專利名稱：一種并行的土地資源質(zhì)量評價因子空間量化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土地資源質(zhì)量評價技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種并行的土地資源質(zhì)量評價因子空間量化方法。
背景技術(shù)：
( I) 土地資源質(zhì)量評價技術(shù)隨著21世紀的到來，人類面臨的人口問題、糧食安全問題等諸多全球性問題日益嚴峻。我國作為人口大國，土地資源相對稀缺，如何合理利用土地，實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用是當前迫切需要解決的問題。因此，采用科學(xué)的技術(shù)手段和方法對土地資源的質(zhì)量進行評價，是促進土地資源合理利用的必要手段。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO的定義，土地資源質(zhì)量評價(簡稱為“土地評價”)是指對土地針對特定的利用方式所表現(xiàn)出來的效果進行評估的過程，包括對土地的形態(tài)、土壤、植被、氣候等方面屬性進行質(zhì)量綜合鑒定，從而區(qū)分并比較不同土地利用方式對評價目標所表現(xiàn)出的適宜性程度。有關(guān)文獻[I] FAO. Land Evaluation. Towards a revisedframework. 2007.。在借鑒國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國已形成了包括針對農(nóng)用地與建設(shè)用地的土地分等、定級、估價、土地適宜性評價、土地集約利用評價、土地退化評價等在內(nèi)的符合當前國情需求的土地評價體系。(2) 土地資源質(zhì)量評價因子及其空間量化技術(shù)在進行評價土地資源質(zhì)量時，對土地資源質(zhì)量有著顯著影響的各種因素實體如商服中心、集貿(mào)市場、灌溉水源、道路網(wǎng)絡(luò)等對象，被定義為“土地資源評價因子”(簡稱為“評價因子”)或“土地資源評價指標”。評價因子的規(guī)模(或大小)、對土地質(zhì)量影響的空間范圍、評價因子和土地之間的距離等不同，造成了評價因子在空間上的影響強度不同。因此，在進行土地評價時，需要根據(jù)評價因子的規(guī)模、空間影響范圍，計算出因子在評價區(qū)域內(nèi)各處土地的影響強度，這ー過程稱之為評價因子的空間量化。有關(guān)文獻[2]國家質(zhì)量監(jiān)瞀檢驗檢疫總局.城鎮(zhèn)土地分等定級規(guī)程(GB/T 18507-2001) [S] . 2001;有關(guān)文獻[3]國土資源部.農(nóng)用地定級規(guī)程(TD/T1005-2004) [S]·2003。在進行評價因子空間量化時，通常需要將評價區(qū)域按照一定大小的柵格象元或矢量網(wǎng)格進行離散，在此基礎(chǔ)上計算評價因子在各網(wǎng)格處的影響強度。由于土地資源質(zhì)量評 價范圍通?？蛇_數(shù)十平方公里，為了獲得較高的計算精度，評價區(qū)域通常按照50-100米的間距進行離散，因而涉及數(shù)十萬網(wǎng)格的數(shù)據(jù)處理，計算量巨大。按照目前的評價因子量化方法，在當前主流配置的個人計算機上對ー個對于I個中等城市的單個評價因子空間進行量化計算，其過程通常需要1-2個小吋。而土地資源評價過程通常涉及10-20個評價因子，可見其計算過程非常耗時。因此，必須充分發(fā)揮計算機軟硬件發(fā)展的最新成果，提高計算效率。(3)并行計算技術(shù)
并行計算(也稱為高性能計算、超級計算)是在并行計算平臺下執(zhí)行的計算。采用并行計算的主要目的在于提高計算機解決問題的速度和規(guī)模。有關(guān)文獻[4]:龍柏.并行計算平臺上的數(shù)據(jù)索引技術(shù)研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué).2011.隨著計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)格、多核處理器、集群、桌面超級計算機、云計算等先進計算設(shè)施先后出現(xiàn)，為提高大規(guī)模計算問題的求解速度和效率提供了重要的技術(shù)支撐。此外，個人計算機上的CPU也日益朝著多核化的方向發(fā)展(從雙核、四核、八核向更多核數(shù)發(fā)展)，使得并行計算的硬件成本更加低廉。另ー方面，OpenMP、MPICH、OpenMPI、MapReduce等并行編程規(guī)范的出現(xiàn),也大大降低了并行軟件開發(fā)的門檻。因此，如何充分利用多核CPU的計算能力，提高大規(guī)模計算問題的求解速度和效率，是未來程序開發(fā)和科學(xué)計算中面臨的主要問題
發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有的串行土地資源質(zhì)量評價因子空間量化方法中存在的低效、耗時等問題，本發(fā)明將根據(jù)評價因子量化所涉及的空間數(shù)據(jù)的特點，結(jié)合計算機硬件特點，設(shè)計空間數(shù)據(jù)分解并行策略，充分挖掘多核計算機的計算潛力，提高評價因子空間量化的效率，縮短工作時間。本發(fā)明的技術(shù)方案為ー種并行的土地資源質(zhì)量評價因子空間量化方法，包括以下步驟步驟1，對評價空間區(qū)域進行并行離散化，包括以下子步驟，步驟I. 1，根據(jù)計算機CPU的數(shù)量N，采用數(shù)據(jù)橫向分解的方式，將評價空間區(qū)域劃分為N個子區(qū)域；步驟I. 2，將N個子區(qū)域分配給N個CPU進程，每個CPU進程將ー個子區(qū)域離散成固定大小的網(wǎng)格，并各自輸出子區(qū)域內(nèi)的離散結(jié)果，離散結(jié)果采用shp格式的矢量文件進行存儲，得到N個離散網(wǎng)格矢量文件；步驟2，土地資源質(zhì)量評價因子分層，包括以下子步驟，步驟2. 1，設(shè)所有的土地質(zhì)量評價因子按空間影響特性分成M類，將每類土地質(zhì)量評價因子分別存儲在ー個數(shù)據(jù)圖層中，得到M個評價因子圖層；步驟2. 2，將步驟I所得N個離散網(wǎng)格矢量文件復(fù)制成M份，得到NXM個用于存儲評價因子空間量化結(jié)果的離散網(wǎng)格矢量文件；步驟3，土地資源質(zhì)量評價因子并行空間量化，包括以下子步驟，步驟3. 1，將NXM個離散網(wǎng)格文件按子區(qū)域分配給N個CPU進程，每個CPU進程用于處理ー個子區(qū)域內(nèi)的M類土地質(zhì)量評價因子的量化計算，各CPU進程在計算過程中采用MPI實現(xiàn)進程間的通信；在每個CPU進程內(nèi)，采用OpenMP節(jié)點內(nèi)并行技術(shù)開辟M個線程，每個線程分別進行一個評價因子圖層的量化計算，所得評價因子量化結(jié)果分別存入對應(yīng)的離散網(wǎng)格矢量文件；步驟3. 2，將每個子區(qū)域內(nèi)包含的M個離散網(wǎng)格矢量文件合并到ー個文件中，共得到N個文件；步驟3. 3，將步驟3. 2中所得N個文件合并成ー個文件，得到最終的計算結(jié)果。而且，步驟3. I中，任一線程上進行ー個評價因子圖層的量化計算時，對任ー網(wǎng)格進行以下步驟，
步驟a，分別計算當前網(wǎng)格與當前評價因子圖層中每個土地質(zhì)量評價因子之間的空間距離，并找出最近的土地質(zhì)量評價因子，記為F ；步驟b，獲得土地質(zhì)量評價因子F的規(guī)模指數(shù)f，作用半徑D，步驟C，計算土地質(zhì)量評價因子F在當前網(wǎng)格處影響強度S，計算公式如下S =/x(l--)
D其中，d為土地質(zhì)量評價因子F距離當前網(wǎng)格的空間距離。本發(fā)明總體上具有簡單、快速的特點，適用于在具有多CPU、多核的個人計算、小型工作站和計算機集群上執(zhí)行。本發(fā)明對于充分發(fā)揮當前計算機的硬件計算潛能、縮短土 地評價工作時間、提高工作效率具有重要的現(xiàn)實意義。相對于傳統(tǒng)串行的評價因子空間量化方法，本發(fā)明主要解決的問題有(1)設(shè)計了適用于土地評價因子空間量化的空間數(shù)據(jù)分解策略對評價因子進行分層、評價范圍分區(qū)，實現(xiàn)了評價因子空間量化方法的并行化；
(2)充分利用當前計算機硬件領(lǐng)域的多CPU、多核化發(fā)展趨勢，極大的提高計算效率，縮短エ作時間。


圖I是本發(fā)明實施例的流程圖；圖2是本發(fā)明實施例的離散網(wǎng)格矢量文件的屬性字段結(jié)構(gòu)；圖3是本發(fā)明實施例的多線程計算結(jié)果合成示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明設(shè)計的并行土地資源質(zhì)量評價因子空間量化方法流程見附圖1，可采用計算機軟件技術(shù)實現(xiàn)自動運行流程。實施例具體實現(xiàn)過程如下步驟1，對評價空間區(qū)域進行并行離散化，包括以下子步驟，步驟I. 1，根據(jù)計算機CPU的數(shù)量N，采用數(shù)據(jù)橫向分解的方式，將評價空間區(qū)域劃分為N個子區(qū)域。設(shè)可用的CPU數(shù)量為N個，實施例將評價區(qū)域分解成N個子區(qū)域，分別記為{nl, n2, n3..· nN}。步驟I. 2，將N個子區(qū)域分配給N個CPU進程，每個CPU進程將ー個子區(qū)域離散成固定大小的網(wǎng)格，并各自輸出子區(qū)域內(nèi)的離散結(jié)果，離散結(jié)果采用shp格式的矢量文件進行存儲，得到N個離散網(wǎng)格矢量文件。shp格式是國際著名的地理信息系統(tǒng)軟件生產(chǎn)商ESRI公司設(shè)計的一種矢量數(shù)據(jù)存儲格式，是目前地理信息領(lǐng)域通用的矢量存儲格式，主要用于存儲點、線、面等地理目標。實施例開啟N個計算進程，將N個子區(qū)域的范圍信息分配給N個進程，各進程分別執(zhí)行對子區(qū)域的空間離散化。土地資源質(zhì)量評價范圍空間的離散化就是將評價區(qū)域劃分成若干個網(wǎng)格。網(wǎng)格越小，則計算精度越高，計算量越大；反之，計算精度越低，計算量越小。通常在進行土地資源評價時采用50*50或100*100米的網(wǎng)格對評價空間區(qū)域進行離散。各子區(qū)域在各自的進程上進行離散后，將網(wǎng)格結(jié)果分別保存在単獨的shp文件中進行存儲。如圖2，其中的網(wǎng)格文件的屬性字段結(jié)構(gòu)如表I所示，示例如表2
表I
權(quán)利要求
1.一種并行的土地資源質(zhì)量評價因子空間量化方法，其特征是，包括以下步驟 步驟1，對評價空間區(qū)域進行并行離散化，包括以下子步驟， 步驟I. I，根據(jù)計算機CPU的數(shù)量N，采用數(shù)據(jù)橫向分解的方式，將評價空間區(qū)域劃分為N個子區(qū)域； 步驟I. 2，將N個子區(qū)域分配給N個CPU進程，每個CPU進程將ー個子區(qū)域離散成固定大小的網(wǎng)格，并各自輸出子區(qū)域內(nèi)的離散結(jié)果，離散結(jié)果采用shp格式的矢量文件進行存儲，得到N個離散網(wǎng)格矢量文件； 步驟2，土地資源質(zhì)量評價因子分層，包括以下子步驟， 步驟2. 1，設(shè)所有的土地質(zhì)量評價因子按空間影響特性分成M類，將每類土地質(zhì)量評價因子分別存儲在ー個數(shù)據(jù)圖層中，得到M個評價因子圖層； 步驟2. 2，將步驟I所得N個離散網(wǎng)格矢量文件復(fù)制成M份，得到NXM個用于存儲評價因子空間量化結(jié)果的離散網(wǎng)格矢量文件； 步驟3，土地資源質(zhì)量評價因子并行空間量化，包括以下子步驟， 步驟3. 1，將NXM個離散網(wǎng)格文件按子區(qū)域分配給N個CPU進程，每個CPU進程用于處理ー個子區(qū)域內(nèi)的M類土地質(zhì)量評價因子的量化計算，各CPU進程在計算過程中采用MPI實現(xiàn)進程間的通信；在每個CPU進程內(nèi)，采用OpenMP節(jié)點內(nèi)并行技術(shù)開辟M個線程，每個線程分別進行一個評價因子圖層的量化計算，所得評價因子量化結(jié)果分別存入對應(yīng)的離散網(wǎng)格矢量文件； 步驟3. 2，將每個子區(qū)域內(nèi)包含的M個離散網(wǎng)格矢量文件合并到ー個文件中，共得到N個文件； 步驟3. 3，將步驟3. 2中所得N個文件合并成ー個文件，得到最終的計算結(jié)果。
2.如權(quán)利要求I所述并行的土地資源質(zhì)量評價因子空間量化方法，其特征是步驟3.I中，任一線程上進行ー個評價因子圖層的量化計算時，對任一網(wǎng)格進行以下步驟， 步驟a，分別計算當前網(wǎng)格與當前評價因子圖層中每個土地質(zhì)量評價因子之間的空間距離，并找出最近的土地質(zhì)量評價因子，記為F ； 步驟b，獲得土地質(zhì)量評價因子F的規(guī)模指數(shù)f，作用半徑D， 步驟C，計算土地質(zhì)量評價因子F在當前網(wǎng)格處影響強度S，計算公式如下 其中，d為土地質(zhì)量評價因子F距離當前網(wǎng)格的空間距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種并行的土地資源質(zhì)量評價因子空間量化方法，包括對評價空間區(qū)域進行并行離散化、土地資源質(zhì)量評價因子分層和土地資源質(zhì)量評價因子并行空間量化。本發(fā)明總體上具有簡單、快速的特點，適用于在具有多CPU、多核的個人計算、小型工作站和計算機集群上執(zhí)行。本發(fā)明對于充分發(fā)揮當前計算機的硬件計算潛能、縮短土地評價工作時間、提高工作效率具有重要的現(xiàn)實意義。
文檔編號G06F9/50GK102693161SQ201210151158
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者何建華, 劉殿鋒, 劉耀林, 唐旭, 焦利民, 趙翔 申請人:武漢大學(xué)