濱海鹽土三維土體電導(dǎo)率空間變異及可視化研究.pdf

1、土地鹽堿化是在自然、人為因素綜合作用下鹽堿成分在土壤中超量富集而形成的土地退化。土地鹽堿化引起土壤理化性狀的改變，削弱和破壞了土地生物生產(chǎn)力，其嚴重后果是破壞了生態(tài)平衡，改變了自然環(huán)境，導(dǎo)致大面積土地資源的喪失，直接威脅生態(tài)、經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。土壤鹽堿化和次生鹽堿化問題在世界范圍內(nèi)廣泛存在，據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地面積為9.54億hm2。土壤鹽堿化和次生鹽堿化問題，已經(jīng)成為世界灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的資源制

2、約因素。我國各類鹽堿地面積總計達9913.3萬hm2，西北、華北、東北西部和濱海地區(qū)都有分布，改造治理及合理開發(fā)利用這些資源，是中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，也對改善生態(tài)環(huán)境，推動區(qū)域經(jīng)濟、社會和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有特別重要意義。在日益注重效率與效益的今天，土壤資源利用領(lǐng)域迫切需要高新技術(shù)的引進，利用實用、具有較高精度的田間土壤鹽分測量技術(shù)快速測定土壤鹽分，采取現(xiàn)代化的空間信息技術(shù)和手段，對鹽堿土壤利用進行科學(xué)合理的精確管理。

3、 自70年代國際學(xué)術(shù)界提出研究空間變異性以來，土壤的空間變異特性一直是人們共同關(guān)注的一個研究熱點。土壤是一個三維自然空間實體，各方向上很短的距離內(nèi)土壤屬性變異也非常大，但是目前土壤空間變異特性研究主要集中在水平方向上。即使是以土壤屬性三維變異特性描述為研究目的，也僅僅局限于用一系列水平層來描述土壤不同深度土層的屬性變化，沒有考慮上下層之間的相互影響。有研究表明，埋深3m內(nèi)的含鹽地下水都能通過毛管作用上升到地表積鹽。鹽堿地普遍存在鹽堿重，

4、返鹽強烈，鹽分垂直變化明顯等問題，造成土壤產(chǎn)出率低且不穩(wěn)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益不高。因此，研究鹽堿土壤鹽分的空間變異，特別是三維土體鹽分的空間變異不僅具有理論價值，豐富三維空間變異插值理論和方法；而且具有一定的應(yīng)用價值，定量化的信息正是精確農(nóng)業(yè)開展、實施不可或缺的基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。 三維可視化表達是生動地傳遞真實三維信息的一種重要方式，相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)表達技術(shù)，三維可視化表達能夠更加清楚的反映復(fù)雜數(shù)據(jù)集的一個總體概況，有助于鑒定和分析數(shù)

5、據(jù)可能的結(jié)構(gòu)和模式。因此采用該技術(shù)能更加準確地表示和描述這種復(fù)雜的三維空間上的土壤屬性空間變異情況，同時三維可視化也是3D GIS的重要組成部分，是許多地學(xué)家和計算機專家一直探索的課題。 三維離散分布的空間數(shù)據(jù)是進行土壤屬性三維特性變異研究的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的侵入式剖面電導(dǎo)率采集方法費時、費力、費用高且不能重現(xiàn)。因此，急需一種非入侵式的廉價而且便捷的剖面采樣技術(shù)，通過EM38(Geonics Limited，Mississauga，

6、Ont，Canad)非接觸的方式獲取土壤剖面電導(dǎo)率被認為是當(dāng)前最有潛力的方法，但該方法在國內(nèi)的應(yīng)用研究還較少。 因此，本研究選擇位于浙江省上虞市西北地區(qū)、杭州灣南岸的海涂實驗農(nóng)場作為研究區(qū)，沿著電導(dǎo)率三維離散數(shù)據(jù)的獲取到三維空間變異研究這條主線：首先采用EM38獲取剖面十壤電導(dǎo)率，作為后續(xù)三維空間變異研究的數(shù)據(jù)源；然后開展二維空間變異、三維空間隨機模擬的不確定性分析和作物種植風(fēng)險評價等研究工作；最后，將新開發(fā)的功能模塊集成到自主

7、的農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)軟件中。本研究具體研究成果概述如下： (1)基于EM38的土壤剖面電導(dǎo)率預(yù)測研究經(jīng)校驗發(fā)現(xiàn)，地表空氣溫度、剖面土壤溫度、剖面十壤水分含量等因子對EM38測量土壤表征電導(dǎo)率(Apparent Soil Electrical Conductivity，ECa)的影響非常小。本研究區(qū)，認為土壤鹽分是影響ECa測量的主導(dǎo)因子。在土壤剖面上，EM38水平模式表征電導(dǎo)率(記為ECh)和垂直模式表征電導(dǎo)率(記為ECv)、

8、EC1:5電導(dǎo)率、ECb(Bulk ElectricalConductivity)電導(dǎo)率之間具有較好的相關(guān)性，建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍茌^好的預(yù)測土壤剖面電導(dǎo)率。但是在同一研究區(qū)，經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯茝V時還是需要進行進一步校正，因此非常有必要引進更加通用的剖面電導(dǎo)率預(yù)測方法。利用 EM38在地表不同高度測量的ECa，再采用線性、非線性響應(yīng)模型結(jié)合Tikhonov正則化反演土壤剖面電導(dǎo)率，這種基于電磁物理學(xué)原理的方法能較好的解決上述問題，更具推廣性。研究結(jié)果

9、表明，線性模型和非線性模型的平均預(yù)測誤差分別為38.44％和24.26％，非線性模型的精度相對更高。 (2)濱海鹽土三維土體電導(dǎo)率空間變異及可視化研究利用EM38在地表不同高度獲取的表征電導(dǎo)率，采用預(yù)測精度更高的EM38電導(dǎo)率非線性響應(yīng)模型結(jié)合Tikhonov正則化方法反演土體0～1.1m深度范圍10個土層深度的電導(dǎo)率作為三維空間變異研究的數(shù)據(jù)源。首先按照一定的水平和垂直搜索規(guī)則，分別單獨分析電導(dǎo)率水平、垂直方向的半方差，然后聯(lián)

10、合這兩個方向上的半方差組成三維半方差套合模型來描述土壤電導(dǎo)率的空間相關(guān)性結(jié)構(gòu)。研究表明，在本研究中水平方向和垂直方向電導(dǎo)率空間相關(guān)性結(jié)構(gòu)的半方差函數(shù)模型都不存在各向異性，岡此建立一個各向同性六參數(shù)特例模型來描述研究區(qū)土壤電導(dǎo)率三維空間變異結(jié)構(gòu)。通過聯(lián)合水平、垂直半方差模型，構(gòu)建包含一個各向同性塊金效應(yīng)模型和三個球狀模型的三維各向同性半方籌套合模型能較好的描述土壤電導(dǎo)率空間變異結(jié)構(gòu)。采用三維普通克立格方法進行三維土體電導(dǎo)率空間插值，實現(xiàn)了

11、電導(dǎo)率在三維空間上的連續(xù)表達。通過比較預(yù)測結(jié)果的均方根誤差、平均標準誤差、預(yù)測值和實測值之間的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，三維克立格法相比二維克立格法的預(yù)測精度有較大提高。利用VRML語言構(gòu)建三維土體電導(dǎo)率虛擬現(xiàn)實模型，實現(xiàn)三維土體電導(dǎo)率的可視化表達，有利于更好的分析土壤電導(dǎo)率的空間分布特征和變化趨勢。最后，將研究結(jié)果進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。 (3)三維土體電導(dǎo)率空間分布的不確定性分析及作物種植風(fēng)險評價為了對研究區(qū)土壤管理決策予以指導(dǎo)和適種作物類型給予建議，以

12、非線性模型預(yù)測的剖面電導(dǎo)率作為數(shù)據(jù)源。①采用序貫高斯模擬方法模擬不同深度土層土壤電導(dǎo)率的空間分布情況。結(jié)果表明，克立格法具有一定的“平滑”效應(yīng)，減少了數(shù)據(jù)的變異性，而序貫高斯模擬結(jié)果突出了原始數(shù)據(jù)分布的波動性。序貫高斯模擬在符合一定的概率分布和“尊重”原始實測數(shù)據(jù)的同時，保持特定的空間相關(guān)結(jié)構(gòu)，且相比克立格方法預(yù)測精度有所提高。通過不同土層電導(dǎo)率疊加這種不考慮上下層電導(dǎo)率相互影響的方法也能較好的表達三維空間上土壤電導(dǎo)率的空間變異情況；但

13、局部還是出現(xiàn)明顯跳躍。②將ECe為400mS/m做為重度鹽化和極度鹽化的分界點，對10個土層各層評價點超過該閾值的概率分別進行1000次模擬，疊加生成三維概率分布圖。高概率和低概率地區(qū)可以很明確的給出評價結(jié)果，對于概率值接近0.5的過渡帶，其評價結(jié)論具有很大的不確定性，宜采用概率分布的形式來為決策者提供更多的信息。通過分析相對誤差，認為1000次序貫指示模擬的概率分布結(jié)果是可靠的。③根據(jù)水稻和棉花的耐鹽性電導(dǎo)率閾值，采用析取克立格法給出

14、10個土層鹽分大于這些作物的耐鹽閡值的概率，疊加生成三維概率分布圖，對其進行作物種植風(fēng)險性評價。深層電導(dǎo)率數(shù)據(jù)及其超過閾值的概率可以為制定更準確的種植規(guī)劃提供重要參考。 (4)農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)功能模塊擴展首先對軟件的開發(fā)目標、原則和功能等進行了分析，確立了以GIS基礎(chǔ)平臺為核心，相互獨立的土壤采樣、地統(tǒng)計、隨機模擬、管理分區(qū)等可擴展模塊共同組成農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)，本研究重新整合農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)(ARG

15、IS V1.0，軟件登記號2006SRl6131)的采樣設(shè)計模塊到土壤采樣模塊。運用系統(tǒng)的方法和軟件工程的基本思想，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，選用開發(fā)效率高的Visual C++作為開發(fā)語言，進一步擴展基于EM38和GPS的土壤電導(dǎo)率采樣子模塊和隨機模擬模塊。最后運用該系統(tǒng)的土壤采樣模塊對濱海鹽土土壤電導(dǎo)率進行采集，并進行空間變異的隨機模擬和超過一定閾值的不確定性分析的初步應(yīng)用研究。新增加模塊后，使得ARGIS功能更加強大，可為精確農(nóng)業(yè)田

16、間管理的科學(xué)性、合理性以及智能化提供服務(wù)，同時也為相關(guān)程序的開發(fā)提供了參考。 本項研究基本完成研究內(nèi)容，達到了預(yù)期的研究目標，在以下三方面取得了新進展： (1)在圍墾區(qū)濱海鹽土研究中，引進EM38電導(dǎo)率線性、非線性模型獲取三維土體上離散分布的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，進行土壤電導(dǎo)率的三維空間變異研究，利用VRML構(gòu)建三維土體電導(dǎo)率虛擬現(xiàn)實模型，并將研究結(jié)果進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。本研究開展的土壤電導(dǎo)率三維空間分布預(yù)測、模擬和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布不但極大的推

17、進了當(dāng)前土壤空間變異方法論的研究，而且為土壤研究成果的推廣應(yīng)用提供了新的途徑。 (2)在圍墾區(qū)濱海鹽土研究中，分別將序貫高斯模擬、序貫指示模擬方法應(yīng)用到不同深度土層土壤電導(dǎo)率空間分布的隨機模擬和不確定性分析中，生成超過一定閾值的三維概率分布圖；根據(jù)作物的耐鹽性閾值，采用析取克立格方法進行作物種植高風(fēng)險評價，提供三維概率分布圖。研究三維空間隨機模擬的不確定性和作物種植風(fēng)險評價，是對當(dāng)前以表土為研究對象的二維不確定性分析、作物種植風(fēng)

18、險評價工作的一個重要補充和發(fā)展，可以更加準確的輔助指導(dǎo)實際的土壤管理和決策方案的制定。 (3)Windows平臺下，利用面向?qū)ο蟮腃++開發(fā)語言和系統(tǒng)集成技術(shù)，集成擴展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)軟件平臺ARGIS V1.0。該平臺不但具有通用的GIS管理平臺，而且具有地統(tǒng)計、管理分區(qū)和采樣設(shè)計等專業(yè)功能模塊。本研究新增加基于EM38和GPS的土壤電導(dǎo)率采樣模塊和隨機模擬模塊后，使得軟件功能更加強大，可為精確農(nóng)業(yè)田間