Педометрическое картирование или статистическое картирование почв - это создание на основе данных карт свойств и классов почв, основанное на использовании статистических методов. [1] [2] [3] Основная цель педометрического картирования состоит в том, чтобы спрогнозировать значения некоторых переменных почвы в ненаблюдаемых местах и получить доступ к неопределенности этой оценки с использованием статистических выводов, т.е. С точки зрения приложения, основная цель почвенного картирования - точно предсказать реакцию почвенно-растительной экосистемы на различные стратегии управления почвами. Другими словами, основная цель педометрического картирования - создание карт свойств и классов почв.которые можно использовать для подкрепления других моделей окружающей среды или для принятия решений. Педометрическое картографирование в значительной степени основано на применении геостатистики в почвоведении и других статистических методах, используемых в педометрии .
Хотя педометрическое картирование в основном основывается на данных, оно также может во многом основываться на использовании экспертных знаний. Однако экспертные знания должны быть включены в структуру педометрических вычислений, чтобы их можно было использовать 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 цель педометрического картирования - описать пространственную сложность почв (информационное содержание переменных почвы в географической области), а затем представить эту сложность с помощью карт, сводных показателей, математических моделей и моделирования. [5] Моделирование - это предпочтительный способ визуализации структуры почвы, поскольку они представляют как детерминированную модель, обусловленную ландшафтом, географическими горячими точками, так и изменчивость на близком расстоянии (см. Изображение ниже). [ необходима цитата ]
Педометрия
Педометрика - это применение математических и статистических методов для изучения распределения и генезиса почв . [6]
Pedometrics является контаминация из греческих корней pedos (почвы) и метрон (измерения). В этом случае измерения ограничиваются математическими и статистическими методами, поскольку они относятся к почвоведению - отрасли почвоведения , изучающей почву в ее естественных условиях.
Педометрия решает проблемы, связанные с почвой, когда существует неопределенность из-за детерминированных или стохастических вариаций, неопределенности и отсутствия знаний о свойствах и процессах почвы. Он основан на математических, статистических и численных методах и включает численные подходы к классификации для работы с предполагаемыми детерминированными вариациями. Имитационные модели включают неопределенность за счет применения теории хаоса , статистического распределения или нечеткой логики .
Педометрика обращается к почвоведению с точки зрения новых научных областей, таких как вейвлет- анализ, теория нечетких множеств и интеллектуальный анализ данных в приложениях моделирования почвенных данных. Развитие педометрии также связано с улучшением дистанционного зондирования и зондирования с близкого расстояния. [7]
Педометрическое и традиционное картографирование почвы
При традиционной съемке почвы пространственное распределение свойств почвы и тел почвы может быть выведено с использованием мысленных моделей, которые приводят к ручному разграничению. Такие методы можно рассматривать как субъективные, и, следовательно, сложно или невозможно статистически оценить точность таких карт без дополнительной полевой выборки. Традиционное картирование почвы имеет некоторые ограничения для использования в мультитематической ГИС, связанные с тем фактом, что оно часто не применяется последовательно разными картографами, оно в основном выполняется вручную и его трудно автоматизировать. Большинство традиционных почвенных карт в мире основано на ручных очертаниях предполагаемых почвенных тел, к которым затем прикрепляются почвенные атрибуты. [8] [9] В случае педометрического картирования все результаты основаны на использовании строгих статистических вычислений и, следовательно, воспроизводимы .
Педометрическое картирование в значительной степени основано на использовании обширных и подробных ковариатных слоев, таких как производные цифровой модели рельефа (ЦМР), изображения дистанционного зондирования, климатические слои, слои земного покрова и геологические слои и изображения ГИС. Эволюция педометрического картирования 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 новые автоматизированные методы картирования .
Картографирование почвы на основе экспертных знаний | Картирование почв на основе данных / технологий (педометрическое) | |
---|---|---|
Целевые переменные: | Типы почв (серия почв) | Аналитические свойства почвы |
Модель пространственных данных: | Дискретный (грунтовые тела) | Непрерывный / гибридный (количества / вероятности) |
Основные входы: | Экспертные знания / описание профиля почвы | Лабораторные данные / проксимальное зондирование почвы |
Важные ковариаты: | Очертания почв (фото-интерпретация) | Изображения дистанционного зондирования, производные ЦМР |
Модель пространственного прогнозирования: | Усреднение по полигону | Автоматическая (гео) статистика |
Оценка точности: | Валидация единиц почвенного картографирования (каппа) | Перекрестная проверка (RMSE) |
Представление данных: | Полигональные карты + таблицы атрибутов (2D) | Карты с координатной сеткой (2D / 3D) + карта ошибок прогноза или моделирование |
Главный технический аспект: | Картографическая шкала | Размер ячейки сетки |
Стратегии отбора проб почвы: | Бесплатное обследование (геодезист выбирает места отбора проб) | Статистические (планы выборки на основе дизайна / модели) |
Педометрические и цифровые карты почв
Педометрический анализ основывается исключительно на геостатистике, тогда как цифровое картирование почв использует более традиционные концепции почвенного картирования, которые не являются строго педометрическими по своей природе. Цифровое картографирование почвы, также известное как прогнозирующее почвенное картирование [10], основано на компьютерном выводе свойств почвы для создания цифровых карт дискретных типов почв . При составлении педометрических карт не создаются карты, обозначающие отдельные типы почв.
Методы
Методы педометрического картирования различаются в зависимости от этапов обработки данных исследования почвы:
- Отбор проб
- Скрининг данных
- Предварительная обработка ковариат почвы
- Подгонка геостатистической модели
- Пространственное предсказание
- Перекрестная проверка / оценка точности
- Визуализация результатов
Одной из основных теоретических основ педометрического картирования является универсальная модель изменения почвы: [4] [11]
где является детерминированной частью изменения почвы, - стохастическая, пространственно автокоррелированная часть вариации, и остаточная вариация (ошибки измерения, краткосрочная изменчивость и т. д.), которая также, возможно, зависит от , но это не моделируется. Эта модель была впервые представлена французским математиком Жоржем Матероном и оказалась лучшим объективным линейным предсказателем для пространственных данных. Одним из способов использования этой модели для прогнозирования или моделирования является регрессионно-кригинг (также известный как универсальный кригинг ). В случае данных о почве детерминированный компонент модели часто моделируется с использованием факторов почвообразования: климата, организма, рельефа, исходного материала или литологии и времени. Эта концептуальная модель, известная как модель CLORPT , была впервые представлена в моделировании почв и ландшафта Хансом Дженни . [2]
Специальная группа методов педометрического картирования сосредоточена на уменьшении пространственной информации, которая может быть привязанной к области или непрерывной. Прогнозирование классов почв - это еще одна область педометрического картирования, в которой используются конкретные геостатистические методы с целью интерполяции переменных факторного типа.
Педометрическое картирование также во многом основано на использовании новых технологий измерения свойств почвы, также называемых методами цифрового картирования почв . Это включает:
- Спектроскопия почвы и проксимальное зондирование почвы (портативные или автомобильные устройства)
- Системы дистанционного зондирования для картографирования и мониторинга почв (например, SMOS )
- Технология LiDAR для создания цифровых моделей рельефа
- Технологии точного земледелия
Рекомендации
- ^ Hengl Томислав (2003). Педометрическое картирование: устранение разрыва между традиционным и педометрическим подходами . [Вагенинген: sn ISBN 9789058088963.
- ^ а б Грюнвальд, отредактированный Сабиной (2006). Экологическое почвенно-ландшафтное моделирование, геоинформационные технологии и педометрия . Бока-Ратон, Флорида: CRC / Taylor & Francis. ISBN 9780824723897.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Kempen, B .; Heuvelink, GBM; Брус, диджей; Stoorvogel, JJ (10 марта 2010 г.). «Педометрическое картирование почвенного органического вещества с использованием почвенной карты с количественной неопределенностью». Европейский журнал почвоведения . 61 (3): 333–347. DOI : 10.1111 / j.1365-2389.2010.01232.x .
- ^ а б Heuvelink, GBM; Вебстер, Р. (30 апреля 2001 г.). «Моделирование изменения почвы: прошлое, настоящее и будущее». Геодермия . 100 (3–4): 269–301. Bibcode : 2001Geode.100..269H . DOI : 10.1016 / S0016-7061 (01) 00025-8 .
- ^ Hengl, T .; Николич, М .; Макмиллан, РА (31 марта 2012 г.). «Эффективность картографии и информативность». Международный журнал прикладных наблюдений за Землей и геоинформации . 22 : 127–138. DOI : 10.1016 / j.jag.2012.02.005 .
- ^ Хёвелинк, Жерар (декабрь 2003 г.). «Определение педометрии» (PDF) . Педометр . Международная рабочая группа по педометрии - Временная комиссия по педометрии Международного союза почвоведов (15). Архивировано из оригинального (PDF) 30 сентября 2007 года . Проверено 1 ноября 2006 .
- ^ Питер А., Берроу; Йохан Баума ; Скотт Р. Йейтс (1994). «Современное состояние педометрии» (PDF) . Геодермия . Elsevier Science BV, Амстердам. 62 (1–3): 311–326. Bibcode : 1994Geode..62..311B . DOI : 10.1016 / 0016-7061 (94) 90043-4 . Проверено 1 ноября 2006 .
- ^ McBratney, AB; Мендонса Сантос, ML; Минасный, Б. (1 ноября 2003 г.). «О цифровом картографировании почв». Геодермия . 117 (1–2): 3–52. Bibcode : 2003Geode.117 .... 3M . DOI : 10.1016 / S0016-7061 (03) 00223-4 .
- ^ Беренс, Торстен; Шолтен, Томас (1 июня 2006 г.). «Цифровое картографирование почв Германии - обзор». Журнал питания растений и почвоведения . 169 (3): 434–443. DOI : 10.1002 / jpln.200521962 .
- ^ Scull, P .; Дж. Франклин; О.А. Чедвик; Д. МакАртур (июнь 2003 г.). «Прогнозное картографирование почв - обзор». Успехи в физической географии . Публикации Sage. 27 (2): 171–197. DOI : 10.1191 / 0309133303pp366ra .
- ^ Берроу, Пенсильвания (1986). Принципы географических информационных систем для оценки земельных ресурсов . Кларендон Пресс. п. 194.
Внешние ссылки
- Комиссия по педометрии Международного союза почвоведов
- ISRIC - Всемирный центр обработки данных о почвах
- Международное общество геоморфометрии
- Инструменты с открытым исходным кодом для почвоведов от Калифорнийской лаборатории почвенных ресурсов
- Рабочая группа по цифровому картированию почв