[發(fā)明專利]一種土壤水分圖繪制方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011321623.0
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112528555B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓樂然;王春梅;余濤;顧行發(fā)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院;中科空間信息（廊坊）研究院;中科星通（廊坊）信息技術(shù)有限公司
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F111/08
• 代理公司: 北京中創(chuàng)云知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11837
• 代理人: 肖佳

本發(fā)明涉及一種土壤水分圖繪制方法及裝置，通過實測土壤水分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集構(gòu)建一般知識，并利用主成分分析法對多源數(shù)據(jù)反演得到的環(huán)境變量進行降維，結(jié)合實測土壤水分訓(xùn)練數(shù)據(jù)構(gòu)建模糊概率矩陣，結(jié)合軟數(shù)據(jù)點集坐標(biāo)生成軟數(shù)據(jù)；然后將一般知識、軟數(shù)據(jù)以及實測土壤水分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集相結(jié)合，在貝葉斯條件概率規(guī)則下，實現(xiàn)試驗區(qū)土壤水分分布圖的繪制。該技術(shù)方案既綜合了傳統(tǒng)地統(tǒng)計學(xué)方法對參數(shù)變異特性的描述方法，又融合了多源輔助環(huán)境變量，不受參數(shù)分布特性的約束，可以得到細節(jié)信息更為豐富的預(yù)測圖，并在定量化精度指標(biāo)上也有了明顯提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及土壤制圖相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤水分圖繪制方法及裝置。

背景技術(shù)

土壤表層(0-5cm)水分對大氣與陸地之間的能量與物質(zhì)交換起著重要的作用。區(qū)域尺度的土壤水分數(shù)據(jù)，對于農(nóng)業(yè)、氣象等領(lǐng)域都具有重要的實用價值。傳統(tǒng)的烘干法可以提供高精度可靠的土壤水分數(shù)據(jù)，但是其成本過高，且耗時耗力，所以往往僅能在特定實驗中獲取稀疏樣本，所以說完全依靠烘干法獲取區(qū)域尺度的土壤水分信息幾乎是不可行的。

傳統(tǒng)地統(tǒng)計學(xué)方法為區(qū)域尺度的土壤水分信息的獲取提供了一種優(yōu)于確定性插值方法的新思路，其中普通克里格方法(以下簡稱“OK方法”)是最為廣泛應(yīng)用的地統(tǒng)計學(xué)方法之一。OK方法可以通過量化空間變異特性，提供待估計點的線性無偏預(yù)測值。由于該方法缺少輔助數(shù)據(jù)的應(yīng)用，OK方法的準確性受到采樣點密度的較大影響，具有明顯的缺陷。為了突破這種局限，協(xié)同克里格方法和回歸克里格方法嘗試了應(yīng)用比目標(biāo)參數(shù)更易獲取且相對廉價的輔助數(shù)據(jù)參與預(yù)測，這些方法雖然被證明在輔助數(shù)據(jù)與目標(biāo)參數(shù)之間存在強相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)0.75)的情況下可以達到令人滿意的預(yù)測精度，但是該方法受到線性估計器的自身限制且運算過程較為復(fù)雜，其應(yīng)用仍然存在明顯局限性。

基于遙感數(shù)據(jù)的土壤水分反演算法，為稀疏樣本土壤水分測圖提供了一系列有理論支撐的方法，能夠融合非線性相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，而不受數(shù)據(jù)分布特性的限制。以光學(xué)遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將光譜特征變化與土壤濕度聯(lián)系起來，采用簡單但易受天氣條件影響的光學(xué)反演算法。熱紅外法可用于無云條件下裸地或植被稀疏地區(qū)土壤水分制圖。由于微波與電磁輻射譜獲取信息的協(xié)同作用，利用微波遙感數(shù)據(jù)反演方法在裸地土壤水分測圖中也具有良好的應(yīng)用前景。這些方法的操作需要堅實的理論基礎(chǔ)，通常需要在野外實驗中額外測量輔助參數(shù)來驅(qū)動模型，如Dubois模型中的均方根高度和相關(guān)長度，光學(xué)方法中的植被冠層含水量等。盡管一些研究結(jié)合光學(xué)和微波遙感數(shù)據(jù)來實現(xiàn)土壤水分植被區(qū)域制圖,但僅限于光學(xué)近紅外和微波數(shù)據(jù)的融合并且將它們分別應(yīng)用于兩類不同的模型再進行關(guān)聯(lián)。由于算法的物理機制的局限性,一個特定的算法可能只有一種或兩種類型的遙感數(shù)據(jù)融合。也就是說，現(xiàn)有常用的土壤水分反演算法幾乎不可能同時集成光學(xué)、近紅外、熱紅外、微波遙感數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)等各類輔助數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)烘干法盡管可以獲取高精度可靠的土壤水分數(shù)據(jù)，但其成本過高耗時耗力，幾乎無法單獨依靠該方法獲取區(qū)域尺度土壤水分信息。傳統(tǒng)地統(tǒng)計學(xué)方法中的OK方法受到固有線性估計器特性限制，對數(shù)據(jù)高斯分布的約束，以及無輔助數(shù)據(jù)的加入，使其精度受到采樣密度影響較大。傳統(tǒng)地統(tǒng)計學(xué)方法中的協(xié)同克里格以及回歸克里格方法對輔助數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力有限，僅可容納線性相關(guān)性較強的輔助數(shù)據(jù)，且運算形式較為復(fù)雜。遙感反演土壤水分的方法盡管可以容納非線性相關(guān)性的遙感數(shù)據(jù)，但收到模型機理的限制往往某一單獨算法僅可以應(yīng)用一到兩種數(shù)據(jù)，且往往需要在野外試驗過程中額外測量除土壤水分外的其他參數(shù)作為模型驅(qū)動數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

基于現(xiàn)有技術(shù)的上述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種高效且可行性強的制圖方法，可以整合光學(xué)、近紅外、熱紅外等各類非線性相關(guān)性輔助數(shù)據(jù)，在僅有土壤水分參數(shù)稀疏采樣條件下實現(xiàn)土壤水分制圖。

為達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種土壤水分圖繪制方法，包括步驟：

利用實測土壤水分訓(xùn)練數(shù)據(jù)，構(gòu)建表示先驗信息的一般知識；

將多源數(shù)據(jù)進行反演，提取出多源數(shù)據(jù)的主成分，并得到各主成分的權(quán)重因子；