專利名稱：一種基于模糊c均值聚類的農(nóng)田劃分方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)田劃分方法，尤其涉及一種利用土壤養(yǎng)分信息對(duì)農(nóng)田進(jìn)行劃分的方法。
背景技術(shù)：
精確農(nóng)作管理通過監(jiān)測作物生長及農(nóng)田環(huán)境信息，根據(jù)農(nóng)田小區(qū)環(huán)境及作物長勢差異，實(shí)施定位、定量、定時(shí)的農(nóng)業(yè)精確管理，在保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)的前提下，可獲得最佳經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。作物的長勢差異主要受農(nóng)田土壤養(yǎng)分差異的影響，而土壤養(yǎng)分在空間上具有相關(guān)性，因此利用土壤養(yǎng)分信息對(duì)農(nóng)田進(jìn)行劃分，使養(yǎng)分相似的農(nóng)田區(qū)域劃分為一類，可減少農(nóng)田監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量，對(duì)實(shí)現(xiàn)作物生長信息的快速、低成本監(jiān)測有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。模糊c均值聚類因其具備的人工智能特性，在農(nóng)田的分區(qū)研究中成為熱點(diǎn)，并得到廣泛的應(yīng)用，但使用該方法劃分農(nóng)田時(shí)最佳分類數(shù)仍需其它評(píng)價(jià)函數(shù)來確定。普遍使用的評(píng)價(jià)函數(shù)有模糊性能指數(shù)FPI和歸一化分類熵NCE。其中，F(xiàn)P/ = I-~^(1-其中c為分類數(shù)，η為樣本數(shù)，Uik為樣本Xk屬
C — i k=l i=l
于第i類的隸屬度值。FPI的值在O到I之間，該值接近O表示聚類時(shí)共用數(shù)據(jù)少，類的劃分明顯，若該值接近1，則表示有較多的共用數(shù)據(jù)，類的劃分不明顯，因此FPI越小聚類效果
越好。NCE 二[-- vy Iogi,( , )]'(1-―)，對(duì)數(shù)的底數(shù)a可為任意正整數(shù)，NCE也是值越 n t~\TA
小，分類效果越好。一般FPI和NCE需聯(lián)合使用，即取FPI和NCE均為最小值所對(duì)應(yīng)的分類
數(shù)為最佳分類數(shù)。上述利用FPI和NCE評(píng)價(jià)函數(shù)來確定模糊c均值聚類劃分農(nóng)田的最佳分類數(shù)的方法在以下文獻(xiàn)中有描述李艷，史舟，吳次芳，等.基于模糊聚類分析的田間精確管理分區(qū)研究[J]·中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007(1) :114-122 ;Moral F J, Terron J M, Silva JR. Delineation of management zones using mobile measurements of soil apparentelectrical conductivity and multivariate geostatistical techniques[J]. Soil andTillage Research, 2010, 106(2):335-343。使用FPI和NCE評(píng)價(jià)函數(shù)來確定模糊c均值聚類劃分農(nóng)田的最佳分類數(shù)的方法存在缺陷FPI和NCE對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分差異的區(qū)分度不高，導(dǎo)致了最終的分類數(shù)偏少，而且常有FPI和NCE最小值所對(duì)應(yīng)的分類數(shù)不一致的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致無法確定合適的分類數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述利用模糊c均值聚類對(duì)農(nóng)田進(jìn)行劃分時(shí)，利用FPI和NCE評(píng)價(jià)函數(shù)確定最佳分類數(shù)的缺陷，提供一種更有效的利用模糊c均值聚類對(duì)農(nóng)田進(jìn)行劃分的方法，提高農(nóng)田劃分時(shí)對(duì)土壤養(yǎng)分的區(qū)分度。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案
一種基于模糊c均值聚類的農(nóng)田劃分方法，采用如下步驟步驟(I)，根據(jù)農(nóng)田采樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)及其位置信息，對(duì)不同的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分別做普通克里格插值，得到各土壤養(yǎng)分的柵格數(shù)據(jù)；然后將不同土壤養(yǎng)分的柵格數(shù)據(jù)按對(duì)應(yīng)的柵格位置組成數(shù)據(jù)對(duì)，得到所有土壤養(yǎng)分的樣本矩陣；步驟(2)，根據(jù)土壤養(yǎng)分差異給定農(nóng)田的最大分類數(shù)Cmax，Cfflax為大于2的自然數(shù)；步驟(3)，利用模糊c均值聚類對(duì)樣本矩陣進(jìn)行聚類分析，聚類分析的分類數(shù)為[2，Cmax]，得到Cmax_2+1種聚類結(jié)果；步驟(4)，分別對(duì)每種聚類結(jié)果計(jì)算聚類效果指數(shù)S，最小聚類效果指數(shù)Smin的值所對(duì)應(yīng)的分類數(shù)為最佳分類數(shù)，最佳分類數(shù)對(duì)應(yīng)的聚類結(jié)果為農(nóng)田劃分結(jié)果。進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種基于模糊c均值聚類的農(nóng)田劃分方法，所述步驟(I)的樣本矩陣為η行I列，其中η為數(shù)據(jù)對(duì)個(gè)數(shù)，即樣本數(shù)；1為土壤養(yǎng)分指標(biāo)個(gè)數(shù)，即樣本矩陣中的每列代表一種土壤養(yǎng)分指標(biāo)。進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種基于模糊c均值聚類的農(nóng)田劃分方法，步驟(3)所述利用模糊c均值聚類對(duì)樣本矩陣進(jìn)行聚類分析的具體步驟為I)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于模糊C均值聚類的農(nóng)田劃分方法，其特征在于采用如下步驟 步驟(I )，根據(jù)農(nóng)田采樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)及其位置信息，對(duì)不同的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分別做普通克里格插值，得到各土壤養(yǎng)分的柵格數(shù)據(jù)；然后將不同土壤養(yǎng)分的柵格數(shù)據(jù)按對(duì)應(yīng)的柵格位置組成數(shù)據(jù)對(duì)，得到所有土壤養(yǎng)分的樣本矩陣； 步驟(2)，根據(jù)土壤養(yǎng)分差異給定農(nóng)田的最大分類數(shù)Cmax，Cfflax為大于2的自然數(shù)； 步驟(3)，利用模糊c均值聚類對(duì)樣本矩陣進(jìn)行聚類分析，聚類分析的分類數(shù)為[2，Cmax]，得到Cmax_2+1種聚類結(jié)果； 步驟(4)，分別對(duì)每種聚類結(jié)果計(jì)算聚類效果指數(shù)S，最小聚類效果指數(shù)Smin的值所對(duì)應(yīng)的分類數(shù)為最佳分類數(shù)，最佳分類數(shù)對(duì)應(yīng)的聚類結(jié)果為農(nóng)田劃分結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于模糊c均值聚類的農(nóng)田劃分方法，其特征在于所述步驟(I)的樣本矩陣為η行I列，其中η為數(shù)據(jù)對(duì)個(gè)數(shù)，即樣本數(shù)；1為土壤養(yǎng)分指標(biāo)個(gè)數(shù)，即樣本矩陣中的每列代表一種土壤養(yǎng)分指標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于模糊c均值聚類的農(nóng)田劃分方法，其特征在于步驟(3)所述利用模糊c均值聚類對(duì)樣本矩陣進(jìn)行聚類分析的具體步驟為 1)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于模糊c均值聚類的農(nóng)田劃分方法，其特征在于所述步驟(3)聚類效果指數(shù)S計(jì)算公式為，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于模糊c均值聚類的農(nóng)田劃分方法,該方法包括以下步驟對(duì)取樣點(diǎn)農(nóng)田土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，生成柵格數(shù)據(jù)，將不同養(yǎng)分的柵格數(shù)據(jù)組織成樣本矩陣。在給定分類范圍內(nèi)利用模糊c均值聚類對(duì)樣本矩陣進(jìn)行聚類分析，對(duì)分類范圍內(nèi)的所有聚類結(jié)果計(jì)算聚類效果指數(shù)S，最小S值對(duì)應(yīng)的聚類結(jié)果為農(nóng)田劃分結(jié)果。本發(fā)明通過確定農(nóng)田最佳分類數(shù)的方法，解決了FPI和NCE評(píng)價(jià)函數(shù)的缺陷，提高了農(nóng)田劃分時(shí)對(duì)土壤養(yǎng)分差異的區(qū)分度，可較好地滿足農(nóng)田精確管理或作物生長信息監(jiān)測對(duì)農(nóng)田劃分的需要。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102867115SQ20121031225
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者曹衛(wèi)星, 劉乃森, 倪軍, 朱艷, 田永超, 姚霞 申請(qǐng)人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)