地理空間分析中土壤景觀模型的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新應(yīng)用.pdf

1、精細(xì)的土壤屬性信息是開(kāi)展環(huán)境管理、監(jiān)測(cè)、建模及精細(xì)農(nóng)業(yè)等工作必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而目前可用的土壤信息是土壤調(diào)查得到的土壤圖，它們的圖斑包含的土壤信息類(lèi)型有限且可能融合其他類(lèi)型，并且屬性離散，難以滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)高精度土壤信息的需求。但以往的土壤制圖研究中，已經(jīng)收集了大量的包含土壤養(yǎng)分、土壤類(lèi)型、成土環(huán)境的土壤采樣數(shù)據(jù)，并且繪制了蘊(yùn)含土壤專(zhuān)家豐富經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)土壤圖，這些寶貴的歷史資料可以建立土壤景觀模型并在精細(xì)土壤信息獲取中被充分利用，縮減研究成本的

2、同時(shí)提高研究效率和準(zhǔn)確性，然而土壤信息的獲取往往是通過(guò)地理空間分析獲取。
　　為提高傳統(tǒng)土壤制圖成果中土壤信息的精度，本研究以地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論、土壤景觀建模為基礎(chǔ)，在地理空間分析中，對(duì)土壤環(huán)境要素提取與融合、土壤采樣布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化、土壤景觀模型建立與完善、土壤綜合信息概括與展示四個(gè)方面進(jìn)行探索。以湖北省鐘祥市為例，先后探索的內(nèi)容為在土壤景觀關(guān)系的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)土壤采樣方案、在研究區(qū)內(nèi)路網(wǎng)空間分布的基礎(chǔ)上優(yōu)化土壤采樣的空間布局、在地形單元?jiǎng)?/p>

3、分的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布，得到的結(jié)論如下:
　　(1)研究區(qū)內(nèi)的土壤景觀關(guān)系在沒(méi)有人為干擾的情況下是固定不變的，因此通過(guò)比較不同采樣方案中由對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)求得的土壤景觀相關(guān)系數(shù)矩陣的相似性，可以驗(yàn)證研究區(qū)內(nèi)土壤景觀關(guān)系存在固定關(guān)系模式可能性。以研究區(qū)域A內(nèi)的8個(gè)地形因子和5個(gè)常規(guī)土壤養(yǎng)分為研究對(duì)象，利用空間分級(jí)統(tǒng)計(jì)方法將地形因子劃分為5個(gè)級(jí)別，采用Pearson相關(guān)性分析各分區(qū)上的樣點(diǎn)，并對(duì)不同采樣布局下地形因子與土壤

4、養(yǎng)分間的Pearson系數(shù)進(jìn)行相似性分析。不同采樣方案下地形因子與土壤養(yǎng)分間的Pearson系數(shù)相似性程度在99％以上，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)存在固定的關(guān)系模式。綜合大量環(huán)境因素而確定的基于地形因子分級(jí)的采樣方案A預(yù)測(cè)精度較高，以其關(guān)系模式代表固定關(guān)系模式評(píng)價(jià)其余采樣方案的合理性是可行的。本節(jié)設(shè)計(jì)的基于網(wǎng)格的3種傳統(tǒng)隨機(jī)采樣方案中，含有3661個(gè)采樣點(diǎn)的方案C與采樣方案A獲得的關(guān)系模式的相似性最接近，因而比其他方案樣點(diǎn)布局更合理。
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5、)城鎮(zhèn)化的發(fā)展會(huì)使區(qū)域內(nèi)的交通網(wǎng)絡(luò)更加發(fā)達(dá)而趨于穩(wěn)定，可為野外土壤采樣提供便捷的交通條件。以湖北省鐘祥市東部區(qū)域（研究區(qū)B）為研究對(duì)象，基于路網(wǎng)設(shè)置5種采樣尺度進(jìn)土壤采樣，采樣過(guò)程中，采樣數(shù)據(jù)可能會(huì)因?yàn)橐恍┮蛩囟a(chǎn)生誤差，采樣點(diǎn)的空間布局也可能不是十分合理，影響最終研究結(jié)果的精度，因此需要剔除采樣數(shù)據(jù)中誤差較大的采樣點(diǎn)。運(yùn)用模擬退火算法對(duì)各樣點(diǎn)的空間布局分別進(jìn)行優(yōu)化，以獲取基于路網(wǎng)的土壤采樣優(yōu)化布局。在此基礎(chǔ)上，對(duì)地形因子和優(yōu)化后樣點(diǎn)的

6、有機(jī)質(zhì)建立多元線性回歸模型，同時(shí)建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多層感知機(jī)模型，并用此模型精度與多元線性回歸模型精度進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:利用道路網(wǎng)制定土壤采樣方案是可行的，優(yōu)化后的采樣點(diǎn)布局能夠準(zhǔn)確獲取土壤景觀知識(shí)，并且優(yōu)于原始樣點(diǎn)的精度。本研究利用道路空間分布格局、歷史樣點(diǎn)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)等可利用資源設(shè)計(jì)采樣方案，為減少采樣成本、提高采樣效率、展現(xiàn)有機(jī)質(zhì)空間分布格局提供了有效手段與理論依據(jù)。
　　(3)以鐘祥市（研究區(qū)A）土壤有機(jī)質(zhì)空間分布為例

7、，克服傳統(tǒng)地形分類(lèi)方法中僅依據(jù)單一指標(biāo)（如高程）的缺點(diǎn)，綜合由30m精度數(shù)字高程模型生成的地形因子，依據(jù)其在不同地形條件下的層次組合規(guī)律構(gòu)建地形分類(lèi)規(guī)則，精確地劃分為13種典型地形單元，并運(yùn)用普通克里金法對(duì)不同地形單元內(nèi)的土壤樣本插值，獲得相應(yīng)區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)空間分布。通過(guò)組合各地形范圍下的結(jié)果，以獲取蘊(yùn)含地形因素影響的有機(jī)質(zhì)空間分布。研究發(fā)現(xiàn)，地形起伏較大的地形單元的預(yù)測(cè)精度與全局預(yù)測(cè)結(jié)果精度相似度達(dá)0.75，而地勢(shì)平緩區(qū)域內(nèi)的預(yù)測(cè)精