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基于特征筛选及机器学习方法的混合区域土壤制图

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基于特征筛选及机器学习方法的混合区域土壤制图

作者：张晓婷华中农业大学

学位级别：硕士

在数字土壤制图中,能否准确获得土壤—环境知识直接决定土壤制图最终精度。在平缓区域,传统的地形、植被等环境要素变异较小,难以有效反映土壤的空间变异。如何提取能够有效反映平缓区域土壤空间变异信息的环境协变量成为数字土壤制图... 详细信息

在数字土壤制图中,能否准确获得土壤—环境知识直接决定土壤制图最终精度。在平缓区域,传统的地形、植被等环境要素变异较小,难以有效反映土壤的空间变异。如何提取能够有效反映平缓区域土壤空间变异信息的环境协变量成为数字土壤制图的研究重点和难点,同时也是提高平缓区域土壤制图精度的重要科学问题。基于上述问题,本文综合利用地形因子和遥感图像作为推理制图的知识源,针对丘陵和平原混合区域研究了数字土壤预测制图方法,并分析遥感因子在推理过程中的重要性。本研究的开展可以拓展数字土壤制图知识获取的理论和方法,为提高平缓区域制图精度奠定基础,具有重要的研究价值和意义。本研究以湖北省麻城市乘马岗镇为研究对象,该地区是典型的平原和丘陵混合区域。以地形和遥感因子为基础数据,采用不同特征筛选方法对环境因子进行重要性分析,研究不同环境因子对平原和丘陵区域土壤类型空间分布的影响,得出最优环境因子集。最终通过不同机器学习方法进行建模进而推理制图。研究旨在综合利用地形和遥感因子作为推理制图的知识源,从而提高平缓区域的土壤制图准确度,具体研究内容如下:(1)本文选用不同特征筛选算法(基于递归特征消除算法、基于Relief F算法和基于Tree的特征选择算法)对环境因子进行筛选,基于递归特征消除算法筛选后得到的环境因子预测制图精度比Relief F算法和基于Tree的特征选择算法筛选后得到的环境因子预测制图精度更高。同时,各种筛选算法可以对环境因子的重要性进行排序,从生成的重要性排序结果可以看出,归一化植被指数和均值在平原区域相较于整体区域和丘陵区域的重要性较大,进一步说明遥感因子对平原区域土壤制图的重要性较高。(2)将不同的特征筛选算法筛选后得到的环境因子输入至不同机器学习模型中对土壤类型进行预测,最终得到土壤类型推理图。同时,对各种机器学习模型在整体区域制图、平原区域和丘陵区域的应用进行探讨。结果显示:不同模型表现的土壤推理图相较于传统土壤图图斑均表现的更加细碎,相比整体区域制图结果,按地形分区制图结果精度更高、效果更好。(3)在本研究中,从土壤类型推理制图结果来看,研究区土壤类型的空间分布在这三种模型的预测中显示出显著的相似性。然而,三种模型精度和稳定性表现不同。从模型角度分析,Ada Boost分类模型、GBDT分类模型和Bagging分类模型在分类制图方面展现出各自的优势。从制图精度来看,GBDT分类模型在按地形分区生成土壤图时表现出的精度最高;从模型稳定性的角度来看,Ada Boost分类模型在按地形分区制图生成土壤图的精度最为稳定。从模型综合性能来看,Bagging分类模型在按地形分区生成土壤图时能够在保证稳定性要求的情况下精度表现也较好。综上,将机器学习方法与特征筛选算法结合进行土壤图的建模预测推理具有重要的研究价值。

关键词：土壤—环境关系特征筛选机器学习土壤类型土壤制图

基于土层空间变异性的大比例尺土壤调查制图研究

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浙江大学学报（农业与生命科学版） 2006年第3期32卷 346-349页

作者：章明奎夏建强符娟林浙江大学资源科学系浙江杭州310029

该文提出了根据土层的空间变异性进行大比例尺土壤制图研究.该制图方法可顺次分为以下几步:①用GPS定位观察土壤剖面,划分土层;②确定调查区土壤类型,建立空间和属性数据库;③进行主要土层(诊断层)厚度的空间变异分析,选择和确定调查区... 详细信息

该文提出了根据土层的空间变异性进行大比例尺土壤制图研究.该制图方法可顺次分为以下几步:①用GPS定位观察土壤剖面,划分土层;②确定调查区土壤类型,建立空间和属性数据库;③进行主要土层(诊断层)厚度的空间变异分析,选择和确定调查区土壤划分依据(诊断标准);④叠置分析,获得土壤类型图.通过对一个发育于页岩低丘陵土壤样区的应用研究表明,该方法制图可获得较高的准确性(94%).

关键词：土层空间变异性土壤制图诊断土层

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土壤制图中土壤类型配色模型构建与应用

土壤学报 2015年第2期52卷 431-439页

作者：徐爱国张维理张怀志武淑霞冀宏杰中国农业科学院农业资源与农业区划研究所北京100081

在全国1∶5万土壤图集制图中,土壤类型的配色既需表现土类等高级类型的分布特征,也要表现土属等较低级类型的差别。我国土壤低级类型众多,且1∶5万基本比例尺图幅达2万余幅,采用传统人工设色方法进行土壤制图,不仅效率低,而且难以保持... 详细信息

在全国1∶5万土壤图集制图中,土壤类型的配色既需表现土类等高级类型的分布特征,也要表现土属等较低级类型的差别。我国土壤低级类型众多,且1∶5万基本比例尺图幅达2万余幅,采用传统人工设色方法进行土壤制图,不仅效率低,而且难以保持图幅间土壤颜色的协调一致性。针对这一技术难题,本研究采用图幅间相似配色方法和人机交互的设计思想,通过建立1个多层级管理色库、人工设置土壤类型的Q配色单元及其多个近似色系(色组),建立了Q配色单元的避让选色和区域土壤特征分析等5个组件模型,构建了土壤类型配色模型(SCO-Model)。该模型在大比例尺土壤制图中不仅反映了区域土壤的总体分布特征,也表达了土壤类型间的差异,特别是实现了大比例尺土壤制图中土壤类型的快速智能配色,大大提高了制图效率。

关键词：配色模型土壤类型土壤制图

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土壤调查成果制图软件设计与实现

中国农业信息 2022年第6期34卷 59-66页

作者：车紫进李会宾贾曲宋佳运史云中国农业科学院农业资源与农业区划研究所

【目的】随着土壤调查数据体量增大,已有分析制图效率无法满足成果产出需求,需要一套数据分析制图软件集合,降低土壤调查数据的分析制图门槛,提高制图效率,助力土壤调查成果的有效沉淀。【方法】文章基于B/S架构的软件设计模式,采用了We... 详细信息

【目的】随着土壤调查数据体量增大,已有分析制图效率无法满足成果产出需求,需要一套数据分析制图软件集合,降低土壤调查数据的分析制图门槛,提高制图效率,助力土壤调查成果的有效沉淀。【方法】文章基于B/S架构的软件设计模式,采用了WebGIS技术用于处理用户与制图要素的交互,采用了虚拟化技术用于算法环境的隔离,采用流式文件读写技术处理大体量数据的输入输出,采用了WebGL渲染着色技术用于制图成果的可视化,从算法和应用两个维度设计了土壤制图工具各组件的逻辑关系与交互模式。【结果】设计实现了土壤调查成果制图软件,集成了IDW反比例加权插值算法,克里格插值算法和随机森林算法等算法函数,开发了土壤质量评价,土壤肥力评价和土壤适宜性评价等功能模块,实现了操作步骤原子化,计算过程固定化,计算参数可配置。【结论】在保证精度的前提下,有效降低了土壤制图难度,提高土壤制图的效率。

关键词：土壤制图软件设计制图算法

土壤制图中多等级代表性采样与分层随机采样的对比研究

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土壤学报 2015年第1期52卷 28-37页

作者：杨琳朱阿兴张淑杰安艺明中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023 南京师范大学地理科学学院南京210023 Department of Geography University of Wisconsin-Madison 中国科学院大学北京100049

采样设计是土壤地理研究中备受关注的重要问题。本文以区域尺度土壤属性制图为例,将多等级代表性采样与经典采样中的分层随机采样进行对比研究。以安徽宣城研究区的表层砂粒含量为目标要素,采集数量均为59个的两套样点,设计不同数量(46... 详细信息

采样设计是土壤地理研究中备受关注的重要问题。本文以区域尺度土壤属性制图为例,将多等级代表性采样与经典采样中的分层随机采样进行对比研究。以安徽宣城研究区的表层砂粒含量为目标要素,采集数量均为59个的两套样点,设计不同数量(46、58和59)的样点分组,采用两种制图方法进行制图并利用独立验证点进行评价。结果表明:1)无论是采用多元线性回归方法还是基于环境相似度的制图方法,在同等样点数量下,利用代表性样点所得土壤图精度均高于利用随机样点所得精度,并且利用少量代表性样点(46个)所得土壤图精度也高于利用多量随机样点(59个)所得精度;2)随着代表性较低样点的增加,土壤制图精度基本有一个提高的趋势,而采用随机样点所得土壤图的精度波动较大。因此,可认为多等级代表性采样方法是一种可用于区域尺度土壤调查的有效采样方法,且比分层随机采样高效、稳定。

关键词：土壤制图土壤采样多等级代表性采样分层随机采样区域尺度

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基于支持向量机的典型冻土区土壤制图研究

土壤学报 2011年第3期48卷 461-469页

作者：石伟南卓铜李韧赵林张秀敏赵拥华中国科学院寒区旱区环境与工程研究所兰州730000

基于青藏高原大片连续多年冻土分布的东部边缘,青海省兴海县温泉地区的野外调查数据,通过对研究区遥感数据的分析,开展了土壤制图方法的探讨。以成土因素学说和土壤-景观模型理论为基础,筛选土壤分类潜在变量,在不同的变量组合下运用支... 详细信息

基于青藏高原大片连续多年冻土分布的东部边缘,青海省兴海县温泉地区的野外调查数据,通过对研究区遥感数据的分析,开展了土壤制图方法的探讨。以成土因素学说和土壤-景观模型理论为基础,筛选土壤分类潜在变量,在不同的变量组合下运用支持向量机(SVM)的方法建立土壤-景观模型,对整个研究区进行预测性分类。为了更好地检验该方法的有效性,采用五折交叉方式进行结果的验证。并通过对比不同变量组合的交叉验证结果和分布模拟结果图,确定了适合典型冻土区土壤分类的环境变量组合,以较少的样本知识较好地预测该区土壤类型的空间分布。

关键词：土壤制图支持向量机多年冻土区土壤分类

基于地统计学和GIS的灌区盐渍化土壤制图及评价

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干旱区研究 2010年第6期27卷 962-968页

作者：谷海斌张丽盛建东武红旗新疆农业大学草业与环境科学学院新疆乌鲁木齐830052

利用土壤质地、质地层次组合和总盐含量为指标,进行干旱区盐渍化土壤分类。结合野外调查采样,利用地理信息系统等数字土壤技术,对研究区盐渍化土壤进行制图研究,定量评价土壤质地和盐渍化状况。结果表明:研究区土壤以轻盐化(3～6g/kg)为... 详细信息

利用土壤质地、质地层次组合和总盐含量为指标,进行干旱区盐渍化土壤分类。结合野外调查采样,利用地理信息系统等数字土壤技术,对研究区盐渍化土壤进行制图研究,定量评价土壤质地和盐渍化状况。结果表明:研究区土壤以轻盐化(3～6g/kg)为主,面积为1535.7km2(64.7%);3种类型盐渍化土壤(全黏轻盐化土、表黏轻盐化土壤和腰黏轻盐化土壤)的总面积为1517.4km2(63.9%),土壤黏粒含量是影响盐渍化的一个重要因素。制作完成的盐渍化数字土壤图为研究区盐渍化土壤的改良及利用提供了基础数据。

关键词：土壤制图盐渍土分类改良玛纳斯河流域新疆

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数字土壤制图的推理方法对比研究

土壤通报 2020年第5期51卷 1016-1023页

作者：杨雨菲韩浩武陈荣黄魏傅佩红华中农业大学资源与环境学院湖北武汉430070

数字土壤制图是基于计算机技术利用现代空间分析方法获取详细空间属性的土壤制图技术,是当下信息时代对土壤资源类型、数量以及空间分布进行详尽认识的新方法,而推理方法决定了制图效率和结果的可靠性。不同的研究区域必须与推理方法相... 详细信息

数字土壤制图是基于计算机技术利用现代空间分析方法获取详细空间属性的土壤制图技术,是当下信息时代对土壤资源类型、数量以及空间分布进行详尽认识的新方法,而推理方法决定了制图效率和结果的可靠性。不同的研究区域必须与推理方法相互匹配,为研究适合小尺度空间范围上的土壤制图方法,本研究选取母质类型、地形因子及遥感光谱指数,在原始土壤图基础上采用面积加权法布设采样点,选用决策树、支持向量机、随机森林三种推理方法获取土壤—环境知识,从而获得研究区的土壤类型空间分布图,并通过实地采样点数据验证比较三种方法的制图精度。研究结果表明:(1)总体上,每种算法得到的土壤类型空间分布结果与原始土壤图高度相似,但相较于原始土壤图,推理得出的土壤图细节信息更丰富;(2)实地采样点验证结果显示,随机森林分类模型的总体分类精度与Kappa系数均优于决策树与支持向量机分类模型,分类结果最佳;且对比三种分类算法推理得到的各土壤类型的用户精度和生产精度,随机森林算法也较决策树与支持向量机两种算法更优。本研究结果可为数字土壤制图中推理方法的选取提供参考。

关键词：土壤制图决策树支持向量机随机森林土壤-景观模型

我国土壤调查制图及土壤分类工作的回顾与展望

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土壤 1992年第6期24卷 281-284,301页

作者：赵其国中国科学院南京土壤研究所

建国以来,我国围绕国土整治与区域治理任务,在各地开展了土壤调查、制图及分类工作,为土壤资源的开发利用、建立土壤信息系统以及制定以诊断层为基础的土壤分类系统作出了贡献。今后应加强遥感技术与土壤信息系统的结合,使之步入新的发... 详细信息

建国以来,我国围绕国土整治与区域治理任务,在各地开展了土壤调查、制图及分类工作,为土壤资源的开发利用、建立土壤信息系统以及制定以诊断层为基础的土壤分类系统作出了贡献。今后应加强遥感技术与土壤信息系统的结合,使之步入新的发展阶段。

关键词：土壤调查土壤分类土壤制图