支持精确农业的土壤养分空间分布信息处理的方法

1、支持精确农业的土壤养分空间分布信息处理的方法    摘要：为了获取支持精确农业的农田空间分布信息，扼要介绍了土壤特性空间变异的影响因素，分析了农田土壤的合理采样方法及其特性空间变异的研究方法，并对影响生成土壤特性空间分布图的因素做了介绍。关键词：精确农业；土壤养分；变异过去，对于农田小区内作物生长情况和收获产量的差异性只是停留在定性认识的基础上，只有采用先进的科学技术，才有可能把这种差异提高到定量上来分析！。正是基于对农田小区作物生长情况和收获产量的时间和空间差异的认识，早在!J）&年，KLAM（LM等就提出“处方耕作”的思想。后来精确农业，或称

2、精细农业，或称处方农业，成为现代作物栽培科学管理中最热门的研究领域之一，以变量管理为核心的精确农业&，N思想是通过对农田小区内作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、土壤含水量、植物营养、病虫害、杂草等）实际存在的空间和时间差异性分析，确定影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待，按需实施定位调控，以充分利用资源，实现合理经济的投入，获得经济和环境上的最大效益。精确农业实践中，首要的工作是快速、有效地采集影响作物生长的环境因素，尤其是土壤养分特性的空间变异信息。以合理的采样密度采集土样是以合理成本、生成较准确的土壤养分空间变异分布图的有效保证。

3、1 采样方法农田内采集土样时，不可能处处都采集土样，需要根据采样目的，制定合理的采样方案。1.1 随机采样随机采样需要确定两件事，一是在土壤总体中要确定个体，二是选择个体的方案。随机采样是指从总体中选择个体，按照每个个体都有相同概率的原则。随机采样方法是将农田分成若干采样小区，或者将农田分成相等面积的栅格小区，然后在小区内随机采集一些样点。随机采样的样点分布不均匀，一些区域采样点较密而其他区域可能没有采样点。这种方法不适合空间变异分布图的生成。1.2 嵌套采样嵌套采样是将农田分成若干采样小区，在每一采样小区再细分，细分后的小区可随机选取，也可再进一步细分。这个过程持续下去直到可识别的最小单元。

4、根据分类的这种格式，总体中每个个体都属于这一层。这种方法可以使采样费用达到最小，但确定采样点的位置比较困难，其主要缺点在于不能提供一个均匀的样点分布。但是，在农田整个区域范围内，利用大区域的判断采样和局部区域的嵌套采样相结合的采样方案，可以获取比较准确的农田土壤养分的空间变异。1.3 规则栅格采样规则栅格采样是将农田分成大小相等的栅格小区采集土样。规则栅格采样简单易行，是一个最有效的土壤采样方法，并且比随机采样和嵌套采样方案精确的多。在大多数农场耕地中，可以不使用OP（，通过计算行数或使用距离测量设备和估计，实施系统采样方案。在规则栅格采样方法中，如果土壤养分分布存在周期性，采样数据将会出现较

5、大的误差。如果土壤养分空间变异的周期和方向已知，可以按照不同的的采样距离和方位确定采样栅格。另外，一些研究表明，三角网格采样方法产生一个不同的采样周期，一般要比方格采样精确。其他规则栅格采样方案还包括矩形和六角形方式。1.4 系统分层采样系统分层采样主要解决具有周期性分布的农田土壤采样问题。首先将农田划分成规则的栅格小区，在每一小区内确定一个采样点的法。将小栅格赋一坐标值！ 和“（！，”Q!，&）。在同行右移一个大栅格内，保持！ 不变，随机选取一个“值，得到一个小栅格。这样依次类推在同行每一个大栅格中得到一个小栅格。在列向上，首先选择同行左边的上一个大栅格，保持！ 不变，随机选择一个新

6、的”，得到一个小栅格。依次类推在该列每一个大栅格中得到一个小栅格。选择剩余一个大栅格，在该大栅格确定一个小栅格，其“ 值与同一行的” 值一样，！ 值与同一列的！ 值一样。然后按照上面依次选择下去。其结果将会产生一些基本上等距离的小栅格。实验证明，系统分层采样方案在定位作业管理中是一个非常理想的采样方法。1.5 辅助采样在没有以往的农田信息情况下，一般多采用上述方法。但在有些情况下，一些辅助的信息可用来初步估计土壤养分空间变异趋势。这些辅助的信息包括土壤分布图、航空图像、产量分布图、地形图、管理史、气候史和个人农田经验。这些辅助信息资源有利于确定合适的采样方案，包括合适的采样距离和混合采样方法。

7、利用土壤分布图，不但能够推断土壤质地或有机质含量的空间变异，而且还可确定土壤养分有效利用率的空间分布与土壤含水量的空间和时间分布。航空图像能够动态地表征土壤和作物的颜色变化，利用航空图像可以确定需要采样的农田区域和土样混合方案。这是因为土壤和作物的颜色一般与土壤湿度、土壤有机质含量、土壤$% 值、土壤肥力和作物产量有着密切的关系。产量分布图一般与农田耕作制度、土壤肥力、土壤水分、病虫草害分布、以前的管理方式和气候等影响因素有关，通过解释产量分布图，找出影响产量空间变异的主要原因。产量分布图主要用于确定农田采样位置，以便确定影响产量空间变异的主要原因。2 土壤特性空间变异的研究方法2.1 半方差

8、函数半方差函数是描述土壤性质空间变异的一个函数，反映了不同距离的观测值之间的变化。2.2 克里格插值克里格插值是一种优化的插值方法，广泛应用于地质、土壤、水文等领域，成为软件地理统计插值的重要组成部分。这种方法充分吸收了地理统计学思想，认为任何在空间连续变化的区域特性是非常不规则的，不能用平滑数学函数进行模拟，可以用随机表面给予较适当的描述。该方法的插值过程是：首先探查区域性变量的随机状况，然后模拟这些变量的随机过程，最后用前两步产生的信息估计插值的权重因子。克里格插值属于空间局部插值方法，它是建立在变异函数理论及结构分析基础上，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏最优估计的一种方法。克里格

9、插值包括普通点克里格（最普通的克里格插值类型）、指示克里格（基于二元数据的插值方法）和块克里格（面插值）。本部分集中在普通的点插值，为了简化，将其简称为克里格。克里格方法根据样点位置的不同和样点间的相关程度的不同，对每个样点值赋予一定的权重，进行滑动加权平均，来估计未知样点上平均值的一种方法。其中克里格的权来自于一个统计模型。对于普通克里格，要求在采样区域内，测得的样点值是平稳的，至少是准平稳的。但是在实践中，不少样点值即是非平稳的又是非线性的。在这种情况下，利用对数克里格、指示克里格、析取克里格等可以提供更精确的插值。2.3 样点搜索策略搜索策略就是确定哪些样点值参与插值计算。所有的插值方法都可以使用全部的样点值参与插值计算，但是，利用相对较少的邻域样点值参与插值，不但大大减少计算量，而且还会提高插值精度。所以，需要制定一个搜索策略，包括：搜索邻域形状；“搜索邻域大小；#每一个邻域内样点数目；$搜索类型。搜索邻域通常是一个以被插点为圆心的圆，然而，为了反映农田的各向异质，有时选择椭圆形搜索邻域可能更合适（由于各向异性）。确定搜索邻域的大小需要权衡插值精度和计算量。如果使用克里格插值，则搜索半径小于变程，除非变程内的样点较少。如果按照规则栅格布置采样，一般合理的搜索邻域应该包含/到&0个采样点。搜索类型可以确定参与插值的每一个样