發(fā)布時(shí)間：2017-11-18 14:29

  本文關(guān)鍵詞：幾種地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在縣域土壤空間信息處理上的應(yīng)用與研究

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【摘要】：地統(tǒng)計(jì)學(xué),自從誕生的那一刻開始,就和應(yīng)用學(xué)科(如探礦)緊密結(jié)合,共同發(fā)展,已取得累累碩果。特別是近些年來(lái),它越來(lái)越深入地滲透到了諸如土壤、環(huán)境、生態(tài)、氣象、經(jīng)濟(jì)和人文等領(lǐng)域,具有越來(lái)越重要的應(yīng)用前景。當(dāng)然,通過(guò)這種應(yīng)用,地統(tǒng)計(jì)學(xué)在理論方法上也找到了新的增長(zhǎng)點(diǎn),出現(xiàn)了新的有意義的問(wèn)題和嶄新的思維,這些新思想反過(guò)來(lái)又可以促進(jìn)其應(yīng)用在廣度和深度上進(jìn)一步拓展。雖然本研究沒(méi)有涉及,但值得指出的是,近些年來(lái)還出現(xiàn)了一些克里格框架之外的地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和方法,尚待發(fā)展和廣泛認(rèn)可。 在土壤和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域,許多研究者已經(jīng)對(duì)地統(tǒng)計(jì)學(xué)算法的特點(diǎn)進(jìn)行了深入研究,并針對(duì)結(jié)合軟數(shù)據(jù)、空間不確定性評(píng)估等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提出了許多改進(jìn)方法。然而,無(wú)論從理論算法還是應(yīng)用實(shí)踐層面仍有很多極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題亟待解決,如： ·在土壤屬性的地統(tǒng)計(jì)學(xué)制圖領(lǐng)域,是否存在較以前的殘差克里格更好的結(jié)合范疇數(shù)據(jù)的方法? ·能否結(jié)合范疇數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)模擬,進(jìn)而減小模擬結(jié)果的不確定性? ·在重金屬污染源解析中,除了能夠利用樣本觀測(cè)數(shù)據(jù)定性推測(cè)排放源的數(shù)目及其性質(zhì),能否進(jìn)一步定量計(jì)算各個(gè)污染源所排放重金屬的空間分布格局? ·是否隨機(jī)模擬前一定需要對(duì)樣本觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換?如何利用直接順序模擬的結(jié)果來(lái)評(píng)估土壤屬性的空間不確定性? ·由于克里格的平滑效應(yīng)以及指示克里格中污染概率閾值的確定通常比較主觀,故直接采用克里格法和指示克里格法對(duì)污染物區(qū)域劃定是不合理的。那么是否存在一種較為客觀的污染范圍劃定方案? ·如何在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中考慮污染物的空間異質(zhì)性和空間不確定性? ·如何利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究土壤主要營(yíng)養(yǎng)元素的有效性比率?有鑒于此,本文以探索新的理論和方法、解決應(yīng)用實(shí)際問(wèn)題為目的,圍繞地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論及其在土壤和環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用問(wèn)題做了多方面的研究,取得了如下七個(gè)方面的新成果： (1)將面點(diǎn)克里格引入土壤屬性制圖領(lǐng)域,為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和環(huán)境管理提供了一個(gè)更為適合的土壤屬性制圖方法。 近十多年來(lái),使用樣本觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間分布的制圖引起了廣泛的關(guān)注。但為提高制圖質(zhì)量而在大尺度上進(jìn)行大量高密度田間取樣在經(jīng)濟(jì)和勞力花費(fèi)等方面都是不現(xiàn)實(shí)的,對(duì)于地形復(fù)雜和偏遠(yuǎn)地區(qū)尤其如此。土地利用類型通常對(duì)局部土壤養(yǎng)分含量存在影響,那么對(duì)土地利用類型和土壤養(yǎng)分含量之間的這種關(guān)系加以利用,則可以達(dá)到以有限稀疏樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行較高質(zhì)量土壤和環(huán)境屬性制圖的目的。最近出現(xiàn)的面點(diǎn)克里格(AAPK:area-and-point kriging)為結(jié)合范疇信息提供了一個(gè)新的插值技術(shù)。本研究結(jié)合402個(gè)點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)和土地利用信息,利用面點(diǎn)克里格制作了中國(guó)漢川縣土壤全氮(TN:total nitrogen)含量的空間分布圖。同時(shí)普通克里格(OK:ordinary kriging)和殘差克里格(RK:residual kriging)被用于參照方法,用來(lái)評(píng)價(jià)面點(diǎn)克里格的效果。結(jié)果表明：(1)土地利用類型對(duì)土壤全氮的空間分布有重要影響；(2)135個(gè)驗(yàn)證位的實(shí)測(cè)值與AAPK預(yù)測(cè)值之間相比與RK和OK預(yù)測(cè)值之間具有更強(qiáng)的相關(guān)性、更低的平均誤差和均方根誤差；(3)AAPK較RK和OK產(chǎn)生更小的誤差方差。這意味著AAPK為增加土壤全氮插值精度的有效方法。 (2)提出了一種新的結(jié)合范疇數(shù)據(jù)的隨機(jī)模擬方法,并運(yùn)用于實(shí)際的案例研究,豐富和發(fā)展了隨機(jī)模擬理論。 地統(tǒng)計(jì)學(xué)經(jīng)常被用來(lái)描述土壤屬性含量的空間變異。然而,由地統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)算法產(chǎn)生的模擬實(shí)現(xiàn)圖能夠更好的代表實(shí)際的空間分布狀況。土地利用類型通常會(huì)影響局部土壤氮的含量水平,故將土地利用類型結(jié)合進(jìn)土壤氮的地統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)模擬中是可取的。據(jù)此,作者提出了sequential Gaussian simulation incorporating land use information (SGSLU)的隨機(jī)模擬算法。在這項(xiàng)研究中,402個(gè)采樣點(diǎn)的土壤全氮觀測(cè)數(shù)據(jù)與土地利用范疇信息相結(jié)合,利用作者提出的SGSLU算法來(lái)模擬了土壤全氮的空間分布,并將SGSLU與OK和順序高斯模擬(SGS:sequential Gaussian simulation)的預(yù)測(cè)結(jié)果做了比較。其中135個(gè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)被用來(lái)評(píng)估SGSLU在提高預(yù)測(cè)精度和減小預(yù)測(cè)不確定性方面的改善程度。結(jié)果表明,驗(yàn)證數(shù)據(jù)與SGSLU的最佳預(yù)測(cè)(即E-type估計(jì))的相關(guān)性更大,且平均誤差和均方根誤差更小。而且根據(jù)精確圖和最佳統(tǒng)計(jì)量G, SGUSLU在減小預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性方面優(yōu)于SGS。故SGSLU在提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和減少土壤全氮預(yù)測(cè)的不確定性方面,是一種行之有效的方法,同時(shí)模擬實(shí)現(xiàn)之間的差異代表了土壤全氮預(yù)測(cè)的空間不確定性。這些知識(shí)為土壤全氮缺乏和豐富區(qū)域的劃定提供了定量信息。 (3)將主成份分析／絕對(duì)主成分分?jǐn)?shù)(PCA/APCS)模型引入土壤污染源解析領(lǐng)域,同時(shí)將其與地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合,提出了一個(gè)土壤重金屬污染源解析的綜合方法。 目前在土壤污染源確定方面,主成份分析(PCA)是最常用的工具。源解析是在源確定方面進(jìn)一步的定量化。PCA/APCS不需要事先了解源的個(gè)數(shù)及其特點(diǎn),也就是說(shuō)可以在源未知的情況下進(jìn)行源解析,因此該模型被廣泛應(yīng)用。源解析技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境和水環(huán)境研究中,但目前在土壤重金屬污染領(lǐng)域運(yùn)用該技術(shù)的研究還鮮有報(bào)道。PCA的結(jié)果與源貢獻(xiàn)相關(guān),但是并不成比例,故其結(jié)果只能定性的推測(cè)潛在的污染源而不能直接用于源解析。應(yīng)用PCA/APCS受體模型不但可以定量地確定每個(gè)變量對(duì)每個(gè)源的載荷,還可以定量確定源對(duì)其重金屬的平均貢獻(xiàn)量和在每個(gè)采樣點(diǎn)的貢獻(xiàn)量。但受體模型源解析的結(jié)果仍缺乏直觀視覺(jué)效果,不利于在源未知的情況下利用源解析結(jié)果進(jìn)行源識(shí)別(如隱蔽性污染源)。為了便于直觀理解每個(gè)污染源的貢獻(xiàn)量的空間分布和在源未知的情況下推測(cè)具體的污染源,我們?cè)诒疚闹袑⒌亟y(tǒng)計(jì)學(xué)和受體模型結(jié)合起來(lái),利用普通克里格法對(duì)由PCA/APCS受體模型獲得的采樣點(diǎn)的源絕對(duì)貢獻(xiàn)量插值。因此該研究的目的是提出一個(gè)土壤重金屬污染源解析的綜合方法。同時(shí)我們根據(jù)污染數(shù)據(jù)集所能提取的信息的不同,如是否能直接從PCA推斷污染源的性質(zhì),單個(gè)重金屬污染物的源解析是否需要多元數(shù)據(jù)集的源解析技術(shù)等問(wèn)題,用兩個(gè)案例加以展示說(shuō)明。 (4)將直接順序模擬技術(shù)引入土壤和環(huán)境屬性的不確定性評(píng)估中,擴(kuò)展了直接順序模擬的應(yīng)用范圍。 最常用的隨機(jī)模擬方法為順序高斯模擬和順序指示模擬,這兩種模擬方法使用前必須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必然伴隨著模擬結(jié)果精度的降低。最近出現(xiàn)的直接順序模擬克服了這一弱點(diǎn)。本研究采用直接順序模擬這一新的模擬技術(shù)模擬了土壤全氮的空間分布。利用模擬的結(jié)果,定量評(píng)估了土壤全氮的空間不確定性。同時(shí)普通克里格被用于參照方法,用于說(shuō)明直接順序模擬技術(shù)在不確定性評(píng)估方面的優(yōu)點(diǎn)。 (5)使用順序高斯模擬和傳遞函數(shù)模擬了由劃定土壤鎳污染范圍所引起的健康風(fēng)險(xiǎn)損失和補(bǔ)救風(fēng)險(xiǎn)損失,并提出了一個(gè)基于最小化期望損失標(biāo)準(zhǔn)的污染區(qū)域劃定方案。 由于克里格插值的平滑效應(yīng),采用克里格插值的結(jié)果作為污染范圍的劃定是不恰當(dāng)?shù)�。而超概率閾值方案�?由于概率閾值的設(shè)定通常比較主觀,故這一劃定方案也缺乏客觀的科學(xué)依據(jù)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)模擬實(shí)現(xiàn)值因克服了插值的平滑效應(yīng),故較克里格最佳預(yù)測(cè)值更能準(zhǔn)確的代表所研究變量的空間異質(zhì)性。模擬實(shí)現(xiàn)之間的差異代表了空間的不確定性。這些實(shí)現(xiàn)可以作為傳遞函數(shù)的輸入數(shù)據(jù),以進(jìn)一步評(píng)估產(chǎn)生的因變量的不確定性。本研究將研究區(qū)域的鎳模擬實(shí)現(xiàn)值輸入傳遞函數(shù),以計(jì)算健康風(fēng)險(xiǎn)損失(低估其含量而未補(bǔ)救)和補(bǔ)救風(fēng)險(xiǎn)損失(高估其含量,采取補(bǔ)救措施)。模擬的鎳含量的不確定性通過(guò)傳遞函數(shù)傳播,導(dǎo)致不確定性的健康風(fēng)險(xiǎn)損失和補(bǔ)救風(fēng)險(xiǎn)損失。這樣,兩種風(fēng)險(xiǎn)損失就可以通過(guò)鎳的反應(yīng)值來(lái)評(píng)估。同時(shí)在該研究中,由于不同的土地利用類型中鎳的危害程度不同,本研究也在傳遞函數(shù)中加以考慮。最后作者依據(jù)最小化風(fēng)險(xiǎn)損失為標(biāo)準(zhǔn),劃定了重金屬鎳污染的范圍。這樣為污染的劃定提供了一個(gè)新的思路。 (6)結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)模擬模型和Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法,提出了一種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分析的綜合方法。 Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法不但考慮了土壤沉積物中重金屬的毒性、重金屬在沉積物中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?而且利用重金屬總量分析測(cè)試結(jié)果與區(qū)域背景值進(jìn)行比較,消除了區(qū)域差異及異源污染影響。目前該方法已被國(guó)內(nèi)外廣泛接受,已成為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面最常使用的方法之一。地統(tǒng)計(jì)學(xué)在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域是個(gè)被忽視的方法。本研究以結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)模擬和Hakanson (?)替在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法,提出了一種綜合的空間分析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法。本研究先對(duì)各個(gè)重金屬元素含量進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)模擬,然后將模擬實(shí)現(xiàn)值輸入Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法,得到每個(gè)重金屬元素所引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù),這樣由各個(gè)重金屬元素所引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間不確定性被量化。而且由所有重金屬元素引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的最佳估計(jì)可由各個(gè)重金屬元素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的期望值之和得到。 (7)地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤主要營(yíng)養(yǎng)元素有效性比率分布格局上的一個(gè)應(yīng)用。 全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、AN、AP和AK的含量及土壤各主要元素的有效性比率(即氮、磷和鉀元素的有效量與全量之比)為土壤系統(tǒng)主要營(yíng)養(yǎng)的重要指標(biāo)。對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。土壤營(yíng)養(yǎng)元素中,比較高的有效性比率意味著該元素更加有利于植物的吸收,同時(shí)也暗示該元素更加容易進(jìn)入水體。因此,為了更加有效的對(duì)農(nóng)作物施肥和環(huán)境進(jìn)行管理,了解主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效量、全量和有效性比率的空間分布格局顯得非常必要。在過(guò)去的幾十年內(nèi),很多研究者研究了氮、磷和鉀各中形態(tài)的空間分布格局。但這些研究主要是關(guān)注這些主要營(yíng)養(yǎng)元素的全量或有效量,缺少對(duì)其有效性比率的研究記錄。本研究采用多元統(tǒng)計(jì)分析土壤有效性比率與土壤屬性之間的關(guān)系,找出了影響有效性比率的控制因子；同時(shí)利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分別對(duì)主要營(yíng)養(yǎng)元素的全量和有效量分布進(jìn)行插值,最后得到有效性比率的空間分布格局。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：P208

【引證文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 李迪;胡乃聯(lián);李國(guó)清;侯杰;;基于序貫高斯模擬的儲(chǔ)量估算分層更新技術(shù)[J];中國(guó)礦業(yè);2014年03期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 李碩;基于可見近紅外成像光譜技術(shù)土壤剖面氮的預(yù)測(cè)研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2013年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 姚遠(yuǎn);干濕季節(jié)下基于遙感和電磁感應(yīng)技術(shù)的綠洲土壤鹽漬化評(píng)估與尺度效應(yīng)分析[D];新疆大學(xué);2013年

2 牛濤;基于地表定量參數(shù)的土壤電導(dǎo)率反演模型研究[D];新疆大學(xué);2013年

3 李秒;縣域耕層土壤養(yǎng)分時(shí)空變異及綜合地力評(píng)價(jià)[D];蘭州大學(xué);2013年

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本文編號(hào)：1200124