CN109376810A - 基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，属于过牧预警领域，基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，在待检测牧区牲畜上佩戴***，所述***包含有牧区牲畜运动记录的定位数据，对原始轨迹数据进行清洗及预处理，清洗包括去除无关字段，去除空值，去除重复的值，去除异常值，聚类分析，使用经典聚类算法k‑means对清洗和预处理过的轨迹数据进行基础聚类；计算放牧强度，放牧强度与过牧阈值比较，大于或等于过牧阈值的区域给出预警，随着时间累积轨迹数据，按照旬累计计算该段时间内放牧强度，基于放牧过程中由牲畜所佩戴的***产生的包含着牧区牲畜的运动记录的定位数据，与聚类分析法相结合，计算放牧强度，进行过牧预警。
Description
技术领域
本发明涉及过牧预警领域，更具体地说，涉及基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法。
背景技术
过牧就是超过草场所能承载的家畜的数量，而出现过度放牧的现象。超载过牧的后果是草场退化。表现为植被变得稀疏低矮，产草量不断下降，逐渐使草场变为半荒漠化，荒漠化最后变为沙化。现在北方沙尘暴天气增多，原因之一就是草原植被被破坏的后果，使沙化土地面积逐年扩大。
过牧是草场退化、土地荒漠化的主要原因，因此计算放牧强度从而判断是否过牧是非常必要的。苏尼特左旗属于典型的荒漠草原，该地区草场载畜量40亩每只每年，对于放牧的强度监测和控制显得尤为重要，另外，放牧的强度监测和控制方法的选择不同，其监测结果和控制效果也是不用的，而传统的计算方法没有适用于更小时空尺度过牧情况的。
基于以上问题，本发明采用一种与聚类分析相结合的方法计算放牧强度。本发明基于放牧过程中由牲畜所佩戴的***产生的包含着牧区牲畜的运动记录的定位数据去计算放牧强度。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，它基于放牧过程中由牲畜所佩戴的***产生的包含着牧区牲畜的运动记录的定位数据，与聚类分析法相结合，计算放牧强度，进行过牧预警。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其具体步骤为：
S1：在待检测牧区牲畜上佩戴***，所述***包含有牧区牲畜运动记录的定位数据；
S2：对原始轨迹数据进行清洗及预处理，清洗包括去除无关字段，去除空值，去除重复的值，去除异常值；
S3：聚类分析，使用经典聚类算法k-means对清洗和预处理过的轨迹数据进行基础聚类；给定聚类初始值n为待聚类轨迹点个数；
S4：计算放牧强度，所述放牧强度与过牧阈值比较，大于或等于过牧阈值的区域给出预警，基于放牧过程中由牲畜所佩戴的***产生的包含着牧区牲畜的运动记录的定位数据，与聚类分析法相结合，计算放牧强度，进行过牧预警。
进一步的，所述S1中的预处理步骤如下：
步骤一、首先对轨迹点按时间排序，生成连续轨迹序列；
步骤二、从轨迹序列中初始时间对相邻轨迹点进行速度值计算；
步骤三、设置速度阈值△v，对连续轨迹段进行速度差值对比，以小于阈值△v处进行划分，△v＝0.3m/s；
步骤四、将小于速度阈值区间的轨迹点归入轨迹点集合；
步骤五、重复这一步骤直至所有轨迹点归类，操作简单，结果直观简明。
进一步的，所述S2中k-means算法流程为：
首先从n个数据对象任意选择k个对象作为初始聚类中心；而对于所剩下其它对象，则根据它们与这些聚类中心的相似度(距离)，分别将它们分配给与其最相似的(聚类中心所代表的)聚类；然后再计算每个所获新聚类的聚类中心(该聚类中所有对象的均值)；不断重复这一过程直到标准测度函数开始收敛为止。
进一步的，所述S3中计算放牧强度步骤为：
步骤一、统计聚类结果中各个簇包含的轨迹点经纬度信息，簇内轨迹点个数，簇中心；
步骤二、计算该簇所有轨迹点到簇中心的平均距离r，以此作为半径估算该区域面积S＝πr2；
步骤三、计算该区域面积s与该簇内轨迹点个数之比，从而得到该区域放牧强度，计算方法简单快速，易于实现操作。
进一步的，所述放牧强度的计算方法为，随着时间累积轨迹数据，按照旬累计计算该段时间内放牧强度，选择较佳的时间长度进行分期监测，不会因过于频繁而徒增监测人员的工作量，也不易因时间长度过长而导致过牧严重现象。
进一步的，在放牧时间段，一个所述***一天大约产生六十个轨迹点数据，将一天约六十个轨迹点折合为一只牲畜，合理设置定位点数，避免过多徒增监测人员的工作量，以及过少难以判断活动范围。
进一步的，所述牲畜按照不同批次对其佩戴***，不同批次的所述牲畜佩戴不同***，且同一批次的牲畜佩戴同一种***，对不同批次的牲畜的种类、特性等分别记录，并将***与记录对应相匹配，同一批次的牲畜一般成群活动，不同批次的牲畜进食量会有差别，因此可能产生特定的过牧区域，利用不同的***进行定位更易区分。
进一步的，每一批次的所述牲畜的公母均需进行区分并分别统计数量，预估并记录每一批次的母牲畜的哺乳期，且对处于哺乳期的不同批次母牲畜所佩戴的***做聚类处理，哺乳期的母牲畜进食量会增大，对哺乳期的母牲畜进行特别标记可直观观察到其活动范围，有利于加强警示效果。
进一步的，所述***包括RFID电子标签和RFID电子耳标，所述RFID电子标签和RFID电子耳标中的信息相同，在放养所述牲畜之前，向所述牲畜体内注射RFID电子标签，在体外佩戴RFID电子耳标，在牲畜体内体外均设置有***，不易因***的遗失造成无法定位。
进一步的，所述RFID电子耳标上卡接有消毒环，所述消毒环上开凿有环形槽和空腔，所述环形槽与空腔相连通，且环形槽与空腔相连通处连接有隔膜，所述隔膜与空腔构成的密闭腔中填充有消毒液，所述环形槽内侧壁上连接有消毒海绵，佩戴RFID电子耳标时，佩戴处的伤口暴露与空气中，容易发炎感染，严重时会导致死亡，利用消毒液对伤口消毒，可有效减少发炎感染。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案基于放牧过程中由牲畜所佩戴的***产生的包含着牧区牲畜的运动记录的定位数据，与聚类分析法相结合，计算放牧强度，进行过牧预警。
(2)放牧强度的计算方法为，随着时间累积轨迹数据，按照旬累计计算该段时间内放牧强度，选择较佳的时间长度进行分期监测，不会因过于频繁而徒增监测人员的工作量，也不易因时间长度过长而导致过牧严重现象。
(3)在放牧时间段，一个***一天大约产生六十个轨迹点数据，将一天约六十个轨迹点折合为一只牲畜，合理设置定位点数，避免过多徒增监测人员的工作量，以及过少难以判断活动范围。
(4)牲畜按照不同批次对其佩戴***，不同批次的牲畜佩戴不同***，且同一批次的牲畜佩戴同一种***，对不同批次的牲畜的种类、特性等分别记录，并将***与记录对应相匹配，同一批次的牲畜一般成群活动，不同批次的牲畜进食量会有差别，因此可能产生特定的过牧区域，利用不同的***进行定位更易区分。
(5)每一批次的牲畜的公母均需进行区分并分别统计数量，预估并记录每一批次的母牲畜的哺乳期，且对处于哺乳期的不同批次母牲畜所佩戴的***做聚类处理，哺乳期的母牲畜进食量会增大，对哺乳期的母牲畜进行特别标记可直观观察到其活动范围，有利于加强警示效果。
(6)***包括RFID电子标签和RFID电子耳标，RFID电子标签和RFID电子耳标中的信息相同，在放养牲畜之前，向牲畜体内注射RFID电子标签，在体外佩戴RFID电子耳标，在牲畜体内体外均设置有***，不易因***的遗失造成无法定位。
(7)RFID电子耳标上卡接有消毒环，消毒环上开凿有环形槽和空腔，环形槽与空腔相连通，且环形槽与空腔相连通处连接有隔膜，隔膜与空腔构成的密闭腔中填充有消毒液，环形槽内侧壁上连接有消毒海绵，佩戴RFID电子耳标时，佩戴处的伤口暴露于空气中，容易发炎感染，严重时会导致死亡，利用消毒液对伤口消毒，可有效减少发炎感染。
附图说明
图1为本发明的主要流程图；
图2为本发明的氧化块被氧化前的消毒环结构示意图；
图3为本发明的氧化块被氧化后的消毒环结构示意图。
图中标号说明：
1消毒环、2空腔、3隔膜、4氧化块、5消毒海绵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1-3，基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其具体步骤：
S1:在待检测牧区牲畜上佩戴***，所述***包含有牧区牲畜运动记录的定位数据；
S2：对原始轨迹数据进行清洗及预处理，清洗包括去除无关字段，去除空值，去除重复的值，去除异常值；
S3：聚类分析，使用经典聚类算法k-means对清洗和预处理过的轨迹数据进行基础聚类；给定聚类初始值n为待聚类轨迹点个数；
S4：计算放牧强度，放牧强度与过牧阈值比较，大于或等于过牧阈值的区域给出预警，小于过牧阈值的区域即表示良好，基于放牧过程中由牲畜所佩戴的***产生的包含着牧区牲畜的运动记录的定位数据，与聚类分析法相结合，计算放牧强度，进行过牧预警。
S1中的预处理步骤如下：
步骤一、首先对轨迹点按时间排序，生成连续轨迹序列；
步骤二、从轨迹序列中初始时间对相邻轨迹点进行速度值计算；
步骤三、设置速度阈值△v，对连续轨迹段进行速度差值对比，以小于阈值△v处进行划分，△v＝0.3m/s；
步骤四、将小于速度阈值区间的轨迹点归入轨迹点集合；
步骤五、重复这一步骤直至所有轨迹点归类，操作简单，结果直观简明。
S2中k-means算法流程为：
首先从n个数据对象任意选择k个对象作为初始聚类中心；而对于所剩下其它对象，则根据它们与这些聚类中心的相似度(距离)，分别将它们分配给与其最相似的(聚类中心所代表的)聚类；然后再计算每个所获新聚类的聚类中心(该聚类中所有对象的均值)；不断重复这一过程直到标准测度函数开始收敛为止。
S3中计算放牧强度步骤为：
步骤一、统计聚类结果中各个簇包含的轨迹点经纬度信息，簇内轨迹点个数，簇中心；
步骤二、计算该簇所有轨迹点到簇中心的平均距离r，以此作为半径估算该区域面积S＝πr2；
步骤三、计算该区域面积s与该簇内轨迹点个数之比，从而得到该区域放牧强度，计算方法简单快速，易于实现操作。
放牧强度的计算方法为，随着时间累积轨迹数据，按照旬累计计算该段时间内放牧强度，选择较佳的时间长度进行分期监测，不会因过于频繁而徒增监测人员的工作量，也不易因时间长度过长而导致过牧严重现象。
在放牧时间段，一个***一天大约产生六十个轨迹点数据，将一天约六十个轨迹点折合为一只牲畜，合理设置定位点数，避免过多徒增监测人员的工作量，以及过少难以判断活动范围。
牲畜按照不同批次对其佩戴***，不同批次的牲畜佩戴不同***，且同一批次的牲畜佩戴同一种***，对不同批次的牲畜的种类、特性等分别记录，并将***与记录对应相匹配，将匹配信息上传至终端设备，同一批次的牲畜一般成群活动，不同批次的牲畜进食量会有差别，因此可能产生特定的过牧区域，利用不同的***进行定位更易区分，***远程连接终端设备，监测人员可直接在终端设备上根据匹配信息修改不同***在终端设备上显示的颜色，区分更加直观。
每一批次的牲畜的公母均需进行区分并分别统计数量，预估并记录每一批次的母牲畜的哺乳期，且对处于哺乳期的不同批次母牲畜所佩戴的***做聚类处理，将处理信息上传至终端设备，监测人员可直接在终端设备上根据处理信息对处于哺乳期的不同批次母牲畜所佩戴的***做相同的特别标记，哺乳期的母牲畜进食量会增大，对哺乳期的母牲畜进行特别标记可直观观察到其活动范围，有利于加强警示效果，处于哺乳期的牲畜较多时，可缩短放牧强度的计算时间长度，防止因时间长度过长而导致严重过牧。
***包括RFID电子标签和RFID电子耳标，RFID电子标签和RFID电子耳标中的信息相同，在放养牲畜之前，向牲畜体内注射RFID电子标签，在体外佩戴RFID电子耳标，在牲畜体内体外均设置有***，不易因***的遗失造成无法定位。
请参阅图2，RFID电子耳标上卡接有消毒环1，消毒环1分为两段，两段消毒环1的下端部相铰接，上端部通过氧化块4连接，消毒环1上开凿有环形槽和空腔2，环形槽与空腔2相连通，且环形槽与空腔2相连通处连接有隔膜3，隔膜3与空腔2构成的密闭腔中填充有消毒液，环形槽内侧壁上连接有消毒海绵5，佩戴RFID电子耳标时，佩戴处的伤口暴露于空气中，容易发炎感染，严重时会导致死亡，消毒环1上的空腔2处为软胶层，佩戴人员给牲畜佩戴RFID电子耳标时捏动消毒环1上的软胶层，隔膜3被挤破，空腔2内部的消毒液浸湿消毒海绵5，消毒海绵5与伤口处接触，利用消毒液对伤口消毒，可有效减少发炎感染，请参阅图3，佩戴RFID电子耳标一段时间后，氧化块4由于与空气长时间接触，氧化块4会被氧化变小脱落，此时消毒环1会从RFID电子耳标上脱落，避免消毒海绵5长时间与牲畜伤口接触造成二次感染，消毒环1采用3D打印材料并由3D打印机打印而成，3D打印材料性质好，易降解。
本方案的实行流程为：对原始轨迹数据进行清洗及预处理，清洗包括去除无关字段，去除空值，去除重复的值，去除异常值，聚类分析，使用经典聚类算法k-means对清洗和预处理过的轨迹数据进行基础聚类；给定聚类初始值，计算放牧强度，放牧强度与过牧阈值比较，大于或等于过牧阈值的区域给出预警，随着时间累积轨迹数据，按照旬累计计算该段时间内放牧强度，基于放牧过程中由牲畜所佩戴的***产生的包含着牧区牲畜的运动记录的定位数据，与聚类分析法相结合，计算放牧强度，进行过牧预警。
以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：其具体步骤为：
S1：在待检测牧区牲畜上佩戴***，所述***包含有牧区牲畜运动记录的定位数据；
S2：对原始轨迹数据进行清洗及预处理，清洗包括去除无关字段，去除空值，去除重复的值，去除异常值；
S3：聚类分析，使用经典聚类算法k-means对清洗和预处理过的轨迹数据进行基础聚类；给定聚类初始值n为待聚类轨迹点个数；
S4：计算放牧强度，所述放牧强度与过牧阈值比较，大于或等于过牧阈值的区域给出预警。
2.根据权利要求1所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：所述S1中的预处理步骤如下：
步骤一、首先对轨迹点按时间排序，生成连续轨迹序列；
步骤二、从轨迹序列中初始时间对相邻轨迹点进行速度值计算；
步骤三、设置速度阈值△v，对连续轨迹段进行速度差值对比，以小于阈值△v处进行划分，△v＝0.3m/s；
步骤四、将小于速度阈值区间的轨迹点归入轨迹点集合；
步骤五、重复这一步骤直至所有轨迹点归类。
3.根据权利要求1所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：所述S2中k-means算法流程为：
首先从n个数据对象任意选择k个对象作为初始聚类中心；而对于所剩下其它对象，则根据它们与这些聚类中心的相似度(距离)，分别将它们分配给与其最相似的(聚类中心所代表的)聚类；再计算每个所获新聚类的聚类中心(该聚类中所有对象的均值)；不断重复这一过程直到标准测度函数开始收敛为止。
4.根据权利要求1所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：所述S3中计算放牧强度步骤为：
步骤一、统计聚类结果中各个簇包含的轨迹点经纬度信息，簇内轨迹点个数，簇中心；
步骤二、计算该簇所有轨迹点到簇中心的平均距离r，以此作为半径估算该区域面积S＝πr2；
步骤三、计算该区域面积s与该簇内轨迹点个数之比，从而得到该区域放牧强度。
5.根据权利要求4所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：所述放牧强度的计算方法为，随着时间累积轨迹数据，按照旬累计计算该段时间内放牧强度。
6.根据权利要求1所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：在放牧时间段，一个所述***一天大约产生六十个轨迹点数据，将一天约六十个轨迹点折合为一只牲畜。
7.根据权利要求1所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：所述牲畜按照不同批次对其佩戴***，不同批次的所述牲畜佩戴不同***，且同一批次的牲畜佩戴同一种***。
8.根据权利要求7所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：每一批次的所述牲畜的公母均需进行区分并分别统计数量，预估并记录每一批次的母牲畜的哺乳期，且对处于哺乳期的不同批次母牲畜所佩戴的***做聚类处理。
9.根据权利要求1或8所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：所述***包括RFID电子标签和RFID电子耳标，所述RFID电子标签和RFID电子耳标中的信息相同，在放养所述牲畜之前，向所述牲畜体内注射RFID电子标签或在体外佩戴RFID电子耳标。
10.根据权利要求9所述的基于聚类分析的牲畜分期过牧预警方法，其特征在于：所述RFID电子耳标上卡接有消毒环(1)，所述消毒环(1)上开凿有环形槽和空腔(2)，所述环形槽与空腔(2)相连通，且环形槽与空腔(2)相连通处连接有隔膜(3)，所述隔膜(3)与空腔(2)构成的密闭腔中填充有消毒液，所述环形槽内侧壁上连接有消毒海绵(5)。
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