基于離散粒子群和粗糙集方法的新疆辣椒種植區(qū)域分析

楊 倩，戴 泉

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，烏魯木齊 830000）

辣椒（Capsicum annuumL.）是日常生活中重要的調(diào)劑品、醫(yī)藥原料和化工原料，有健胃、助消化和降血糖等功能，研究辣椒的氣候適宜性對辣椒種植的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和生產(chǎn)合理布局有著重要的指導(dǎo)意義。新疆維吾爾自治區(qū)（簡稱新疆）中辣椒的主要種植區(qū)域有14 個，據(jù)《新疆統(tǒng)計年鑒》與各地州統(tǒng)計年鑒，分別為烏魯木齊市（370 hm2）、克拉瑪依市（60 hm2）、吐魯番市（1 080 hm2）、哈密市（350 hm2）、昌吉回族自治州（960 hm2）、伊犁哈薩克自治州（1 050 hm2）、塔城地區(qū)（4 650 hm2）、阿勒泰地區(qū)（80 hm2）、博爾塔拉蒙古自治州（210 hm2）、巴音郭楞蒙古自治州（36 230 hm2）、阿克蘇地區(qū)（8 140 hm2）、克孜勒蘇柯爾克孜自治州（150 hm2）、喀什地區(qū)（9 610 hm2）以及和田地區(qū)（5 450 hm2）。新疆位于中國西北部，面積166 萬km2，占中國國土總面積的1/6，地處亞歐大陸腹地，擁有廣袤的土地，且水土光熱資源豐富，屬典型的大陸性氣候，日照時間長，太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，空氣濕度小，由于氣候干燥、光照充足、熱量豐富，其獨(dú)特的自然氣候條件特別適合紅色農(nóng)作物的生長。

學(xué)者們根據(jù)不同區(qū)域氣候特征進(jìn)一步指導(dǎo)辣椒的種植。陳芳等［1］提出基于GIS 的貴州辣椒氣候適宜性區(qū)劃，分析貴州省適宜種植辣椒的區(qū)域，但是沒有深入分析種植辣椒的區(qū)域適合種植的辣椒品種；王華等［2］提出基于GIS 的廣東省冬種辣椒氣候適宜性區(qū)劃，分析了季節(jié)性的辣椒種植適宜的區(qū)域；李建珉等［3］研究了循化縣氣候變化特征及其對線辣椒種植的影響，主要分析循化縣1990—2018 年線辣椒種植面積及年產(chǎn)量，得出溫度、降水和日照是線辣椒生長期的重要?dú)夂驐l件，光、熱、水匹配良好才能獲得線辣椒高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)；鄧玉清等［4］研究了循化縣線辣椒生長的氣象條件及主要?dú)庀鬄?zāi)害指標(biāo)，分析氣候變暖背景下線辣椒生長的適宜氣象條件和生長期內(nèi)主要?dú)庀鬄?zāi)害及指標(biāo)，用生長期為發(fā)展線辣椒生產(chǎn)提供氣象服務(wù)；高登云等［5］提出綏陽縣辣椒種植適宜性氣候區(qū)劃、綏陽縣的氣候概況和辣椒適宜性氣候指標(biāo)，并對綏陽縣辣椒適宜性氣候區(qū)劃進(jìn)行分析，以期充分、合理利用綏陽縣氣候資源，促進(jìn)辣椒產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步增產(chǎn)；張鵬等［6］分析了利辛縣大棚辣椒種植氣候條件，得出利辛縣的氣候條件非常適宜辣椒種植，為了降低氣候因素對大棚辣椒種植的不利影響，需要采取科學(xué)有效的發(fā)展對策，為大棚辣椒的高產(chǎn)豐收提供重要參考；李雨陽［7］探討了氣候變暖對內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗辣椒種植的影響，提出應(yīng)對不同氣候變化的對策建議，旨在促進(jìn)鄂托克前旗辣椒產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。學(xué)者們根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱妥兓瘜苯贩N植進(jìn)行了指導(dǎo)，本研究從新疆種植辣椒區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)入手，利用數(shù)學(xué)決策工具對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出有關(guān)氣候?qū)苯贩N植的影響，并制定相應(yīng)的決策規(guī)則，指導(dǎo)新疆不同區(qū)域種植辣椒品種。

1 辣椒種植區(qū)域氣候數(shù)據(jù)收集及處理

在新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局網(wǎng)（http：//tjj.xinjiang.gov.cn/）收集新疆種植辣椒的72 個市縣的種植面積、7—8 月平均氣溫、平均日照時間、月平均降水量、平均空氣濕度、土壤pH 和土質(zhì)等數(shù)據(jù)，具體如表1 所示。

表1 新疆辣椒種植區(qū)域相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)無法被計算機(jī)直接處理分析，用U={o1,o2,o3,…,o72}表示新疆種植辣椒72 個區(qū)域的集合，用C= {a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7} 分別表示種植面積、7—8 月平均氣溫、平均日照時間、月平均降水量、平均空氣濕度、土壤pH 和土質(zhì)等屬性并且為決策表的條件屬性，構(gòu)造D= g0gggggg為決策屬性，V={0，1，2}表示條件屬性和決策屬性的屬性值［8-10］。最終將表1 數(shù)據(jù)離散歸一化之后構(gòu)造出的決策如表2所示。

表2 新疆辣椒種植區(qū)域的決策

2 辣椒種植區(qū)域決策分析

收集到新疆主要種植辣椒區(qū)域的氣候特征數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行離散歸一化，構(gòu)造出新疆辣椒種植區(qū)域的決策，在其決策中有主要條件屬性和決策屬性，條件屬性用辣椒種植區(qū)域的氣候特征表示；決策屬性用影響辣椒種植生長的因素表示。利用離散粒子群和粗糙集的方法進(jìn)行決策分析，采用數(shù)學(xué)工具分析對新疆辣椒種植區(qū)域產(chǎn)生影響的主要?dú)夂蛞蛩兀缓蟾鶕?jù)影響辣椒種植的氣候因素，科學(xué)指導(dǎo)新疆不同區(qū)域適宜種植的辣椒品種。

2.1 方法描述

離散粒子群算法如下［11］。

式中，Xk+1ij表示第i個粒子在k+1 代第j維的位置，為速度與概率進(jìn)行映射的函數(shù)，Sk表示Xk+1ij位置取1 的概率，rand（）表示［0，1］的隨機(jī)數(shù)。Vk+1為第i個粒子在k+1 代第j維的速度，-Vmax≤Vk+1≤Vmax，其中Vmax是速度邊界值的常數(shù)［11］，如果粒子在迭代過程中速度Vk+1＞Vmax，則Vk+1=Vmax，如果在迭代過程中粒子的速度Vk+1＜-Vmax，則Vk+1= -Vmax；ω是慣性系數(shù)，慣性系數(shù)與粒子群的搜索能力有關(guān)［12］，慣性系數(shù)越大，粒子群越傾向于全局搜索，慣性權(quán)重越小，粒子群越傾向于局部搜索。Pk+1best為每個粒子在i維搜索空間的歷史最佳位置，gk+1best為粒子群在i維搜索空間的最佳位置；c1和c2為學(xué)習(xí)因子，取值大于等于0，表示粒子向Pk+1best與gk+1best移動的速度變化。當(dāng)c1與c2的系數(shù)之和為4.0 左右時，粒子群進(jìn)行搜索的效果最佳。

采用子群算法和粗糙集對新疆辣椒種植區(qū)域的決策進(jìn)行屬性約簡時，粒子進(jìn)行編碼表示種植區(qū)域氣候特征條件屬性的組合。這種屬性約簡成功的關(guān)鍵在于構(gòu)造合適的目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的過程相當(dāng)于最小化目標(biāo)函數(shù)，則令人滿意的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足2 個原則［12］：①屬性依賴度較接近γ(C,D)的條件屬性子集具有相對較小的目標(biāo)函數(shù)值；②含種植辣椒區(qū)域氣候特征的條件屬性較小的子集具有相對較小的目標(biāo)函數(shù)值。

為滿足這2 個原則，對條件屬性集合C={a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7}，使用如下的目標(biāo)函數(shù)。

式中，m為粒子群優(yōu)化算法的參數(shù)，X為集合。

2.2 數(shù)據(jù)分析

采用離散粒子群和粗糙集結(jié)合的方法對表2 進(jìn)行屬性約簡得出影響辣椒種植的主要因素，其中用U={o1,o2,o3,…,o72}表示新疆種植辣椒72 個區(qū)域的集合，用C={a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7} 分別表示種植面積、7—8 月平均氣溫、平均日照時間、月平均降水量、平均空氣濕度、土壤pH 和土質(zhì)等屬性并且為決策表的條件屬性，構(gòu)造D=g0gggggg為決策屬性，V={0,1,2}表示條件屬性和決策屬性的屬性值。求得最小屬性約簡為{a2,a3,a4,a7}，影響新疆辣椒種植區(qū)域的主要因素有7—8 月平均氣溫、平均日照時間、月平均降水量和土質(zhì)等，其中pH 也是影響辣椒種植的主要因素，但由表1 可知，新疆辣椒種植區(qū)域的土壤是弱堿性。最小屬性約簡的決策如表3 所示，對應(yīng)約簡得到新疆辣椒種植區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 最小屬性約簡的決策

由表4可知，7—8月平均氣溫在19.50～34.11 ℃，溫度變化相對不大，但是氣溫也相對較高；平均日照時間在6.51～8.70 h，日照時間相對較長充足；月平均降水量在1.25～15.88 mm，降水量較少；土質(zhì)主要是壤土和沙壤土，土壤為弱堿性。通過分析得出，這些區(qū)域應(yīng)該種植耐高溫、日照時間長、耐干旱和適合壤土、沙壤土以及弱堿性土壤的辣椒品種。

表4 約簡得到新疆辣椒種植區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)

3 小結(jié)

本研究主要通過離散粒子群和粗糙集結(jié)合的方法對新疆72 個種植辣椒市縣的氣候特征進(jìn)行決策分析，得到影響新疆辣椒種植的主要?dú)夂蛞蛩厥?—8 月平均氣溫、平均日照時間、月平均降水量以及土質(zhì)等。利用該決策指導(dǎo)這些地區(qū)應(yīng)該種植耐高溫、日照時間長、耐干旱和適合壤土、沙壤土以及弱堿性土壤的辣椒品種，該決策主要為新疆辣椒種植區(qū)域提供指導(dǎo)。后期研究應(yīng)根據(jù)地區(qū)種植辣椒的氣候差異決策分析在氣候差異條件下種植適應(yīng)新疆市縣的辣椒品種，收集更多更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，進(jìn)一步細(xì)化指導(dǎo)新疆辣椒種植，從而帶動新疆辣椒產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。