支持精確農(nóng)業(yè)的土壤養(yǎng)分空間分布信息處理的方法

1、支持精確農(nóng)業(yè)的土壤養(yǎng)分空間分布信息處理的方法    摘要：為了獲取支持精確農(nóng)業(yè)的農(nóng)田空間分布信息，扼要介紹了土壤特性空間變異的影響因素，分析了農(nóng)田土壤的合理采樣方法及其特性空間變異的研究方法，并對(duì)影響生成土壤特性空間分布圖的因素做了介紹。關(guān)鍵詞：精確農(nóng)業(yè)；土壤養(yǎng)分；變異過(guò)去，對(duì)于農(nóng)田小區(qū)內(nèi)作物生長(zhǎng)情況和收獲產(chǎn)量的差異性只是停留在定性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，只有采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，才有可能把這種差異提高到定量上來(lái)分析！。正是基于對(duì)農(nóng)田小區(qū)作物生長(zhǎng)情況和收獲產(chǎn)量的時(shí)間和空間差異的認(rèn)識(shí)，早在!J）&年，KLAM（LM等就提出“處方耕作”的思想。后來(lái)精確農(nóng)業(yè)，或稱(chēng)

2、精細(xì)農(nóng)業(yè)，或稱(chēng)處方農(nóng)業(yè)，成為現(xiàn)代作物栽培科學(xué)管理中最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一，以變量管理為核心的精確農(nóng)業(yè)&，N思想是通過(guò)對(duì)農(nóng)田小區(qū)內(nèi)作物產(chǎn)量和影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、地形、土壤含水量、植物營(yíng)養(yǎng)、病蟲(chóng)害、雜草等）實(shí)際存在的空間和時(shí)間差異性分析，確定影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的調(diào)控措施，區(qū)別對(duì)待，按需實(shí)施定位調(diào)控，以充分利用資源，實(shí)現(xiàn)合理經(jīng)濟(jì)的投入，獲得經(jīng)濟(jì)和環(huán)境上的最大效益。精確農(nóng)業(yè)實(shí)踐中，首要的工作是快速、有效地采集影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素，尤其是土壤養(yǎng)分特性的空間變異信息。以合理的采樣密度采集土樣是以合理成本、生成較準(zhǔn)確的土壤養(yǎng)分空間變異分布圖的有效保證。

3、1 采樣方法農(nóng)田內(nèi)采集土樣時(shí)，不可能處處都采集土樣，需要根據(jù)采樣目的，制定合理的采樣方案。1.1 隨機(jī)采樣隨機(jī)采樣需要確定兩件事，一是在土壤總體中要確定個(gè)體，二是選擇個(gè)體的方案。隨機(jī)采樣是指從總體中選擇個(gè)體，按照每個(gè)個(gè)體都有相同概率的原則。隨機(jī)采樣方法是將農(nóng)田分成若干采樣小區(qū)，或者將農(nóng)田分成相等面積的柵格小區(qū)，然后在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集一些樣點(diǎn)。隨機(jī)采樣的樣點(diǎn)分布不均勻，一些區(qū)域采樣點(diǎn)較密而其他區(qū)域可能沒(méi)有采樣點(diǎn)。這種方法不適合空間變異分布圖的生成。1.2 嵌套采樣嵌套采樣是將農(nóng)田分成若干采樣小區(qū)，在每一采樣小區(qū)再細(xì)分，細(xì)分后的小區(qū)可隨機(jī)選取，也可再進(jìn)一步細(xì)分。這個(gè)過(guò)程持續(xù)下去直到可識(shí)別的最小單元。

4、根據(jù)分類(lèi)的這種格式，總體中每個(gè)個(gè)體都屬于這一層。這種方法可以使采樣費(fèi)用達(dá)到最小，但確定采樣點(diǎn)的位置比較困難，其主要缺點(diǎn)在于不能提供一個(gè)均勻的樣點(diǎn)分布。但是，在農(nóng)田整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，利用大區(qū)域的判斷采樣和局部區(qū)域的嵌套采樣相結(jié)合的采樣方案，可以獲取比較準(zhǔn)確的農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異。1.3 規(guī)則柵格采樣規(guī)則柵格采樣是將農(nóng)田分成大小相等的柵格小區(qū)采集土樣。規(guī)則柵格采樣簡(jiǎn)單易行，是一個(gè)最有效的土壤采樣方法，并且比隨機(jī)采樣和嵌套采樣方案精確的多。在大多數(shù)農(nóng)場(chǎng)耕地中，可以不使用OP（，通過(guò)計(jì)算行數(shù)或使用距離測(cè)量設(shè)備和估計(jì)，實(shí)施系統(tǒng)采樣方案。在規(guī)則柵格采樣方法中，如果土壤養(yǎng)分分布存在周期性，采樣數(shù)據(jù)將會(huì)出現(xiàn)較

5、大的誤差。如果土壤養(yǎng)分空間變異的周期和方向已知，可以按照不同的的采樣距離和方位確定采樣?xùn)鸥?。另外，一些研究表明，三角網(wǎng)格采樣方法產(chǎn)生一個(gè)不同的采樣周期，一般要比方格采樣精確。其他規(guī)則柵格采樣方案還包括矩形和六角形方式。1.4 系統(tǒng)分層采樣系統(tǒng)分層采樣主要解決具有周期性分布的農(nóng)田土壤采樣問(wèn)題。首先將農(nóng)田劃分成規(guī)則的柵格小區(qū)，在每一小區(qū)內(nèi)確定一個(gè)采樣點(diǎn)的法。將小柵格賦一坐標(biāo)值！ 和“（！，”Q!，&）。在同行右移一個(gè)大柵格內(nèi)，保持！ 不變，隨機(jī)選取一個(gè)“值，得到一個(gè)小柵格。這樣依次類(lèi)推在同行每一個(gè)大柵格中得到一個(gè)小柵格。在列向上，首先選擇同行左邊的上一個(gè)大柵格，保持！ 不變，隨機(jī)選擇一個(gè)新

6、的”，得到一個(gè)小柵格。依次類(lèi)推在該列每一個(gè)大柵格中得到一個(gè)小柵格。選擇剩余一個(gè)大柵格，在該大柵格確定一個(gè)小柵格，其“ 值與同一行的” 值一樣，！ 值與同一列的！ 值一樣。然后按照上面依次選擇下去。其結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生一些基本上等距離的小柵格。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)分層采樣方案在定位作業(yè)管理中是一個(gè)非常理想的采樣方法。1.5 輔助采樣在沒(méi)有以往的農(nóng)田信息情況下，一般多采用上述方法。但在有些情況下，一些輔助的信息可用來(lái)初步估計(jì)土壤養(yǎng)分空間變異趨勢(shì)。這些輔助的信息包括土壤分布圖、航空?qǐng)D像、產(chǎn)量分布圖、地形圖、管理史、氣候史和個(gè)人農(nóng)田經(jīng)驗(yàn)。這些輔助信息資源有利于確定合適的采樣方案，包括合適的采樣距離和混合采樣方法。

7、利用土壤分布圖，不但能夠推斷土壤質(zhì)地或有機(jī)質(zhì)含量的空間變異，而且還可確定土壤養(yǎng)分有效利用率的空間分布與土壤含水量的空間和時(shí)間分布。航空?qǐng)D像能夠動(dòng)態(tài)地表征土壤和作物的顏色變化，利用航空?qǐng)D像可以確定需要采樣的農(nóng)田區(qū)域和土樣混合方案。這是因?yàn)橥寥篮妥魑锏念伾话闩c土壤濕度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤$% 值、土壤肥力和作物產(chǎn)量有著密切的關(guān)系。產(chǎn)量分布圖一般與農(nóng)田耕作制度、土壤肥力、土壤水分、病蟲(chóng)草害分布、以前的管理方式和氣候等影響因素有關(guān)，通過(guò)解釋產(chǎn)量分布圖，找出影響產(chǎn)量空間變異的主要原因。產(chǎn)量分布圖主要用于確定農(nóng)田采樣位置，以便確定影響產(chǎn)量空間變異的主要原因。2 土壤特性空間變異的研究方法2.1 半方差

8、函數(shù)半方差函數(shù)是描述土壤性質(zhì)空間變異的一個(gè)函數(shù)，反映了不同距離的觀測(cè)值之間的變化。2.2 克里格插值克里格插值是一種優(yōu)化的插值方法，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、土壤、水文等領(lǐng)域，成為軟件地理統(tǒng)計(jì)插值的重要組成部分。這種方法充分吸收了地理統(tǒng)計(jì)學(xué)思想，認(rèn)為任何在空間連續(xù)變化的區(qū)域特性是非常不規(guī)則的，不能用平滑數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行模擬，可以用隨機(jī)表面給予較適當(dāng)?shù)拿枋?。該方法的插值過(guò)程是：首先探查區(qū)域性變量的隨機(jī)狀況，然后模擬這些變量的隨機(jī)過(guò)程，最后用前兩步產(chǎn)生的信息估計(jì)插值的權(quán)重因子。克里格插值屬于空間局部插值方法，它是建立在變異函數(shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法。克里格

9、插值包括普通點(diǎn)克里格（最普通的克里格插值類(lèi)型）、指示克里格（基于二元數(shù)據(jù)的插值方法）和塊克里格（面插值）。本部分集中在普通的點(diǎn)插值，為了簡(jiǎn)化，將其簡(jiǎn)稱(chēng)為克里格?？死锔穹椒ǜ鶕?jù)樣點(diǎn)位置的不同和樣點(diǎn)間的相關(guān)程度的不同，對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)值賦予一定的權(quán)重，進(jìn)行滑動(dòng)加權(quán)平均，來(lái)估計(jì)未知樣點(diǎn)上平均值的一種方法。其中克里格的權(quán)來(lái)自于一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型。對(duì)于普通克里格，要求在采樣區(qū)域內(nèi)，測(cè)得的樣點(diǎn)值是平穩(wěn)的，至少是準(zhǔn)平穩(wěn)的。但是在實(shí)踐中，不少樣點(diǎn)值即是非平穩(wěn)的又是非線性的。在這種情況下，利用對(duì)數(shù)克里格、指示克里格、析取克里格等可以提供更精確的插值。2.3 樣點(diǎn)搜索策略搜索策略就是確定哪些樣點(diǎn)值參與插值計(jì)算。所有的插值方法都可以使用全部的樣點(diǎn)值參與插值計(jì)算，但是，利用相對(duì)較少的鄰域樣點(diǎn)值參與插值，不但大大減少計(jì)算量，而且還會(huì)提高插值精度。所以，需要制定一個(gè)搜索策略，包括：搜索鄰域形狀；“搜索鄰域大??；#每一個(gè)鄰域內(nèi)樣點(diǎn)數(shù)目；$搜索類(lèi)型。搜索鄰域通常是一個(gè)以被插點(diǎn)為圓心的圓，然而，為了反映農(nóng)田的各向異質(zhì)，有時(shí)選擇橢圓形搜索鄰域可能更合適（由于各向異性）。確定搜索鄰域的大小需要權(quán)衡插值精度和計(jì)算量。如果使用克里格插值，則搜索半徑小于變程，除非變程內(nèi)的樣點(diǎn)較少。如果按照規(guī)則柵格布置采樣，一般合理的搜索鄰域應(yīng)該包含/到&0個(gè)采樣點(diǎn)。搜索類(lèi)型可以確定參與插值的每一個(gè)樣