濱海鹽土三維土體電導(dǎo)率空間變異及可視化研究.pdf

1、土地鹽堿化是在自然、人為因素綜合作用下鹽堿成分在土壤中超量富集而形成的土地退化。土地鹽堿化引起土壤理化性狀的改變，削弱和破壞了土地生物生產(chǎn)力，其嚴(yán)重后果是破壞了生態(tài)平衡，改變了自然環(huán)境，導(dǎo)致大面積土地資源的喪失，直接威脅生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。土壤鹽堿化和次生鹽堿化問題在世界范圍內(nèi)廣泛存在，據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計(jì)，全世界鹽堿地面積為9.54億hm2。土壤鹽堿化和次生鹽堿化問題，已經(jīng)成為世界灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的資源制

2、約因素。我國各類鹽堿地面積總計(jì)達(dá)9913.3萬hm2，西北、華北、東北西部和濱海地區(qū)都有分布，改造治理及合理開發(fā)利用這些資源，是中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，也對改善生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有特別重要意義。在日益注重效率與效益的今天，土壤資源利用領(lǐng)域迫切需要高新技術(shù)的引進(jìn)，利用實(shí)用、具有較高精度的田間土壤鹽分測量技術(shù)快速測定土壤鹽分，采取現(xiàn)代化的空間信息技術(shù)和手段，對鹽堿土壤利用進(jìn)行科學(xué)合理的精確管理。

3、 自70年代國際學(xué)術(shù)界提出研究空間變異性以來，土壤的空間變異特性一直是人們共同關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn)。土壤是一個(gè)三維自然空間實(shí)體，各方向上很短的距離內(nèi)土壤屬性變異也非常大，但是目前土壤空間變異特性研究主要集中在水平方向上。即使是以土壤屬性三維變異特性描述為研究目的，也僅僅局限于用一系列水平層來描述土壤不同深度土層的屬性變化，沒有考慮上下層之間的相互影響。有研究表明，埋深3m內(nèi)的含鹽地下水都能通過毛管作用上升到地表積鹽。鹽堿地普遍存在鹽堿重，

4、返鹽強(qiáng)烈，鹽分垂直變化明顯等問題，造成土壤產(chǎn)出率低且不穩(wěn)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不高。因此，研究鹽堿土壤鹽分的空間變異，特別是三維土體鹽分的空間變異不僅具有理論價(jià)值，豐富三維空間變異插值理論和方法；而且具有一定的應(yīng)用價(jià)值，定量化的信息正是精確農(nóng)業(yè)開展、實(shí)施不可或缺的基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。 三維可視化表達(dá)是生動(dòng)地傳遞真實(shí)三維信息的一種重要方式，相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)表達(dá)技術(shù)，三維可視化表達(dá)能夠更加清楚的反映復(fù)雜數(shù)據(jù)集的一個(gè)總體概況，有助于鑒定和分析數(shù)

5、據(jù)可能的結(jié)構(gòu)和模式。因此采用該技術(shù)能更加準(zhǔn)確地表示和描述這種復(fù)雜的三維空間上的土壤屬性空間變異情況，同時(shí)三維可視化也是3D GIS的重要組成部分，是許多地學(xué)家和計(jì)算機(jī)專家一直探索的課題。 三維離散分布的空間數(shù)據(jù)是進(jìn)行土壤屬性三維特性變異研究的基礎(chǔ)。而傳統(tǒng)的侵入式剖面電導(dǎo)率采集方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)用高且不能重現(xiàn)。因此，急需一種非入侵式的廉價(jià)而且便捷的剖面采樣技術(shù)，通過EM38(Geonics Limited，Mississauga，

6、Ont，Canad)非接觸的方式獲取土壤剖面電導(dǎo)率被認(rèn)為是當(dāng)前最有潛力的方法，但該方法在國內(nèi)的應(yīng)用研究還較少。 因此，本研究選擇位于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)，沿著電導(dǎo)率三維離散數(shù)據(jù)的獲取到三維空間變異研究這條主線：首先采用EM38獲取剖面十壤電導(dǎo)率，作為后續(xù)三維空間變異研究的數(shù)據(jù)源；然后開展二維空間變異、三維空間隨機(jī)模擬的不確定性分析和作物種植風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等研究工作；最后，將新開發(fā)的功能模塊集成到自主

7、的農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)軟件中。本研究具體研究成果概述如下： (1)基于EM38的土壤剖面電導(dǎo)率預(yù)測研究經(jīng)校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地表空氣溫度、剖面土壤溫度、剖面十壤水分含量等因子對EM38測量土壤表征電導(dǎo)率(Apparent Soil Electrical Conductivity，ECa)的影響非常小。本研究區(qū)，認(rèn)為土壤鹽分是影響ECa測量的主導(dǎo)因子。在土壤剖面上，EM38水平模式表征電導(dǎo)率(記為ECh)和垂直模式表征電導(dǎo)率(記為ECv)、

8、EC1:5電導(dǎo)率、ECb(Bulk ElectricalConductivity)電導(dǎo)率之間具有較好的相關(guān)性，建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍茌^好的預(yù)測土壤剖面電導(dǎo)率。但是在同一研究區(qū)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茝V時(shí)還是需要進(jìn)行進(jìn)一步校正，因此非常有必要引進(jìn)更加通用的剖面電導(dǎo)率預(yù)測方法。利用 EM38在地表不同高度測量的ECa，再采用線性、非線性響應(yīng)模型結(jié)合Tikhonov正則化反演土壤剖面電導(dǎo)率，這種基于電磁物理學(xué)原理的方法能較好的解決上述問題，更具推廣性。研究結(jié)果

9、表明，線性模型和非線性模型的平均預(yù)測誤差分別為38.44％和24.26％，非線性模型的精度相對更高。 (2)濱海鹽土三維土體電導(dǎo)率空間變異及可視化研究利用EM38在地表不同高度獲取的表征電導(dǎo)率，采用預(yù)測精度更高的EM38電導(dǎo)率非線性響應(yīng)模型結(jié)合Tikhonov正則化方法反演土體0～1.1m深度范圍10個(gè)土層深度的電導(dǎo)率作為三維空間變異研究的數(shù)據(jù)源。首先按照一定的水平和垂直搜索規(guī)則，分別單獨(dú)分析電導(dǎo)率水平、垂直方向的半方差，然后聯(lián)

10、合這兩個(gè)方向上的半方差組成三維半方差套合模型來描述土壤電導(dǎo)率的空間相關(guān)性結(jié)構(gòu)。研究表明，在本研究中水平方向和垂直方向電導(dǎo)率空間相關(guān)性結(jié)構(gòu)的半方差函數(shù)模型都不存在各向異性，岡此建立一個(gè)各向同性六參數(shù)特例模型來描述研究區(qū)土壤電導(dǎo)率三維空間變異結(jié)構(gòu)。通過聯(lián)合水平、垂直半方差模型，構(gòu)建包含一個(gè)各向同性塊金效應(yīng)模型和三個(gè)球狀模型的三維各向同性半方籌套合模型能較好的描述土壤電導(dǎo)率空間變異結(jié)構(gòu)。采用三維普通克立格方法進(jìn)行三維土體電導(dǎo)率空間插值，實(shí)現(xiàn)了

11、電導(dǎo)率在三維空間上的連續(xù)表達(dá)。通過比較預(yù)測結(jié)果的均方根誤差、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差、預(yù)測值和實(shí)測值之間的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，三維克立格法相比二維克立格法的預(yù)測精度有較大提高。利用VRML語言構(gòu)建三維土體電導(dǎo)率虛擬現(xiàn)實(shí)模型，實(shí)現(xiàn)三維土體電導(dǎo)率的可視化表達(dá)，有利于更好的分析土壤電導(dǎo)率的空間分布特征和變化趨勢。最后，將研究結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。 (3)三維土體電導(dǎo)率空間分布的不確定性分析及作物種植風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)為了對研究區(qū)土壤管理決策予以指導(dǎo)和適種作物類型給予建議，以

12、非線性模型預(yù)測的剖面電導(dǎo)率作為數(shù)據(jù)源。①采用序貫高斯模擬方法模擬不同深度土層土壤電導(dǎo)率的空間分布情況。結(jié)果表明，克立格法具有一定的“平滑”效應(yīng)，減少了數(shù)據(jù)的變異性，而序貫高斯模擬結(jié)果突出了原始數(shù)據(jù)分布的波動(dòng)性。序貫高斯模擬在符合一定的概率分布和“尊重”原始實(shí)測數(shù)據(jù)的同時(shí)，保持特定的空間相關(guān)結(jié)構(gòu)，且相比克立格方法預(yù)測精度有所提高。通過不同土層電導(dǎo)率疊加這種不考慮上下層電導(dǎo)率相互影響的方法也能較好的表達(dá)三維空間上土壤電導(dǎo)率的空間變異情況；但

13、局部還是出現(xiàn)明顯跳躍。②將ECe為400mS/m做為重度鹽化和極度鹽化的分界點(diǎn)，對10個(gè)土層各層評價(jià)點(diǎn)超過該閾值的概率分別進(jìn)行1000次模擬，疊加生成三維概率分布圖。高概率和低概率地區(qū)可以很明確的給出評價(jià)結(jié)果，對于概率值接近0.5的過渡帶，其評價(jià)結(jié)論具有很大的不確定性，宜采用概率分布的形式來為決策者提供更多的信息。通過分析相對誤差，認(rèn)為1000次序貫指示模擬的概率分布結(jié)果是可靠的。③根據(jù)水稻和棉花的耐鹽性電導(dǎo)率閾值，采用析取克立格法給出

14、10個(gè)土層鹽分大于這些作物的耐鹽閡值的概率，疊加生成三維概率分布圖，對其進(jìn)行作物種植風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)。深層電導(dǎo)率數(shù)據(jù)及其超過閾值的概率可以為制定更準(zhǔn)確的種植規(guī)劃提供重要參考。 (4)農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)功能模塊擴(kuò)展首先對軟件的開發(fā)目標(biāo)、原則和功能等進(jìn)行了分析，確立了以GIS基礎(chǔ)平臺(tái)為核心，相互獨(dú)立的土壤采樣、地統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)模擬、管理分區(qū)等可擴(kuò)展模塊共同組成農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)，本研究重新整合農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)(ARG

15、IS V1.0，軟件登記號(hào)2006SRl6131)的采樣設(shè)計(jì)模塊到土壤采樣模塊。運(yùn)用系統(tǒng)的方法和軟件工程的基本思想，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，選用開發(fā)效率高的Visual C++作為開發(fā)語言，進(jìn)一步擴(kuò)展基于EM38和GPS的土壤電導(dǎo)率采樣子模塊和隨機(jī)模擬模塊。最后運(yùn)用該系統(tǒng)的土壤采樣模塊對濱海鹽土土壤電導(dǎo)率進(jìn)行采集，并進(jìn)行空間變異的隨機(jī)模擬和超過一定閾值的不確定性分析的初步應(yīng)用研究。新增加模塊后，使得ARGIS功能更加強(qiáng)大，可為精確農(nóng)業(yè)田

16、間管理的科學(xué)性、合理性以及智能化提供服務(wù)，同時(shí)也為相關(guān)程序的開發(fā)提供了參考。 本項(xiàng)研究基本完成研究內(nèi)容，達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)，在以下三方面取得了新進(jìn)展： (1)在圍墾區(qū)濱海鹽土研究中，引進(jìn)EM38電導(dǎo)率線性、非線性模型獲取三維土體上離散分布的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，進(jìn)行土壤電導(dǎo)率的三維空間變異研究，利用VRML構(gòu)建三維土體電導(dǎo)率虛擬現(xiàn)實(shí)模型，并將研究結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。本研究開展的土壤電導(dǎo)率三維空間分布預(yù)測、模擬和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布不但極大的推

17、進(jìn)了當(dāng)前土壤空間變異方法論的研究，而且為土壤研究成果的推廣應(yīng)用提供了新的途徑。 (2)在圍墾區(qū)濱海鹽土研究中，分別將序貫高斯模擬、序貫指示模擬方法應(yīng)用到不同深度土層土壤電導(dǎo)率空間分布的隨機(jī)模擬和不確定性分析中，生成超過一定閾值的三維概率分布圖；根據(jù)作物的耐鹽性閾值，采用析取克立格方法進(jìn)行作物種植高風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，提供三維概率分布圖。研究三維空間隨機(jī)模擬的不確定性和作物種植風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，是對當(dāng)前以表土為研究對象的二維不確定性分析、作物種植風(fēng)

18、險(xiǎn)評價(jià)工作的一個(gè)重要補(bǔ)充和發(fā)展，可以更加準(zhǔn)確的輔助指導(dǎo)實(shí)際的土壤管理和決策方案的制定。 (3)Windows平臺(tái)下，利用面向?qū)ο蟮腃++開發(fā)語言和系統(tǒng)集成技術(shù)，集成擴(kuò)展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)資源地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)ARGIS V1.0。該平臺(tái)不但具有通用的GIS管理平臺(tái)，而且具有地統(tǒng)計(jì)、管理分區(qū)和采樣設(shè)計(jì)等專業(yè)功能模塊。本研究新增加基于EM38和GPS的土壤電導(dǎo)率采樣模塊和隨機(jī)模擬模塊后，使得軟件功能更加強(qiáng)大，可為精確農(nóng)業(yè)田間