Педометрическое отображение - Pedometric mapping

Педометрическое отображение, или статистический картографирование почвы, это создание на основе данных карт свойств и классов почвы, основанное на использовании статистических методов.^[1]^[2]^[3] Основная цель педометрического картирования - предсказать значения некоторых переменных почвы в ненаблюдаемых местах и получить доступ к неопределенности этой оценки с использованием статистические выводы т.е. статистически оптимальные подходы. 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 свойства почвы и классы почвы которые можно использовать для подпитки других моделей окружающей среды или для принятия решений. Педометрическое картирование во многом основано на применении геостатистика в почвоведении и других статистических методах, используемых в педометрия.

Хотя педометрическое картирование в основном основывается на данных, оно также может во многом основываться на использовании экспертных знаний. Однако экспертные знания должны быть подключенный в педометрическую вычислительную структуру, чтобы ее можно было использовать для создания более точных моделей прогнозирования. Например, ассимиляция данных техники, такие как пространство-время Фильтр Калмана, может быть использован для интеграции педогенетических знаний и полевых наблюдений.^[4]

в теория информации В контексте, цель педометрического картирования - описать пространственную сложность почв (информационное содержание переменных почвы на географической территории), а затем представить эту сложность с помощью карт, сводных показателей, математических моделей и моделирования.^[5] Моделирование - предпочтительный способ визуализации структуры почвы, поскольку они представляют как детерминированную модель, обусловленную ландшафтом, географическими горячими точками, так и краткосрочную изменчивость (см. Изображение ниже).^{[нужна цитата ]}

Педометрия

Педометрика - это применение математических и статистических методов для изучения распределения и генезис почв.^[6]

Педометрика - это чемодан из Греческий корни педос (почва) и метрон (измерение). В этом случае измерения ограничиваются математическими и статистическими методами, поскольку они относятся к почвоведение, филиал почвоведение который изучает почву в ее естественных условиях.

Педометрика решает проблемы, связанные с почвой, когда есть неуверенность из-за детерминированный или же стохастический вариативность, расплывчатость и незнание свойств и процессов почвы. Он основан на математических, статистических и численных методах и включает численные подходы к классификации для работы с предполагаемыми детерминированными вариациями. Моделирование модели включают неопределенность, принимая теория хаоса, статистическое распределение, или же нечеткая логика.

Педометрика рассматривает педологию с точки зрения новых научных областей, таких как вейвлеты анализ, нечеткое множество теория и сбор данных в приложениях моделирования почвенных данных. Развитие педометрии также связано с улучшением дистанционного зондирования и зондирования с близкого расстояния.^[7]

Педометрические и традиционные почвенные карты

При традиционной съемке почвы пространственное распределение свойств почвы и тел почвы может быть выведено с помощью мысленных моделей, которые приводят к рисованию границ. Такие методы можно рассматривать как субъективные, и поэтому сложно или невозможно статистически оценить точность таких карт без дополнительных полевых выборок. Традиционное картографирование 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, являются воспроизводимый.

Традиционная многоугольная карта почвы (слева) и педометрическая карта - четыре моделирования содержания цинка в верхнем слое почвы, созданные с использованием геостатистического моделирования, как показано на этом рисунке. галерея пакетов sp (верно).

Педометрическое картографирование в значительной степени основано на использовании обширных и подробных ковариантных слоев, таких как производные цифровой модели рельефа (ЦМР), изображения дистанционного зондирования, климатические слои, слои земного покрова и геологические слои и изображения ГИС. Эволюция педометрического картографирования может быть тесно связана с появлением новых технологий и глобальных общедоступных источников данных, таких как SRTM DEM, MODIS, АСТЕР и Landsat изображения, гамма-радиометрия и изображения LiDAR, а также новые автоматическое отображение методы.

Сравнение традиционных и педометрических (основанных на данных) методов картирования
	Картографирование почвы на основе экспертов / 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	Автоматизированная (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 почвы

Педометрический анализ опирается исключительно на геостатистику, тогда как цифровое картографирование почв использует более традиционные концепции почвенного картирования, которые не являются строго педометрическими по своей природе. Также называется прогнозным картированием почвы,^[10] цифровое картографирование почв полагается на компьютерный вывод свойств почвы для создания цифровых карт дискретных типы почвы. 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]

{ Displaystyle Z ( mathbf {s}) = м ( mathbf {s}) + varepsilon '( mathbf {s}) + varepsilon' '}

куда ${ Displaystyle textstyle {м ( mathbf {s})}}$ является детерминированной частью изменения почвы, ${ displaystyle textstyle { varepsilon '( mathbf {s})}}$ - стохастическая, пространственно автокоррелированная часть вариации, и ${ displaystyle textstyle { varepsilon ''}}$ остаточная вариация (ошибки измерения, краткосрочная изменчивость и т. д.), которая также, возможно, зависит от ${ displaystyle textstyle { mathbf {s}}}$ , но это не моделируется. Эта модель была впервые представлена французским математиком. Жорж Матерон, и показал себя Лучший объективный линейный предсказатель для пространственных данных. Один из способов использования этой модели для прогнозирования или моделирования - это регресс-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 известна как CLORPT модель, и впервые была представлена в моделировании почвенно-ландшафтного дизайна Ханс Дженни.^[2]

Специальная группа методов педометрического картирования сосредоточена на уменьшении пространственной информации, которая может быть привязанной к области или непрерывной. Прогнозирование классы почвы также является еще одним подразделом педометрического картирования, в котором используются определенные геостатистические методы с целью интерполяции переменных факторного типа.

Педометрическое картирование также во многом основано на использовании новых технологий для измерения свойств почвы, также называемых цифровое картографирование почв техники. К ним относятся:

Спектроскопия почвы и проксимальное зондирование почвы (ручные или автомобильные устройства)
Дистанционное зондирование системы для картирования и мониторинга почв (например, SMOS )
LiDAR технология для производства цифровые модели рельефа
Точное земледелие технологии

внешняя ссылка

[Hengl2003PhDThesis-1] Хенгл, Томислав (2003). Педометрическое картирование: устранение разрыва между традиционным и педометрическим подходами. [Вагенинген: s.n. ISBN 9789058088963.

[Grunwald2006CRC-2] а ^б Грюнвальд, отредактированный Сабиной (2006). Экологическое почвенно-ландшафтное моделирование географические информационные технологии и педометрия. Бока-Ратон, Флорида: CRC / Taylor & Francis. ISBN 9780824723897.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)

[Kempen2010EJSS-3] Kempen, B .; Heuvelink, G. B. M .; Brus, D.J .; Стоорвогель, Дж. Дж. (10 марта 2010 г.). «Педометрическое картирование почвенного органического вещества с использованием почвенной карты с количественной неопределенностью». Европейский журнал почвоведения. 61 (3): 333–347. Дои:10.1111 / j.1365-2389.2010.01232.x.

[Heuvelink2001Geoderma-4] а ^б Heuvelink, G.B.M; Вебстер, Р. (30 апреля 2001 г.). «Моделирование изменения почвы: прошлое, настоящее и будущее». Геодермия. 100 (3–4): 269–301. Bibcode:2001Геод.100..269H. Дои:10.1016 / S0016-7061 (01) 00025-8.

[Hengl2012JAG-5] Hengl, T .; Николич, М .; Макмиллан, Р.А. (31 марта 2012 г.). «Эффективность картографии и информативность». Международный журнал прикладных наблюдений Земли и геоинформации. 22: 127–138. Дои:10.1016 / j.jag.2012.02.005.

[6] Heuvelink, Джерард (декабрь 2003 г.). «Определение педометрики» (PDF). Педометр. Международная рабочая группа по педометрии - Временная комиссия по педометрии Международный союз почвоведения (15). Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-09-30. Получено 2006-11-01.

[7] Питер А., Берроу; Йохан Баума; Скотт Р. Йейтс (1994). «Современное состояние педометрии» (PDF). Геодермия. Elsevier Science B.V., Амстердам. 62 (1–3): 311–326. Bibcode:1994 год .. 62..311B. Дои:10.1016/0016-7061(94)90043-4. Получено 2006-11-01.

[McBratney2003Geoderma-8] McBratney, A.B; Mendonça Santos, M.L; Минасный, Б. (1 ноября 2003 г.). «О цифровом картографировании почв». Геодермия. 117 (1–2): 3–52. Bibcode:2003 Геодез 117 .... 3M. Дои:10.1016 / S0016-7061 (03) 00223-4.

[Thorsten2006JPNSS-9] Беренс, Торстен; Шолтен, Томас (1 июня 2006 г.). «Цифровое картографирование почвы в Германии - обзор». Журнал питания растений и почвоведения. 169 (3): 434–443. Дои:10.1002 / jpln.200521962.

[10] Scull, P .; Дж. Франклин; О.А. Чедвик; Д. МакАртур (июнь 2003 г.). «Прогнозное картографирование почв - обзор». Прогресс в физической географии. Публикации Sage. 27 (2): 171–197. Дои:10.1191 / 0309133303pp366ra.

[Burrough1986PGIS-11] Берроу, П.А. (1986). Принципы географических информационных систем для оценки земельных ресурсов. Кларендон Пресс. п. 194.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]