[發(fā)明專利]一種基于HASM模型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量三維估算方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110370512.7
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號(hào): CN113176393B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史文嬌;岳天祥;杜正平;張沫;趙娜;李家英;李啟權(quán);王宗明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所
• 主分類號(hào): G01N33/24
• 分類號(hào): G01N33/24;G06F30/20;G06T17/00
• 代理公司: 北京文慧專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11955
• 代理人: 戴麗偉

本發(fā)明提供了一種基于HASM模型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量三維估算方法及系統(tǒng)，進(jìn)一步完善并發(fā)展了現(xiàn)有數(shù)字土壤制圖技術(shù)中的HASM模型。通過結(jié)合土壤深度信息，對多層土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行比例分配，可以實(shí)現(xiàn)對不同深度的土壤有機(jī)碳密度同時(shí)模擬，克服以前的HASM需逐一模擬不同深度土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量的問題；通過土壤有機(jī)碳密度隨不同深度變化的指數(shù)函數(shù)類型與地表分類信息聯(lián)合控制，建立高精度三維土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量空間估算模型，解決大尺度三維土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的空間估算誤差問題。該方法不僅可為準(zhǔn)確掌握大尺度區(qū)域復(fù)雜地表環(huán)境下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量三維空間分布提供可靠的模擬方法，也可為土壤質(zhì)量評(píng)估、農(nóng)田生態(tài)管理和氣候變化適應(yīng)與減緩提供科學(xué)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)字化土壤制圖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于HASM模型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量三維估算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最豐富的碳庫，其動(dòng)態(tài)變化和存儲(chǔ)分布在土壤質(zhì)量評(píng)估、農(nóng)田生態(tài)管理和氣候變化適應(yīng)與減緩等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的準(zhǔn)確評(píng)估通常取決于土壤有機(jī)碳密度，其微小變化會(huì)顯著影響大氣中二氧化碳的濃度，從而進(jìn)一步影響全球碳循環(huán)和生態(tài)平衡。因此對土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行精細(xì)預(yù)測對于更好的評(píng)估區(qū)域甚至全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和理解生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)至關(guān)重要。此外，土壤有機(jī)碳是景觀中的三維實(shí)體，應(yīng)更注意其垂直分布。其空間預(yù)測不僅應(yīng)停留在表層，深層同樣擁有大量的碳儲(chǔ)量，且與評(píng)估總土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量相比，各層儲(chǔ)量更為重要。表層土壤有機(jī)碳對地表徑流、水分滲透、侵蝕控制和土壤耕作起著顯著作用；而亞表層土壤碳動(dòng)態(tài)比表層慢7倍。因此，更好地表述不同層土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量的空間分布很有必要。此外，明確不同地表類型上土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在不同土壤深度的差異，可以更好理解土壤有機(jī)碳的垂直分布，從而有助于理解深層碳如何轉(zhuǎn)化為碳源或碳匯。

基于數(shù)字化土壤制圖，結(jié)合多種環(huán)境信息可實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)碳相關(guān)屬性的三維制圖。研究人員通常擬合土壤有機(jī)碳密度與土壤深度的函數(shù)以實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量的三維預(yù)測；此外，結(jié)合土壤深度作為協(xié)變量的地統(tǒng)計(jì)一步法模型也得到了廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算方法存在以下缺陷。第一，對于函數(shù)擬合方法來說，各層獨(dú)立建模忽略了不同深度之間的關(guān)系及其相互作用；第二，建模過程中，若將不同的環(huán)境協(xié)變量應(yīng)用于不同的深度區(qū)間，會(huì)使模型解釋更加困難；第三，并非所有采樣點(diǎn)都隨深度遵循同一衰減模式，且任一層的屬性值都會(huì)影響總體擬合效果；第四，對于使用土壤深度作為協(xié)變量的三維建模方法，存在不確定性較大、精度較低、無法生成現(xiàn)實(shí)預(yù)測的問題。因此，建立充分利用土壤深度信息，并考慮各層之間的非線性關(guān)系以及地表分類信息的融合方法，有助于解決上述問題，進(jìn)一步提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算精度。

高精度曲面建模(High Accuracy Surface Modeling，HASM)方法是近年來發(fā)展起來的用于地理信息系統(tǒng)和生態(tài)建模的一種基于微分幾何學(xué)曲面理論的曲面建模方法。20世紀(jì)50年代初以來，相繼誕生了諸如克里格法、樣條函數(shù)法、不規(guī)則三角網(wǎng)法、反距離加權(quán)法、趨勢面分析和生態(tài)環(huán)境要素逼近等各種經(jīng)典曲面建模方法。20世紀(jì)80年代以來，曲面建模被廣泛用于分析和認(rèn)識(shí)地球表層過程的空間現(xiàn)象，誤差問題是其面臨的主要挑戰(zhàn)，而經(jīng)典曲面建模方法的理論缺陷是其誤差問題的主要根源?；谏鲜鰡栴}，岳天祥等將系統(tǒng)論、優(yōu)化控制論和曲面論引入了地球表層系統(tǒng)建模，建立了可有效地合成內(nèi)蘊(yùn)量(微觀過程信息)和外蘊(yùn)量(宏觀格局信息)的高精度曲面建模方法，解決了半個(gè)世紀(jì)以來困擾曲面建模的誤差問題和多尺度問題。HASM已成功應(yīng)用于各種空間尺度地表要素曲面建模，相比于經(jīng)典曲面建模方法，具有較高的精度。

HASM算法基于曲面的第一、二類基本量和高斯方程的差分形式對規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)建立數(shù)值方程。在采樣數(shù)據(jù)的約束下，對正交剖分的均勻格網(wǎng)點(diǎn)采用迭代法進(jìn)行求解，從而獲得高精度的擬合曲面。如果曲面可表達(dá)為z＝U(x，y)，高精度曲面建模基本理論可被表示為：

其中E、G為曲面的第一類基本量，L、N為曲面的第二類基本量。

為了保證采樣點(diǎn)的真實(shí)值與采樣點(diǎn)的估計(jì)值相等或相近，HASM的表達(dá)式可轉(zhuǎn)化為等式約束的最小二乘問題，即：