专利名称：基于高分卫星遥感数据的土壤采样方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤采样方法，尤其是涉及一种基于高分卫星遥感数据的土壤采样方法。
背景技术：
合理的土壤采样方法是进行土壤科学管理和合理施肥的基础，是精确农业实施的前提。以最小的采样数目来达到最大的预测精度是土壤采样的目的。土壤特性的空间变异性可以通过采集的样品信息对未采样点进行预测，这种预测的可靠性依赖于最初的采样是否具有代表性及是否有效地描述了田块的变异性。土壤采样方法的合理与否直接关系到空间变异特性的表达。常见的土壤采样方法可以归结为两大类=Fisher创立的经典统计方法和地统计学空间采样法。经典的采样方法简单易行、应用广泛，但是通常需要大量的样点才能全面准确地获取土壤性状的空间分布特征，采样成本高，效率低。空间采样方法借助地统计学的支持，考虑到空间自相关性来设计采样方法。且随着数据获取技术和 现代化信息技术的发展，为推测土壤性状的空间变异提供了越来越多的辅助数据，如遥感数据，高程模型数据等。土壤采样方法一直是土壤学家研究的热点，CiPra等(1972)比较了有机质、磷等几种土壤肥力特性指标，在同样的误差和置信区间水平上，由于不同土壤肥力变异性的不同，所需要的采样数目也不同。Black等(1993)在代表性土壤样本的选择和采集方面进行了大量的试验和探讨。随着地统计学理论的深入发展和在土壤学科中的广泛应用，利用地统计学的有关方法和理论来设计和优化采样策略受到越来越多的关注。McBratney和Webster (1983)利用地统计学中克里格插值得到的土壤采样效率较传统统计方法高出13 9倍。Brus等(1999)利用分层简单随机采样法对土壤中速效磷平均含量进行预测，并利用变异函数评价了采样的精度。Ferreyar等(2002)利用半方差函数和空间退火模拟算法来减少土壤水的采样数目，与规则格网和随机采样模式相比，具有较高的预测精度。Wang等(1998)利用规则网格采样、随机采样、分层采样三种采样方法和三种不同的样本大小来研究采样模式和密度对土壤中污染物的空间结构特征的影响，发现样本大小和采样方法都对经验半方差函数有重要影响，同样的样本大小，规则网格采样的预测精度最高。国内姜城等(2001)对土壤合理采样数量做了研究，发现发部分土壤养分都有较为良好的半方差结构，在平衡取样成本和精度的前提下必须考虑土壤养分的空间变异程度。利用较易获取的数据进行土壤空间变异性的表达，可以节省人力、物力、财力。如利用EM38快速获取的土壤表观电导率数据、高分遥感卫星数据等。史舟等(2007)研究了土壤体积电导率在滨海盐土区的空间变异和采样方案。而利用方差四叉树法借助较易大面积获取的高分遥感卫星数据进行土壤采样方法的研究尚未见报道。这种优化的采样方式可以快速准确地获得最优的土壤采样布局方案，以较少的样品获得较高的预测精度，其采样效率比网格法高约17 44%，节省了采样成本，提高了采样布点的合理性和代表性。

发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于高分卫星遥感数据的土壤采样方法，借助易大面积获取的高分遥感卫星数据进行土壤采样。本发明的技术方案是
(I)高分卫星遥感数据预处理通过公式从高分遥感卫星数据中提取后向散射系数指数，以文件的形式存放；(2)区层的划分将提取的后向散射系数置于一个矩形框内，分成四个面积相等的区层h;(3)计算区层内的半方差值对每一个区层均计算出半方差值CK ;(4)最大方差值区层的寻找找出步骤(3)中四个面积相等的区域中半方差值(K最大的区层，再将其分的区层为四个面积相等的区层；(5)分割终止对步骤(4)中划分的四个面积相等的区层重复步骤(3)直到达到某一给定的迭代次数，或者直到半方差值的最大值小于某一阈值e ;设1为迭代次数，那么在第i个迭代时，所划分的总的区层数为Iii = 3i+l ；(6)采样方法在划分出的Iii区层内，采样点的位置是随机的，或者布设于中心；(7)采样图制作将每个采样点的空间位置和高分卫星遥感图像一起制作成野外土壤采样地图或输入到手持电脑上，然后结合GPS定位仪进行土壤采样。本发明具有的有益效果是本发明利用高分卫星遥感数据结合方差四叉树法进行土壤采样，可以快速准确地获得最优的土壤采样布局方案，节省采样成本，提高采样布点的合理性和代表性。比传统的网格采样效率提高17 44%左右，为精确农业管理提供了一种可行的方案。


图I是层内最大方差与分层数之间的关系图。图2是方差四叉树法采样方法结果图。图3是传统网格采样与四叉树法采样方法标准误差比较图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。选取浙江省上虞市西北地区、杭州湾南岸的海涂实验农场作为研究区域。选取2011年11月21日过境的AL0S/PALSAR高分雷达遥感数据(空间分辨率12. 5米)用于后向散射系数提取。(I)高分卫星遥感数据预处理AL0S/PALSAR L波段HH极化图像的后向散射系数o0(dB)通过公式(I)由图像的象元DN值得到，后向散射系数栅格图像数据以文件的形式存放；O 0 = IO^log10(DN)2+ e(I)式中，e是雷达定标系数，对于ALOS/PALSAR Level I. 5数据e = -83. O0(2)区层的划分将提取的研究区雷达后向散射系数栅格数据置于一个矩形框内，分成四个面积相等的区层h ;(3)计算区层内的半方差值对每一个区层按照公式(2)计算出半方差值；
权利要求
1.一种基于高分卫星遥感数据的土壤采样方法，其特征在于该方法的步骤如下 (1)高分卫星遥感数据预处理通过公式从高分遥感卫星数据中提取后向散射系数指数，以文件的形式存放； (2)区层的划分将提取的后向散射系数置于一个矩形框内，分成四个面积相等的区层h ； (3)计算区层内的半方差值对每一个区层均计算出半方差值； (4)最大方差值区层的寻找找出步骤(3)中四个面积相等的区域中半方差值最大的区层，再将其分的区层为四个面积相等的区层； (5)分割终止对步骤(4)中划分的四个面积相等的区层重复步骤(3)直到达到某一给定的迭代次数，或者直到半方差值的最大值小于某一阈值e ;设/为迭代次数，那么在第i个迭代时，所划分的总的区层数为ni=3i+l ； (6)采样方法在划分出的n,.区层内，采样点的位置是随机的，或者布设于中心； (7)采样图制作将每个采样点的空间位置和高分卫星遥感图像一起制作成野外土壤采样地图或输入到手持电脑上，然后结合GPS定位仪进行土壤采样。
全文摘要
本发明公开了一种基于高分卫星遥感数据的土壤采样方法。采集研究区的高分卫星遥感影像，计算相关指数的栅格数据。将数据置于一个矩形框内，然后分成四个相等面积的区层，计算每一个区层内的半方差平均值，找出半方差值最大的区层继续四分，随着迭代次数增加，最大方差值迅速减小，随后减少的幅度变小，直到达到某一给定的迭代次数或者最大半方差值小于给定的阈值(对应于采样误差限制)。最后，采样区被划分为许多面积大小不一但属性差异相对均一的区层，每个区层即为一个土壤采样单元。利用高分卫星遥感数据结合方差四叉树法进行土壤采样方法，可以快速准确地获得最优的土壤采样布局方案，节省采样成本，提高采样布点的合理性和代表性。
文档编号G01N1/04GK102645350SQ201210060278
公开日2012年8月22日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者史舟, 周炼清, 周银, 郭燕 申请人:浙江大学