基于协同克里格插值和地理加权回归模型的土壤属性空间预测比较

选取宜昌市红花套镇作为研究区域,研究土壤pH、有机质、有效磷、速效钾、碱解氮与土壤属性指标变量之间的关系,选择与预测变量之间具有较高相关性的变量作为辅助变量用以提高预测精度,本文试图将地理加权回归模型应用于土壤属性空间模拟中,以此与协同克里格插值的预测结果进行对照,从而比较它们的预测精度以提出更适合土壤属性预测的模型。结果表明：协同克里格插值和地理加权回归模型对土壤属性的空间模拟都有较高的预测精度,在辅助变量较多的情况下地理加权回归模型具有比协同克里格插值更为简单的算法,并且比较预测值相对误差的范围跨度和标准差以及均方根误差等方面,地理加权回归模型在土壤属性指标预测方面具有更高的预测精度,也具有更大的优势。     

基于协同克里格插值和地理加权回归模型的土壤属性空间预测比较

选取宜昌市红花套镇作为研究区域,研究土壤pH、有机质、有效磷、速效钾、碱解氮与土壤属性指标变量之间的关系,选择与预测变量之间具有较高相关性的变量作为辅助变量用以提高预测精度,本文试图将地理加权回归模型应用于土壤属性空间模拟中,以此与协同克里格插值的预测结果进行对照,从而比较它们的预测精度以提出更适合土壤属性预测的模型。结果表明:协同克里格插值和地理加权回归模型对土壤属性的空间模拟均有较高的预测精度,在辅助变量较多的情况下地理加权回归模型具有比协同克里格插值更为简单的算法,并且比较预测值相对误差的范围跨度和标准差以及均方根误差等方面,地理加权回归模型在土壤属性指标预测方面具有更高的预测精度,也具有更大的优势。     

基于混合地理加权回归与克里格的区域降水量空间插值方法

基于四川省区域范围内144个气象站点的实测降水数据,在综合考虑空间位置、地形等影响因素的基础上,采用改进的回归克里格模型,即混合地理加权回归克里格模型（MGWRK）对四川省年降水量的空间分布进行空间插值,并与普通克里格（OK）、全局回归克里格（GRK）和地理加权回归克里格（GWRK）等模型的插值效果进行对比分析。结果表明：（1）应用逐步回归法筛选确定的用于回归分析的影响因子组合为经度、纬度和坡度,可有效消除解释变量间的多重共线性,为后续的空间插值奠定基础;（2）同一回归变量在地理加权回归（GWR）与全局回归（GR）两种回归模型中的AICc（修正的赤池信息量准则,Corrected Akaike Information Criterion）值之差（ΔAICc）可用于定量判定各回归变量的空间非平稳性类型,据此将变量坡度设为全局变量,经度和纬度设为局部变量进行处理。在此基础上,通过MGWRK模型对四川省年降水量进行空间插值;（3）MGWRK插值模型综合考虑了空间位置、地形等多个影响因素及其与降水相互关系的空间非平稳性特征,相对于传统的OK和GRK法具有更高的插值精度。     

复杂地形区土壤有机质空间变异性分析及制图

数字土壤制图作为获取土壤属性空间分布的一种新方法,目前已成为土壤科学的研究热点。探究土壤有机质在复杂地形区的空间变异特征及其空间分布制图,可为土地利用合理规划与管理、精准农业及生态环境模拟等提供有价值的数据。复杂地形区由于其地形起伏大,地貌类型多样以及采样点获取难度大等,对土壤属性制图带来一定的困难,也使得获取的属性空间分布图很难用于实际的使用。基于湟水流域2016年10—11月份采集的0—20 cm的253个土壤表层数据,采用GIS与地统计学相结合的方法,研究协同克里格(COK)、地理加权回归克里格(GWRK)以及结合土地利用类型的均值、中值修正协同克里格4种方法在湟水流域的预测精度并进行比较,旨在探索复杂地形区土壤有机质制图中地统计学方法的适用性。结果表明:(1) 4种插值方法对SOM的解释能力均较优,均可用于复杂地形区土壤有机质制图。(2)均值、中值修正协同克里格方法与地理加权回归克里格模型准确度分别为0.905,0.923,0.909,中值修正协同克里格精度最高,未考虑土地利用类型的协同克里格插值精度最低,为0.883。(3)有机质的变异系数为90.90%,存在中等空间变异性;表明其空间变异主要受土壤母质、土壤类型与土地利用管理方式、施肥等共同影响。(4) 4种方法预测图表明湟水流域的SOM高值主要分布在大通县西北部、海晏县南部等地,低值主要分布在民和县东南部等地;整体来看研究区SOM含量有利于农业发展。     

基于GIS和地理加权回归的砂田土壤阳离子交换量空间预测

土壤阳离子交换量(CEC)反映土壤保水保肥能力,研究CEC空间分布可为土壤改良和田间施肥提供理论依据。本文以宁夏香山地区砂田淡灰钙土为研究对象,在土壤CEC和理化性质相关分析基础上以普通克里格(OK)为对照,探索回归克里格(RK)和地理加权回归克里格(GWRK)在CEC空间插值上的应用,并对三者的插值精度及制图效果进行评价。描述统计表明研究区土壤CEC含量均值为10.145cmol/kg,CEC与有机质含量呈显著正相关,与砂粒含量呈显著负相关;地统计分析表明CEC实测值、OLS残差和GWR残差块金系数分别为8.50%、6.36%和7.02%,比值均小于25%,具有强烈空间自相关;对验证点进行插值精度分析,RK和GWRK的相对模型改进值(RI)分别为40.49%、41.50%,插值精度GWRKRKOK;从成图效果看,GWRK中辅助变量参与了局部回归,成图效果更加精细,揭示了更多空间变化细节。本研究结论可为土壤CEC空间预测研究提供可靠的方法借鉴。     

西南典型岩溶区土壤硒空间分布预测

土壤硒精准预测和制图是富硒土壤资源开发利用和环境规划管理的基础。该文以西南典型岩溶区桂林永福百寿河流域为例,在分析影响土壤硒化学行为因子的基础上,通过野外样品采集和室内化学分析以及Arc GIS空间分析,获取了研究区相关地理环境因子和土壤属性因子数据。利用逐步回归方法选择土壤硒空间分布预测的辅助变量,使用协同克里格模型对非连续分布的辅助变量进行插值。在此基础上利用地理加权回归模型对土壤硒空间分布进行预测,同时以普通克里格插值结果作为参照。研究结果表明:使用地理环境因子和影响土壤硒化学行为的土壤属性因子可以提高土壤硒预测精度;协同克里格插值解决了辅助变量数据连续分布的问题;土壤硒的空间分布与地形和影响土壤硒化学行为的因子有关。     

基于不同插值方法的三江平原白浆土磷素空间分布预测及其适用性分析

土壤磷素含量是反映农业生态系统土壤肥力的重要指标。准确预测磷素空间异质性是评价土壤生产力和质量的关键。本研究采用反距离加权法(IDW)、径向基函数法(RBF)、普通克里金法(OK)、全局多项式法(GPI)、局部多项式法(LPI)、地理加权回归(GWR)和地理加权回归克里金法(GWRK)等插值方法,分别预测了三江平原白浆土典型灌区八五三、七里沁以及大兴灌区土壤磷素分布,并运用交叉验证法,通过平均误差(ME)、均方根误差(RMSE)和改进效果(RI)对各种方法精度进行比较,以期确定同一土壤类型不同采样密度土壤中磷素空间异质性最佳插值方法。对比7种插值方法,在空间插值平滑性方面,LPI、GPI、GWR、GWRK表现较好,在插值速度方面, IDW、RBF、LPI、GPI、OK较快, GWR和GWRK方法运算复杂、速度较慢。IDW、RBF等6种方法与OK相比,根据RI判定, GWRK方法提高了磷素空间分布模拟精度, IDW、GPI和LPI方法降低了磷素空间分布模拟精度, RBF方法在提高磷素空间分布模拟精度上表现不一致。采样密度会影响预测结果,对于本文而言,不论采样密度如何,GWRK方法均方根误差(RMSE)均最低,为最佳插值方法,而RBF方法是在采样密度较低时一种可选方法。GWRK法在本文是最佳的插值方法,但其结果会受到辅助变量多少和各变量之间是否存在共线性的影响。     

地学环境变量支持的土壤全钾含量自适应曲面建模——以青海湖流域典型地区为例

土壤属性空间分布受地学环境要素影响,空间分异特征十分明显,单一的全局插值模型在应用中常受到一定条件的限制。对复杂地貌类型区土壤属性插值所面临的空间不连续、全局插值模型精度有限以及适应性差的缺点,提出了一种融合地学环境信息的土壤属性自适应曲面建模方法（Adaptive surface modeling for soil properties,ASM-SP）。利用2013年采集的110个样点数据,以土壤全钾含量为例,利用ASM-SP、普通克里格法（Ordinary Kriging,OK）、回归克里格法（Regression Kriging,RK）、地理加权回归克里格法（Geographically Weighted Regression Kriging,GWRK）和协同克里格（Ordinary Co-Kriging,OCK）5种插值方法,分别模拟了青海湖流域典型地区土壤全钾含量的空间分布。采用平均误差（Mean Error,ME）、平均相对误差（Mean Relative Error,MRE）、均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）、准确度（Accuracy,AC）、相关系数、回归系数和决定系数7类指标系统评价不同插值方法的预测效果。结果表明:（1）利用常规插值（OK）得到的插值曲面较为平滑,具有弱“牛眼”效应,在刻画土壤全钾含量的空间变异性方面存在明显不足,精度有待提高。（2）在融合地学环境信息的插值方法中,RK,OCK,GWRK和ASM-SP模拟精度较OK有不同程度提高,其中ASM-SP在刻画土壤全钾含量的空间变异和局部细节信息方面表现突出,精度较其他插值方法有较大程度提高,其准确度较OK,RK,GWRK和OCK分别提高9.27%,6.29%,2.66%和7.74%。ASM-SP尤其适合复杂地貌类型区,因其考虑了地学环境变量与土壤属性的非线性关系,并融合了多个模型的适应性优势,其在刻画土壤属性空间分异的复杂性方面也更加符合实际情况,为土壤属性的空间模拟提供了新思路。     

基于环境变量的中国土壤有机碳空间分布特征

研究中国土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)的空间分布特征对SOC储量估算以及农业生产管理具有重要意义。以全国第二次土壤普查2473个土壤典型剖面的表层(A层)SOC含量为研究对象,探寻地形、气候和植被等环境因素对SOC空间异质性分布的影响;以普通克里格法为对照,利用地理加权回归、地理加权回归克里格、多元线性回归和回归克里格模型建立SOC空间预测模型;并分别绘制了中国SOC的空间分布预测图。结果表明:(1)SOC含量与年均降水量、年均温、归一化植被指数、高程以及地形粗糙指数呈极显著相关关系;(2)平均绝对估计误差、均方根误差、平均相对误差和皮尔逊相关系数等模型验证指标表明地理加权回归的预测精度优于其他模型,可以更好地绘制SOC在大尺度上的空间分布特征;(3)较高SOC含量主要分布在研究区东北部、西南部以及东南部,而西北部SOC含量普遍偏低。本文以期从大尺度上探讨土壤属性与环境变量之间的相关关系,为全国土壤属性的空间制图提供一定的解决方案和思路。     

县域耕地土壤锌含量的协同克里格插值及采样数量优化

耕地土壤锌含量的空间分布和适宜的采样数量研究,为农产品产地评价和认证、土壤环境质量调查提供帮助。以土壤有机质、pH、全氮、碱解氮、有效铁、有效铜、有效锰、高程数据为辅助变量,采用协同克里格插值方法,对吉林省舒兰市耕地土壤锌含量进行了插值精度分析,并对不同样点数量下协同克里格法在县域尺度耕地土壤锌含量空间分布研究中的适用性进行了评价。结果表明,相同采样数量下,土壤锌协同克里格法的均方根误差比普通克里格法低,拟合效果更好;辅助因子对土壤锌协同克里格插值的影响效果大小为:全氮>有效锰>高程>有效铁>碱解氮>pH>有机质>有效铜;当高程和有效铜作为辅助因子时,土壤采样数量可以减少20%,土壤锌协同克里格插值仍能满足精度要求。协同克里格作为一种更为精确和经济的空间插值方法,可为县域尺度耕地土壤重金属含量的空间分布研究提供更多的信息和帮助     

基于大尺度低密度样点的东北土壤全氮空间插值方法比较

基于全国第二次土壤普查东北地区土壤数据,以ArcGIS和GS⁺软件为支撑,对比分析了反距离加权法(IDW)、径向基函数(RBF)、普通克里金(OK)和回归克里金(RK)4种地统计空间插值方法在7个不同样本容量下土壤全氮含量(STNC)的空间插值效果。结果表明,由普查数据得到的东北地区STNC在0.08~21.48 g/kg之间,数据变异性较大;STNC空间结构表现出中强度空间自相关性,空间自相关范围大于同区域的小尺度采样研究;样本容量<171时,STNC空间变异性发生变化,空间结构特征和精度检验水平难以确信。4种空间插值方法对STNC空间趋势表达均呈现从东北向西南方向递减规律,空间趋势预测效果为:RK >OK >RBF >IDW。RK方法通过线性回归分析添加了阳离子交换容量(CEC)、年均温(MAT)、土层厚度(d)和pH值等辅助信息,比IDW,RBF和OK方法的插值精度分别提高了19.40%,18.50%和16.15%;在不同样本容量下RK方法的插值精度较为稳定且对无样点区STNC的空间趋势预测也体现出了更多细节信息,因此对于大尺度低密度采样的土壤属性空间插值可重点考虑RK方法。     

基于土壤－地形关系的合理样点对土壤有机质空间预测的影响

针对土壤精细化管理体系中合理样点数及空间预测优化问题,本文将基于土壤－地形关系,探讨了不同采样方式下以局部样点数量为代表提供最优数据的可能性。以地统计学、土壤－地形关系、地理加权回归克里格（GWRK）模型为基础,经系统格网、地形单元分区和地形起伏度最佳统计单元等三种采样方式分析合理样点集的空间分布对土壤有机质空间预测精度的影响。结果表明:（1）确定地形起伏度最佳统计单元大小为10 × 10像元,且平原区样点分布最为密集,合理样点数为1656;（2）高程、坡向、地形位置指数、相对位置指数、地形起伏度是影响土壤有机质空间变异的主要因素,能够解释研究区内有机质含量空间变异的69.2%;（3）GWRK模型精度均比普通克里金插值（OK）精度高,且山脊、背坡、陡坡、坡脚等坡位内合理样点数分别为39、481、9、28。在样点数最多时（n = 2806）,GWRK精度提高幅度及样点数量对预测结果影响有限。当样点数量减少时,有机质预测值空间分布的局部变异性随样点数减少而减少。因此,不同采样方式下合理样点集明显影响有机质预测精度,但预测结果分布趋势相似,仍可完整表征土壤有机质空间分布的空间格局。     

基于多元回归的黄土沟壑区小流域土壤水分空间模拟

以延河流域羊圈沟为研究对象,基于土壤水分空间自相关理论,在土壤水分环境影响因子多元回归基础上,建立了土壤水分空间化模型,并探讨了土壤水分空间分布特征。结果表明:研究区内土壤水分空间分布具有正相关性,且相关性显著,在空间上表现为聚集状态;表层土壤水分与植被覆盖度、高程、坡度、地表粗糙度、地形起伏度和地表切割程度等因素密切相关,且与地表切割程度呈正相关关系,而与植被覆盖度、高程、坡度、地表粗糙度以及地形起伏度因子呈负相关;与普通克里格(OK)、反距离加权(IDW)、径向基函数(RBF)和全局多项式(GPI)的土壤水分空间内插方法相比,多元回归+普通克里格方法(MROK)的拟合程度最高,是表层土壤水分空间化较好模型;土壤水分空间分布格局明显,主要表现为西部和东北部土壤水分含量低,东南部土壤水分含量高。该研究揭示了土壤水分环境因子相关性及空间分异规律,对区域生态文明建设具有一定的促进意义。     

河南省安阳县三种土壤全氮含量空间插值方法的比较分析

采用反距离加权法(IDW),克里格法(Kriging),径向基函数法(Spline)对河南省安阳县385个土壤样点的全氮进行空间插值,通过交叉验证和样点检验对不同空间插值方法进行分析,结果表明,Spline优于IDW和Kriging,并且不同插值方法有不同的最优插值点数;基于不同样条函数的径向基函数法插值结果的平均相对误差MRE不同,其中平面样条函数表现最差,高次曲面函数,张力样条函数、规则样条函数和反高次曲面函数之间差异不显著。检验分析结果也显示,Spline优于IDW和Kriging,因此,相对于IDW和Kriging,Spline更适合用于全氮的空间插值。     

地理因素辅助的黄土高塬典型流域面雨量制图效果比较与评价

为了获取适宜的黄土高塬流域面雨量计算方法,选择算术平均(Am)、泰森多边形(Tsn)、普通克里金(OK)、泛克里金(UK)、反距离权重(IDW)、简单克里金(SK)、考虑海拔的简单克里金(SK_EL)以及将海拔和空间坐标信息作为辅助因子的简单克里金(SK_EXY)和地形插补法(Tr)等9种方法计算了环江下游流域2006—2011年面雨量。结果表明:(1)各年面雨量Am法全流域只有1个数值,无空间分布,Tsn法呈斑块状分布,IDW法在站点周围空间趋势表达不连续,其余6种基于克里金方法的面雨量空间变化趋势基本一致,均是从东南向西北连续递减的等值带,其中OK的插值曲面最平滑,Tr与SK法的结果更加符合降雨随地形的变化趋势;(2)24站测值为基础的单年和多年交叉验证结果均表明各种方法插值所得面雨量的精度以考虑高程和站点空间信息的Tr法最高,SK_EXY其次,并没有一种插值方法在所有的精度检验指标中都最差;(3)当只考虑面雨量值不考虑其空间分布时,可以选择Am与Tsn法相结合,其值接近各种方法的均值,而当综合考虑面雨量值及其空间分布时,则宜选择Tr和SK_EXY法。     

基于特征变量与支持向量机回归克里格(SVRK)法的湿地土壤有机质空间变异特征分析

选取适宜变量与有效方法有助于揭示河口湿地土壤有机质的空间异质性,对维护湿地生态平衡和全球碳循环的具有重要作用。以福州市闽江河口湿地为研究区,采用逐步回归分析与主成分分析法筛选显著的特征变量,运用支持向量机回归克里格法(SVROK)分析湿地土壤有机质的空间异质性,并与神经网络克里格法(BPNNOK)、回归克里格法(RK)进行比较。结果表明：归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、土壤水分指数(PDI)、汇流累积量(FA)及沉积物移动指数(STI)与土壤有机质含量关系密切,其逐步回归模型的判定系数R_²为0.446,显著性概率值P<0.0001,可转换为3个独立的主成分作为模型的自变量。研究区土壤有机质的空间变异主要受结构性因素影响,呈现出“北低南高”的空间格局,采用SVROK模型的预测精度更高,可较好的体现河口湿地土壤有机质的空间异质特征。该研究可为同类区域的土壤有机质空间特征研究提供方法支撑。