒng)一訂正到研究目標(biāo)年的縣級行政圖上，計算出研究時段的兩個時間界點上每個縣級行政單元人口自然增長率的Ikm柵格數(shù)據(jù)；S522，以每個縣級行政單元為本底，提取出每個縣的城鎮(zhèn)面積、農(nóng)村居住用地面積和工礦企業(yè)的用地面積，據(jù)此計算出每個縣的城鎮(zhèn)人口密度和農(nóng)業(yè)人口密度；S523，將分縣的城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居住用地和工礦用地轉(zhuǎn)成Ikm柵格成分?jǐn)?shù)據(jù)，通過與第二步計算出的密度柵格數(shù)據(jù)地圖進行代數(shù)運算，計算出農(nóng)牧交錯帶不同年份的總?cè)丝诤娃r(nóng)業(yè)人口數(shù)據(jù)；S5241，利用計算出的不同年份的人口數(shù)據(jù)與分縣人口增長率數(shù)據(jù)計算研究目標(biāo)年總?cè)丝跀?shù)據(jù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)人口數(shù)據(jù)，同研究目標(biāo)年人口數(shù)據(jù)比對，選擇出人口絕對數(shù)差異在15%以上的縣份，認(rèn)為是誤差數(shù)據(jù)，由耕地內(nèi)分布人口所致，通過計算設(shè)定并調(diào)整耕地系數(shù)，并反復(fù)進行迭代運算，將總?cè)丝诤娃r(nóng)業(yè)人口分配到Ikm的空間單元上；S525，基于農(nóng)業(yè)人口Ikm柵格數(shù)據(jù)和各縣人口鄉(xiāng)村勞動力和農(nóng)林牧漁勞動力占農(nóng)業(yè)人口的比重，通過在5公里、10公里、15公里、20公里、25公里和50公里上的鄰域分析，生成鄉(xiāng)村勞動力和農(nóng)林牧漁勞動力的Ikm柵格數(shù)據(jù)。S53，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化包括以下步驟S531，農(nóng)業(yè)機械總動力、化肥用量、地膜使用量、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)投資及支農(nóng)經(jīng)費投入、糧食總產(chǎn)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)同化處理流程是使用ArcGIS軟件，利用1；10萬土地利用/土地覆被矢量圖，提取出耕地邊界，生成mask模板；根據(jù)收集的相應(yīng)指標(biāo)值計算單位耕地面積上的指標(biāo)權(quán)重，并轉(zhuǎn)成Ikm柵格數(shù)據(jù)；以扣除了線狀地物的耕地邊界為mask模板，通過地圖代數(shù)運算，獲得相應(yīng)指標(biāo)的離散化數(shù)據(jù)。S532，農(nóng)林牧漁收入離散化數(shù)據(jù)的制備過程與此類似。S533，肉類總產(chǎn)量和蔬菜面積也按照類似的方法被分別分?jǐn)偟礁?、草地與園地上。S534，利用農(nóng)村居民點數(shù)據(jù)，生成THIESSEN多邊形，并根據(jù)農(nóng)村居民點數(shù)據(jù)進行修正，作為農(nóng)村用電量、農(nóng)村居民總收入、人均收入的空間分配本底，實現(xiàn)了這三個指標(biāo)的空間離散化處理。S6，整理數(shù)據(jù)同化結(jié)果，輸出分布在柵格上的自然環(huán)境條件數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)圖層。以上所述僅是本發(fā)明的一般實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也屬于本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求一種多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化方法，其特征在于，包括以下步驟S1，獲取多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)；S2，利用SET(SpatialExtrapolationToolkit)軟件對數(shù)據(jù)缺失值進行補充；S3，對多主題的環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)集進行歸一化處理；S4，建立環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化模型；S5，模型運算，對環(huán)境生態(tài)信息進行數(shù)據(jù)同化；S6，整理數(shù)據(jù)同化結(jié)果，輸出表達(dá)綜合環(huán)境生態(tài)信息的的數(shù)據(jù)圖層。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中獲取的環(huán)境生態(tài)信息包括自然環(huán)境條件數(shù)據(jù)，氣候數(shù)據(jù)，人口數(shù)據(jù)的和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征還在于，獲取的自然環(huán)境條件數(shù)據(jù)包括海拔高程，110萬土地利用/覆被矢量圖；獲取的氣候數(shù)據(jù)包括氣象臺站的空間分布信息，年等降水量線，氣象臺站的最高、最低和日均溫，氣象臺站的降水量、日照時數(shù)；獲取的人口數(shù)據(jù)包括總?cè)丝?、鄉(xiāng)村勞動力、農(nóng)林牧副漁勞動力；獲取的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括農(nóng)業(yè)機械總動力、化肥用量、農(nóng)村用電量、地膜使用量；農(nóng)林牧漁收入、農(nóng)村居民總收入和人均收入、農(nóng)民純收入；農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)投資和支農(nóng)經(jīng)費投入；肉類總產(chǎn)量、糧食總產(chǎn)量和蔬菜面積。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3還包括，將環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)整理成SET軟件所需形式，標(biāo)出數(shù)據(jù)的缺失值，利用SET軟件補充缺失值。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SET軟件是對空間數(shù)據(jù)進行空間推演的工具。該工具的空間推演方法采用核密度回歸平滑空間數(shù)據(jù)。6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，SET軟件所需的數(shù)據(jù)形式為文本文檔格式且以制表符(Tab鍵)為間隔的數(shù)據(jù)，第一列可以是ID等數(shù)據(jù)，第二，三列可以是經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從第四列開始至倒數(shù)第二列為參數(shù)列，最后一列即是插值的數(shù)據(jù)列，空的為待插值項。7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征還在于，對獲取的多源環(huán)境生態(tài)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將環(huán)境生態(tài)數(shù)據(jù)的量綱統(tǒng)一化。8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)同化模型包括建立氣候數(shù)據(jù)同化模型，人口數(shù)據(jù)同化模型，其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)同化模型。9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，輸出表達(dá)綜合環(huán)境生態(tài)信息的的數(shù)據(jù)包括分布在柵格上的自然環(huán)境條件、氣候數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)和其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。全文摘要本發(fā)明公開了一種多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化方法。本發(fā)明涉及環(huán)境生態(tài)信息融合領(lǐng)域和數(shù)據(jù)同化領(lǐng)域。一種多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)同化方法，其特征在于包括以下步驟獲取多源環(huán)境生態(tài)信息數(shù)據(jù)，利用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的空間推演工具軟件(SET)對數(shù)據(jù)缺失值進行補充，對多源的數(shù)據(jù)集進行歸一化處理，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)集利用數(shù)據(jù)同化模型開展運算，輸出表達(dá)綜合環(huán)境生態(tài)信息的數(shù)據(jù)圖層。本方法可以將觀測值從不規(guī)則的觀測點插值到規(guī)則柵格點，并充分利用多主題、多尺度和多時相的觀測數(shù)據(jù)并將它們有機融合，獲得具有物理和時空一致性的數(shù)據(jù)集，尤其是快速獲取在分析區(qū)域上的環(huán)境生態(tài)綜合信息。文檔編號G06F19/00GK101814117SQ201010145920公開日2010年8月25日申請日期2010年4月14日優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日發(fā)明者吳鋒,岳娜,戰(zhàn)金艷,鄧祥征,閆海明申請人:北京師范大學(xué)