耕地土壤质量调查评价中空间统计方法的应用课件

1、汇报内容一、耕地土壤质量调查评价二、三位一体空间统计框架三、耕地土壤质量调查优化布样方法五、耕地土壤耕地质量统计推断方法一、耕地土壤质量调查评价p 耕地质量指能够满足农作物生长和安全生产所需的土壤地力和土壤环境质量。u 耕地地力：指耕地用于农作物栽培使用时，在一定时期内单位面积耕地的物质生产力水平（公斤/公顷）u 耕地环境：指耕地是否被污染物污染以及被污染的程度u 经济效益：指耕地的物质生产量进行市场交换后所产生的收益（元/亩）p 耕地质量主管部门u 耕地地力：自然资源部（国土部）、农业农村部（农业部）u 耕地环境：农业农村部（农业部）、生态环保部（环保部）p 土壤是耕地质量的核心2一、耕地土

2、壤质量调查评价p 我国耕地质量状况堪忧、基础地力下降，耕地退化面积较大 。u 东北黑土区：黑土层变浅流失、耕层变薄、地力退化快、有机肥投入不足、有机质下降。u 华北及黄淮平原潮土区：耕层变浅，地下水超采，部分地区土壤盐渍化严重;淮河北部及黄河南部地区砂姜黑土易旱易涝，地力下降潜在风险大。u 长江中下游平原水稻土区：土壤酸化、潜育化，局部地区土壤重金属污染比较严重u 南方丘陵岗地红黄壤区：稻田土壤酸化、潜育化，部分地区水田冷(地温低)、烂(深泥脚)、毒(硫化氢等有害气体)问题突出，山区耕地土层薄、地块小、砾石含量多，土壤有机质含量低，季节性干旱严重；土壤重金属污染比较严重。u 西北灌溉及黄土型旱

3、作农业区：耕地贫瘠，土壤盐渍化、沙化和地膜残留污染严重，地力退化明显，土壤有机质含量低，保水保肥能力差，干旱缺水。3一、耕地土壤质量调查评价（地力）p 自然资源部工作：u 建立“定期全面评价、年度更新评价、年度监测评价”的工作制度。 1999年一调部署了农用地分等工作，2009年12月24日发布的中国历史上第一份耕地质量等级调查与评定成果中国耕地质量等级调查与评定 2011年底，部署耕地质量等别补充更完善工作。2013年，形成基于二调的耕地质量等别结果 自2014年，开展耕地质量等别年度更新评价工作，更新耕地增减变化、耕地质量变化u 制定规范：农用地质量分等规程（GB/T 28407-2012

4、）、农用地定级规程（ GB/T 28405-2012 ）、农用地估价规程（ GB/T 28406-2012 ） 自然等：光温、气候资源条件和土地条件 利用等：自然条件和平均土地利用条件 经济等：自然条件、平均土地利用条件、平均土地经济条件一、耕地土壤质量调查评价（地力）p 农业农村部工作：u 2002年启动全国耕地地力理调查与评价工作 以第二次土壤普查等数据为基础，开展补充调查 全国耕地类型区、耕地地力等级划分（NY/T 309-1996 ) 开发全国县域耕地资源管理信息系统，部署在每个县使用（2498个）u 2005年起，启动测土配方施肥工作 取得了1317万个土壤样品，近亿个土壤测试数据、

5、8万多个田间实验、11万多个田间示范、1120万个农户调查数据 建立县域测土配方施肥专家系统，部署到2400多个县使用。测土数据汇总到扬州市土肥站。u 2017年起，农业农村部耕地质量监测保护中心 开展耕地质量调查监测、评价分析、改良保护和监督监管 种植业司农田建设管理司 制定耕地质量等级GB/T 33469-2016 一、耕地土壤质量调查评价（环境）p 2016年5月28日, 国务院印发土壤污染防治行动计划，部署了土壤污染调查、评估、管理和修复的任务。p 2018年8月31日，十三届全国人大常委会第五次会议全票通过土壤污染防治法（已于2019年1月1日起实施），规定要实行土壤污染风险管控和修

6、复制度，并规定地方各级人民政府对本行政区域的土壤污染防治和安全利用负责。p 管理思路u 预防为主、保护优先、分类管理、风险管控、污染担责、公众参与u 调查（第一次全国土壤污染普查、地球化学调查、耕地重金属调查、环保详查）监测 （例行监测）u 农用地土壤环境类别划：严格管控区、安全利用区和优先保护区一、耕地土壤质量调查评价（环境）p 生态环保部工作(国家环境监测总站)u “七五”土壤环境背景值调查u “菜篮子”基地、污水灌溉区土壤环境监测u “十一五”首次全国土壤污染状况调查（2005-2013年）u “十二五”土壤环境例行监测试点u 2016年首次例行监测p 农业农村部工作(农业农村部环境保护

7、科研监测所农业农村部农业生态与资源保护总站)u 全国农产品产地土壤重金属污染防治(2012-2018)全国130万个样点，土壤和农作物协同调查一、耕地土壤质量调查评价（环境）p 农用地土壤污染状况详查：生态环保部牵头，农业农村部、自然资源部参加点位超标区土壤重点污染源影响区点位超标区土壤污染问题突出区域重点污染源影响区问题突出区域农用地详查范围一、耕地土壤质量调查评价（环境）p 土壤环境例行监测u 生态环保部：四万个点：背景点、基础点和监控点三类背景点（ 2481个）：基础点（20006个）：监控点（16393 个）：u 农业农村部：四万个点:基于农产品质量安全，布设农产品产地风险点位，开展农

8、产品产地土壤与农产品协同监测工作。与生态环保部互补重复，统一规范、统一标准和统一信息发布，融入国家土壤环境监测网。一、耕地土壤质量调查评价p 耕地土壤质量调查评价流程采样等级划分插值制图统计推断分析计算均值估计质量评价（标准规程标准化+权重）二、三位一体空间统计框架p 空间统计:u 定义：对具有空间分布特征数据的统计分析理论和方法u 理论基础：统计学地理学三大定律 地理学第一定律：空间相关性定律（Tobler,1970; Goodchild，2004） 地理学第二定律：空间异质性定律（ Harvey；Goodchild，2004 ） 地理学第三定律：地理环境相似性定律（Zhu et al.,

9、2018）u 解决问题：模式、趋势、相关、因果优化、估计、预测u 空间抽样与统计推断是核心11二、三位一体空间统计框架p 抽样与统计推断:u 基于设计的（Design-based）：概率抽样+基于入样概率的推断u 基于模型的（Model-based）：目的性抽样+基于模型的推断Bowley,1906Kiaer,1895Neyman,1934Fisher, 1922Design-basedModel-based发展历史Brus (p,t)(1998)Krige,1951Matheron,1963u 问题： “空间抽样，由于空间相关性的存在，达到同样估计精度，所需的样本量较小”。概率抽样用于地理空

10、间推断问题时，需要加一个修正系数。 空间相关性是不是总体的性质？ 随机抽样获得样本，能不能用Kriging进行插值？12二、三位一体空间统计框架p 三位一体空间统计框架：u 抽样估计的精度由总体性质、抽样方法和统计推断方法共同决定，不同的组合有不同效率，需要选择较优的组合(,)三位一体信息流三、耕地土壤质量调查优化布样方法p 耕地土壤调查评价业务对总体统估计目标：均值估计、插值制图和等级划分p 采样方案的优劣取决于采样目的，不同采样目的需要具有针对性的方法耕地土壤调查和监测常见目标插值制图目 标：估计值接近真实均值 每个点位的含量估计值准确均值估计等级划分等级边界的位置准确采样要求： 样本代表

11、性高特征空间+地理空间均匀等级边界模糊地带多布样三、耕地土壤质量调查优化布样方法p 没有任何先验知识：u 空间均匀采样 格网布样 MMSDu 嵌套采样p 已知空间变异函数：u 误差函数 平均克里金插值误差 最大克里金插值误差p 具有辅助变量：u 分层采样u 特征空间采样15三、耕地土壤质量调查优化布样方法u 多维特征空间分布(拉丁超立方体采样，Minasny and McBratney2006) 构建理想分布：特征空间均匀覆盖 基于实际分布与理想分布之差构建目标函数 多用于总体估计、回归u 多维特征空间+地理空间分布（scLHS） 特征空间代表性分布 地理空间均匀覆盖三、耕地土壤质量调查优化布

12、样方法u 地理与特征空间均衡采样优化方法（scLHS）: 针对空间变异较大的农业资源和环境变量，利用辅助信息，优化地理和特征空间分布，改善插值制图精度。O = w O + w O + w O + w O优化目标函数：co coca cas scor corPrepare dataGenerate initial sample: Set S=S1;compute overall objectivity ODisturb S to produce new sampleS2; compute overall objectivity OnewMetropoliscriterionNoYesOnewOM

13、etro =Exp(O-Onew/T)Generating a random numberrand(0,1)NoYesDiscard S2randMetroAccept S2: set S=S2, O=OnewStopping criterionsatisfiedNoAnneal:Set T=T*YesOutput sampleGao et. al, A spatial conditioned Latin hypercube sampling method for mapping using ancillary data,Transactions in GIS ,2016,20(5):735-

14、754三、耕地土壤质量调查优化布样方法p 农用地土壤环境类别划：加密采样u 要求：类别边界要准确三、耕地土壤质量调查优化布样方法u 思路：在等级过渡地带加密样点三、耕地土壤质量调查优化布样方法u 存在问题：插值结果不一定准确，有误差（不确定性范围）。插值结果一般表达为：0.30 .05 ， 即0.25,0.35假设0.4为阈值，大于0.4超标，小于0.4不超标越接近阈值，越容易划错误差越大，越容易划错三、耕地土壤质量调查优化布样方法 普通克里金在空间插值中应用最广泛,它能给出插值结果和结果的不确定性。 某个点的插值为，误方差为不确定性符合正态分布：(, )基于此构造错划指数相同不同估计值，相同

15、误差估计值，不同误差Gao et. al. ,Additional Sampling Layout Optimization Method for Environmental Quality GradeClassifications of Farmland Soil. IEEE 17 10(12) JSTARS, 20:5350-5357三、耕地土壤质量调查优化布样方法普通克里要求空间平稳、正态分布；而且有平滑效应指示克里金可以避免上述问题，其估计结果为超过阈值的概率三、耕地土壤质量调查优化布样方法基于概率阈值进行线性变换，构造阈值错划指数将误差作为误差错划指数概率分布的分布为均匀分布，因此两

16、者可加，构成综合错划指数估计结果分布阈值错划指数：误差错划指数综合错划指数估计结果误差Gao et. al., index for additional sampling to map soil contaminant grades. Ecological Indicators,2017,77:129-Error 138三、耕地土壤质量调查优化布样方法u 一套等级划分及加密采样优化解决方案（潜在错划带布样）： 正态分布：基于Multi-Gaussian 模型构造错划指数 非正态分布：基于非参数统计，通过概率变换构造错划指数五、耕地土壤耕地质量统计推断方法p 统计推断方法影响结果的精度，进而影响

17、对资源环境的认知和决策。p 选择或研发统计推断方法，不仅需要考虑调查对象的性质和样本的分布，还需要考虑统计推断的目的。等级划分插值制图均值估计统计推断目的统计推断方法样本布设方式对象性质五、耕地土壤耕地质量统计推断方法p 基于地理学三大定律的插值方法u 基于地理学第一定律：确定性：反距离加权、三角网、条函数统计学：普通克里金等确定性+统计：卡尔曼滤波u 基于地理学第二定律：空间各向异性半变异函数方法、趋势克里金方法、分层克里金方法、三明治插值方法、 P-MSNu 基于地理学第三定律：SoLIM、相似度度量法 (iPSM)、回归、机器学习（随机森林等）u 第一定律+第三定律：协克里金方法、回归克

18、里金、地理加权回归、地理加权回归克里金、半监督（机器）学习五、耕地土壤耕地质量统计推断方法p 随机函数及平稳假设与各态历经假设p 分层非平稳类型：均值非平稳、方差非平稳和共同非平稳三类均值非平稳方差非平稳共同非平稳27五、耕地土壤耕地质量统计推断方法u 针对分区异质性表面的插值制图方法: 能够区分区内和区间变异，实现不同区样点信息的借用，改善插值制图结果。误差函数 = = , + , + , 2 , 2 , + var Gao et.al., Spatial interpolation of marine environment data using P-MSN， IJGIS，2019五、耕地质量统计推断方法u 有偏样本无偏估计方法: 通过双重自组织分区，对有偏样本进行纠偏，得到全局均值无偏估计SampleSize305SampleSize142SampleSize119Sa