耕地土壤养分空间插值与等级划分方法解析

发布时间：2020-11-17 00:31

　　 土壤养分不仅影响作物生长,也影响产量和品质。然而,传统的土壤检测方法多基于随机点位采样,通过实验室化验获取养分含量。这种以“点”代“面”的方式,由于随机性和主观性严重影响了耕地土壤肥力评估的精确性和整体性。精准农业和智慧农业的发展迫切需要实现对土壤养分的客观评价。以遥感RS(Remote Sensing)为代表的对地观测技术和地理信息系统GIS(Geographic Information System)为代表的空间分析技术为土壤养分的快速、高效和定量评价提供了重要的技术保障。本文选取北京市通州区作为研究区,通过收集的402个土壤养分实测点数据,对其进行统计分析和空间插值,并采用ArcGIS Engine二次开发技术,设计土壤养分空间插值软件,实现了五种空间插值算法;基于时序Landsat-7和Landsat-8 OLI影像,提取了地块尺度的耕地空间分布和面积;根据北京市土壤养分等级评价综合指标,实现了地块尺度的土壤养分等级划分。主要研究内容和结论如下:(1)土壤养分空间插值方法比较与软件设计。选取反距离权重法IDW(Inverse Distance Weighted)、普通克里金法OK(Ordinary Kriging)、样条函数法Spline和趋势面法Trend四种插值方法对缓效钾进行空间插值,采用平均误差ME(Mean Square)、均方根误差RMSE(Root Mean Square Error)对插值精度进行评价。其中OK的半变异函数类型选择球面函数,指数函数和高斯函数三种模型,通过比较发现指数函数模型精度高于其他两种模型,RMSE和ME分别为176.71和-1.13。样条函数插值法包含规则样条函数方法和张力样条函数方法,张力样条函数的ME和RMSE最小,分别为0.23和178.89。最终结果表明,OK插值法的RMSE最小,其中指数函数模型插值精度最优。基于ArcGIS Engine框架,搭建了土壤养分空间插值软件,实现IDW、OK、Spline、Trend和自然领域Natural Neighbor五种空间插值算法。其中,OK插值包含了球面、圆、指数、高斯和线性五种插值模型;样条函数包含规则样条函数和张力样条函数两种插值模型;趋势面法采用多项式回归分析,回归类型包含多项式回归和逻辑趋势面两种类型。完成空间插值后,软件还可统计栅格单元值,并包含地图浏览、右键菜单等辅助功能。(2)基于时序Lansat-7和Landsat-8耕地地块遥感提取。基于2009年的Landsat-7和2014、2019年的Landsat-8时序遥感影像,对其进行辐射定标、大气校正、影像融合等预处理基础上,进行ISODATA非监督分类和NDVI计算,通过波段组合构建多源遥感数据,采用CART(Classification and Regression Trees)决策树分类法对其进行土地利用分类。结果表明,2009年、2014年和2019年总体精度分别为83.22%、85.54%和88.57%,Kappa系数分别为0.7774、0.8171和0.8510,可用于做耕地土壤养分等级评价。对分类后的耕地进行面积统计和分析,结果显示,2009年耕地面积为462.37 km~2,2014年的耕地面积为463.907 km~2,五年间耕地面积变化不大,到2019年耕地面积减少至398.433km~2,说明耕地面积变化较大。(3)地块尺度的土壤养分等级划分。根据北京土壤肥料工作站制定的土壤养分综合指数,选取有机质OM(Organic Matter)、全氮TN(Total Nitorgen)、速效磷AP(Available Phosphorus)和速效钾AK(Available Potassium)四个指标进行OK空间插值。利用ArcGIS栅格计算器计算耕地土壤养分综合指数,并用2009年提取的耕地地块作为掩膜,得到研究区土壤养分低、中、高三个等级,其面积占比分别为2.32%、92.02%、5.66%。通过对各乡镇耕地土壤养分及三个等级的耕地面积进行统计。得出西集镇OM含量最高,平均值为19.04 g/kg;马驹桥镇的TN含量最高,平均值为1.09 g/kg;宋庄镇AP含量最高,平均值最大达到70.56 mg/kg;潞城镇的AK含量最高,平均值为162.96 mg/kg。低等级耕地面积占比最大的是漷县镇,面积为6.059 km~2,占全镇的7.05%,占全区的1.31%;中等级耕地面积占比最大的是永乐店镇,面积为65.039 km~2,占全镇的99.3%,占全区的14.06%;高等级耕地面积最大的是潞城镇,面积为8.581 km~2,占全镇的20.39%,占全区的2.59%。本文基于北京市通州区耕地土壤养分样点数据和Landsat-7/Landsat-8遥感数据,通过比较土壤缓效钾SAK(Slowly Available Potassium)空间插值方法,设计了土壤养分空间插值软件;基于时序Landsat-7/Landsat-8遥感数据,提取了研究区的耕地地块;通过计算耕地养分综合指数,对地块尺度的土壤养分进行了空间制图,实现了土壤养分监测的“点”到“面”的空间扩展。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S158;TP79
【部分图文】：

第二章材料与方法8第二章材料与方法2.1研究区概况2.1.1地理位置通州区地处北纬39°36′~40°02′，东经116°32′~116°56′，与顺义区、朝阳区和大兴区接壤，见图2.1。作为环渤海经济圈中的核心枢纽部位，与北京中央商务区（CBD）相邻，距离国贸中心13km，首都机场16km[46]，素有“一京二卫三通州”之称。图2.1北京通州区区位图Fig.2.1LocationMapofTongzhouDistrict,Beijing

安徽大学硕士学位论文9图2.2通州区行政区划Fig.2.2AdministrativeDivisionofTongzhouDistrict2.1.2水文气候通州区属于典型的温带大陆性半湿润季风气候。雨热同季，但是各个季节降水分配不均，七八月份降水较为集中，年均降水量为620.9mm，常年发生春旱、夏涝。全年最高气温极端下可达40.3℃，最低气温极端情况下可达-21℃，1月份为最冷月，月平均气温为-5.1℃，7月份为最热月，月平均气温为25.7℃，，无霜期190天左右。2.2数据获取所选数据类型及来源分两个部分：（1）遥感数据源，北京通州区DEM数据从地理空间数据云下载，从USGS平台下载用于分类的2009年、2014年和2015年北京通州区遥感影像，选取2009年4月7号、2014年5月15号和2019年5月13号的影像，此时间段耕地信息较为明显。由于Landsat-8OLI2103年发射，因此2009年影像采用Landsat-7ETM+，2014年和2019年影像采用Landsat-8OLIlevel-1。Landsat陆地卫星各传感器参数如表2.1和表2.2所示。（2）土壤养分样点数据，由北京农业信息技术研究中心采样整理后提供。

创建项目Fig.3.5Createproject
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