基于遥感技术的土壤质地空间预测方法研究进展

土壤质地影响土壤持水持肥性和透气性,进而驱动一系列与土壤有关的物理化学过程,结合高效快速的遥感技术预测土壤质地空间分布,对土壤质量评价与农业生产规划具有重要的理论和实践意义。本文从遥感预测土壤质地的数据、方法和模型的应用出发,介绍了用于土壤质地遥感预测的雷达、地形和植被指数等辅助数据,提出了光谱响应、特征波长选择和遥感解译这三种基于遥感特征预测土壤质地空间分布的方法,梳理了统计学、地统计学和机器学习这三类模型与遥感结合对土壤质地空间预测的应用效果,总结了几种典型方法的优缺点与适用情况,并分析了遥感预测土壤质地的应用条件和精度验证方法,最后提出未来研究需侧重于深入提取各种遥感光谱特征、利用遥感技术获取多类型环境变量和开发土壤物理属性与数据驱动机器学习特征相结合的多算法混合模型,旨在为开展不同区域尺度下土壤质地空间预测研究提供依据与技术支撑。     

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。     

森林土壤碱解氮和全磷空间分布规律

采用地统计学的方法分析了八达岭地区土壤层(A,B,C)碱解氮和全磷质量分数的空间变异特征,并在此基础上利用泛可里格插值绘制了土壤碱解氮和全磷质量分数C层的空间分布图,应用分类回归树模型(classification and regression trees,CART)分析了植被分布格局和海拔与土壤碱解氮和全磷质量分数的...     

基于马尔可夫链模型的华中地区土壤质地空间分布模拟研究

利用华中地区面向陆面模式的土壤质地数据集,开展了马尔可夫链模型模拟研究,假设检验表明,土壤质地垂向转移概率矩阵满足马氏性和平稳性,满足一维马尔可夫链要求,可以使用马尔可夫链模型模拟土壤质地的分布。第4层与第8层缺值模拟试验结果表明,模拟值与检验值相关系数均在0. 912之上,均方根误差为2. 249%～4. 215%,平均绝对误差为1. 573%～3. 514%。说明马尔可夫链模型能够较好地反映不同深度土壤质地的转移规律,应用于大尺度多层土壤质地部分缺值数据填补和重建有一定的可行性。     

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   

中国森林生物量的空间分布及其影响因素

在参考前人大量研究结果基础上,探讨中国森林生物量的空间分布以及植被地域性、年均温、年降雨量和海拔对森林生物量空间分布的影响。结果表明：我国森林生物量存在明显的空间分布规律,其值从东到西逐渐降低,总体分布规律呈东北地区>西南地区>南方地区;地域性植被和非地域性植被的森林生物量均表现为暖温带<寒温带<温带<亚热带<热带林;不同林分类型的森林生物量表现为落叶阔叶林<针阔叶混交林<针叶林<常绿阔叶林<热带林的规律;年均温和年降雨量是影响森林生物量的主要因素,森林生物量基本随年均温、降雨量的升高而逐渐升高;不同海拔梯度对森林生物量有着明显的影响,随着海拔升高森林生物量基本呈逐渐降低的趋势。     

基于RF-XGBoost的土壤镉污染影响因子及空间分布研究

为降低土壤重金属研究中人工采样成本,宏观掌握大尺度研究区内土壤重金属污染的空间分布特征,本研究以贵阳市、遵义市和毕节市为研究区,以镉(Cadmium,Cd)元素为研究对象,提出利用随机森林(Random Forest,RF)分析评估影响因子的贡献率,并根据贡献率进行影响因子筛选后构建极端梯度提升(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)模型,即RF-XGBoost模型,用以预测研究区内土壤Cd污染的空间分布特征。结果表明：研究区内土壤Cd含量平均值仅比贵州省背景值高出0.02 mg·kg^-1,污染程度较低,变异系数为125.37%,属于强变异;研究区内对土壤Cd污染贡献率最高的影响因子为土壤侵蚀程度、高程和年平均气温,贡献率分别为0.100、0.088和0.084,说明在大尺度研究区中自然环境对土壤Cd富集影响最大;RF-XGBoost模型的精度和稳定性高于RF和XGBoost模型,准确率提升了0.039 3,Kappa系数分别提升了0.059 2、0.091 4,F1＿score分别提升了0.250 4、0.270 1;研究区内土壤C...     

基于随机森林的文本分类模型研究

文本分类作为处理大量文本数据的关键技术,可以在较大程度上解决"信息爆炸"所带来的问题。Breiman提出的随机森林算法具有良好的泛化性和鲁棒性、对噪声不敏感、能处理连续属性的特点,很适合用来建立文本分类模型。笔者将随机森林算法尝试性引入文本分类领域,构建基于随机森林的文本分类模型,并在标准文本测试集Reuters-21578进行测试和比较,结果表明:(1)该模型可以较好地应用于文本分类;(2)与基于CART、REPTree和J48的文本分类模型的结果相比较,基于随机森林的文本分类模型的效果最好,F1-Measure达到了0.777;(3)基于随机森林的文本分类模型操作方便、直观有效、评价结果可靠,为文本分类研究提供了新思路。     

多尺度土壤质地与光谱空间非平稳性关系探究

基于210个杞麓湖流域实测土壤质地样本数据,对比了偏最小二乘回归(PLSR)、地理加权回归(GWR)、多尺度地理加权回归(MGWR)3种不同方法反演土壤质地的效果,并探究差异化作用尺度下土壤质地与光谱关系的空间异质性。结果表明,MGWR的R2、MAE、RMSE指标优于GWR和PLSR,其拟合效果最好,原因在于MGWR考虑了系数间差异化的空间尺度,能更好拟合土壤质地(黏粒、粉粒和沙粒)与光谱之间的关系;MGWR回归结果揭示了不同光谱潜变量对黏粒、粉粒和沙粒含量的多尺度差异化的空间响应规律。其中,光谱潜变量LV1对黏粒、粉粒、沙粒响应程度最大,其MGWR标准化回归系数分别为0.373、0.426、0.422。     

基于泰森多边形的广州市林火空间分布规律研究

将泰森多边形特点引入林火空间分布规律研究,依据泰森多边形面积越大,林火发生次数越少,则林火发生概率越低,通过克里格插值生成广州市林火易发性分布图,在对道路距离、海拔和坡度等关键影响因素进行空间异质性分析的基础上,采用地理加权回归模型进行局部参数估计,并定量分析各影响因素回归系数在空间上的作用,以直观地反映林火各影响因素空间分布。结果表明,林火易发性变异函数揭示林火的发生主要由地理自然因素和人为随机因素共同作用;林火各影响因素空间异质性特征明显,局部存在较强的聚集格局;GWR模型分析结果明显优于OLS模型,各变量回归系数在空间上作用不均匀,存在显著的空间差异;广州市东北部林火易发性明显高于其他地区,海拔因素呈从北到南正负效应相反的分布,坡度因素呈块状分布,道路因素呈带状、块状空间分布。林业管理部门根据林火发生的规律和特点,可在林火防控工作上更具针对性,最大程度地减少林火损失。     

云南森林药材产业竞争力测度及空间分布态势研究

基于2019年的数据,用因子分析法对云南省16个州市的森林药材产业竞争力进行评价,并利用自然间断分级法对森林药材产业竞争力水平进行等级划分。结果表明:云南森林药材产业发展水平整体偏弱,其中62.5%的区域处于中低发展水平;云南各州市森林药材产业发展水平存在明显的差异并且制约因素各不相同;从空间分布上看,滇中、滇南、滇东北、滇东南、滇东区域的竞争力相对较强,而滇西北、滇西南、滇西区域的竞争力相对较弱。根据研究结果,从影响云南省森林药材产业发展的不同因素角度提出了相应的建议,以期能够进一步提升云南省森林药材产业的竞争力。     

基于GIS技术的石台县土壤养分空间分布特征研究

针对盲目施肥、过量施肥及其带来的水体富营养化等环境污染,在田间试验、土壤化验数据基础上使用GIS技术对研究区的土壤养分空间分布特征进行研究,根据研究结果给出施肥建议指导农业推广。     

土壤动物种群空间分布及影响因素研究进展

土壤动物作为陆地生态系统的重要组成部分,对土壤生态系统物质循环和能量流动及土壤修复具有重要作用,并逐渐成为科学界研究的热点。基于近年来国内外对土壤动物的文献研究,介绍了土壤动物的群落结构多样性和地理分布特征以及土壤动物对土壤环境变化指示功能,总结分析了影响土壤动物的环境因子,如土地利用方式的变迁、全球气候的变化及土壤污染等,探讨了目前研究中存在的不足,并对今后的研究方向提出了展望。     

典型岩溶区土壤颜色空间自相关和空间分布研究

基于自定义的土壤颜色量化方法,运用地统计学与GIS技术,将室内布点和实地监测相结合,对果化示范区土壤颜色的空间自相关和空间分布进行了研究。结果表明,果化示范区土壤颜色的空间分布存在正向的全局空间自相关,空间自相关尺度为2 200 m。土壤颜色的空间样点呈现出平行线型的空间分布格局,土壤颜色的空间结构在1~2 200 m区间内为空间集聚,在2 200~2 800 m区间内为空间孤立。示范区棕色土壤广泛分布,黄棕色和黄褐色土壤仅呈小块状的零星分布。     

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...     

天山南坡农区土壤养分空间分布特征

[目的]研究天山南坡农区土壤养分空间分布状况,分析土壤养分与地形因子间的相关关系.[方法]共采集研究区487个样品,土壤指标有pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾.采用GIS和地统计学相结合的方法,研究区土壤养分的空间分布特征,并分析土壤养分含量与地形因子之间的相关性.[结果]土壤pH值的变异性最低,而有效磷和速...     

基于地统计学的广东省土壤铬空间变异分析

在地统计学软件Surfer 8.0和ArcGIS 9.1的支持下,对广东省259个剖面的土壤铬(Cr)背景值进行水平和垂直空间变异分析。研究结果表明,土壤铬的背景水平均接近世界土壤的平均水平,而高于全国土壤背景的平均含量,从西北向东南方向逐渐降低,从A层到C层呈增长趋势。     

宁夏雾的时空分布特征及预报方法研究

利用1961～2009年宁夏24个气象站大雾天气观测资料,在对雾的时空分布特征分析的基础上,结合同期NCEP／NCAR逐日再分析资料,对宁夏雾的环流背景和主要影响系统特征进行了分析,总结归纳出宁夏雾的预报指标,建立了宁夏雾的预报模型及预报业务系统。结果表明：1961—2009年,宁夏雾的发生频数呈逐渐增加趋势,南部固原市和中部干旱带发生频数逐渐减少,北部引黄灌区明显增加;固原市发生频数明显多于中北部地区;一年中,秋冬季是雾的多发季节,春末夏初是雾的少发季节。雾出现时,500～700hPa基本为较稳定的西西北气流,850hPa为偏南气流,地面为均压区;500～700hPa相对湿度较小,850hPa到地面湿度较大,850hPa相对湿度在70％～80％．地面湿度接近饱和,850hPaT—Td≤3℃;地面水平运动微弱,高空风垂直切变较小。大雾出现时,500～850hPa垂直速度场均为下沉气流,且多数大雾前日出现降水,近地面层有逆温存在。