[發(fā)明專利]一種基于近地傳感器技術的土壤采樣方法

有效

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• 申請日: 2013-03-20
• 公開（公告）號: CN103196698A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設計）人: 史舟;郭燕;李艷
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N1/04
• 分類號: G01N1/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

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的土壤采樣方法。

背景技術

對土壤肥力及其空間分布的準確認識，是充分、合理、持久地利用土壤資源的基礎。由于不可能測得區(qū)域內所有位置的土壤肥力特性，采樣調查便成為獲取土壤肥力信息及其空間分布的基本方法。采樣設計直接影響到利用樣點進行土壤制圖的精度，因而成為土壤采樣調查中的關鍵環(huán)節(jié)，也是國內外相關領域的研究熱點。目前，常用于土壤肥力空間分布推測制圖的采樣方法包括經典采樣方法和基于地統(tǒng)計學的空間采樣方法。經典采樣方法通常假定采樣區(qū)土壤性質的空間變異是隨機的，樣本之間完全獨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，用標準差、變異函數(shù)和置信區(qū)間來表征估計精度。經典采樣簡單易行，應用廣泛，但這類采樣方法通常需要大量樣點才能全面準確地獲取土壤性狀的空間分布特征，受資金、時間和人力資源的限制。另外，研究表明許多土壤性質的空間變異并非完全隨機，在不同尺度上都呈現(xiàn)出一定的空間結構，具有明顯的空間自相關性（Burgess等，1980；Webster，1985），而經典的土壤采樣方法由于未考慮土壤性狀的空間自相關性，往往難以避免局部樣點冗余和局部樣點密度無法滿足制圖精度的情況。

基于地統(tǒng)計學的空間采樣方法通過建立待測土壤要素的變異函數(shù)，根據克立格估計方差進行采樣數(shù)量的優(yōu)選，并利用克立格插值方法獲得待推測土壤要素在空間的連續(xù)性分布。相比經典采樣方法，在一個既定的置信水平上，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。許多研究者曾應用地統(tǒng)計學理論和方法研究土壤肥力的空間變異和空間相關性，并在土壤制圖中進行土壤肥力的局部估計和采樣方案設計（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)計學的空間采樣方法仍存在一些問題：（1）采樣方案的設計依賴于變異函數(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)空間自相關信息，或者從相關文獻中找到一些相似變量的信息，進行一個初步采樣勘測采集部分樣本，根據這些樣本獲取變異函數(shù)的初步信息并以此進一步修改采樣方案（Flatman等，1984；張仁鐸，2005）。但無論采用哪種建議，都會使采樣設計要么流于繁瑣，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Oliver（1992）的研究表明：如果變異是各向同性的，需要100-150個樣點才能建立有效的變異函數(shù)，如果變異是各向異性的，由于要計算不同方向上的變異函數(shù)，則至少需要250個采樣點。Stein等（1998）研究表明，隨著樣本數(shù)減少，普通克立格法對土壤性質的預測精度顯著降低。這些研究說明，當樣本較小時，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)的建立需滿足兩個假設：二階平穩(wěn)假設和本征假設，而這兩個假設在復雜的實際野外條件下經常很難得到滿足。

可見，盡管相比于經典采樣方法，基于地統(tǒng)計學的空間采樣方法在采樣成本和效率方面具有一定優(yōu)勢，但在不具備研究區(qū)域的先驗知識時，只能通過實地采樣來獲取樣點，此時樣本點的設計仍要依賴于經典采樣（姚榮江等，2006）。計算變異函數(shù)的實測樣本數(shù)到底需要多少，這是引起廣泛爭議的問題。盡管一般認為樣點數(shù)據越多計算出的變異函數(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)間公式在此不能應用，除非采樣本身就是為此目的設計的（Webster和Oliver，2001）。另外，如果某土壤屬性同時在多個空間尺度上存在變異，那么如何設計采樣方案？這些都是目前較多討論的問題。

近年來，數(shù)據獲取技術和現(xiàn)代信息技術的發(fā)展為推測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，如土壤表征電導率（ECa）、遙感影像、高光譜數(shù)據、高精度數(shù)字高程模型等。這些輔助環(huán)境數(shù)據一般與土壤特性具有較好的相關性，可以用來推測待測土壤性質的空間分布并輔助空間采樣設計。尤其是利用EM38大地電導儀獲取的土壤ECa，數(shù)據獲取快速，質量可靠，且常常可以與多個影響土壤生產力的參數(shù)（如鹽分、土壤質地、土壤含水量等）建立直接或間接的函數(shù)關系，在過去20年來受到越到越多的關注（Johnson等，2003；Corwin和Lesch，2003）。