A model is constructed which uses fuzzy membership functions to construct an "aggregated interaction matrix" in which the summation of variables are scaled according to to way rainfall and soil variables affect water availability to plants. The model is used to predict rangeland production and crop yieldsThesis (M.App. Sc.) -- University of Adelaide, Dept. of Environmental Science and Rangeland Management, 199

Sun, Ximing

Adelaide Research &amp; Scholarship

l cãøi i 'M e t h o d o l o g y  D e v e l o p m e n t  F o r  L a n d  E v a l u a t i o nM o d e l s  I n c o r p o r a t i n g  A g g r e g a t e d  K n o w l e d g e  a n d  F u z z y  M e m b e r s h i pC o n s t n ¡ c t i o nA  t h e s i s  s u b m i t æ d  b y  S u n  X i m i n g  t o  t h c  D e p a r u n e n t  o f  E n v i r o n m e n t ¿ l  S c i e n c e  a n d  R a n g e l a n dM a n a g e m e n t ,  U n i v e r s i t y  o f  A d e l " i d " ,  i n  f u l f i l m e n t  o f  t h e  r e q u i r e m e n t s  o f  t h e  d e g r e e  o f  M a s t e rA p p l i e d  S c i e n c e2 2 F e b r u a r y ,  t 9 9 4A b s t r a c tT h e  m o s t  w i d e l y  u s e d  m e t h o d s  i n  a g r i c u l t u r a l  l a n d  e v a l u a t i o n  a r e  p a r a m e t r i cm e t h o d s .  U n f o r t u n a t e l y ,  n o n e  o f  t h e m  a f e  p r e - e m i n e n t .  T h e  r e a s o n  f o r  t h i s  i st h a t  p a r a m e t r i c  m e t h o d s  l a c k  t h e  a b i l i t y  t o  d e a l  w i t h :  1 )  i n a p p r o p r i a t e  o ri n c o m p l e t e  d a t a  s e t s ;  2 )  c o m p l e x  i n t e r a c t i o n s  b e t w e e n  a n y  o f  t h e  f a c t o r s  a n dc o n s t r a i n t s  w h i c h  h a v e  n o t  o r  c a n n o t  b e  r e l a t e d  e x p e r i m e n t a l l y ;  3 )i n c o r p o r a t i n g  u s e r  i n f o r m a t i o n ,  w h i c h  i s  g e n e r a l l y  e x p r e s s e d  i n  n a t u r a ll a n g u a g e  a n d  o f t e n  c o n t a i n s  u n c e r t a i n t y ,  i n t o  m o d e l s  s o  t h a t  d e c i s i o n s  c a n  b em a d e  b a s e d  u p o n  b o t h  o b j e c t i v e  a n d  s u b j e c t i v e  i n f o r m a t i o n .  T h e  p u r p o s e  o ft h i s  s t u d y  w a s  t o  i n v e s t i g a t e  t h e  a p p l i c a t i o n  o f  f u z z y  s e t  t h e o r y  a l o n g  w i t hc o n v e n t i o n a l  p a r a m e t r i c  m e t h o d s  a s  a  p o s s i b l e  m e a n s  t o  o v e r c o m e  t h e  a b o v es h o r t c o m i n g s .F u z z y  s e t s  t h e o r y  h e l p s  t o  c r e a t e  a  c o m m o n s e n s e  p i c t u r e  o f  a n  u n c e r t a i nw o r l d .  T h e  w a y  i n  w h i c h  i t  i s  u s e d  i n  t h i s  s t u d y  i s  b y  u s i n g  f u z z y  s e t s  t o :  ( 1 )d e s c r i b e  t h e  d e g r e e  o f  m e m b e r s h i p  o f  a  v a r i a b l e  t o  t h e  s y s t e m  u n d e fi n v e s t i g a t i o n ,  a n d  ( 2 )  t o  d e t e r m i n e  w e i g h t i n g s  t o  a d j u s t  f o r  t h e  i n t e r a c t i o n  o ft h e  v a r i a b l e s  w i t h  r e s p e c t  t o  e a c h  o t h e r .  T h e  s p e c i f r c  w a y  t h e  d e g r e e s  o fm e m b e r s h i p  a n d  w e i g h t i n g s  a r e  d e r i v e d  i s  e x p l a i n e d  i n  t h e  t h e s i s .  T h e s e  w e r ec o n s t r u c t e d  i n t o  a n  i n t e r a c t i o n  m a t r i x .  T h e  s o l u t i o n  o f  t h e  m a t r i x  g i v e s  an u m e r i c a l  " c o m p r e h e n s i v e  i n t e r a c t i o n  i n d e x " '  T h i s  i n d e x  c a n  b e  u s e d  a s  ab a s i s  f o r :  p r e d i c t i n g  r a n g e l a n d  p r o d u c t i o n  a n d  c r o p  y i e l d s ;  f o r  m e a s u r i n g  t h ec o m p r e h e n s i v e  e f f e c t s  o f  a l l  v a r i a b l e s  s t u d i e d  o n  t h e  e n v i r o n m e n t ;  o r ,  f o ra i d i n g  a  d e c i s i o n  m a k e r  i n  s e l e c t i n g  t h e  m o s t  s u i t a b l e  c r o p  f o r  a  g i v e n  l a n du n i t .  T h e  i n d e x  g i v e s  a  m e a s u r e  o f  t h e  i n t e r a c t i v e  i n t e r p l a y  o f  t h e  v a r i a b l e s .IT h e  m e t h o d  a c c o m m o d a t e s  k n o w l e d g e  d e r i v e d  f r o m  e m p i r i c a le x p e r i m e n t a t i o n  a n d  t h e  h u m a n  e x p e r t .I n  t h i s  s t u d y ,  t h e  u s e  o f  a n  o r i g i n a l  m u l t i p l i c a t i v e  p a r a m e t r i c  m e t h o d  t oe s t i m a t e  l a n d  c a p a b i l i t y  f o r  d r y  l a n d  a g r i c u l t u r e  a n d  g r a z i n g  i n  F u k a n g  C o u n t y ,X i n j i a n g ,  C h i n a  w a s  s t u d i e d .  T h e  r e s u l t s  s h o w e d  t h a t  t h e  m u l t i p l i c a t i v ep a r a m e t r i c  m e t h o d s  w e r e  r e a s o n a b l y  s u c c e s s f u l  i n  p r e d i c t i n g  p l a n t  p r o d u c t i o na n d  h e n c e  l a n d  c a p a b i l i t y .  H o w e v e r ,  i t  d i d  i n d i c a t e  t h a t  a  m o r e  i n t e r a c t i v ew a y  o f  d e a l i n g  w i t h  t h e  o p e r a t i v e  v a r i a b l e s  w o u l d  b e  o f  g r e a t  a d v a n t a g e  a s  t h em u l t i p l i c a t i v e  p a r a m e t r i c  m e t h o d  t r e a t s  e a c h  v a r i a b l e  i n d e p e n d e n t l y .  I na d d i t i o n ,  i t  i n d i c a t e d  t h a t  t h i s  m e t h o d  c a n  b e  u s e d  o n l y  i f  t h e  c o m p l e t e  d a t as e t s  a r e  a v a i l a b l e .A  m o d e l  w a s  c o n s t r u c t e d  w h i c h  u s e d  f u z z y  m e m b e r s h i p  f u n c t i o n s  t o  c o n s t r u c ta n  " a g g r e g a t e d  i n t e r a c t i o n  m a t r i x "  i n  w h i c h  t h e  s u m m a t i o n  o f  v a r i a b l e s  w e r es c a l e d  a c c o r d i n g  t o  t h e  w a y  r a i n f a l l  a n d  s o i l  v a r i a b l e s  a f f e c t  w a t e r  a v a i l a b i l i t yt o  p l a n t s ,  a n d  h e n c e ,  i n f l u e n c e  r a n g e l a n d  p r o d u c t i v i t y .  T h i s  m o d e l  w a s  u s e d  t op r e d i c t  r a n g e l a n d  p r o d u c t i o n .  T h e  r e s u l t s  i n d i c a t e d  t h a t  t h i s  n e w  m o d e li n c r e a s e d  t h e  p r e d i c a b i l i t y  o f  r a n g e l a n d  p r o d u c t i o n  t o  S I V I  c o m p a r e d  t o  t h e6 1 7 o  a n d  6 7 7 o  f r o m  m o d e l s  u s i n g  r a i n f a l l  a n d  a  m u l t i p l i c a t i v e  p a r a m e t i cr e s p e c t i v e l y .  T h e  r e s u l t s  a l s o  s h o w e d  t h a t :  ( 1 )  r a i n f a l l  w a s  m o s t  i m p o r t a n t  i nd e t e r m i n i n g  p r o d u c t i o n  a t  l o w e r  r a i n f a l l s  ( < 3 5 0  m m ) ;  ( 2 )  s o i l  t e x t u r e  a n dp a r t i c u l a r l y  s l o p e  w e r e  i m p o r t a n t  t h r o u g h o u t  t h e  r a i n f a l l  r a n g e  o f  1 4 9 m m  t o7 0 0 m m ,  a n d  t h a t  ( 3 )  s o i l  d e p t h  w a s  o n l y  i m p o r t a n t  a t  t h e  h i g h e r  ( > 3 5 0 m m )r a i n f a l l s .  T h i s  n e w  m e t h o d  s h o w e d  t h e  p o t e n t i a l  a b i l i r y  t o  o b t a i n  k n o w l e d g ef r o m  l o c a l  p a s t o r a l i s t s  a n d  e x p e r t s  w h e n  e m p i r i c a l  k n o w l e d g e  i s  u n a v a i l a b l e .I IT h e  m e t h o d  w a s  a l s o  a p p l i e d  t o  p r e d i c t  t h e  c r o p  y i e l d .  T h e  r e s u l t s  i n d i c a t e dt h a t  t h e  m e t h o d ,  i n c l u d i n g  t h e  a g g r e g a t e d  f u z . z y  k n o w l e d g e ,  i n c r e a s e d  c r o py i e l d  p r e d i c a b i l i t y .  T h e  a c c u r a c y  w a s  i n c r e a s e d  f r o m  5 8 7 o  ¡ o  9 7 V o  f o r  f i e l dp e a s  a n d  f r o m 6 0 7 o  t o 9 5 7 o  f o r  w h e a t  c o m p a r e d  t o  m e t h o d s  t h a t  u s e d  g r o w i n gs e a s o n  r a i n f a l l  a l o n e .  I n  w h e a t  y i e l d  a n a l y s i s ,  t h e  r e s u l t s  o b t a i n e d  u s i n gw e i g h t i n g s  d e r i v e d  f r o m  e x p e r t  k n o w l e d g e  w e r e  c o m p a r e d  w i t h  t h o s e  f r o m  al e a s t  s q u a r e  a n a l y s i s  t o  c h e c k  t h e  r e l i a b i l i t y  o f  t h i s  e x p e r t  k n o w l e d g e '  T h er e s u l t s  s h o w e d  t h a t  e x p e r t  k n o w l e d g e  c a n  b e  s a t i s f a c t o r i l y  u s e d  t o  e s t i m a t el o c a l  y i e l d s .  T h i s  i s  c o n s i d e r e d  i m p o r t a n t  a s  i t  p r o v i d e s  a  m e a n s  o f  e s t i m a t i n gc r o p  y i e l d s  w h e n  d a t a  i s  l i m i t e d ,  w h i c h  i s  o f t e n  t h e  c a s e  i n  d e v e l o p i n gc o u n t r i e s .T h e  m e t h o d o l o g y  a l s o  d e m o n s t r a t e d  t h a t  t h e s e  t e c h n i q u e s  c a n  b e  e x t e n d e di n t o  t h e  u s e  o f  c o m p r e h e n s i v e  e s t i m a t i o n  f o r  e n v i r o n m e n t a l  i m p a c t s  o fa g f i c u l t u r a l  l a n d  u s e ,  a s  w e l l  a s  a  c o m p r e h e n s i v e  e v a l u a t i o n  f o r  d e t e r m i n i n gt h e  s e l e c t i o n  o f  a  p r e f e r r e d  c r o p  f o r  a  g i v e n  s e t  o f  c o n d i t i o n s ,  i n c l u d i n g  t h eb i o p h y s i c a l ,  s o c i a l -  e c o n o m i c  a n d  e n v i r o n m e n t a l  f a c t o r s . .A g g r e g a t e d  k n o w l e d g e  m o d e l s  s u c h  a s  t h e s e  p r o v i d e  a  c o m p u t a t i o n a lf r a m e w o r k  f o r  d e a l i n g  w i t h :(  1  )  c o m p l e x  i n t e r a c t i o n s  w h i c h  h a v e  n o t  o r  c a n n o t  b e  r e l a t e d  e x p e r i m e n t a l l y ;(  2  )  d a t a  s e t s  t t r a t  w i l l  a l w a y s  r e m a i n  i n c o m p l e t e ,  a n d ;(  3  )  t h e  i n c o r p o r a t i o n  o f  e x p e r l u s e r  k n o w l e d g e .I I IaaA C K N O \ r y L E D G E M E N T SI  w o u l d  l i k e  t o  t h a n k  t h e  f o l l o w i n g  p e o p l e .D r  D . A .  T h o m a s  -  f o r  h i s  e n c o u r a g e m e n t  a n d  n e v e r - e n d i n g  s u p p o f t ,  a d v i c e  a n dw r i t i n g  c o r r e c t i o n  t h r o u g h  t h e  y e a r ,D r  P . r ü / .  E k l u n d  -  f o r  t e c h n i c a l  a d v i c e  a n d  d i s c u s s i o n .D r  J . G .  B i g g i n s  -  f o r  m a k i n g  h i m s e l f  a v a i l a b l e  f o r  d i s c u s s i o n s  w h e n e v e r  I  a s k e d .M r  S .  J e f f e r i e s ,  A g r i c u l t u r a l  D e p a r t r n e n t  o f  S A  -  f o r  p r o v i s i o n  o f  p e a  a n d  w h e a tp r o d u c t i o n  d a t a .D r  B .  G r a h a m  a n d  M r  G i l  H o l l a m b y  -  f o r  h e l p f u l  d i s c u s s i o n s  o f  t h e  w h e a t  s e c t i o n .M r  B > M .  G l a e t z e r  a n d  M r  J .  D e n h o l m  -  f o r  a d v i c e  w i t h  c o m p u t i n gM r  P .  B r o w n  -  f o r  s o m e  c o n e c t i o n  o f  m y  w r i t i n gM y  w i f e  Z h o u m i n  S u  -  f o r  s u p p o r t i n g  m e  a t  a l l  t i m e s  t h r o u g h o u t  t h e  y e a rS t e v e n  A n d r e w s ' f a m i l y  -  f o r  e c o n o m i c  s u p p o r t .aaaaaaoC o n t e n t sI n t r o d u c t i o nL  A g r i c u l t u r a l  l a n d  e v a l u a t i o nL I  A g r i c u l t u r a l  l a n d  e v a l u a t i o n  f o r  l a n d  u s ei n  a  s u s t a i n a b l e  w a YI . I I  L a n d  e v a l u a t i o n  t e c h n i q u e s  t o  i n t e r p r e t  t h es u r v e y  d a t a  f o r  a g r i c u l t u r e  l a n d  p l a n n i n gI . m  I m p r o v e d  a g r i c u l t u r e  l a n d  e v a l u a t i o n  m e t h o d sI I .  L i t e r a t u r e  r e v i e w  o f  l a n d  e v a l u a t i o n  m e t h d sU L  T h e  p u r p o s e s  o f  t h i s  s t u d YI V .  M e t h o dI V . I  F u z z y  s e t  t h e o r y  a n d  i t s  m e m b e r s h i p  f u n c t i o nr y . I I  T h e  i n t e r a c t i o n  m a t r i xI V . I I I  V / e i g h t i n g  a s s i g n m e n tN . I V  M u l t i l e v e l  i n t e r a c t i o n  m a t r i xV .  T h e s i s  C o n t e n t sc h a p t e r  I  L a n d  C a p a b i l i t y  o f  F u k a n g  c o u n t y  X i n j i a n g  p r o v i n c e .P e o p l e s  R e P u b l i c  o f  C h i n a11359L 61 81 82 22 32 52 51 . 1t . 21 . 31 . 41 . 51 . 6C h a p t e r  2I n t r o d u c t i o nM e t h o dS t u d y  a r e aR e s u l tD i s c u s s i o nC o n c l u s i o nR a n g e l a n d  P r o d u c t i o n  -  U s e  o f  M o d e l s  i n c o r p o r a t i n gA g g r e g a t e d  K n o w l e d g e  a n d  F u z z y  C o n s t r u c t i o n2 82 93 24 34 44 82 . 12 . 2I n t r o d u c t i o nM e t h o d2 . 2 . I  I n t e r a c t i o n  m a t r i x2 . 2 . 2  G r a d e d  m e m b e r s h i p2 . 2 . 3  D e g r e e  o f  g r a d e d  m e m b e r s h i P2 . 2 . 4  W e i g h t i n g  D t e r m i n a t i o n  .C o m p a r i s o n  o f  m e t h o d sR e s u l t sD i s c u s s i o n5 05 15 15 85 96 06 36 42 . 32 . 42 . 57 lC h a p t e r  33 . 13 . 23 . 34 . 14 . 24 . 34 . 44 . 55 . 15 . 25 . 3A n a l y s i s  o f  W h e a t  Y i e l d  -  U s e  o f  M o d e l s  I n c o r p o r a t i n gA g g r e g a t e d  K n o w l e d g e  a n d  F u z z y  M e m b e r s h i p  C o n s t r u c t i o nI n n o d u c t i o n  7 3M e t h o d  7 43 . 2 . 1  G e n e r a l  R e l a t i o n s h i p s  7 53 . 2 . 2  D e g r e e  o f  g r a d e d  m e m b e n h i p  7 83 . 2 . 3  E x p e r t  w e i g h t  d e t e r m i n a t i o n s  8 23 . 2 . 4  S o l v i n g  f o r  w e i g h t i n g s  b y  l æ a s t  S q u a r e  a n a l y s i s  8 4R e s u l t  a n d  d i s c u s s i o n  8 73 . 3 . 1  G r o w i n g  s e a s o n  r a i n f a l l  -  y i e l d  r e l a t i o n s h i p s  8 73 . 3 . 2  A g g r e g a t e d  K n o w l e d g e  w e i g h t e d  i n d e x  -  y i e l d r e l a t i o n s h i p s  9 13 . 3 . 3  A n a l y s i s  o f  V / e i g h t i n g s  9 lC h a p t e r  4  Y i e l d  i n  F i e t d  P e a s  -  F u z z y  S e t s  i n  A g g r e g a t e d  K n o w l e d g eC o n s t r u c t i o nC h a p t e r  5  C o m p r e h e n s i v e  E v a l u a t i o n  M o d e l  -  E n v i r o n m e n t a l  E f f e c t s  o fA g r i c u l t u r eI n t r o d u c t i o nM e t h o dD e g r e e  o f  g r a d e d  m e m b e r s h i p  a n d  w e i g h t i n g s  u s e dR e s u l t  a n d  d i s c u s s i o nC o n c l u s i o nI n t r o d u c t i o nM e t h o d o l o g y5 . 2 . 1  M a t r i x  f o r m a t i o n5 . 2 . 2  W e i g h t i n g  d e t e r m i n a t i o n s5 . 2 . 3  D e g r e e  o f  m e m b e r s h i p  d e t e r m i n a t i o n s5 . 2 . 4  W e i g h t i n g s5 . 2 . 5  O v e r a l l w e i g h t i n g sD i s c u s s i o n9 89 81 0 01 0 4L L 41 1 6t t 77 1 71 1 8t 1 9r 2 2r 2 2r 2 8C h a p t e r  6A ,  F  u z z y  C o m p r e h e n s i v e  E v a l u a t i o n  M o d e lf o r  D e c i s i o n  M a k i n g  i n  C r o p  S e l e c t i o nI n t r o d u c t i o nM e t h o d6 . 2 . 1  C o m p r e h e n s i v e  e v a l u a t i o n6 . 2 . 2  F u z z y m u l t i - l e v e l  c o m p r e h e n s i v e  e v a l u a t i o nC r o p  S e l e c t i o n6 . 3 . 1  B i o p h y s i c a l  e v a l u a t i o n6 . 3 . 2  E c o n o m i c  ( g r o s s - m a r g i n )  e v a l u a t i o n6 . 3 . 3  M a n a g e m e n t  a b i l i t y  e v a l u a t i o n6 . 3 . 4  E n v i r o n m e n t a l  i m p a c t  e v a l u a t i o n6 . 3 . 5  M u l t i - l e v e l  c o m p r e h e n s i v e  e v a l u a t i o nD i s c u s s i o n6 . 16 . 26 . 3C o n c l u s i o n sR e f e r e n c e s6 . 41 3 0L 3 lL 3 Lr 3 31 3 51 3 61 3 81 3 9r 4 0t 4 4I M1 4 61 5 1

Methodology development for land evaluation : models incorporating aggregated knowledge and fuzzy membership construction

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