地表基质调查技术方法探索与...龙江省宝清县黑土地调查为例_刘洪博.pdf

地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷 第6期2022年12月Vol.29 No.6December，2022自然资源统一调查监测技术体系构建地表基质调查技术方法探索与实验以黑龙江省宝清县黑土地调查为例引文格式：刘洪博，孔繁鹏，赵 建，等.地表基质调查技术方法探索与实验J.地理信息世界,2022,29(6):1-5.Exploration and Experiment of Surface Substrate Investigation Technique：A Case Study of Black Soil Investigation in Baoqing County，Heilongjiang Province刘洪博，孔繁鹏，赵 建，何金宝，刘博文 中国地质调查局 牡丹江自然资源综合调查中心，黑龙江 牡丹江 157021基金项目：中国地质调查局项目（ZD20220110原编码DD20211588）作者简介：刘洪博（1991），男，黑龙江牡丹江人，工程师，学士，主要从事灾害地质调查、地表基质调查工作E-mail：通信作者：孔繁鹏（1986），男，黑龙江牡丹江人，工程师，硕士，主要从事地表基质调查工作E-mail：收稿日期：2022-03-28LIU Hongbo，KONG Fanpeng，ZHAO Jian，HE Jinbao，LIU BowenMudanjiang Natural Resources Investigation Center,China Geological Survey,Mudanjiang 157021,China【摘要】选取黑龙江省双鸭山市宝清县作为东北黑土地典型代表区域，开展地表基质调查点位布设方法探究。本文在综合对比分区法、网格法、图斑法3种点位布设方法的基础上，利用表层土壤有机质数据，探索基于统计学算法的样点布设方法，并对比分析不同插值方法在研究区的预测效果。结果表明：地表基质调查点位布设方法应以分区法为主，以网格法为辅，利用统计学算法计算各类型区样点数量时，置信区间选取95%，相对偏差选取5%更为合理；空间插值预测方法选用残差克里金法（RK）效果最佳。本文从布设方法选取、类型区划分、点位计算到插值成图，为地表基质调查建立起完整的调查评价体系，研究成果不仅适用于地表基质调查，也为其他土壤调查领域提供借鉴和参考。【关键词】地表基质；样点布设；插值方法；宝清县【中图分类号】P2；N8 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2022）06-0001-05Abstract：Baoqingcounty，Shuangyashancity，HeilongjiangprovincewasselectedasatypicalrepresentativeareaofblacksoilinNortheastChinatoexplorethelayoutmethodofsurfacematrixsurveypoints.Throughthecomprehensivecomparisonofpartitionmethod，gridmethodandspotmethod，thisstudyexploresthesamplelayoutmethodbasedonstatisticalalgorithmbyusingthesurfacesoilorganicmatterdata,andanalyzesthepredictioneffectofdifferentinterpolationmethodsinthestudyarea.Theresultsshowthatthelayoutmethodofsurfacematrixsurveypointsshouldbemainlybasedonthepartitionmethodandsupplementedbythegridmethod.Whenthenumberofsamplepointsineachtypeofareaiscalculatedbystatisticalalgorithm，itismorereasonabletoselect95%confidenceintervaland5%relativedeviation.TheresidualKriging（RK）methodisthebestchoiceforspatialinterpolationprediction.Thisstudyhasestablishedacompleteinvestigationandevaluationsystemforsurfacematrixinvestigationfromlayoutmethodselection-typeareadivision-pointcalculation-interpolationmapping.Theresearchresultsarenotonlyapplicabletosurfacematrixinvestigation，butalsoprovidereferenceforothersoilinvestigationfields.Key words：surfacesubstrate；samplingpointlayout；interpolationmethod；Baoqingcounty0 引 言地表基质是指当前出露于地球陆域地表浅部或水域水体底部，主要由天然物质经自然作用形成，正在或可以孕育和支撑森林、草原、水等各类自然资源的基础物质1，是自然资源分层模型的第一层2，在自然资源综合调查领域具有重要意义。2019 年以来，我国在多个县市开展地表基质调查试点工作，但关于地表基质调查点位的合理布设问题始终没有定论。较大的采样密度会耗费大量的人力、物力和财力，较低的采样密度，又难以保证预测精度3。因此，如何在确保调查点位科学、合理、有效的同时，尽可能减少调查点位以降低调查成本，是当前地表基质调查工作面临的首要难题。2地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷自然资源统一调查监测技术体系构建近年来，多位学者对土壤调查的点位布设方法开展过研究。刘聪等4在山区和丘陵区，基于土壤养分元素和普通克里金法研究提出，在山区合理样点密度为 16 个/km2，丘陵区合理样点密度为 10 个/km2；彭敏等5选取典型东北平原地区，基于 Cd 和 Hg 元素的空间变异特征，利用反距离权重法研究提出，在东北平原区土壤调查采样点密度选取 8 个/km2较为合理；邹辉等6在江汉平原典型区域，通过抽取 4 个样本和 3 种插值方法对土壤属性空间进行预测，提出江汉平原地区合理的采样点密度为 10 个/km2，插值方法选取反距离权重法最为合理。上述研究多是基于不同采样点密度和插值方法对预测精度的影响角度开展，默认的点位布设方法为网格法或随机法，而地表基质调查相比于传统地球化学调查，在同等经费的前提下，调查面积更大，测试项目更多，上述的采样密度难以适用。因此，本文以东北典型黑土区宝清县为研究对象，在综合对比分区法、网格法和图斑法的基础上，以科学、有效、经济为原则，对地表基质调查点位布设及插值预测方法进行了探索。研究结果为地表基质调查工作的顺利开展和实施提供了基础理论支撑。1 研究区概况宝清县隶属于黑龙江省双鸭山市，地处黑龙江省东部，位于三江平原核心，北大荒腹地，北纬4545 4655，东经 13112 13330之间，是我国典型黑土分布区，县域面积 10 001.27 km2（图 1）。境内地形地貌以平原和丘陵山区为主，平原区主要分布于研究区中北部约占研究区总面积的 60%，东、南、西三面为丘陵山区约占研究区总面积的 40%。研究区土壤类型以暗棕壤与草甸土为主，面积占比分别为 37.72%和 32.78%，其中暗棕壤主要分布于东、南、西三面的丘陵山区，草甸土主要分布于中北部平原，而沼泽土、白浆土和黑土分布面积相对较少，面积占比分别为 13.47%、8.62%和 6.10%，其中沼泽土主要分布于研究区中部河流沿岸，白浆土主要分布于东南山区与平原区过渡地带，而黑土主要分布于中西部山区与平原区过渡地带，水稻土在研究区零星出露。研究区的土地利用类型以乔木林地、旱地和水田为主，分别占研究区总面积的 36.14%、34.21%和 16.34%，草地占比 1.34%，其他利用类型（园地、灌木林地等）占比不足 1%。图 1 研究区位置示意图及土壤类型图Fig.1 Location diagram and soil types map of the study area2 研究方法2.1 数据来源本文数据来源于沈阳地质调查中心土地质量地球化学测试的有机质数据（2017 年）和牡丹江自然资源综合调查中心地表基质调查测试的有机质数据（2021 年），利用迭代法剔除 3 倍标准离差后，保留有效数据 1 311组（图 2）。图 2 宝清县有效点位数据集Fig.2 Original dataset of Baoqing county2.2 布设方法选取综合对比分区采样、网格采样和图斑采样如下。1）分区采样。把研究区域按照属性特点划分为若干个性质较为均匀的类型区，进而分别独立地从每个类型区进行随机布点7-8。此方法的优点在于可以极大程度减少取样密度，降低取样误差，提高取样精度，缩小调查成本。但随机布点方法易造成样点空间分布不均匀，不利于土壤信息空间变异性的研究9。2）网格采样。指把研究区域分成大小相等的网格，网格线的中点或交叉点即为采样点。该种方法具有较好的普适性，操作简单易行，在预测成图时可以将误差值32022年 第6期自然资源统一调查监测技术体系构建最小化，有利于土壤属性空间变异和相关性研究。网格的间距越小，描述土壤空间变异信息的精度也就越高，但所需的成本也随之增加10，而过大的采样间距，不但会增加预测数据的误差，影响评价的准确性，同时在地形较为复杂或多数类型区面积较小且分布不均匀的区域取样点位的确定比较困难7。3）图斑采样。指按照国土调查划定的图斑为采样单元进行布点。该种方法可以更好地反映图斑间的信息差异，最大化提高预测精度，利于统计分析评价，在农业调查领域具有广泛应用。但调查成本过高，不利于大面积作业需求，并且在图斑面积过大或图斑面积较小且零散分布的区域适用性不强。以宝清县为例，全国第三次国土普查数据显示：宝清县生产用地及生态用地总面积 9 720 km2，图斑 161 359 个，平均图斑数16.14个/km2，其中面积小于0.01 km2的图斑98 085个。按图斑法作业过程中，多数区域调查点位将分布过密，经费预算难以支撑。因此，本文选取分区采样法为主，网格采样法为辅，在合理划定类型区的基础上，利用网格法在各类型区内均匀选点。2.3 类型区划分利用已有调查数据基础，根据土壤养分变异差异，按照分区分类原则，选取地形地貌、土壤类型和利用类型作为点位布设因子，利用ArcGIS软件，建立因子间属性连接，将宝清县划分为若干个属性相对均匀的类型区。2.4 子样本抽取利用统计学算法11，设定置信区间为 95%，分别选取相对偏差5%、10%、15%和20%计算各类型区采样点数。统计学算法公式如下：（1）（2）式中，n为需要的采样数量；t为一定置信水平自由度下相对应的t值，可查t值表确定；CV为有机质变异系数；d为选定的相对偏差。如果计算所得样本数n大于总体样本容量N的 10%，则采用如下不重复抽样公式得到合理的采样数量n。2.5 插值预测方法目前，我国土壤调查常用的空间插值预测方法主要有两种，分别为反距离权重法（IDW）和普通克里金法（OK）6,12，残差克里金法（RK）应用较少。反距离权重法是以待估算未知点的位置为中心，使用周边一定数量的已知点计算其权重平均数，作为未知点的估计值。插值点与实测点距离越近权重越大，反之距离越远则权重越小13。普通克里金法是利用已知点位和半方差函数，对未采样点进行估值的一种方法14。残差克里金法是以划定的类型区为基础，计算各类型区实际点位数据与算