基于系統(tǒng)聚類和GIS技術(shù)的農(nóng)機(jī)擁有量區(qū)域差異分析

孫習(xí)文齊清文張岸姜莉莉

（1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院青島266590）（2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所北京100101）

基于系統(tǒng)聚類和GIS技術(shù)的農(nóng)機(jī)擁有量區(qū)域差異分析

孫習(xí)文1齊清文2張岸2姜莉莉2

（1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院青島266590）（2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所北京100101）

論文選用2007年和2013年我國(guó)31個(gè)省份（港澳臺(tái)除外）的單位耕地面積大中型拖拉機(jī)、小型拖拉機(jī)、大中型拖拉機(jī)配套農(nóng)具、小型拖拉機(jī)配套農(nóng)具、農(nóng)用排灌機(jī)械、聯(lián)合收割機(jī)和機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)的數(shù)量共8個(gè)指標(biāo)，通過系統(tǒng)聚類分析，結(jié)合GIS的可視化技術(shù)，對(duì)我國(guó)的農(nóng)機(jī)擁有量進(jìn)行區(qū)域劃分，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行差異性分析，從而為各省的農(nóng)機(jī)科學(xué)發(fā)展提供相應(yīng)的建議，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)聚類；GIS技術(shù)；農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量；區(qū)域差異

Class NumberX821

1 引言

近年來，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備水平處于高速發(fā)展的階段，作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域先進(jìn)科技的載體和農(nóng)機(jī)化發(fā)展水平的體現(xiàn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械具有提高生產(chǎn)率、增加農(nóng)民收入和保護(hù)環(huán)境等作用［1］。

目前，國(guó)外對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備水平的研究較為成熟，在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備水平的特征、趨勢(shì)及影響因素方面的研究較多，國(guó)內(nèi)已有研究主要集中在農(nóng)業(yè)機(jī)械化領(lǐng)域，從區(qū)域差異性出發(fā)研究農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量的文章不多。

本文將利用系統(tǒng)聚類的分析方法，結(jié)合GIS技術(shù)，對(duì)我國(guó)31個(gè)省份單位耕地面積的農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量進(jìn)行分類研究，并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行研究，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的區(qū)域差異性進(jìn)行分析。為促進(jìn)各省及全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的科學(xué)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提供因地制宜的措施和發(fā)展建議。

2 系統(tǒng)聚類分析法

各省之間的農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量有不同的發(fā)展趨勢(shì)，也有規(guī)律性的特征，可以應(yīng)用系統(tǒng)聚類分析方法對(duì)反映農(nóng)業(yè)機(jī)械水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，劃分出水平相似性較高的地區(qū)，從而深入探究區(qū)域內(nèi)部和區(qū)域之間的規(guī)律性特征。

2.1 系統(tǒng)聚類的基本思想

系統(tǒng)聚類的基本思想是：距離相近的樣品（或變量）先聚成類，距離相遠(yuǎn)的后聚成類，過程一直進(jìn)行下去，每個(gè)樣品（或變量）總能聚到合適的類中。系統(tǒng)聚類過程是：假設(shè)總共有n個(gè)樣品（或變量），第一步將每個(gè)樣品（或變量）獨(dú)自聚成一類，共有n類；第二步根據(jù)所確定的樣品（或變量）“距離”公式，把距離較近的兩個(gè)樣品（或變量）聚合成一類，其他的樣品（或變量）仍各自聚為一類，共聚成n-1類；第三步將“距離”最近的兩個(gè)類進(jìn)一步聚成一類，共聚成n-2類；……以上步驟一直進(jìn)行下去，最后將所有的樣品（或變量）聚成一類。為了直觀地反映以上的系統(tǒng)聚類過程，可以把整個(gè)分類系統(tǒng)地畫成一張譜系圖。所以，系統(tǒng)聚類也稱為譜系分析［2］。

2.2 離差平方和法

在進(jìn)行系統(tǒng)聚類之前，我們首先要定義類與類之間的距離，由類間距離定義的不同產(chǎn)生了不同的系統(tǒng)聚類法。常用的類間距離定義有8種之多，與之相應(yīng)的系統(tǒng)聚類法也有8種，分別為最短距離法、最長(zhǎng)距離法、中間距離法、重心法、類平均法、可變類平均法、可變法和離差平方和法。在實(shí)際應(yīng)用中，離差平方和分類效果較好，分類效果也比較好［3］。以下用dij表示樣品Xi與Xj之間距離，用Dij表示類Gi與Gj之間的距離。

離差平方和法是Ward提出來的，所以又稱為Ward法。該方法的基本思想來自于方差分析，如果分類正確，同類樣品的離差平方和應(yīng)該較小，類與類的離差平方和較大。具體做法是先將n個(gè)樣品各自成一類，然后每次縮小一類，每縮小一類，離差平方和就要增大，選擇使方差增加最小的兩類合并，直到所有的樣品歸為一類為止。

設(shè)將n個(gè)樣品分成k類G1，G2，…，Gt，用Xit表示Gt中的第i個(gè)樣品，nt表示Gt中樣品的個(gè)數(shù)，

如果Gp和Gq合并為新類Gr，類內(nèi)離差平方和分別為Xˉ是Gt的重心，則Gt的樣品離差平方和為

它們反映了各自類內(nèi)樣品的分散程度，如果Gp和Gq這兩類相距較近，則合并后所增加的離散平方和Sr-Sp-Sq應(yīng)較小；否則，應(yīng)較大。于是定義Gp和Gq之間的平方距離為

其中，Gr=Gp∪Gq，可以證明類間距離的遞推公式為

這種系統(tǒng)聚類法稱為離差平方和法或Ward方法［2］。

3 分析過程

3.1 指標(biāo)選擇與數(shù)據(jù)說明

單位耕地面積的農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量可以比農(nóng)業(yè)機(jī)械總量這類指標(biāo)更深入地解釋農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的應(yīng)用程度。因此，綜合考慮數(shù)據(jù)的完整性、可獲得性與可靠性，本文選用《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》2007年和2013年31個(gè)省份（港澳臺(tái)除外）的大中型拖拉機(jī)數(shù)量、小型拖拉機(jī)數(shù)量、大中型拖拉機(jī)配套農(nóng)具數(shù)量、小型拖拉機(jī)配套農(nóng)具數(shù)量、排灌柴油機(jī)數(shù)量、排灌電動(dòng)機(jī)數(shù)量、聯(lián)合收割機(jī)數(shù)量、機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)數(shù)量等8個(gè)指標(biāo)［4］。結(jié)合各地區(qū)耕地面積，計(jì)算得到各個(gè)指標(biāo)的單位耕地面積農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量。

由于這8個(gè)指標(biāo)的數(shù)量級(jí)不一致，必須在聚類分析前對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［5］。為了消除不同數(shù)據(jù)量綱之間的差異性對(duì)聚類分析結(jié)果的影響，本文采用排序的方法，對(duì)31個(gè)省份的每項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行排序，最終對(duì)排序結(jié)果（如表1、表2所示）進(jìn)行聚類分析。

表12007 年全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量排序結(jié)果

3.2 SPSS系統(tǒng)聚類

本文使用SPSS軟件（IBM SPSS Statistics 22）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。兩類之間的距離選擇歐幾里德平方距離方法，聚類方法采用離差平方和法。

通過樹系圖來直觀表示分析結(jié)果，樹系圖可以直觀地顯示出聚類的整個(gè)過程，方便地了解分類結(jié)果。橫坐標(biāo)表示各類之間的相對(duì)距離大小，縱坐標(biāo)代表進(jìn)行聚類的31個(gè)省份，連接線條表示聚類的合并過程［6］。

全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量聚類樹系圖如圖1、圖2所示：

將全國(guó)31個(gè)省份（港澳臺(tái)除外）按照7類進(jìn)行劃分，聚類結(jié)果如表3所示。

圖12007 年聚類樹系圖

表22013 年全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量排序結(jié)果

圖22013 年聚類樹系圖

表3 全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量分類結(jié)果

3.3 GIS可視化

按照劃分為7類的方案與具有可視化表達(dá)和空間分析功能的GIS軟件相結(jié)合，制作相應(yīng)的專題地圖。這種方法克服了分類結(jié)果無法直觀表達(dá)的不足，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量區(qū)域劃分的可視化表達(dá)，有利于空間分布規(guī)律的分析研究［7］。

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械擁有量的區(qū)域聚類圖如圖3、圖4所示。

圖32007 年區(qū)域聚類圖

圖42013 年區(qū)域聚類圖

4 結(jié)果分析

4.12007 年分類結(jié)果

第一類屬于農(nóng)機(jī)全面發(fā)展區(qū)域，其主要特征是小型拖拉機(jī)及其配套較多，聯(lián)合收割機(jī)數(shù)量較多，省份有：河南省、安徽省、河北省、山東省、江蘇省；

第二類屬于農(nóng)機(jī)均衡發(fā)展區(qū)域，其主要特征是小型拖拉機(jī)及其配套較少，機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)也比較少，省份有：北京市、天津市；

第三類也屬于農(nóng)機(jī)均衡發(fā)展區(qū)域，但整體水平低于第二類；其主要特征是小型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具較少，省份包括：陜西省、海南省、遼寧省、上海市；

第四類屬于拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具主導(dǎo)區(qū)，其主要特征是以大中型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具為主，小型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具為輔，主要省份包括：新疆維吾爾自治區(qū)、黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省、寧夏回族自治區(qū)、湖北省；

第五類也屬于拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具主導(dǎo)區(qū)，但其主要特征是農(nóng)用排灌機(jī)械數(shù)量很少，屬于非排灌區(qū)，主要省份有：山西省、甘肅省、青海省、西藏自治區(qū)；

第六類屬于農(nóng)機(jī)發(fā)展較弱的區(qū)域，只有農(nóng)用排灌機(jī)械、機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)數(shù)量較多，其他機(jī)械數(shù)量都很少，主要省份包括：貴州省、云南省、四川省、重慶市；

第七類屬于其他機(jī)械作業(yè)區(qū)，其主要特征是農(nóng)用排灌、機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)數(shù)量較多，主要省份包括：江西省、浙江省、湖南省、廣西壯族自治區(qū)、廣東省、福建省。

4.22013 年分類結(jié)果

第一類屬于農(nóng)機(jī)全面發(fā)展區(qū)域，其主要特征是小型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具和聯(lián)合收割機(jī)為主，只有機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)數(shù)量相對(duì)較少，省份有：安徽省、河南省、河北省、山東省、江蘇省、湖北省；

第二類屬于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)區(qū)，其主要特征是大中型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具、農(nóng)用排灌機(jī)械和聯(lián)合收割機(jī)數(shù)量較多，省份有：北京市、天津市、上海市、遼寧省、海南省、云南省；

第三類屬于大中型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具主導(dǎo)區(qū)，其大中型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具數(shù)量尤為突出，省份包括：新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、黑龍江省；

第四類屬于拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具主導(dǎo)區(qū)，其主要特征是以小型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具為主，大中型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具為輔，其他機(jī)械數(shù)量較少；但吉林省是大中小型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具均衡發(fā)展，主要省份包括：甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、山西省、吉林省；

第五類非排灌區(qū)，單位耕地面積上農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量排名處于全國(guó)前列，只有農(nóng)用排灌機(jī)械數(shù)量很少，省份只有：西藏自治區(qū)；

第六類屬于農(nóng)機(jī)發(fā)展較弱的區(qū)域，只有農(nóng)用排灌機(jī)械、機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)數(shù)量較多，其他機(jī)械數(shù)量都很少，主要省份包括：貴州省、四川省、重慶市；

第七類屬于其他機(jī)械作業(yè)區(qū)，其主要特征是農(nóng)用排灌、機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)數(shù)量較多，主要省份包括：湖南省、浙江省、廣東省、廣西壯族自治區(qū)、江西省、福建省、陜西省。

4.3 分類結(jié)果對(duì)比

對(duì)比這兩年的分類結(jié)果，只有陜西、湖北、寧夏、吉林、西藏、云南的分類結(jié)果出現(xiàn)了變化，深入分析發(fā)現(xiàn)，雖然這六個(gè)省份單位耕地面積的農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量在穩(wěn)步增加，但是由于其他省份的變化幅度較大，導(dǎo)致其排名出現(xiàn)了明顯的下降或增長(zhǎng)。陜西省由于在大中型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具排名上的下降和機(jī)動(dòng)脫粒機(jī)排名的顯著增加，使其從均衡發(fā)展區(qū)域劃分到其他機(jī)械作業(yè)區(qū)；湖北省由于大中型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具排名的顯著下降和聯(lián)合收割機(jī)的排名上升，從拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具主導(dǎo)區(qū)劃分到全面發(fā)展區(qū)；近年來政府不斷加強(qiáng)對(duì)西部地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的投資和補(bǔ)貼，西藏自治區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量和排名顯著增加，因其單位耕地面積的排灌機(jī)械數(shù)量明顯低于其他各省，故將其單獨(dú)劃分為非排灌區(qū)；而云南省因其大中型拖拉機(jī)數(shù)量的快速增長(zhǎng)，而劃分為大型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)區(qū)，但是其農(nóng)用排灌機(jī)械和聯(lián)合收割機(jī)數(shù)量仍然很少。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，各類農(nóng)業(yè)機(jī)械均衡發(fā)展的省份越來越少，同一省份的各類農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量的差距越來越大。這也證明，隨著農(nóng)業(yè)問題的深入研究和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科技進(jìn)步，近年來各個(gè)省份都在根據(jù)其自身的經(jīng)濟(jì)水平、自然環(huán)境和科技力量等因素，逐步確定主推農(nóng)業(yè)機(jī)械，完善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展方向，在科學(xué)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的道路上前進(jìn)了一大步。

5 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)機(jī)全面發(fā)展區(qū)域的山東、河南、河北、安徽等省份擁有悠久的農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史，自然條件較好，經(jīng)濟(jì)科技水平高，政府對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的投資和補(bǔ)貼也在不斷加強(qiáng)，擁有適合發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械優(yōu)良的多方面條件。而大中型拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具主導(dǎo)區(qū)的新疆、內(nèi)蒙古和黑龍江各個(gè)省份，地廣人稀，適合大型農(nóng)機(jī)作業(yè)，而且人均耕地面積也大，農(nóng)業(yè)機(jī)械彌補(bǔ)了農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的不足，因此促進(jìn)了大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展［8］。北京、上海、天津等地區(qū)，雖然農(nóng)業(yè)機(jī)械規(guī)模是全國(guó)較小的地區(qū)，但是憑借發(fā)達(dá)的科技和雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備實(shí)力不斷加強(qiáng)。南方大部分地區(qū)丘陵山地面積比例明顯高于全國(guó)平均的水平，不利于農(nóng)機(jī)作業(yè)；從種植結(jié)構(gòu)來看，水稻種植區(qū)的農(nóng)機(jī)水平要比小麥種植地區(qū)的農(nóng)機(jī)水平低［9］，因此，南方地區(qū)農(nóng)機(jī)發(fā)展普遍低于東部地區(qū)。貴州、四川和重慶等地區(qū)地形比較復(fù)雜，包括高原、山地、盆地、沙漠、丘陵等，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的應(yīng)用，因此這些地區(qū)農(nóng)機(jī)發(fā)展較弱。

因此，全面發(fā)展地區(qū)要積極推動(dòng)農(nóng)業(yè)改革，探索農(nóng)業(yè)發(fā)展的新模式，以科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力為依托，爭(zhēng)取率先基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。針對(duì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，政府部門要進(jìn)一步加強(qiáng)科技投入，研發(fā)小型和輕便型的農(nóng)業(yè)機(jī)械，保證丘陵地區(qū)因地制宜地提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平；學(xué)習(xí)國(guó)外土地改良的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)土地進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)［10］；同時(shí)，完善和落實(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)裝備的扶持政策，促進(jìn)農(nóng)業(yè)裝備的推廣與應(yīng)用。

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Analysis on Regional Difference of Agricultural Machinery Possession Based on Hierarchical Clustering and GIS

SUN Xiwen1QI Qingwen2ZHANG An2JIANG Lili2
（1.College of Geomatics，Shandong University of Science and Technology，Qingdao266590）（2.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing100101）

In this paper，eight factors of 31 provinces of China in 2007 and 2013 are selected，including the number of large and medium-sized tractors，small tractors，large and medium-sized tractor tools，small tractor tools，agricultural irrigation machinery，combine harvester and motorized threshing machine per unit cultivated land area.By hierarchical cluster analysis，combined with GIS visualization technology，the regional division of the China agricultural machinery possession and the difference analysis of the classification results are made，so as to provide some suggestions for the development of agricultural science，and promote the realization of agricultural modernization in China.

hierarchical clustering，GIS，agricultural machinery possession，regional difference

X821

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.018

2016年12月20日，

2017年1月23日

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“城市PM2.5的人群暴露-反應(yīng)關(guān)系的時(shí)空格局與機(jī)理方法研究”（編號(hào)：41471414）資助。

孫習(xí)文，女，碩士研究生，研究方向：地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)。