[發(fā)明專利]一種基于類型單元土壤屬性變異幅度效應(yīng)的樣點布設(shè)方法

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• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112765758A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于東升;馬利霞;黃晶晶
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院南京土壤研究所
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06F30/20;G06F16/29
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針對不同幅度區(qū)土壤調(diào)查樣點布設(shè)方法存在的樣點代表性差、樣點數(shù)量與調(diào)查粒度和精度要求關(guān)系不清等問題，本發(fā)明提出了一種基于類型單元土壤屬性變異幅度效應(yīng)的樣點布設(shè)方法，屬于土壤資源調(diào)查研究領(lǐng)域。該方法依據(jù)調(diào)查區(qū)域與土壤屬性目標(biāo)，構(gòu)建實時土壤復(fù)合類型單元矢量圖，并利用復(fù)合類型單元土壤屬性空間變異的幅度效應(yīng)規(guī)律以及特征幅度，將調(diào)查區(qū)劃分成若干獨立樣點布設(shè)區(qū)；再利用相應(yīng)空間變異幅度效應(yīng)模型，以各獨立樣區(qū)復(fù)合類型單元的實際幅度計算土壤屬性空間變異系數(shù)和樣點數(shù)；最后依據(jù)各獨立樣區(qū)復(fù)合類型單元斑塊空間分布格局，隨機均勻布設(shè)土壤調(diào)查樣點，滿足土壤調(diào)查樣點布設(shè)各方面要求，提升土壤調(diào)查質(zhì)量及效率。

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種基于類型單元土壤屬性變異幅度效應(yīng)特征進(jìn)行土壤屬性調(diào)查的樣點布設(shè)方法，具體而言，根據(jù)土壤調(diào)查粒度及精度要求，通過構(gòu)建土壤復(fù)合類型單元矢量圖，并利用復(fù)合類型單元土壤屬性空間變異幅度效應(yīng)規(guī)律以及特征幅度劃分獨立樣點布設(shè)區(qū)，以各獨立樣區(qū)實際幅度距離計算各復(fù)合類型單元不同土壤調(diào)查屬性項空間變異系數(shù)，進(jìn)而計算各復(fù)合類型單元不同土壤屬性項調(diào)查樣點數(shù)，最后依據(jù)各獨立樣區(qū)復(fù)合類型單元斑塊空間分布，隨機均勻布設(shè)土壤調(diào)查樣點的方法，屬于土壤資源調(diào)查研究領(lǐng)域。

二、背景技術(shù)

樣點調(diào)查方案設(shè)計需著重解決樣點代表性、樣點空間位置、樣點密度三個基本問題，其中土壤樣點空間位置和布設(shè)密度最為關(guān)鍵，它要求樣點在區(qū)域地理和屬性空間的全覆蓋，確保樣點代表性并全面反映區(qū)域土壤總體特征。科學(xué)合理的土壤樣點調(diào)查方案設(shè)計方法對提升土壤調(diào)查精度、土壤空間信息數(shù)據(jù)質(zhì)量以及工作效率具有重要意義。土壤調(diào)查樣點方案設(shè)計概括歸納起來主要有2種方式，即傳統(tǒng)的土壤采樣設(shè)計(design-basedsampling strategies，DS)以及基于環(huán)境輔助變量的模型設(shè)計(model-based approach，MA)。

系統(tǒng)或順序隨機抽樣(Systematic random sampling or Sequence randomsampling)是最為簡單的抽樣設(shè)計(DS)方式，常以一定的平面幾何形狀在調(diào)查區(qū)進(jìn)行采樣點布設(shè)。如覆蓋調(diào)查區(qū)的多邊形網(wǎng)格布點方法，以網(wǎng)格中心或交叉點作為采樣點。但人為劃定的網(wǎng)格采樣區(qū)，一方面可能包括多種土壤和土地利用類型，這種不考慮主控因素的無原則采樣設(shè)計方法，雖然能實現(xiàn)地理空間的全覆蓋，但土壤樣點代表性差，難以做到屬性空間全覆蓋，工作效率極低。另一方面，網(wǎng)格大小或樣點間距往往依據(jù)調(diào)查經(jīng)驗及經(jīng)費額度人為擬定，樣點數(shù)量與調(diào)查粒度及精度關(guān)系不清。也有極少數(shù)方法利用公式計算樣點數(shù)，其中t為一定自由度(N-1)和顯著性水平(α)的t值，λ為擬定抽樣調(diào)查與總體之間允許相對偏差(％)。但隨著行政調(diào)查區(qū)擴(kuò)大，當(dāng)調(diào)查區(qū)域空間范圍達(dá)到一定幅度后土壤屬性變異系數(shù)(CV)不再變化，導(dǎo)致縣域、省域、大區(qū)、全國等不同幅度區(qū)域的土壤調(diào)查樣點數(shù)一致。這種單純利用數(shù)理統(tǒng)計算法而忽視區(qū)域分異規(guī)律的做法，顯然不符合地理學(xué)定律，區(qū)域空間由此帶來的調(diào)查結(jié)果偏差簡直難以想象，針對不同幅度區(qū)的土壤調(diào)查樣點的密度計算和布設(shè)問題始終懸而未決。

利用與土壤屬性及其空間變異具有顯著影響或主控作用的環(huán)境輔助變量，如氣候、水文、地形、母質(zhì)、土地利用、植被類型等，依據(jù)環(huán)境輔助變量的數(shù)理或地統(tǒng)計特征信息進(jìn)行樣點方案設(shè)計的方法常被采用，特別在待查土壤屬性先驗信息缺乏的區(qū)域。基于單因素輔助變量的傳統(tǒng)抽樣設(shè)計(DS)方式，如分層隨機抽樣(Stratified random sampling)、整群隨機抽樣(Cluster random sampling)等方法，按輔助變量統(tǒng)計信息進(jìn)行分層、分段、分群，依據(jù)各層、段或群輔助變量變異性確定樣點數(shù)量；輔助變量的變異性越大，樣點數(shù)量越多。基于多因素輔助變量的傳統(tǒng)抽樣設(shè)計(DS)方法，如LHS(Latin HypercubeSampling)，則是運用Monte Carlo抽樣方案，依據(jù)各輔助變量概率分布進(jìn)行隨機分層抽樣，但對實際抽樣數(shù)目并沒有做詳細(xì)規(guī)定，只是一般要求抽樣數(shù)目(u)高于環(huán)境變量數(shù)目(β)，滿足建模樣品自由度(n＝u-β)要求。但無論基于單因素還是多因素環(huán)境輔助變量，這種DS抽樣設(shè)計方式雖然考慮輔助變量屬性空間全覆蓋，但卻弱化了地理空間全覆蓋，基于輔助變量的分層抽樣調(diào)查粒度及精度與樣點布設(shè)密度的關(guān)系問題并未能解決。