專利名稱：基于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的土壤采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壤采樣方法，尤其是涉及一種基于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的土壤采樣方法。
背景技術(shù)：
合理的土壤采樣方法是進(jìn)行土壤科學(xué)管理和合理施肥的基礎(chǔ)，是精確農(nóng)業(yè)實(shí)施的前提。以最小的采樣數(shù)目來達(dá)到最大的預(yù)測精度是土壤采樣的目的。土壤特性的空間變異性可以通過采集的樣品信息對(duì)未采樣點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，這種預(yù)測的可靠性依賴于最初的采樣是否具有代表性及是否有效地描述了田塊的變異性。土壤采樣方法的合理與否直接關(guān)系到空間變異特性的表達(dá)。常見的土壤采樣方法可以歸結(jié)為兩大類=Fisher創(chuàng)立的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間采樣法。經(jīng)典的采樣方法簡單易行、應(yīng)用廣泛，但是通常需要大量的樣點(diǎn)才能全面準(zhǔn)確地獲取土壤性狀的空間分布特征，采樣成本高，效率低。空間采樣方法借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)的支持，考慮到空間自相關(guān)性來設(shè)計(jì)采樣方法。且隨著數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和 現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展，為推測土壤性狀的空間變異提供了越來越多的輔助數(shù)據(jù)，如遙感數(shù)據(jù)，高程模型數(shù)據(jù)等。土壤采樣方法一直是土壤學(xué)家研究的熱點(diǎn)，CiPra等(1972)比較了有機(jī)質(zhì)、磷等幾種土壤肥力特性指標(biāo)，在同樣的誤差和置信區(qū)間水平上，由于不同土壤肥力變異性的不同，所需要的采樣數(shù)目也不同。Black等(1993)在代表性土壤樣本的選擇和采集方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和探討。隨著地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的深入發(fā)展和在土壤學(xué)科中的廣泛應(yīng)用，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的有關(guān)方法和理論來設(shè)計(jì)和優(yōu)化采樣策略受到越來越多的關(guān)注。McBratney和Webster (1983)利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中克里格插值得到的土壤采樣效率較傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法高出13 9倍。Brus等(1999)利用分層簡單隨機(jī)采樣法對(duì)土壤中速效磷平均含量進(jìn)行預(yù)測，并利用變異函數(shù)評(píng)價(jià)了采樣的精度。Ferreyar等(2002)利用半方差函數(shù)和空間退火模擬算法來減少土壤水的采樣數(shù)目，與規(guī)則格網(wǎng)和隨機(jī)采樣模式相比，具有較高的預(yù)測精度。Wang等(1998)利用規(guī)則網(wǎng)格采樣、隨機(jī)采樣、分層采樣三種采樣方法和三種不同的樣本大小來研究采樣模式和密度對(duì)土壤中污染物的空間結(jié)構(gòu)特征的影響，發(fā)現(xiàn)樣本大小和采樣方法都對(duì)經(jīng)驗(yàn)半方差函數(shù)有重要影響，同樣的樣本大小，規(guī)則網(wǎng)格采樣的預(yù)測精度最高。國內(nèi)姜城等(2001)對(duì)土壤合理采樣數(shù)量做了研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)部分土壤養(yǎng)分都有較為良好的半方差結(jié)構(gòu)，在平衡取樣成本和精度的前提下必須考慮土壤養(yǎng)分的空間變異程度。利用較易獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤空間變異性的表達(dá)，可以節(jié)省人力、物力、財(cái)力。如利用EM38快速獲取的土壤表觀電導(dǎo)率數(shù)據(jù)、高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)等。史舟等(2007)研究了土壤體積電導(dǎo)率在濱海鹽土區(qū)的空間變異和采樣方案。而利用方差四叉樹法借助較易大面積獲取的高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤采樣方法的研究尚未見報(bào)道。這種優(yōu)化的采樣方式可以快速準(zhǔn)確地獲得最優(yōu)的土壤采樣布局方案，以較少的樣品獲得較高的預(yù)測精度，其采樣效率比網(wǎng)格法高約17 44%，節(jié)省了采樣成本，提高了采樣布點(diǎn)的合理性和代表性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的土壤采樣方法，借助易大面積獲取的高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤采樣。本發(fā)明的技術(shù)方案是
(I)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理通過公式從高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取后向散射系數(shù)指數(shù)，以文件的形式存放；(2)區(qū)層的劃分將提取的后向散射系數(shù)置于一個(gè)矩形框內(nèi)，分成四個(gè)面積相等的區(qū)層h;(3)計(jì)算區(qū)層內(nèi)的半方差值對(duì)每一個(gè)區(qū)層均計(jì)算出半方差值CK ;(4)最大方差值區(qū)層的尋找找出步驟(3)中四個(gè)面積相等的區(qū)域中半方差值(K最大的區(qū)層，再將其分的區(qū)層為四個(gè)面積相等的區(qū)層；(5)分割終止對(duì)步驟(4)中劃分的四個(gè)面積相等的區(qū)層重復(fù)步驟(3)直到達(dá)到某一給定的迭代次數(shù)，或者直到半方差值的最大值小于某一閾值e ;設(shè)1為迭代次數(shù)，那么在第i個(gè)迭代時(shí)，所劃分的總的區(qū)層數(shù)為Iii = 3i+l ；(6)采樣方法在劃分出的Iii區(qū)層內(nèi)，采樣點(diǎn)的位置是隨機(jī)的，或者布設(shè)于中心；(7)采樣圖制作將每個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置和高分衛(wèi)星遙感圖像一起制作成野外土壤采樣地圖或輸入到手持電腦上，然后結(jié)合GPS定位儀進(jìn)行土壤采樣。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明利用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合方差四叉樹法進(jìn)行土壤采樣，可以快速準(zhǔn)確地獲得最優(yōu)的土壤采樣布局方案，節(jié)省采樣成本，提高采樣布點(diǎn)的合理性和代表性。比傳統(tǒng)的網(wǎng)格采樣效率提高17 44%左右，為精確農(nóng)業(yè)管理提供了一種可行的方案。


圖I是層內(nèi)最大方差與分層數(shù)之間的關(guān)系圖。圖2是方差四叉樹法采樣方法結(jié)果圖。圖3是傳統(tǒng)網(wǎng)格采樣與四叉樹法采樣方法標(biāo)準(zhǔn)誤差比較圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。選取浙江省上虞市西北地區(qū)、杭州灣南岸的海涂實(shí)驗(yàn)農(nóng)場作為研究區(qū)域。選取2011年11月21日過境的AL0S/PALSAR高分雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)(空間分辨率12. 5米)用于后向散射系數(shù)提取。(I)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理AL0S/PALSAR L波段HH極化圖像的后向散射系數(shù)o0(dB)通過公式(I)由圖像的象元DN值得到，后向散射系數(shù)柵格圖像數(shù)據(jù)以文件的形式存放；O 0 = IO^log10(DN)2+ e(I)式中，e是雷達(dá)定標(biāo)系數(shù)，對(duì)于ALOS/PALSAR Level I. 5數(shù)據(jù)e = -83. O0(2)區(qū)層的劃分將提取的研究區(qū)雷達(dá)后向散射系數(shù)柵格數(shù)據(jù)置于一個(gè)矩形框內(nèi)，分成四個(gè)面積相等的區(qū)層h ;(3)計(jì)算區(qū)層內(nèi)的半方差值對(duì)每一個(gè)區(qū)層按照公式(2)計(jì)算出半方差值；
權(quán)利要求
1.一種基于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的土壤采樣方法，其特征在于該方法的步驟如下 (1)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理通過公式從高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取后向散射系數(shù)指數(shù)，以文件的形式存放； (2)區(qū)層的劃分將提取的后向散射系數(shù)置于一個(gè)矩形框內(nèi)，分成四個(gè)面積相等的區(qū)層h ； (3)計(jì)算區(qū)層內(nèi)的半方差值對(duì)每一個(gè)區(qū)層均計(jì)算出半方差值； (4)最大方差值區(qū)層的尋找找出步驟(3)中四個(gè)面積相等的區(qū)域中半方差值最大的區(qū)層，再將其分的區(qū)層為四個(gè)面積相等的區(qū)層； (5)分割終止對(duì)步驟(4)中劃分的四個(gè)面積相等的區(qū)層重復(fù)步驟(3)直到達(dá)到某一給定的迭代次數(shù)，或者直到半方差值的最大值小于某一閾值e ;設(shè)/為迭代次數(shù)，那么在第i個(gè)迭代時(shí)，所劃分的總的區(qū)層數(shù)為ni=3i+l ； (6)采樣方法在劃分出的n,.區(qū)層內(nèi)，采樣點(diǎn)的位置是隨機(jī)的，或者布設(shè)于中心； (7)采樣圖制作將每個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置和高分衛(wèi)星遙感圖像一起制作成野外土壤采樣地圖或輸入到手持電腦上，然后結(jié)合GPS定位儀進(jìn)行土壤采樣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的土壤采樣方法。采集研究區(qū)的高分衛(wèi)星遙感影像，計(jì)算相關(guān)指數(shù)的柵格數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)置于一個(gè)矩形框內(nèi)，然后分成四個(gè)相等面積的區(qū)層，計(jì)算每一個(gè)區(qū)層內(nèi)的半方差平均值，找出半方差值最大的區(qū)層繼續(xù)四分，隨著迭代次數(shù)增加，最大方差值迅速減小，隨后減少的幅度變小，直到達(dá)到某一給定的迭代次數(shù)或者最大半方差值小于給定的閾值(對(duì)應(yīng)于采樣誤差限制)。最后，采樣區(qū)被劃分為許多面積大小不一但屬性差異相對(duì)均一的區(qū)層，每個(gè)區(qū)層即為一個(gè)土壤采樣單元。利用高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合方差四叉樹法進(jìn)行土壤采樣方法，可以快速準(zhǔn)確地獲得最優(yōu)的土壤采樣布局方案，節(jié)省采樣成本，提高采樣布點(diǎn)的合理性和代表性。
文檔編號(hào)G01N1/04GK102645350SQ201210060278
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者史舟, 周煉清, 周銀, 郭燕 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)