一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法，采用多地形因子多算法的選擇方法，運(yùn)用了功能測(cè)試策略對(duì)不同的地形因子變量進(jìn)行預(yù)處理與選擇，通過結(jié)合其與土壤屬性的相關(guān)性機(jī)制實(shí)現(xiàn)了繁雜地形因子變量的快速準(zhǔn)確選取，并采用了“評(píng)價(jià)分析為主，相關(guān)分析為輔”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“不同地形因子變量，通用選取機(jī)制；不同依賴關(guān)系，動(dòng)態(tài)因子篩選；評(píng)價(jià)控制策略，算法性能兼顧”的定量化數(shù)字土壤制圖地形因子變量選取體系，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。
【專利說明】一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字土壤制圖(Digital Soil Mapping，簡(jiǎn)稱DSM)是基于環(huán)境協(xié)變量，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行土壤觀測(cè)、土壤知識(shí)推測(cè)土壤類型、屬性時(shí)空演變分析的土壤信息系統(tǒng)，以優(yōu)化土壤調(diào)查與制圖技術(shù)、提高土壤信息服務(wù)質(zhì)量為最終目標(biāo)。傳統(tǒng)土壤調(diào)查與制圖已為各行業(yè)、各學(xué)科提供了大量的信息支持。目前，各行業(yè)迅速膨脹的應(yīng)用需求、日益豐富的技術(shù)手段已對(duì)傳統(tǒng)土壤制圖技術(shù)方法體系提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在近30年里，尤其是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、環(huán)境管理、土地管理、生態(tài)水文模擬等應(yīng)用對(duì)土壤圖的精度及時(shí)效性提出更高的要求。土壤學(xué)理論認(rèn)為土壤自身的性質(zhì)與其地形序列有著某種較強(qiáng)的聯(lián)系，因而土壤信息可以間接地通過地形因子得以表達(dá)。通過對(duì)有限點(diǎn)的采樣，建立環(huán)境因素(如典型地形因子)與土壤類型和屬性之間的關(guān)系模型，如模糊推理、分類樹等，可以快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)該研究區(qū)的土壤類型和屬性。數(shù)字土壤制圖可以預(yù)測(cè)土壤性質(zhì)、土壤種類和其他土壤實(shí)體，預(yù)測(cè)模型可以有機(jī)地與物理意義明確、易獲取的景觀屬性(協(xié)變量)聯(lián)系起來。按照性質(zhì)，協(xié)變量的種類主要有:地貌、地質(zhì)、植被群落、侵蝕模式、水文模式、氣候狀況以及土地利用方式。不同區(qū)域土壤形成本身就是一個(gè)漫長(zhǎng)復(fù)雜的過程，期間土壤形成因素也在不斷變化。因此，土壤屬性的空間變異特征很難用標(biāo)準(zhǔn)的處理流程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。
[0003]目前，面向數(shù)字土壤制圖的常用協(xié)同變量獲取途徑主要有兩大類:基于DEM的地形分析和遙感信息的自動(dòng)解譯。遙感影像提供了景觀的大量有用信息，對(duì)遙感信息的自動(dòng)解譯也是土壤景觀模型研究的重要方面?？焖佾@取土壤各類理化參數(shù)的技術(shù)手段是土壤制圖的重要研究方向，利用土壤本身的光譜特性，可以從空間連續(xù)的遙感觀測(cè)來提取表層裸土土壤水分、屬性分布信息。然而，利用高光譜監(jiān)測(cè)土壤含水量的有效穿透深度有限，僅包含土壤表層幾微米的濕度信息。時(shí)域反射儀(TDR)與頻率反射儀(FDR)是目前最先進(jìn)的土壤含水量測(cè)量?jī)x器，其測(cè)量值與烘干法測(cè)量值尚有一定差異，應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行標(biāo)定。大多數(shù)土壤制圖方法都限制在小區(qū)域，認(rèn)為決定土壤變化的主要景觀因子是地形和水文狀況。水文狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)難以獲取與量測(cè)，DEM則可以為實(shí)際應(yīng)用提供性價(jià)比較高的地形信息，從而成為相關(guān)部門使用頻率最高的數(shù)據(jù)來源。
[0004]DEM包含的只有高程信息,需要借助數(shù)字地形分析(Digital Terrain Analysis,簡(jiǎn)稱DTA)來提取地形協(xié)變量。數(shù)字地形分析是在數(shù)字高程模型(Digital ElevationModel，簡(jiǎn)稱DEM)的基礎(chǔ)上進(jìn)行地形屬性計(jì)算和特征提取的數(shù)字信息處理技術(shù)。數(shù)字高程模型DEM是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model,簡(jiǎn)稱DTM)的一個(gè)分支,其它各種地形特征值均可由此派生。DEM的數(shù)字表示方法有格網(wǎng)、三角網(wǎng)、等高線三種，其中格網(wǎng)方式因其簡(jiǎn)單直觀、存儲(chǔ)方便的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。通常應(yīng)用的協(xié)變量主要包括坡度、坡向、曲率、地形濕度指數(shù)等因子。
[0005]由于數(shù)字地形分析的理論研究迅速發(fā)展，DEM數(shù)據(jù)分辨率日益精細(xì)，面向不同地形特征的地形因子數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致在數(shù)字土壤制圖過程中選擇最優(yōu)地形因子及最優(yōu)算法十分困難，歸納起來有以下幾點(diǎn)局限性:
[0006]( I) 土壤協(xié)變量研究熱點(diǎn)主要集中在土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)提取方法、新的土壤協(xié)變量方面提取、土壤空間推理，其中對(duì)于土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)提取方法還處在定性分析階段，而對(duì)于眾多地形協(xié)變量的建模分析以及量化研究尚未有所涉及。現(xiàn)有數(shù)字地形分析的處理模式多從單一視角出發(fā)，未從整體上對(duì)數(shù)據(jù)、物理意義、土壤屬性空間分布進(jìn)行綜合整合，也未見有全面探討三者之間相互關(guān)系及量化模型的研究成果，這就使得普通使用者很難把握如何根據(jù)地形因子在實(shí)際應(yīng)用過程中建立量化模型并達(dá)到效率最大化的目的，在一定程度上制約了數(shù)字土壤制圖技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
[0007](2)數(shù)字土壤制圖的實(shí)施仍然依賴已有的土壤調(diào)查和知識(shí)。反之，歷史數(shù)據(jù)也需要借助全新的地形協(xié)變量來提高制圖效率和降低制圖成本。如何借助已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源、豐富的地形因子提取方法、龐雜的歷史土壤數(shù)據(jù)建立最優(yōu)的土壤時(shí)空演變定量模型仍是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。
[0008](3)地形協(xié)變量的選擇對(duì)制圖的結(jié)果影響非常大，而且單一的降維操作不能準(zhǔn)確選擇不同計(jì)算方法與不同地形因子的最優(yōu)集合，預(yù)測(cè)不同的土壤屬性需要選擇不同的地形變量。地形分析結(jié)果的精度依賴于DEM的精細(xì)程度，較為精細(xì)的DEM能夠提取較為精確的地形因子，然而，超高分辨率(0.5m)的DEM未必最優(yōu)。因此，土壤制圖過程中如何選擇特定尺度最優(yōu)地形因子組合也已彰顯出其特有的重要性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于功能測(cè)試與量化處理進(jìn)行地形協(xié)同變量選取的面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法。
[0010]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法，包括如下步驟:
[0011]步驟01.針對(duì)各個(gè)土壤樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)地形因子變量Viij進(jìn)行預(yù)處理，使其符合正態(tài)分布；其中，I≤i≤m，I≤j≤IIi, m為地形因子的種類數(shù),IIi為對(duì)應(yīng)第i種地形因子的計(jì)算方法的數(shù)量；
[0012]步驟02.針對(duì)經(jīng)步驟01處理后的各個(gè)地形因子變量Vi;j與各個(gè)土壤樣本點(diǎn)的土壤屬性數(shù)據(jù)slmg，lati分別進(jìn)行單地形因子多算法的皮爾遜相關(guān)性分析，分別獲得各種地形因子對(duì)應(yīng)其各種計(jì)算方法與該土壤樣本點(diǎn)的土壤屬性數(shù)據(jù)2Slmg，lati之間的相關(guān)性結(jié)果Priij,并分別構(gòu)成各種地形因子對(duì)應(yīng)其各種計(jì)算方法與土壤屬性數(shù)據(jù)SSlmg，lati之間的相
關(guān)性集合 Pri = (prhl，…,pru,…,PTiitti) ?
[0013]步驟03.分別針對(duì)各種地形因子對(duì)應(yīng)其各種計(jì)算方法與土壤屬性數(shù)據(jù)SSlmgaati之間的相關(guān)性集合prt = (pritl?...,pru,,..*,prh%)中的各個(gè)相關(guān)性結(jié)果Pri,」,分別米用如下公式(I)進(jìn)行評(píng)價(jià):
【權(quán)利要求】
1.一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法，其特征在于，包括如下步驟:步驟01.針對(duì)各個(gè)土壤樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)地形因子變量Vu進(jìn)行預(yù)處理，使其符合正態(tài)分布；其中，I≤i≤m，I≤j≤Iii,!!!為地形因子的種類數(shù)，IIi為對(duì)應(yīng)第i種地形因子的計(jì)算方法的數(shù)量； 步驟02.針對(duì)經(jīng)步驟01處理后的各個(gè)地形因子變量Viij與各個(gè)土壤樣本點(diǎn)的土壤屬性數(shù)據(jù)Slmg，lati分別進(jìn)行單地形因子多算法的皮爾遜相關(guān)性分析，分別獲得各種地形因子對(duì)應(yīng)其各種計(jì)算方法與該土壤樣本點(diǎn)的土壤屬性數(shù)據(jù)Σ Slongaati之間的相關(guān)性結(jié)果并分別構(gòu)成各種地形因子對(duì)應(yīng)其各種計(jì)算方法與土壤屬性數(shù)據(jù)2Slmg，lati之間的相關(guān)性集合
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法，其特征在于:所述步驟02中按照如下公式:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法，其特征在于:所述步驟04中.按如下公式(4)進(jìn)行降維操作，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向數(shù)字土壤制圖的地形協(xié)同變量選取方法，其特征在于，所述膨脹系數(shù)λ通過如下步驟進(jìn)行預(yù)設(shè): 步驟a.獲取所述各種地形因子的平均值mean,初始nmean = O ；
mean , 步驟b.迭代計(jì)算~10 > 1是否成立，若成立，則nmean的數(shù)值加I并賦值給參數(shù)nmean ；mean的數(shù)值除以10并賦值給參數(shù)mean,繼續(xù)執(zhí)行本步驟,直到判斷條件不成立；
mean 步驟C.判斷1^<1是否成立，若成立則計(jì)算結(jié)束，λ = IOraiean0
【文檔編號(hào)】G06T11/00GK103955953SQ201410161504
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】張甘霖, 宋效東, 趙玉國, 劉峰, 李德成, 楊金玲 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院南京土壤研究所