專利名稱：一種基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壤采樣方法，尤其涉及一種基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法。
背景技術(shù)：
對(duì)土壤肥力及其空間分布的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，是充分、合理、持久地利用土壤資源的基礎(chǔ)。由于不可能測(cè)得區(qū)域內(nèi)所有位置的土壤肥力特性，采樣調(diào)查便成為獲取土壤肥力信息及其空間分布的基本方法。采樣設(shè)計(jì)直接影響到利用樣點(diǎn)進(jìn)行土壤制圖的精度，因而成為土壤采樣調(diào)查中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，常用于土壤肥力空間分布推測(cè)制圖的采樣方法包括經(jīng)典采樣方法和基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間采樣方法。經(jīng)典采樣方法通常假定采樣區(qū)土壤性質(zhì)的空間變異是隨機(jī)的，樣本之間完全獨(dú)立且服從某種類型的概率分布，可用樣本均值和方差來描述土壤特性，用標(biāo)準(zhǔn)差、變異函數(shù)和置信區(qū)間來表征估計(jì)精度。經(jīng)典采樣簡單易行，應(yīng)用廣泛，但這類采樣方法通常需要大量樣點(diǎn)才能全面準(zhǔn)確地獲取土壤性狀的空間分布特征，受資金、時(shí)間和人力資源的限制。另外，研究表明許多土壤性質(zhì)的空間變異并非完全隨機(jī)，在不同尺度上都呈現(xiàn)出一定的空間結(jié)構(gòu)，具有明顯的空間自相關(guān)性(Burgess等，1980 ；ffebster, 1985)，而經(jīng)典的土壤采樣方法由于未考慮土壤性狀的空間自相關(guān)性，往往難以避免局部樣點(diǎn)冗余和局部樣點(diǎn)密度無法滿足制圖精度的情況。基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間采樣方法通過建立待測(cè)土壤要素的變異函數(shù)，根據(jù)克立格估計(jì)方差進(jìn)行采樣數(shù)量的優(yōu)選，并利用克立格插值方法獲得待推測(cè)土壤要素在空間的連續(xù)性分布。相比經(jīng)典采樣方法，在一個(gè)既定的置信水平上，滿足同一精度的條件下，這種方法所需要的樣本數(shù)比傳統(tǒng)的采樣方法所需的樣品少得多。許多研究者曾應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和方法研究土壤肥力的空間變異和空間相關(guān)性，并在土壤制圖中進(jìn)行土壤肥力的局部估計(jì)和采樣方案設(shè)計(jì)(McBratney 和 Webster, 1983 ;Di 等，1989 ;史舟等，2000 ;Ferreyra 等，2002 ;李艷等，2007 ;龐夙等，2009)。但是，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間采樣方法仍存在一些問題:(1)采樣方案的設(shè)計(jì)依賴于變異函數(shù)，而變異函數(shù)通常只有在采樣后才能獲知。有人建議可通過已有類似研究的毗鄰田塊來獲取待采樣田塊土壤肥力特性的變異函數(shù)空間自相關(guān)信息，或者從相關(guān)文獻(xiàn)中找到一些相似變量的信息，進(jìn)行一個(gè)初步采樣勘測(cè)采集部分樣本，根據(jù)這些樣本獲取變異函數(shù)的初步信息并以此進(jìn)一步修改采樣方案(Flatman等，1984 ;張仁鐸,2005)。但無論采用哪種建議，都會(huì)使采樣設(shè)計(jì)要么流于繁瑣，要么失之精確。(2)穩(wěn)健的變異函數(shù)需要大量樣本才能建立。Webster和OliveK 1992)的研究表明:如果變異是各向同性的，需要100-150個(gè)樣點(diǎn)才能建立有效的變異函數(shù)，如果變異是各向異性的，由于要計(jì)算不同方向上的變異函數(shù)，則至少需要250個(gè)采樣點(diǎn)。Stein等(1998)研究表明，隨著樣本數(shù)減少，普通克立格法對(duì)土壤性質(zhì)的預(yù)測(cè)精度顯著降低。這些研究說明，當(dāng)樣本較小時(shí)，所得到的變異函數(shù)是不穩(wěn)定的。因此，需要盡可能大的樣本來得到穩(wěn)健的變異函數(shù)。(3)變異函數(shù)的建立需滿足兩個(gè)假設(shè):二階平穩(wěn)假設(shè)和本征假設(shè)，而這兩個(gè)假設(shè)在復(fù)雜的實(shí)際野外條件下經(jīng)常很難得到滿足?？梢?，盡管相比于經(jīng)典采樣方法，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的空間采樣方法在采樣成本和效率方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但在不具備研究區(qū)域的先驗(yàn)知識(shí)時(shí)，只能通過實(shí)地采樣來獲取樣點(diǎn)，此時(shí)樣本點(diǎn)的設(shè)計(jì)仍要依賴于經(jīng)典采樣(姚榮江等，2006)。計(jì)算變異函數(shù)的實(shí)測(cè)樣本數(shù)到底需要多少，這是引起廣泛爭議的問題。盡管一般認(rèn)為樣點(diǎn)數(shù)據(jù)越多計(jì)算出的變異函數(shù)就越精確，但多數(shù)情況下，所要求的精度是未知的，而傳統(tǒng)的置信區(qū)間公式在此不能應(yīng)用，除非采樣本身就是為此目的設(shè)計(jì)的(Webster和Oliver, 2001)。另外,如果某土壤屬性同時(shí)在多個(gè)空間尺度上存在變異，那么如何設(shè)計(jì)采樣方案？這些都是目前較多討論的問題。近年來，數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展為推測(cè)土壤肥力的空間分布提供了越來越多的輔助環(huán)境數(shù)據(jù)，如土壤表征電導(dǎo)率(ECa)、遙感影像、高光譜數(shù)據(jù)、高精度數(shù)字高程模型等。這些輔助環(huán)境數(shù)據(jù)一般與土壤特性具有較好的相關(guān)性，可以用來推測(cè)待測(cè)土壤性質(zhì)的空間分布并輔助空間采樣設(shè)計(jì)。尤其是利用EM38大地電導(dǎo)儀獲取的土壤ECa，數(shù)據(jù)獲取快速，質(zhì)量可靠，且常?？梢耘c多個(gè)影響土壤生產(chǎn)力的參數(shù)(如鹽分、土壤質(zhì)地、土壤含水量等)建立直接或間接的函數(shù)關(guān)系，在過去20年來受到越到越多的關(guān)注(Johnson等，2003 ；Corwin 和 Lesch,2003)。如何利用輔助環(huán)境變量進(jìn)行目標(biāo)土壤肥力特性的采樣設(shè)計(jì)，一些研究者進(jìn)行了技術(shù)和方法的探索。如Minasny和McBratney(2006)運(yùn)用拉丁超立方方法將樣點(diǎn)均勻布設(shè)于輔助土壤環(huán)境因子的參數(shù)空間，通過全面覆蓋參數(shù)空間對(duì)目標(biāo)土壤屬性的空間分布特征進(jìn)行采樣。Minasny等(2007)采用方差四分法根據(jù)輔助環(huán)境變量的變異程度來設(shè)計(jì)采樣點(diǎn)，在環(huán)境因子變異劇烈的地區(qū)設(shè)計(jì)樣點(diǎn)數(shù)量多，反之則設(shè)計(jì)樣點(diǎn)數(shù)量少。楊琳等(2011)通過對(duì)與土壤在空間分布具有協(xié)同變化的環(huán)境因子進(jìn)行聚類分析，尋找可代表土壤性狀空間分布的不同等級(jí)類型的代表性樣點(diǎn)進(jìn)行樣品的采集，探討采樣方案與數(shù)字土壤制圖精度的關(guān)系O然而，上述采樣方法所需要的樣本量通常較多，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本較高，而且還存在著采樣位置不能精確定位的問題。響應(yīng)曲面法(RSM)是一種可以較好運(yùn)用輔助環(huán)境變量來進(jìn)行目標(biāo)土壤性質(zhì)采樣設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的方法，近年來開始引起土壤學(xué)家的關(guān)注。該方法基于這樣的假定:輔助環(huán)境變量和目標(biāo)土壤特性之間的關(guān)系是預(yù)知的且可用低階的回歸模型來表達(dá)，但要精確估計(jì)和校正回歸模型的參數(shù)，仍需要通過某種采樣設(shè)計(jì)采集一定的樣本點(diǎn)，那么在滿足一定的空間優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的條件下，該如何選擇采樣點(diǎn)來優(yōu)化回歸模型的預(yù)測(cè)？ RSM通過采用一個(gè)基于模型的采樣方法，并應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)曲面設(shè)計(jì)來約束采樣算法，從而在有效估計(jì)回歸模型的同時(shí)，得到數(shù)目最少、位置最優(yōu)的采樣點(diǎn)。RSM通過響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)來使模型校正中的不確定性達(dá)到最小，并通過使采樣的最小間距盡可能大來確保殘差非獨(dú)立這一假定條件得到滿足。通過這樣的采樣方法，可將原本復(fù)雜的空間線性模型或地統(tǒng)計(jì)學(xué)模型簡化成一個(gè)普通的回歸模型，而采樣效率卻不降低。該方法不但可以用于土壤特性的采樣和模擬，還可推廣應(yīng)用到其他地類調(diào)查數(shù)據(jù)如遙感數(shù)據(jù)的采樣，以及更多精確農(nóng)業(yè)調(diào)查和應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，借助近地傳感器技術(shù)快速、高效的進(jìn)行土壤采樣。一種基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，包括如下步驟:(I)數(shù)據(jù)獲取:采用電與電磁型近地傳感器獲取土壤表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)ECa，并用GPS記錄每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置；(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:將步驟(I)得到的ECa數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)合并為矩陣數(shù)據(jù)X，將矩陣數(shù)據(jù)X以文件格式存放于電腦中；(3)矩陣變換:將步驟(2)得到的矩陣數(shù)據(jù)X進(jìn)行主成分變換轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換為一個(gè)中心矩陣數(shù)據(jù)V ；

(4)初始采樣位置組獲取:根據(jù)步驟(3)得到的矩陣數(shù)據(jù)X’，采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)獲取初始采樣位置組，記錄初始采樣位置組中每個(gè)采樣點(diǎn)的位置及采樣設(shè)計(jì)的水平值m ；(5)最優(yōu)采樣位置組尋找:對(duì)步驟(4)得到的初始采樣位置組采用迭代運(yùn)算進(jìn)行最優(yōu)采樣位置組尋找，確定最優(yōu)采樣位置組；(6)采樣圖制作:將步驟(5)確定的最優(yōu)采樣位置組中的每個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置制作成野外土壤采樣地圖或輸入電腦，然后結(jié)合GPS定位儀進(jìn)行土壤采樣。本發(fā)明基于近地傳感器獲取ECa數(shù)據(jù)，采用響應(yīng)曲面法(RSM)產(chǎn)生采樣設(shè)計(jì)方案，可對(duì)與ECa在空間分布具有協(xié)同變化的目標(biāo)土壤肥力特性進(jìn)行采樣。這種利用近地傳感器技術(shù)快速獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合響應(yīng)曲面的方法(RSM)，可以進(jìn)行土壤肥力的高效采樣設(shè)計(jì)，可快速準(zhǔn)確地獲得數(shù)量最少、位置最優(yōu)的土壤采樣點(diǎn)，從而大大提高采樣效率，節(jié)約采樣成本，是對(duì)現(xiàn)有采樣設(shè)計(jì)理論和方法的有力拓展，具有重要的理論、實(shí)踐意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。電與電磁型近地傳感器通過電磁感應(yīng)的原理，可以通過接觸地表的方式直接獲取土壤表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，每秒鐘可以讀取10個(gè)數(shù)據(jù)。步驟(I)中，所述的土壤表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)ECa為O 0.75m 土層深度的電導(dǎo)率，該深度范圍的土壤表觀電導(dǎo)率能夠較快速的獲得，對(duì)于土體內(nèi)的電導(dǎo)率表征具有一定的代表性。步驟(I)中，所述電與電磁型近地傳感器優(yōu)選采用近地傳感器EM38，在實(shí)際應(yīng)用中也可采用其它型號(hào)的近地傳感器，如VERIS3100等。采用近地傳感器EM38時(shí)，利用EM38的近似網(wǎng)格式獲取水平模式ECa數(shù)據(jù)。步驟(3)中，所述的主成分變換方法為:首先將矩陣數(shù)據(jù)X標(biāo)準(zhǔn)化，去除異常值。然后根據(jù)數(shù)據(jù)X空間上的方差結(jié)構(gòu)去除相關(guān)性，轉(zhuǎn)換為一個(gè)中心矩陣數(shù)據(jù)V。與常規(guī)的主成分變換不同的是，本方法中保留所有變量用于最優(yōu)位置的尋找。步驟(4)中，所述的響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)采用中心復(fù)合響應(yīng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)得到的初始采樣位置組在統(tǒng)計(jì)學(xué)上滿足歐式距離最小。步驟(5)的具體步驟為:采用優(yōu)化指數(shù)P來評(píng)判采樣位置是否均分布在樣區(qū)，優(yōu)化指數(shù)識(shí)的計(jì)算方程如下，如果免<外，則返回步驟(4)重新獲取初始采樣點(diǎn)，直到卿，
則迭代終止，確定最優(yōu)采樣位置組，其中PO力優(yōu)化指數(shù)期望值；.(Var(Te)^./mM、 φ = mm ----=min(rVI)
V crz ；
權(quán)利要求
1.一種基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)數(shù)據(jù)獲取:采用電與電磁型近地傳感器獲取土壤表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)ECa，并用GPS記錄每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置； (2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:將步驟(I)得到的ECa數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)合并為矩陣數(shù)據(jù)X，將矩陣數(shù)據(jù)X以文件格式存放于電腦中； (3)矩陣變換:將步驟(2)得到的矩陣數(shù)據(jù)X進(jìn)行主成分變換轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換為一個(gè)中心矩陣數(shù)據(jù)V ； (4)初始采樣位置組獲取:根據(jù)步驟(3)得到的矩陣數(shù)據(jù)X’，采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)獲取初始采樣位置組，記錄初始采樣位置組中每個(gè)采樣點(diǎn)的位置及采樣設(shè)計(jì)的水平值m ； (5)最優(yōu)采樣位置組尋找:對(duì)步驟(4)得到的初始采樣位置組采用迭代運(yùn)算進(jìn)行最優(yōu)采樣位置組尋找，確定最優(yōu)采樣位置組； (6)采樣圖制作:將步驟(5)確定的最優(yōu)采樣位置組中的每個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置制作成野外土壤采樣地圖或輸入電腦，然后結(jié)合GPS定位儀進(jìn)行土壤采樣。
2.如權(quán)利要求1所述的基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，其特征在于，步驟(I)中，所述的土壤表觀電 導(dǎo) 率數(shù)據(jù)ECa為O 0.75m 土層深度的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，其特征在于，步驟(I)中，所述的電與電磁型近地傳感器為近地傳感器EM38。
4.如權(quán)利要求3所述的基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，其特征在于，采用近地傳感器EM38近似網(wǎng)格式獲取水平模式的ECa數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求1所述的基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，其特征在于，步驟(3)中，所述的主成分變換轉(zhuǎn)化方法為:首先將矩陣數(shù)據(jù)X標(biāo)準(zhǔn)化，去除異常值，然后根據(jù)矩陣數(shù)據(jù)X空間上的方差結(jié)構(gòu)去除相關(guān)性，轉(zhuǎn)換為一個(gè)中心矩陣數(shù)據(jù)V。
6.如權(quán)利要求1所述的基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，其特征在于，步驟(4)中，所述的響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)采用中心復(fù)合響應(yīng)設(shè)計(jì)。
7.如權(quán)利要求1所述的基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，其特征在于，步驟(5)的具體步驟為:采用優(yōu)化指數(shù)P來評(píng)判采樣位置是否均分布在樣區(qū)，最優(yōu)采樣位置組中的采樣點(diǎn)需滿足相近位置之間距離最小化、協(xié)方差結(jié)構(gòu)最大化的標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化指數(shù)P的計(jì)算方程如下，如果供<爐O，則返回步驟(4)重新獲取初始采樣位置組，直到則迭代終止，確定最優(yōu)采樣位置組，其中，P0.為優(yōu)化指數(shù)期望值；
8.如權(quán)利要求7所述的基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法，其特征在于，所述φ0∈(0.8，1.2).
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于近地傳感器技術(shù)的土壤采樣方法。利用近地傳感器快速獲取的數(shù)據(jù)，通過主成分變換、去除異常值后，轉(zhuǎn)化為一個(gè)中心、去相關(guān)矩陣。隨后采用中心復(fù)合響應(yīng)設(shè)計(jì)找出曲面響應(yīng)設(shè)計(jì)的最初的候選點(diǎn)的位置，這些位置點(diǎn)僅從統(tǒng)計(jì)學(xué)上滿足中心復(fù)合響應(yīng)設(shè)計(jì)坐標(biāo)位置點(diǎn)的選取。然后根據(jù)相近位置之間距離最小化、協(xié)方差結(jié)構(gòu)最大化的標(biāo)準(zhǔn)采用迭代運(yùn)算確定最優(yōu)位置的篩選，采用優(yōu)化指數(shù)來評(píng)判采樣位置是否均勻分布在樣區(qū)，最后并將帶有坐標(biāo)位置的采樣點(diǎn)以圖形的形式輸出。利用近地傳感器快速獲取的數(shù)據(jù)結(jié)合曲面采樣設(shè)計(jì)可以進(jìn)行土壤肥力高效采樣，快速準(zhǔn)確地獲得最優(yōu)的土壤采樣布局方案，節(jié)約成本，提高采樣布點(diǎn)的效率和代表性。
文檔編號(hào)G01N1/04GK103196698SQ201310090119
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月20日
發(fā)明者史舟, 郭燕, 李艷 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)