基于机器学习方法的宁夏南部土壤质地空间分布研究

【目的】基于历史数据,利用机器学习方法分析宁夏南部土壤质地空间变异规律及其与环境因素之间的关系。【方法】基于宁夏回族自治区南部428 个20世纪80年代第二次土壤普查土壤剖面点数据,采用分类回归树（CART）和随机森林（RF）两种机器学习方法,结合地形因子、土壤类型、归一化植被指数,探究与宁夏南部地区土壤质地分布相关性较强的环境因素,并用两种机器学习预测该区土壤质地类型的空间分布,用剖面点验证集数据以及宁夏回族自治区海原县实测样点数据验证模型精度。【结果】（1）RF和CART对剖面点验证集土壤质地类型的预测正确率分别为 62.36%、55.29%,接收者操作特性（receiver operating characteristic,ROC）曲线下面积（area under roc curve,AUC）分别为0.7515、0.6933,对海原县122个实测样点的预测正确率分别为54.10%、48.36%,AUC分别为0.6599、0.5981,RF的预测精度高于CART。（2）该区土壤类型（ST）是与土壤质地空间分布相关性最强的环境因素,其次是高程（Ele）,高程越高,土壤质地越黏重。风力作用指数（WEI）和坡度（Slo）对土壤质地的影响较小。（3）研究区土壤质地类型以轻壤土为主,空间分布格局基本呈现为南部土壤质地黏重,北部土壤质地较轻。【结论】RF更适合预测宁夏南部地区土壤质地的空间分布,且充分利用历史数据,结合新的野外采样,可以达到预测制图的精度要求;土壤类型（ST）和高程（Ele）是与土壤质地空间分布相关性较强的环境因素。     

巢湖流域土壤全磷含量的空间变异特征和影响因素

采用GIS和地统计学方法分析了巢湖流域土壤全磷含量的空间变异特征,揭示了土壤全磷空间变异的主要影响因素。结果表明,研究区土壤全磷的半方差拟合模型为指数模型,全磷分布显示为中等的空间自相关性。NE60°方向上全磷各向异性结构明显,长轴变程为37.9km,短轴变程23.8km;主要受成土母质的控制,土壤全磷在NE-SW方向整体上呈带状分布,空间结构性较好。受地形影响,在海拔较高的丘陵区和主要河流两侧土壤全磷含量相对较高;在城市周边地区,由于肥料投入较高,也往往形成局部的全磷高含量区。土壤全磷含量的分布格局及其主导影响因素随着研究尺度的不同而存在差异,受当前采样尺度的限制,具体在哪些区域受到哪些因素的影响为主还需要进一步在较小的尺度下开展研究。     

通辽市西辽河流域红干椒栽培与施肥

内蒙古通辽市地处西辽河流域中、下游区,地貌以平坦甸子地与沙土召、沙坨成复区存在,地势平坦,成土母质主要为冲积物、风积物,土壤质地沙、壤、粘相间交错分布。地下水资源充足,水质良好。气候类型属北温带亚洲大陆性季风半干旱区,年均降水量350～400mm,5-9月降水量为280～375mm。     

广东省森林土壤养分异质性析因

  目的  分析不同环境因子对森林土壤养分的影响,探讨造成森林土壤养分异质性的原因,为森林经营和森林立地质量评价提供依据。  方法  基于广东省全国森林资源清查土壤调查数据,以有机质（OM）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）为因变量,以地理因子、地形因子、土壤因子和林分因子四大类20个变量（10个定性因子,10个定量因子）为自变量,基于一般线性模型,采用向后剔除法筛选主效应因子,引入定性和定量因子交互,分析森林土壤养分的影响因子及影响程度。定量因子进行多元线性回归分析,定性因子通过多重比较分析水平间的差异。  结果  （1）对土壤养分影响较大的环境因子包括3个地理因子（经度、纬度和流域）、3个地形因子（海拔、坡位和坡度级）、4个林分因子（林下植被盖度、平均胸径、平均年龄、优势树种）。（2）影响因子对不同土壤养分的解释程度不一。AN的解释程度较高,均在0.30以上;OM和AK的解释程度在0.25以上;AP的解释程度较低,在0.20以上。交互作用显著提高了土壤养分的解释程度,平均增加0.141。其中AN提高到接近0.50,OM和AK分别超过0.45和0.40,最低的AP超过0.30。（3）通过多重比较分析,优势树种、流域、坡位不同土壤养分的不同水平间存在显著性差异。  结论  影响广东省森林土壤异质性的因素包括地理因子、地形因子和林分因子。不同土壤养分的影响因子并不完全相同,纬度、流域、海拔、坡位、成土母岩、平均胸径、平均年龄和优势树种8个因子对大多数土壤养分因子有影响。土壤养分中,OM和AN的解释程度较高,AP和AK的解释程度较低。交互作用显著提高了影响因子对土壤养分的解释程度。本研究提出的含定性因子的主效应筛选方法和引入一阶定性因子和定量因子交互,可以显著提高土壤养分的解释程度,对类似问题的解决有参考价值。      

清水江流域地形因子对土地利用变化的影响

地形因子是众多自然因素中对土地利用影响程度较大的因素之一,直接影响土地利用方式,并在一定程度上影响土地利用的演变过程。以清水江流域为研究区,基于遥感影像和数字高程模型数据,综合运用遥感和地理信息系统技术,获得流域2002、2013年的土地利用现状图和流域地形图(海拔、坡度、坡向、坡位),借助空间叠加分析,对海拔、坡度、坡向和坡位等地形因子与土地利用变化进行相关性分析。结果表明:近10年来清水江流域有林地面积减少幅度较大,减少量约占流域总面积的6.7%;土地利用变化程度因海拔、坡度、坡向和坡位等地形因子等级的不同而不同;研究区土地利用变化主要发生在海拔1 500 m、坡度5°≤S25°的地区;海拔对建筑用地变化有显著影响,坡向对未利用地变化有显著影响,其他地形因子对各土地利用斑块类型变化有不同程度的影响,但影响不显著;不同类型土地利用变化受同一地形因子影响的程度存在差异,相同土地利用类型变化对各地形因子的响应也不同。     

湖南四水流域适宜森林覆盖率指标研究

以湖南省湘江、资江、沅江和澧水四大流域为研究对象，探索在大尺度上森林覆盖率对水文效应的影响，通过编制水文特征值得分袭和精度检验。确定了径流深（Y1）、相对河况系数（Y2）、河流含沙量（Y3）、侵蚀模数（Y4）4个水文因子和森林覆盖率（X1）、水利工程数量（X2）、流域形状系数（X3）、平均坡度（X4）、流域面积（X5）、年降雨量（X6）6个流域因子，并建立了它们之间的关系模型，并求出流域在其它因子一定时的该水文因子所要求的适宜森林覆盖率，综合考虑各水文因子在水文生态环境中的相对重要性并进行加权平均．确定流域内适宜森林覆盖率指标分别为：湘江49％．资江47％，沅江51％，澧水50％．     

氮磷钾缺施条件下山地玉米产量对生态因子的响应

利用2008—2009年重庆市玉米测土配方施肥田间试验结果,结合重庆玉米生长期(3~8月)的气象资料,以及试验点地形条件,采用K-means和CART模型,研究了氮、磷、钾缺施条件下(Nn、Np、Nk)山地玉米产量对生态因子的响应。结果表明,氮、磷、钾不同缺施条件下玉米产量存在显著差异,缺钾、缺磷条件下玉米产量明显高于缺氮条件。氮、磷、钾不同缺施条件下生态因子对玉米产量的影响也存在很大区别:缺氮时,生态因子的相对重要性为土壤气候地形,土壤碱解氮含量成为影响玉米产量的重要因子;缺磷时,气候的重要性高于土壤和地形,日照是相对重要的因子;缺钾时,气候因子也占据了主导地位,降雨发挥了至关重要的作用。CART模型解释了氮、磷、钾缺施条件下玉米产量总变异的65.7%、79.8%和83.8%。     

县域尺度表层土壤质地空间变异与因素分析

【目的】以北京市平谷区为研究区域,采用传统统计和地统计学相结合的方法研究县域尺度下土壤质地空间变异的规律,探究土壤质地空间变异的机理。【方法】采用Levine’s方法进行方差奇次性检验,根据检验结果选取最小显著性差方法(least-significant difference,LSD)对土壤颗粒组成与高程、母质、土地利用和水域分布关系进行研究。空间预测采用普通克里格法,鉴于土壤质地属于成分数据,插值前对原始数据进行对称对数比转换。【结果】不同高程组、母质类型、土地利用类型及水域缓冲区组各颗粒平均含量存在一定的差异性,不同高程组和母质类型的土壤颗粒组成之间的差异性比不同土地利用类型和水域缓冲区明显。总体而言,研究区内随着海拔高度的降低,土壤颗粒呈现由粗变细的趋势;由石英含量较高的酸性岩母质发育的土壤土壤颗粒较粗;菜地土壤颗粒相对较细;随着离水域距离的增大,土壤砂粒含量呈增加趋势。地统计分析结果显示,土壤质地各颗粒表现出极强的空间自相关性,空间变异主要由结构性因素引起。各颗粒空间插值结果表明,土壤各颗粒组成空间分布总体趋势特征比较明显。【结论】传统统计分析和地统计学相结合的方法能够系统和全面地揭示土壤质地空间变异的确定性和随机性,研究区土壤质地空间格局主要受地形、母质等自然因素影响。经过对称对数比转换后,土壤质地各颗粒组成空间预测结果满足成分数据空间插值的要求。     

基于数据挖掘技术的高光谱土壤质地分类研究

【目的】 寻找红壤地区不同土壤质地类型的Vis-NIR光谱反射规律,通过光谱对土壤质地类别进行快速、准确的预测。【方法】 以江西省奉新县北部为研究区,245个土壤样本为研究对象,在国际制土壤质地4组和12级两种分类标准下,首先分析不同土壤质地类型的光谱反射率,然后采用9种数学变换方法和5种机器学习算法相互组合的数据挖掘模型,进行土壤质地的分类研究,最后对建模准确度最高的混淆矩阵和预测结果三角坐标分布图进行分析。【结果】 （1）不同土壤质地之间的光谱反射率存在较多的交叉重叠现象,土壤质地与光谱反射率之间的规律较为复杂;（2）分数阶导数变换是整数阶导数的扩展,有助于土壤质地的分类,但原始光谱数据具有更加丰富的特征信息,更适合进行土壤质地分类建模;（3）在对非均衡数据集建模时,集成学习方法和神经网络方法都是不错的选择;（4）较难通过模型去区分土壤质地分界线附近的类别,其中在4组分类标准下最容易被预测错误成黏壤土组,在12级分类标准下最容易被预测错误成黏壤土和壤质黏土这两种土壤质地类型;（5）在4组分类标准中,进行归一化处理和MLP模型组合取得了0.68的最高预测准确度,其中黏壤土组的预测准确度能达到0.84;再细分到12级分类后,分类效果最佳的组合来自于原始数据和MLP模型,其中壤质黏土分类准确度达到了0.89。【结论】 本研究结果可为南方红壤地区通过高光谱数据进行土壤质地分类提供参考依据。     

江汉流域经济区土壤硒的分布特征及资源量研究

在湖北省江汉流域经济区多目标区域地球化学调查的基础上,对大量数据进行分析统计,显示江汉平原及周边丘峦存在大量富硒土壤资源。按照多目标区域地球化学调查规范中所采用的双层网格化采样模式,采取单位土壤硒量的方法,按照直线公式计算土壤硒资源量,并分别从土壤类型及成土母质的特征来分析研究。结果表明,江汉流域经济区表层(0~0.2 m)土壤硒资源量为5 314.69 t,深层(0~1.8 m)土壤硒资源量为38 764.66 t;区内两大储硒类型为灰潮土、潴育型水稻土,且土壤硒主要集中分布在第四系的成土母质类型中。     

低山丘陵区 稻产量的地形影响因素研究要要要以重庆市綦江区为例

在GIS、Sim-DTA以及SPSS的技术支持下,以重庆市綦江区数字高程模型以及水稻产量数据为基础数据,提取坡位、高程、坡度以及地形湿度指数4种地形因子,并分别与水稻产量数据进行叠加,分析地形因子与水稻产量的关系。结果表明:中坡区域对水稻总产量的贡献率最大,是目前研究区内水稻种植的优选区域,所占比例达到57.49%;在高程250~500 m范围内,水稻种植效果最佳,水稻产量集中分布在6 000~10 000kg/hm2范围内;在坡度10°~15°范围内水稻产量分布最为集中,主要为6 000~9 000kg/hm2;在地形湿度指数5.75~6.50范围内,水稻产量集中分布在6 000~9 000kg/hm2;高程与水稻产量呈极显著负相关,相关系数为-0.317,坡度与水稻产量呈显著负相关,相关系数为-0.121,而地形湿度指数与水稻产量呈显著正相关,相关系数为0.145。     

基于3种空间预测方法的黄土区土壤颗粒组成空间分布研究—以宁夏海原县为例

【目的】探索适合地形复杂的黄土母质地区土壤颗粒组成的空间预测方法。【方法】以宁夏自治区海原县为研究区域,结合地形因子、土壤类型、归一化植被指数变量,采用基于对称对数比转换的经验贝叶斯克里格法（SLR-EBK）、回归克里格法（SLR-RK）、随机森林（SLR-RF）3种方法对训练集100个样点表层土壤颗粒组成的空间分布进行预测,并通过验证集24个样点比较了3种方法的预测精度。【结果】（1）最终进入土壤颗粒组成线性回归预测模型的辅助变量包括高程（Ele）和土壤类型;进入RF模型的辅助变量包括高程（Ele）、土壤类型、坡度（Slo）和风力作用指数（WEI）,其中,高程（Ele）是最重要的辅助变量,其次是土壤类型,坡度（Slo）和风力作用指数（WEI）重要性相对较低。（2）3种方法预测的海原县土壤各粒级含量空间分布的趋势基本一致,表现为砂粒含量西南部低,东北部高,粉粒、黏粒则相反。与SLR-EBK相比,SLR-RK和SLR-RF能够更好地反映局部变异并减小平滑效应。（3）SLR-RF法对验证集3个粒级含量预测的平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）均低于其他两种方法,且从平均Aitchison距离（MAD）来看,SLR-RF（0.208）相似文献   

土属信息在土壤质量评价中的应用探讨

基于河北省石家庄市郊农田的土壤分布状况,以土属为评价单元研究区域内的土壤质量状况,选取影响土壤质量的地形坡度、成土母质类型、有效土层厚度和质地等主要分类指标,采用经验法和模糊隶属函数,定量地分析了该地区不同土属类型土壤的质量指数(IFI)。结果显示,石家庄市不同土属的土壤质量差异比较明显:①洪冲积砂壤质潮褐土、洪冲积壤质潮褐土、洪冲积砂砾质潮褐土、黄土质石灰性褐土、洪冲积壤质石灰性褐土、灰砂质潮土、夹黏灰性砂质潮土、灰性壤质潮土、灰性砂壤质潮土、灰性夹黏壤质潮土、灰性夹黏砂壤质潮土、氯化物盐化潮土、硫酸盐盐化潮土、砾砂质冲积土、砂质冲积土的IFI值分别为0.868、0.884、0.847、0.702、0.809、0.776、0.816、0.862、0.846、0.902、0.843、0.783、0.794、0.830、0.831,土壤质量较好,适宜耕种;其中,灰砂质潮土、氯化物盐化潮土、砾砂质冲积土、砂质冲积土由于黏粒含量均<10%,因此耕种前需人工改良。②灰黏壤质草甸沼泽土、固定草甸风沙土、半固定草甸风沙土的IFI值分别为0.822、0.783、0.626,土壤质量较好,但是易受到人为破坏,不应农用,建议种...     

An approach to computing topographic wetness index based on maximum downslope gradient

As an important topographic attribute widely-used in precision agriculture, topographic wetness index (TWI) is designed to quantify the effect of local topography on hydrological processes and for modeling the spatial distribution of soil moisture and surface saturation. This index is formulated as TWI = ln(a/tanβ), where a is the upslope contributing area per unit contour length (or Specific Catchment Area, SCA) and tanβ is the local slope gradient for estimating a hydraulic gradient. The computation of both a and tanβ need to reflect impacts of local terrain on local drainage. Many of the existing flow direction algorithms for computing a use global parameters, which lead to unrealistic partitioning of flow. β is often approximated by slope gradient around the pixel. In fact, the downslope gradient of the pixel is a better approximation of β. This paper examines how TWI is impacted by a multiple flow routing algorithm adaptive to local terrain and the employment of maximum downslope gradient as β. The adaptive multiple flow routing algorithm partitions flow by altering the flow partition parameter based on local maximum downslope gradient. The proposed approach for computing TWI is quantitatively evaluated using four types of artificial terrains constructed as DEMs with a series of resolutions (1, 5, 10, 20, and 30 m), respectively. The result shows that the error of TWI computed using the proposed approach is generally lower than that of TWI by the widely used approach. The new approach was applied to a low-relief agricultural catchment (about 60 km²) in the Nenjiang watershed, Northeastern China. The results of this application show that the distribution of TWI by the proposed approach reflects local terrain conditions better.     

湖南龙山县植烟土壤交换性钙镁的空间分布及影响因素

应用GPS定位技术在湖南省龙山县采集具代表性植烟土壤300份,分析土壤交换性钙、镁含量和钙镁比的空间分布特征。结果表明:龙山县植烟土壤交换性钙平均含量为7.95 cmol/kg,变幅为0.25~25.62 cmol/kg,有30.14%的土样在适宜范围(6.00~10.00 cmol/kg);交换性镁平均含量为1.68 cmol/kg,变幅为0.02~5.74 cmol/kg,仅有15.38%的土样在适宜范围(1.00~1.50 cmol/kg);钙镁比平均值为7.63,变幅为1.99~84.76,有25.34%的土样在适宜范围(5~10)。土壤交换性钙含量受海拔高度、p H、土壤母质和质地影响极显著,受地形影响显著;交换性镁含量受海拔高度、p H、地形、土壤母质和质地极显著影响;钙镁比受海拔高度影响极显著,受地形显著影响。     

基于DEM的广东省赤红壤全氮含量与地形特征相关分析

以土壤类型图、地形图、全氮图等资料为数据源,利用ArcGIS9.2建立广东省赤红壤数字高程模型(DEM),提取海拔高度、坡度、坡向和地势起伏度,探索大尺度下全氮分布与地形特征的关系.研究表明:全氮含量与海拔高度、坡度和地势起伏度呈负相关关系,并随着海拔高度、坡度和地势起伏度的上升分布面积迅速下降,在坡向上,则主要分布于平坦区域和东南坡.     

基于ICESat-GLAS的坡地最大树高估测模型比较研究

地形坡度对星载LiDAR(lightdetection and ranging)估测最大树高具有较大的影响。为了提高坡度条件下树高的反演精度,通过建立坡地条件下5种不同的最大树高估测模型,前3个模型分别使用不同DEM(digital elevation model)数据的地形指数来量化地形坡度的Xing模型,第4个模型使用波形参数-未改进边缘长度来量化地形坡度,第5个模型与第4个模型类似,用改进边缘长度来替换未改进边缘长度。结果可知,波形参数模型的精度要高于使用DEM数据的地形指数的Xing模型的精度,第5个模型的精度要高于第4个模型的精度。表明波形参数量化地形坡度的能力要优于DEM数据的地形指数,而改进边缘长度模型更适合估测坡地的最大树高。     

基于DEM的陕北黄土高原水文相关地形因子的分析研究

水文要素是研究黄土高原水土流失的重要因子,为揭示陕北黄土高原水文地形要素之间的相关规律。基于90 m航天飞机雷达地形测绘使命(Shuttle Radar Topography Mission, SRTM)数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据,提取陕北黄土高原相关水文地形因子,包括坡度坡长因子(slope length and slope gradient factor, LS)、地形湿度指数(Topographic Wetness Index, TWI)及沟壑密度,并对三类水文因子进行了相关性分析。地形湿度指数与坡度值采用指数拟效果最好,R²值为0.8168,坡度坡长因子与坡度值采用线性拟合效果最好,R²值为0.993,沟壑密度与坡度值采用多项式拟合效果最好,R²值为0.0604。地形湿度指数与坡度坡长因子采用指数拟效果最好,R²值为0.8385,坡度坡长因子与沟壑密度采用二次多项式拟合效果最好,R²值为0.2077,地形湿度指数与沟壑密度采用多项式拟合效果最好,R²值为0.2801。坡度坡长因子、地形湿度指数、沟壑密度均在一定程度反映了出实际地貌。坡度坡长指数与坡度存在线性显著相关关系。坡度越大地形湿度指数越小。沟壑密度随汇流阈值设置的增大而减小。     

天然云冷杉针阔混交林立地质量评价1）

以吉林省汪清林业局金沟岭林场中的41块天然云冷杉针阔混交林样地为对象,选取了14个立地因子作为指标进行立地质量分类与评价。根据不同性质,将评价指标分成宏观因子（土层厚度、坡向、坡位、坡度及海拔）和微观因子（枯落物厚度、自然含水率、土壤密度、pH值、有机质、全氮、全磷、有效磷及速效钾）。采用熵值赋权法和主成分分析赋权法确定立地因子的权重并计算得分,根据各自得分进行聚类分析。结果表明：（1）宏观立地质量评价可分为4类（优、良、一般和差）。第1类为优,主要特征为地势平缓,平均坡度为6．0°;第2类为良,主要特征为地势相对较平缓,平均坡度为11．1°;第3类为一般,主要特征为地势相对较陡,平均坡度为15．2°;第4类为差,主要特征为地势陡峭,平均坡度为21．1°。（2）微观立地质量评价也相应分为优、良、一般和差4类。本研究结果可为今后适地适树地进行造林规划、合理营林措施的设计、林地生产力预估以及森林资源资产评估提供科学依据。