基于控制区空间变异性的耕地质量监测样点布控方法

作者简介:
宋艳华(1979-),syhdata@126.com,女,河南封丘县人,河南省科学院地理研究所助理研究员,硕士,主要从事土地资源调查与评价研究,郑州 450052;毛含冰,中国航空工业集团公司凯迈电子有限公司,河南 洛阳 471003;王令超,河南省科学院地理研究所,郑州 450052;杨建波,河南省科学院地理研究所,郑州 450052

原文出处:
地域研究与开发

内容提要:

监测样点布设是实现对区域耕地质量监测的基础。为了提高耕地质量监测精度,建立了一套基于监测控制区空间变异性的耕地质量监测样点布控方法。利用Neyman法确定在给定置信度和抽样误差下的研究区最优样点总数;根据耕地质量及其影响因素划定监测控制区,为研究区进行空间分层;利用变异系数为各控制区分配监测样点;在各控制区内采用空间随机法布设监测样点。为了对比该抽样法的估算精度,又采用空间随机抽样法和基于自然质量等别、基于控制区权重的分层抽样法等进行了其余4种抽样布设方案,并计算了5种样点布设方案的Kriging估计误差,通过对比发现,在相同的取样总数下,不同的样点布设方案估算精度差别显著,基于控制区空间变异性的耕地质量监测样区分层布控方法的RMSE最小。得出科学的监测样点布设方案,可以在最小的投入下获取最大的信息量,提高耕地质量监测效率和精度。


期刊代号:K9
分类名称:地理
复印期号:2015 年 03 期

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      修回日期:2014-11-06

      中图分类号:F301.21 文献标志码:A 文章编号:1003-2363(2014)06-0131-06

      0 引言

      监测样点布设是实现对区域耕地质量空间监测的基础,可靠、高精度的抽样方法,是保证耕地质量监测精度的前提[1]。耕地质量受气候、土壤、地形以及利用水平和方式等因素的影响,具有空间变异性[2]。研究表明区域面积上影响耕地质量的多种因素平均值和变异程度常常受到监测尺度、监测方法和样点布局的影响[3-4]。因此,在监测手段相近,监测尺度一定的条件下,监测精度主要受观测样点数目和布局的影响[5-6]。监测样点过多,不但投入大,而且易产生信息冗余;监测样点过少,精度往往难以满足要求。即使确定了适宜的监测点数目,但由于耕地质量的空间变异性,传统的分析方法因为不能兼顾耕地质量空间变异特性,必然导致一些地方信息冗余,造成浪费,另一些地方由于信息不足难以达到要求的精度。因此只有根据耕地质量的空间变异情况,对研究区域进行耕地质量的合理分区,才能进行经济、合理的布点,从而才能以最小的投入获取最大的信息量[7-8]。为此,以河南省禹州市为研究区域,在农用地分等成果的基础上,在GIS技术支持下,利用经典统计学方法确定在一定抽样误差条件下的最优监测样点总数,再综合研究区耕地质量水平、利用水平、利用特征、收益水平等因素的空间分布对研究区进行综合控制区划分;计算各控制区内耕地质量的空间变异系数,并以此为依据实现监测样点在各控制区间的分配,以确定不同监测控制区内的样点数量;最后在各监测控制区内依据空间简单随机抽样进行样点空间布设。本研究为耕地质量监测提供了一种新的样点布控方法,经检验可显著降低估计误差。

      1 研究区耕地质量概况

      禹州市位于河南省中部,地处伏牛山脉与豫东平原过渡带,黄淮平原区和豫西山地丘陵区的交界处。全市土地总面积约为1 393.01 ,地表形态复杂,地势西北高,东南低,海拔高程由西部的1 150 m降低到东南部的100 m,山地、丘陵、岗地和平原等地貌类型齐全,4种地貌类型各占土地总面积的13.90%,14.70%,30.60%和40.80%。禹州市属北暖温带大陆性季风气候区,年平均气温14.4℃,年平均降水量650 mm。标准耕作制度为一年两熟(小麦、玉米)。

      本研究以禹州市2011年1∶1万耕地质量等级数据为基础[9],结合DEM数据、土壤类型图、2011年各村典型地块投入产出数据和各乡镇农业生产及社会经济特征等数据进行监测控制区的划定,并依据各监测控制区的空间变异性进行监测样点的空间分层布控。

      2011年禹州市耕地自然质量等别分布(图1)。2011年禹州市耕地面积888.06 ,占土地总面积的64%,11等以上等别较高的耕地分布在禹州市东部、东南部和中北部颍河两岸,这些地区也是禹州市的平原和岗地区,是该市耕地质量最好、粮食产量最高、耕地最为集中的区域;10等及以下耕地分布在西部和北部山区,这些区域耕地分布破碎,面积较小,主要以山地和坡地为主,粮食产量相对较低。

      

      图1 禹州市耕地自然质量等别分布

      Fig.1 Distribution of the cultivated land physical quality grades in Yuzhou County

      2 抽样方法介绍

      由图1看出,禹州市耕地质量在空间分布上虽然存在同等耕地相对集中分布的趋势,但由于不同区域间耕地利用类型、自然条件等的差异,使得耕地自然质量等别也存在显著的交叉分布趋势,再加上不同区域间耕地分散程度的差异,因此更加适合采用空间分层抽样方法进行样点布设。

      空间分层抽样法将空间研究区域按其空间属性特征分成多个互不重复的类型或分层,先计算研究区域总体样本量,再利用一定的分配方法将样本分配到每个层中,最后在每个层内利用空间随机抽样法布设样点。

      2.1 确定最佳样本数

      研究区2011年耕地图斑的质量数据可以作为区域耕地质量监测样点布设的先验知识,通过验证研究区内耕地图斑的质量数据分布符合正态分布,耕地质量具有显著的空间正相关性。空间分层抽样的最佳抽样总数n采用Neyman法计算[10],Neyman法与纯随机采样计算法相比,可以更合理地利用有限的资金获得较好的实验精度。在各分层耕地面积单一指标的基础上,进一步考虑各层数据的变异情况,根据变异情况调整随机抽样法在各层之间的布设数量,以达到在有限资金条件下更优的样点代表性。Neyman法计算公式如下:

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