基于离散粒子群和粗糙集方法的新疆辣椒种植区域分析

杨 倩，戴 泉

（新疆农业大学经济管理学院，乌鲁木齐 830000）

辣椒（Capsicum annuumL.）是日常生活中重要的调剂品、医药原料和化工原料，有健胃、助消化和降血糖等功能，研究辣椒的气候适宜性对辣椒种植的优质高产和生产合理布局有着重要的指导意义。新疆维吾尔自治区（简称新疆）中辣椒的主要种植区域有14 个，据《新疆统计年鉴》与各地州统计年鉴，分别为乌鲁木齐市（370 hm2）、克拉玛依市（60 hm2）、吐鲁番市（1 080 hm2）、哈密市（350 hm2）、昌吉回族自治州（960 hm2）、伊犁哈萨克自治州（1 050 hm2）、塔城地区（4 650 hm2）、阿勒泰地区（80 hm2）、博尔塔拉蒙古自治州（210 hm2）、巴音郭楞蒙古自治州（36 230 hm2）、阿克苏地区（8 140 hm2）、克孜勒苏柯尔克孜自治州（150 hm2）、喀什地区（9 610 hm2）以及和田地区（5 450 hm2）。新疆位于中国西北部，面积166 万km2，占中国国土总面积的1/6，地处亚欧大陆腹地，拥有广袤的土地，且水土光热资源丰富，属典型的大陆性气候，日照时间长，太阳辐射强，昼夜温差大，空气湿度小，由于气候干燥、光照充足、热量丰富，其独特的自然气候条件特别适合红色农作物的生长。

学者们根据不同区域气候特征进一步指导辣椒的种植。陈芳等［1］提出基于GIS 的贵州辣椒气候适宜性区划，分析贵州省适宜种植辣椒的区域，但是没有深入分析种植辣椒的区域适合种植的辣椒品种；王华等［2］提出基于GIS 的广东省冬种辣椒气候适宜性区划，分析了季节性的辣椒种植适宜的区域；李建珉等［3］研究了循化县气候变化特征及其对线辣椒种植的影响，主要分析循化县1990—2018 年线辣椒种植面积及年产量，得出温度、降水和日照是线辣椒生长期的重要气候条件，光、热、水匹配良好才能获得线辣椒高产优质；邓玉清等［4］研究了循化县线辣椒生长的气象条件及主要气象灾害指标，分析气候变暖背景下线辣椒生长的适宜气象条件和生长期内主要气象灾害及指标，用生长期为发展线辣椒生产提供气象服务；高登云等［5］提出绥阳县辣椒种植适宜性气候区划、绥阳县的气候概况和辣椒适宜性气候指标，并对绥阳县辣椒适宜性气候区划进行分析，以期充分、合理利用绥阳县气候资源，促进辣椒产业稳步增产；张鹏等［6］分析了利辛县大棚辣椒种植气候条件，得出利辛县的气候条件非常适宜辣椒种植，为了降低气候因素对大棚辣椒种植的不利影响，需要采取科学有效的发展对策，为大棚辣椒的高产丰收提供重要参考；李雨阳［7］探讨了气候变暖对内蒙古自治区鄂托克前旗辣椒种植的影响，提出应对不同气候变化的对策建议，旨在促进鄂托克前旗辣椒产业的进一步发展。学者们根据当地气候特征和变化对辣椒种植进行了指导，本研究从新疆种植辣椒区域的气候数据入手，利用数学决策工具对该数据进行分析，得出有关气候对辣椒种植的影响，并制定相应的决策规则，指导新疆不同区域种植辣椒品种。

1 辣椒种植区域气候数据收集及处理

在新疆维吾尔自治区统计局网（http：//tjj.xinjiang.gov.cn/）收集新疆种植辣椒的72 个市县的种植面积、7—8 月平均气温、平均日照时间、月平均降水量、平均空气湿度、土壤pH 和土质等数据，具体如表1 所示。

表1 新疆辣椒种植区域相关指标数据

该数据无法被计算机直接处理分析，用U={o1,o2,o3,…,o72}表示新疆种植辣椒72 个区域的集合，用C= {a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7} 分别表示种植面积、7—8 月平均气温、平均日照时间、月平均降水量、平均空气湿度、土壤pH 和土质等属性并且为决策表的条件属性，构造D= {d}为决策属性，V={0，1，2}表示条件属性和决策属性的属性值［8-10］。最终将表1 数据离散归一化之后构造出的决策如表2所示。

表2 新疆辣椒种植区域的决策

2 辣椒种植区域决策分析

收集到新疆主要种植辣椒区域的气候特征数据，并对该数据进行离散归一化，构造出新疆辣椒种植区域的决策，在其决策中有主要条件属性和决策属性，条件属性用辣椒种植区域的气候特征表示；决策属性用影响辣椒种植生长的因素表示。利用离散粒子群和粗糙集的方法进行决策分析，采用数学工具分析对新疆辣椒种植区域产生影响的主要气候因素，然后根据影响辣椒种植的气候因素，科学指导新疆不同区域适宜种植的辣椒品种。

2.1 方法描述

离散粒子群算法如下［11］。

式中，Xk+1ij表示第i个粒子在k+1 代第j维的位置，为速度与概率进行映射的函数，Sk表示Xk+1ij位置取1 的概率，rand（）表示［0，1］的随机数。Vk+1为第i个粒子在k+1 代第j维的速度，-Vmax≤Vk+1≤Vmax，其中Vmax是速度边界值的常数［11］，如果粒子在迭代过程中速度Vk+1＞Vmax，则Vk+1=Vmax，如果在迭代过程中粒子的速度Vk+1＜-Vmax，则Vk+1= -Vmax；ω是惯性系数，惯性系数与粒子群的搜索能力有关［12］，惯性系数越大，粒子群越倾向于全局搜索，惯性权重越小，粒子群越倾向于局部搜索。Pk+1best为每个粒子在i维搜索空间的历史最佳位置，gk+1best为粒子群在i维搜索空间的最佳位置；c1和c2为学习因子，取值大于等于0，表示粒子向Pk+1best与gk+1best移动的速度变化。当c1与c2的系数之和为4.0 左右时，粒子群进行搜索的效果最佳。

采用子群算法和粗糙集对新疆辣椒种植区域的决策进行属性约简时，粒子进行编码表示种植区域气候特征条件属性的组合。这种属性约简成功的关键在于构造合适的目标函数。优化目标函数的过程相当于最小化目标函数，则令人满意的目标函数应满足2 个原则［12］：①属性依赖度较接近γ(C,D)的条件属性子集具有相对较小的目标函数值；②含种植辣椒区域气候特征的条件属性较小的子集具有相对较小的目标函数值。

为满足这2 个原则，对条件属性集合C={a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7}，使用如下的目标函数。

式中，m为粒子群优化算法的参数，X为集合。

2.2 数据分析

采用离散粒子群和粗糙集结合的方法对表2 进行属性约简得出影响辣椒种植的主要因素，其中用U={o1,o2,o3,…,o72}表示新疆种植辣椒72 个区域的集合，用C={a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7} 分别表示种植面积、7—8 月平均气温、平均日照时间、月平均降水量、平均空气湿度、土壤pH 和土质等属性并且为决策表的条件属性，构造D={d}为决策属性，V={0,1,2}表示条件属性和决策属性的属性值。求得最小属性约简为{a2,a3,a4,a7}，影响新疆辣椒种植区域的主要因素有7—8 月平均气温、平均日照时间、月平均降水量和土质等，其中pH 也是影响辣椒种植的主要因素，但由表1 可知，新疆辣椒种植区域的土壤是弱碱性。最小属性约简的决策如表3 所示，对应约简得到新疆辣椒种植区域相关数据如表4所示。

表3 最小属性约简的决策

由表4可知，7—8月平均气温在19.50～34.11 ℃，温度变化相对不大，但是气温也相对较高；平均日照时间在6.51～8.70 h，日照时间相对较长充足；月平均降水量在1.25～15.88 mm，降水量较少；土质主要是壤土和沙壤土，土壤为弱碱性。通过分析得出，这些区域应该种植耐高温、日照时间长、耐干旱和适合壤土、沙壤土以及弱碱性土壤的辣椒品种。

表4 约简得到新疆辣椒种植区域相关数据

3 小结

本研究主要通过离散粒子群和粗糙集结合的方法对新疆72 个种植辣椒市县的气候特征进行决策分析，得到影响新疆辣椒种植的主要气候因素是7—8 月平均气温、平均日照时间、月平均降水量以及土质等。利用该决策指导这些地区应该种植耐高温、日照时间长、耐干旱和适合壤土、沙壤土以及弱碱性土壤的辣椒品种，该决策主要为新疆辣椒种植区域提供指导。后期研究应根据地区种植辣椒的气候差异决策分析在气候差异条件下种植适应新疆市县的辣椒品种，收集更多更详细的数据，进行数据挖掘，进一步细化指导新疆辣椒种植，从而带动新疆辣椒产业和经济的发展。