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1.
一种基于样点代表性等级的土壤采样设计方法 总被引：10，自引：1，他引：10
采样设计是获取土壤空间分布信息的关键环节,直接影响到土壤制图的精度。目前常用的采样设计方法大多存在着设计样本量大、采样效率不高的问题。当可投入资源难以完成一次性大量采样时,采样往往需要多次、分批进行。然而现有分批采样方法多考虑各批采样点在地理空间的互补性,可能造成样本点在属性空间的重叠,影响采样资源的高效利用。鉴于此,本研究通过对与土壤在空间分布具有协同变化的环境因子进行聚类分析,寻找可代表土壤性状空间分布的不同等级类型的代表性样点,建立一套基于代表性等级的采样设计方法。将该采样方法应用于位于黑龙江省嫩江县鹤山农场的研究区,利用所采集的不同代表性等级的样点进行数字土壤制图并进行验证,探讨采样方案与数字土壤制图精度的关系,以评价本文所提出的采样方法。结果表明,通过代表性等级最高的少量样点可获取研究区的大部分主要土壤类型(中国土壤系统分类的亚类级别),且制图精度较高;随着代表性等级较低样点的加入,土壤图精度提高;但当样点增加到一定数量时,土壤图的精度变化不大。因此,与样点数相比,样点的代表性高低对制图精度的影响更大。该方法所提出的代表性等级可以为样点采集顺序提供参考,有助于设计高效的逐步采样方案。 相似文献
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类别辅助变量参与下的土壤无偏采样布局优化方法 总被引：3，自引：1，他引：2
为了提高采样点在地理空间和辅助变量特征空间中的代表性,该文提出特征空间偏离指数用以测度采样点在特征空间中的无偏性,采用类别型辅助变量参与下的多维特征空间构建方法,融合地理空间和特征空间均匀分布的多目标优化目标函数,并利用空间模拟退火的方法实现采样点布局优化。以北京顺义区农田土壤重金属采样为例,选取土地利用类型、土壤质地和母质为辅助变量进行样点布局优化,并与特征空间均匀和地理空间均匀采样方法比较,结果表明:用于区域变量总体估计时,地理空间均匀采样估计精度最低,在采样尺度大于0.275时以特征空间均匀采样估计精度最好,而在采样尺度小于0.275时,无偏采样能获得更好的估计结果;在特征空间代表性方面,采样尺度较大时特征空间均匀采样样点代表性最好,采样尺度小于0.302时,无偏采样与特征空间均匀采样的代表性基本一致,地理空间采样点的代表性最差;用于空间制图时,无偏采样总体上比其他2种方法具有更好的制图精度。可见,在辅助变量支持的采样优化中,当采样尺度大且样点数较少时,适合采用特征空间均匀方法,且只能用于总体估计;采样尺度较小,样点数多时,适合采用无偏采样方法。该研究为利用辅助变量设计区域采样布局提供参考。 相似文献
3.
样点代表性等级采样法在丘陵山区土壤表层有机质制图中的应用 总被引：3，自引：1，他引：2
基于样点代表性等级的土壤采样方法在成本、应用性、制图准确度上具有明显的优势,但在其他方面(如敏感性)上仍需要大量研究。为了进一步研究这种方法的可用性,本文以安徽宣城境内的丘陵山区为研究区,应用该方法分析以往土壤采样点的代表性等级,进而研究样点代表性等级对土壤制图准确度的影响。研究结果表明:①高等级代表性链广泛存在,而低等级代表性链则较少;②代表性链的等级有效地从不同程度反映出土壤形成环境的变异;③样点代表性采样设计的采样点与规则化网格采样、目的性采样有很大不同;④一般地,随着低等级样点的逐渐加入,制图准确度增加,但增幅随着样点等级的降低而降低。这些结果说明,样点代表性等级采样法在应用、成本、准确度几个方面都有明显的优点,因而具有较好的应用前景。需要注意的是,在应用该方法选择样点时,样点的代表性应达到一定级别,以避免制图准确度不会因为样点的加入而降低。此外,由于其他地形地貌类型(如平原区)还缺乏较好的土壤协同环境因子,该方法的应用受到了一定程度的限制。 相似文献
4.
土壤空间预测与数字化制图的精度受土壤样点规模、采样策略、预测模型选择、目标区域地貌与成土环境复杂程度、协变量数据质量等多种因素共同制约。选择河南省为研究区,基于9种土壤样点规模、5种采样方法,应用5种最具代表性的机器学习(Machinelearning,ML)算法对耕地表层土壤pH实施空间预测与数字化制图,用以对比分析不同样点规模与采样方法对ML模型的性能表现及土壤pH预测精度的影响。结果表明：(1)当研究区土壤样点规模从200个经由400个、800个、1 200个、1 600上升至2 000个时,无论使用何种采样方法,所有ML模型的性能表现与预测精度均呈快速上升的总体趋势;当样点规模达到并超过2 000个时,大多数ML性能表现及预测精度趋于稳定,表明2 000个土壤样点可能是这些ML模型预测研究区耕地表层土壤pH的样点规模阈值。(2)5种ML模型性能表现及其土壤pH预测精度存在明显差距,基于树结构的随机森林(Random forests,RF)和Cubist表现最好,无论使用哪种采样方法,这两种模型预测结果的决定系数(R2)均可稳定在0.75～0.80之间、RM... 相似文献
5.
面向数字土壤制图的土壤采样设计研究进展与展望 总被引：5，自引：1，他引：4
全球化土壤环境问题的出现对基础输入数据的精度、尺度和时序提出了更高要求,面向数字土壤制图的土壤采样研究得到了快速发展。首先利用文献计量学的方法定量化分析国内外土壤采样研究学科分布和研究热点变化;随后重点梳理了国内外土壤采样研究的文献,根据不同的土壤调查目的、调查区历史采样点将土壤采样设计分为:土壤全面采样设计、土壤补充采样设计、土壤验证采样设计和土壤监测采样设计;最后介绍了基于样点的推理制图方法。在此基础上,对未来在多尺度的土壤采样设计、土壤–环境因子关系的新型假设和采样设计中现实问题的量化等方面进行了展望,旨在为数字土壤调查工作的开展提供参考依据。 相似文献
6.
采样尺度对土壤养分空间变异分析的影响 总被引：10，自引：2，他引：10
以高密度土壤养分采样数据为数据源,通过随机抽取生成不同采样尺度的样点数据,分析采样尺度对土壤养分空间变异特征分析的影响。研究结果表明:区域土壤养分预测均值随采样尺度减小呈下降趋势,而变异系数增加;养分空间分布的全局趋势随采样尺度增大而增强,但不影响半方差模型;当采样尺度较大,样点间自相关较弱时,相对较少的样点也能满足区域统计参数估测分析需要,但不能用于空间变异特征和插值分析;当样点数大于最佳采样数时,养分统计参数、空间变异特征和插值分析随着采样尺度减小而精度提高,当采样尺度达到0.2左右时,能够满足中等空间变异的土壤养分空间插值分析需要;样点空间布局对相关距和空间插值分析精度的影响比采样尺度本身更为显著。 相似文献
7.
县域农田土壤采样布局多目标优化分析模型 总被引：2，自引：0，他引：2
合理布置农田土壤采样点可以在满足采样精度的前提下显著降低采样数量及成本,或在有限采样数量的限制下确保采样具有最佳的代表性。通过研究筛选区域范围内多种影响农田土壤养分采样点分布的因素,以及不同土壤养分的空间效应,建立区域农田土壤养分采样点布局多目标优化决策分析模型;并结合改进的遗传算法进行模型的求解过程分析。采用江苏省宝应县的农田空间数据及筛选的环境数据,分别从给定采样点数量条件下寻求最佳采样点分布方案,以及在满足采样精度和代表性的前提下确定最小采样点数量等2个角度进行了模型的分析验证工作;结果表明该模型可适用于解决县域范围大量分散耕作农田的土壤养分统一采样规划问题,为采样点的合理分布提供了一种定量优化分析手段。 相似文献
8.
基于分融策略的土壤采样设计方法 总被引：1，自引：0，他引：1
采样设计方法在地理要素空间分布推测中起着关键作用。采集的样点数量尽可能少且推测精度较高通常是采样设计的目标。此外,高效合理的采样方案应保证较高的推测可信度,同时尽可能避免冗余样点。传统的采样方法大多依靠增加样点个数来提高推测精度,且对样点集内部的冗余情况考虑较少。为获取更加高效合理的样点集,在环境条件越相似、地理要素越相似的假设下,通过环境相似度分析计算,得到样点的推测可信度和样点集内部的冗余度,并提出一种基于分融策略的样点设计方法。该方法在分化阶段将推测可信度低的样点进行分化,增加样点以降低推测不确定性,在融合阶段将环境条件过于相似的样点进行融合以降低冗余,通过多次分化融合最终使得推测可信度和冗余度均达到一定的预设标准,得到最佳样点方案。将该方法应用于美国Raffelson研究区的土壤采样,结果表明,该方法在分化阶段可以有效提高样点的推测可信度,在融合阶段能够有效去除冗余样点,最终可得到用于推测的高效样点。将本方法与传统的规则采样和分层随机采样进行对比,结果反映本方法获得的样点在同等数量下推测可信度更高,冗余度更低,更高效。 相似文献
9.
采样点图在直观展示已采集样点分布同时,也为确定补充采样点的位置提供了参考。制图时,通常以采样点编码在地图图面标识各个采样点,但由于受空间地理位置影响,采样点标识常呈无序排列,当地图中采样点密度及地图幅面较大时,读图时难以查找目标采样点。为实现制图后的采样点标识呈有序排列,构建了"土壤专题图中采样点位标识模型(Soil Sampling Point Labeling Model for Thematic Soil Maps:SAMPLA)",该模型主要有读图视区划分模型;土壤采样点位归属读图视区判定模型;土壤采样点顺序标识模型等3个子模型组成。基于Arc GIS 10.0,采用C#语言进行计算机编程,实现了SAMPLA。用1∶50 000国家标准分幅和县级地图的土壤采样点对模型进行验证,验证结果表明,模型可适用于不同类型分幅地图、不同比例尺,有助于实现规范化、批量化制图,提高了读图效率;但是读图视区划分方案对标识结果有一定影响;其他行业专业领域,如环境科学、水科学、地质科学等在制作类似于土壤采样点的点位图层时也可采用此模型。 相似文献
10.
基于地图直接对比的土壤空间表达尺度效应研究——以封丘土壤属性制图为例 总被引：1，自引：0，他引：1
将封丘县3 608个土壤样点分为3 463和145个点,分别构成制图数据总集和验证数据总集,再从制图数据总集中通过4%～96%的多尺度随机抽样,构成17个制图子集。分别按Kriging、IDW和以点代面法对土壤有机质、有效磷和速效钾进行预测制图,基于地图直接对比计算制图子集和制图数据总集制图结果的相关系数以评价土壤属性图变化的尺度效应,并与验证数据集评价的多尺度制图结果进行了对比。最后,采用多子集制图结果的变异系数指示多尺度地图表达的不确定性,并将其与基于Kriging估值方差及随机模拟的不确定性表达进行了对比。研究表明,基于地图直接对比可发现,制图效果与样本数量具有显著的分形关系,且分形维数受制图方法和土壤属性空间可变性的双重影响:同样条件下以Kriging方法最小,而以点代面法最大;以土壤速效钾最小,而土壤有效磷最大。验证数据集实测值和估计值的相关系数及均方根误差没有表现预期的分形特征。Kriging估值方差及随机模拟表达的单一尺度制图不确定性明显受采样点分布与Kriging估值大小影响,而基于地图直接对比的多尺度制图的不确定性更客观地反映土壤自然变异,其中土壤有机质、土壤速效钾有较强规律可循,而土壤有效磷则没有规律。 相似文献
11.
YANG Lin A-Xing ZHU ZHAO Yuguo LI Decheng ZHANG Ganlin ZHANG Shujie Lawrence E. BAND 《土壤圈》2017,27(2):344-357
High-resolution and detailed regional soil spatial distribution information is increasingly needed for ecological modeling and land resource management. For areas with no point data, regional soil mapping includes two steps: soil sampling and soil mapping. Because sampling over a large area is costly, efficient sampling strategies are required. A multi-grade representative sampling strategy, which designs a small number of representative samples with different representative grades to depict soil spatial variations at different scales,could be a potentially efficient sampling strategy for regional soil mapping. Additionally, a suitable soil mapping approach is needed to map regional soil variations based on a small number of samples. In this study, the multi-grade representative sampling strategy was applied and a fuzzy membership-weighted soil mapping approach was developed to map soil sand percentage and soil organic carbon(SOC) at 0–20 and 20–40 cm depths in a study area of 5 900 km2 in Anhui Province of China. First, geographical sub-areas were delineated using a parent lithology data layer. Next, fuzzy c-means clustering was applied to two climate and four terrain variables in each stratum. The clustering results(environmental cluster chains) were used to locate representative samples. Evaluations based on an independent validation sample set showed that the addition of samples with lower representativeness generally led to a decrease of root mean square error(RMSE). The declining rates of RMSE with the addition of samples slowed down for 20–40 cm depth, but fluctuated for 0–20 cm depth. The predicted SOC maps based on the representative samples exhibited higher accuracy, especially for soil depth 20–40 cm, as compared to those based on legacy soil data. Multi-grade representative sampling could be an effective sampling strategy at a regional scale. This sampling strategy, combined with the fuzzy membership-based mapping approach, could be an optional effective framework for regional soil property mapping. A more detailed and accurate soil parent material map and the addition of environmental variables representing human activities would improve mapping accuracy. 相似文献
12.
不同样点数量对土壤有机质空间变异表达的影响 总被引：4，自引：1，他引：4
以南京市六合区为研究区,通过完全随机和限制最小采样间距抽样分别设置5个样点系列,基于每个样点系列100次重复抽样的变异结构推断及空间预测误差结果,探讨了不同样点数量对土壤有机质(SOM)空间变异表达的影响。结果表明,两种抽样方式降低样点数量后推断的SOM含量的块金效应(C0/C0+C)均随样点数量减少而降低且限制最小采样间距抽样推断的C0/C0+C要低于完全随机抽样方法,说明适当的减少样点数量以便降低与SOM变异尺度不匹配的样点对变异结构推断的影响有助于提高SOM空间变异结构表达的可靠性。普通Kriging预测的SOM误差对比则表明,尽管两种抽样方式下空间预测的均方根误差(RMSE)随样点数量变化而波动,但均低于全部样点的预测误差;通过限制最小采样间距减少样点至250个时,SOM空间预测的RMSE最低,较全部样点预测误差降低了6%,因此,为了实现样点密度与SOM变异尺度相匹配,合理设置土壤采样点的间距及样点数量较单纯的增加采样点数量更为重要。 相似文献
13.
基于影像分析的黄土丘陵沟壑区土壤水分采样研究 总被引：1，自引：0，他引：1
[目的]以山西省寿阳县三眼井小流域土壤水分采样为例,对采样点进行了均匀性和代表性分析,以此验证土壤采样设计的合理性。[方法]利用统计分析SPSS 13.0软件和ArcGIS软件,以规则网格采样点作为初步布设图,然后结合遥感影像,把自动生成的规则网格采样点在兼顾土地利用类型和可操作性的前提下进行微调,即采用大均匀小随机布点法进行土壤采样点布设。[结果]最近邻点指数和变异系数均显示采样点分布较均匀;从采样点的坡度代表性来看,由于大均匀小随机采样考虑到实际可操作性,采样点布设多集中在0°~15°,坡度的代表性较差;从采样点的坡向代表性来看,采样点代表性较好;从土地利用类型代表性来看,大均匀小随机法得到的采样点对草地与耕地的代表性较好,对林地的代表性较差,主要因为林地多分布在陡坡上难以采样。[结论]总体来看,大均匀小随机采样法得到的样点均匀性和代表性都比较好,且由于黄土丘陵沟壑区沟壑纵横,地形复杂,利用此方法可以兼顾均匀性、代表性和可操作性。 相似文献
14.
为研究土壤质地的合理取样方式,进而研究其空间变异情况,为田间施肥及灌溉提供依据,本试验利用地统计学方法和GIS技术,在重庆市彭水县重庆烟草试验站,利用289个表层土样,研究了16 m间距的栅格取样法(对照,253个土样,扣除36个验证样点)、34 m间距的栅格取样法(115个土样)和随机取样法(115个土样)3种取样方式下土壤质地的空间插值精度。3种土壤颗粒指标中粉粒占68.43%,砂粒含量最少,占12.68%,黏粒含量略高于砂粒。砂粒和黏粒具有中等强度的变异性,粉粒具弱变异性,且数据符合正态分布。地统计分析显示,在分析该区域土壤质地时,采用栅格取样方法应适当增大取样间距,而采用随机取样方法可适当缩小取样间距。交叉检验显示,土壤质地成分在3种取样方式下的插值精度均以对照最大,栅格取样次之,随机取样最小。综合考虑插值误差、样品采集和分析成本及时效性等因素,本研究建议在该区域进行土壤质地空间变异规律分析为生产服务时应采用随机取样。 相似文献
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基于样点个体代表性的大尺度土壤属性制图方法 总被引：4，自引：0，他引：4
大空间尺度范围的土壤属性分布信息是陆地表层过程模拟的基础信息.基于野外样点进行空间插值是获得土壤属性空间分布信息的重要手段.现有的空间插值方法通常要求所用样点对研究区土壤属性空间分布规律具有良好的全局代表性.然而,受采样经费和野外采样条件的限制,所采集的样点往往难以全面地反映研究区土壤属性的空间分布规律.基于这样的样点用现有空间插值方法得到的土壤属性分布图通常精度较低,并且由样点全局代表性差带来的推测不确定性也无法得到度量.为了合理利用这些已采集的但全局代表性不好的样点,本文提出了基于样点“个体代表性”推测土壤属性空间分布并度量推测不确定性的方法.该方法在两点环境条件越相似、土壤属性就越相似的假设下,认为每一样点可以代表与其环境条件相似的地区,并且代表程度可以由两点的环境相似度度量;通过分析环境相似度计算推测不确定性,并以环境相似度为权重计算样点可代表地区的土壤属性值.将该方法应用于推测新疆伊犁地区土壤表层有机质含量,经验证,本文方法能够有效地利用全局代表性差的样点推测样点能够代表地区的土壤属性空间分布,并且所得的推测不确定性与预测残差呈现正向关系,能够有效地指示推测结果的可靠程度. 相似文献
16.
基于时间稳定性和降维因子分析的土壤水分监测优化 总被引：2，自引：0，他引：2
以南京市高淳区青山茶场中相邻的茶园和竹林坡地为研究区,对研究区土壤水分进行长期定点监测。基于土壤水分时间稳定性,结合因子分析选取典型样点组合,采用多元线性回归模型构建各监测点土壤水与典型样点间的数量关系。通过典型样点预测各监测点土壤水分,并检验预测结果,以期通过少数样点的监测来反映研究区的整体概况,优化研究区土壤水分监测。结果表明:在茶园仅监测7个点时,验证期RMSE小于1.5 cm3/cm3;竹林仅监测5个样点时,验证期RMSE小于1.7 cm3/cm3,模型能很好地预测研究区各样点土壤水分,为优化土壤水监测、减少野外工作量提供了理论依据。不同土地利用方式、不同深度处土壤水分分布特征存在显著差异;竹林土壤水分具有较强的时间稳定性,土壤水分的空间自相关性较茶园强;30 cm深处比10 cm深处土壤水分具有更稳定的空间分布结构。 相似文献
17.
《国际水土保持研究(英文)》2020,8(4):440-451
Soil erosion is one of the most severe global environmental problems, and soil erosion surveys are the scientific basis for planning soil conservation and ecological development. To improve soil erosion sampling survey methods and accurately and rapidly estimate the actual rates of soil erosion, a Pan-Third Pole region was taken as an example to study a methodology of soil erosion sampling survey based on high-spatial-resolution remote sensing images. The sampling units were designed using a stratified variable probability systematic sampling method. The spatiotemporal characteristics of soil erosion and conservation were taken into account, and finer-resolution freely available and accessible images in Google Earth were used. Through the visual interpretation of the free high-resolution remote sensing images, detailed information on land use and soil conservation measures was obtained. Then, combined with the regional soil erosion factor data products, such as rainfall-runoff erosivity factor (R), soil erodibility factor (K), and slope length and steepness factor (LS), the soil loss rates of some sampling units were calculated. The results show that, based on these high-resolution remote sensing images, the land use and soil conservation measures of the sampling units can be quickly and accurately extracted. The interpretation accuracy in 4 typical cross sections was more than 80%, and sampling accuracy, described by histogram similarity in 11 large sampling sites, show that the landuse of sampling uints can represent the structural characteristics of regional land use. Based on the interpretation of data from the sample survey and the regional soil erosion factor data products, the calculation of the soil erosion rate can be completed quickly. The calculation results can reflect the actual conditions of soil erosion better than the potential soil erosion rates calculated by using the coarse-resolution remote sensing method. 相似文献