Шагомерное картирование
Педометрическое картирование или статистическое картографирование почвы — это создание карт свойств и классов почвы на основе данных, основанное на использовании статистических методов. [1] [2] [3] Его основные цели – спрогнозировать значения некоторых переменных почвы в ненаблюдаемых местах и получить доступ к неопределенности этой оценки с использованием статистических выводов, т.е. статистически оптимальных подходов. С точки зрения применения, его основная цель — точно предсказать реакцию почвенно-растительной экосистемы на различные стратегии управления почвенными ресурсами, то есть создать карты свойств почвы и классов почвы , которые можно использовать для других моделей окружающей среды и принятия решений. изготовление. Он во многом основан на применении геостатистики в почвоведении и других статистических методах, применяемых в педометрии .
Хотя педометрическое картирование в основном основано на данных, оно также может в значительной степени основываться на экспертных знаниях, которые, однако, необходимо использовать в рамках педометрической вычислительной структуры для создания более точных моделей прогнозирования. Например, методы ассимиляции данных , такие как пространственно-временной фильтр Калмана , могут использоваться для интеграции педогенетических знаний и полевых наблюдений. [4]
В контексте теории информации педометрическое картирование используется для описания пространственной сложности почв (информационное содержание почвенных переменных на географической территории) и для представления этой сложности с использованием карт, суммарных показателей, математических моделей и моделирования. [5] Моделирование является предпочтительным способом визуализации структуры почвы, поскольку оно отражает ее детерминированный характер (из-за ландшафта), географические горячие точки и изменчивость на небольшом расстоянии (см. изображение ниже). [ нужна ссылка ]
Педометрика
[ редактировать ]Педометрия — применение математических и статистических методов к изучению распространения и генезиса почв . [6]
Этот термин представляет собой смесь греческих « корней «педос» (почва) и метрон» (измерение). В этом случае измерения ограничиваются математическими и статистическими методами, поскольку они относятся к почвоведению , разделу почвоведения , изучающему почву в ее естественной среде.
Педометрия решает проблемы, связанные с почвой, когда существует неопределенность из-за детерминистических или стохастических изменений, неопределенности и отсутствия знаний о свойствах и процессах почвы. Он опирается на математические, статистические и численные методы и включает численные подходы к классификации, позволяющие справиться с предполагаемыми детерминированными вариациями. Имитационные модели учитывают неопределенность, принимая теорию хаоса , статистическое распределение или нечеткую логику .
Педометрика рассматривает почвоведение с точки зрения новых научных областей, таких как вейвлет -анализ, теория нечетких множеств и интеллектуальный анализ данных в приложениях моделирования почвенных данных. Его развитие также связано с усовершенствованием дистанционного и ближнего зондирования. [7]
Педометрическое и традиционное картографирование почвы
[ редактировать ]При традиционном обследовании почвы пространственное распределение свойств почвы и почвенных тел можно вывести из мысленных моделей, что приводит к их разграничению вручную. Такие методы можно считать субъективными, и, следовательно, трудно или невозможно статистически оценить точность таких карт без дополнительной полевой выборки. Традиционное картографирование почв также имеет ограничения в многотематической ГИС, связанные с тем фактом, что оно часто не применяется последовательно разными картографами, а также в основном выполняется вручную и его трудно автоматизировать. Большинство традиционных почвенных карт основаны на ручном разграничении предполагаемых почвенных тел, к которым затем присваиваются атрибуты почвы. [8] [9] При использовании педометрического картирования все результаты основаны на строгих статистических вычислениях и, следовательно, воспроизводимы .
Педометрическое картирование основано в основном на обширных и подробных ковариатных слоях, таких как производные цифровой модели рельефа (DEM), изображения дистанционного зондирования, климатические, земно-растительные и геологические слои и изображения ГИС. Его эволюция может быть тесно связана с появлением новых технологий и глобальных общедоступных источников данных, таких как изображения SRTM DEM, MODIS , ASTER и Landsat , гамма-радиометрия и изображения LiDAR, а также новых методов автоматического картографирования .
| Картирование почвы на основе экспертных/знаний | Картографирование почвы на основе данных/технологий (педометрическое) | |
|---|---|---|
| Целевые переменные | Типы почв (серия почв) | Аналитические свойства почвы |
| Пространственная модель данных | Дискретные (грунтовые тела) | Непрерывный/гибридный (количества/вероятности) |
| Основные вклады | Экспертные знания / описание профиля почвы | Лабораторные данные / проксимальное зондирование почвы |
| Важные ковариаты | Контурирование почвы (фотоинтерпретация) | Изображения дистанционного зондирования Земли, производные ЦМР |
| Модель пространственного прогнозирования | Усреднение по полигону | Автоматизированная (гео)статистика |
| Оценка точности | Проверка единиц почвенного картирования (каппа) | Перекрестная проверка (RMSE) |
| Представление данных | Полигональные карты + таблицы атрибутов (2D) | Карты с координатной сеткой (2D/3D) + карта ошибок прогнозирования или моделирование |
| Главный технический аспект | Картографический масштаб | Размер ячейки сетки |
| Стратегии отбора проб почвы | Бесплатное обследование (инспектор выбирает места отбора проб) | Статистические (плановые/модельные планы выборки) |
Педометрическое и цифровое картографирование почвы
[ редактировать ]Педометрический анализ опирается исключительно на геостатистику, тогда как цифровое картографирование почвы использует более традиционные концепции картографирования почвы, а не строго педометрические по своей природе. Также называется прогнозирующим картографированием почвы . [10] цифровое картирование почвы основано на компьютерном определении свойств почвы для создания цифровых карт дискретных типов почвы . Педометрическое картирование не создает карт, очерчивающих отдельные типы почв.
Методы
[ редактировать ]Методы педометрического картографирования различаются в зависимости от этапов обработки данных почвенной съемки:
- Выборка
- Проверка данных
- Предварительная обработка ковариатов почвы
- Подбор геостатистической модели
- Пространственное прогнозирование
- Перекрестная проверка/оценка точности
- Визуализация результатов
Одной из основных теоретических основ педометрического картографирования является универсальная модель изменения почвы: [4] [11]
...где - детерминированная часть изменения почвы, - это стохастическая, пространственно автокоррелированная часть вариации, и — остаточная остаточная вариация (ошибки измерения, ближнедействующая изменчивость и т. д.), которая также, возможно, зависит от , но это не моделируется. Эта модель была впервые представлена французским математиком Жоржем Мазероном и оказалась лучшим несмещенным линейным предсказателем для пространственных данных. Одним из способов использования этой модели для создания прогнозов или моделирования является регрессионный кригинг (также известный как универсальный кригинг ). Что касается почвенных данных, детерминированный компонент модели часто основан на факторах почвообразования: климате, организме, рельефе, исходном материале (литологии) и времени. Эта концептуальная модель, известная как модель CLORPT , была введена в моделирование почвенно-ландшафтного ландшафта Гансом Йенни . [2]
Особая группа методов педометрического картографирования направлена на уменьшение масштаба пространственной информации, которая может быть площадной или непрерывной. Прогнозирование классов почвы также является еще одной областью педометрического картографирования, где для интерполяции факторных типов переменных используются специальные геостатистические методы.
Педометрическое картографирование также в значительной степени основано на новых технологиях измерения свойств почвы, также называемых методами цифрового картографирования почвы . Они включают в себя:
- Спектроскопия почвы и проксимальное зондирование почвы (ручные или автомобильные устройства)
- Системы дистанционного зондирования для картографирования и мониторинга почвы (например, SMOS )
- Технология LiDAR для цифровых моделей рельефа
- точного земледелия Технологии
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хенгль, Томислав (2003). Педометрическое картирование: устранение разрывов между традиционными и шагомерными подходами . [Вагенинген: sn ISBN 9789058088963 .
- ^ Jump up to: а б Грюнвальд, Сабина, изд. (2006). Экологическое почвенно-ландшафтное моделирование геоинформационные технологии и педометрия . Бока-Ратон, Флорида: CRC/Тейлор и Фрэнсис. ISBN 9780824723897 .
- ^ Кемпен, Б.; Хёвлинк, ГБМ; Брус, диджей; Стурфогель, Джей Джей (10 марта 2010 г.). «Педометрическое картирование органического вещества почвы с использованием почвенной карты с количественной неопределенностью». Европейский журнал почвоведения . 61 (3): 333–347. дои : 10.1111/j.1365-2389.2010.01232.x . S2CID 94372825 .
- ^ Jump up to: а б Хёвлинк, ГБМ; Вебстер, Р. (30 апреля 2001 г.). «Моделирование изменения почвы: прошлое, настоящее и будущее». Геодерма . 100 (3–4): 269–301. Бибкод : 2001Geode.100..269H . дои : 10.1016/S0016-7061(01)00025-8 .
- ^ Хенгль, Т.; Николич, М.; Макмиллан, РА (31 марта 2012 г.). «Картирование эффективности и информативности». Международный журнал прикладного наблюдения Земли и геоинформации . 22 : 127–138. дои : 10.1016/j.jag.2012.02.005 .
- ^ Хёвелинк, Жерар (декабрь 2003 г.). «Определение педометрии» (PDF) . Шагометрон (15). Международная рабочая группа по педометрии — Временная комиссия по педометрии Международного союза почвоведов . Архивировано из оригинала (PDF) 30 сентября 2007 г. Проверено 1 ноября 2006 г.
- ^ Питер А., Берроу; Йохан Боума ; Скотт Р. Йейтс (1994). «Современное состояние педометрии» (PDF) . Геодерма . 62 (1–3). Elsevier Science BV, Амстердам: 311–326. Бибкод : 1994Geode..62..311B . дои : 10.1016/0016-7061(94)90043-4 . Проверено 1 ноября 2006 г.
- ^ МакБрэтни, AB; Мендонса Сантос, ML; Минасны, Б. (1 ноября 2003 г.). «О цифровом картографировании почв». Геодерма . 117 (1–2): 3–52. Бибкод : 2003Геоде.117....3М . дои : 10.1016/S0016-7061(03)00223-4 .
- ^ Беренс, Торстен; Схолтен, Томас (1 июня 2006 г.). «Цифровое картографирование почв в Германии — обзор». Журнал питания растений и почвоведения . 169 (3): 434–443. дои : 10.1002/jpln.200521962 .
- ^ Череп, П.; Дж. Франклин; О.А. Чедвик; Д. Макартур (июнь 2003 г.). «Прогностическое картографирование почв - обзор». Успехи физической географии . 27 (2). Публикации Сейджа: 171–197. дои : 10.1191/0309133303pp366ra . S2CID 787741 .
- ^ Берроу, Пенсильвания (1986). Принципы геоинформационных систем для оценки земельных ресурсов . Кларендон Пресс. п. 194.
