基于時(shí)間穩(wěn)定性和降維因子分析的土壤水分監(jiān)測(cè)優(yōu)化

閔俊杰，蔣立新

(1.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司，南京 210031；2.無錫市城市防洪工程管理處，江蘇 無錫 214000)

1 研究區(qū)域的概況和方法

1.1 研究區(qū)域的概況

本次用于研究的區(qū)域?qū)儆趤啛釒У募竟?jié)氣候，每年的四季比較分明，且氣候?qū)儆跍睾停磕甑钠骄鶜鉁鼐３衷?6℃左右，而每年的降水量則為1203.5mm，一年的降雨基本維持在6月至9月間，此時(shí)段的降雨量點(diǎn)全年的60%，年日照數(shù)則為2137.6h，本區(qū)域內(nèi)的光熱能量十分充足，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)非常有利。本地區(qū)的海拔則牌15-35m間，屬于低丘傾斜的平原地帶，兩個(gè)研究區(qū)域平均的坡度大概在12%左右，土地主要用來種茶和竹林，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤類型則屬于薄層的粗骨土。該土壤的土層比較淺，一般情況下厚度≤1m，并且土質(zhì)十分松散，其中含有30%的礫石[1]。

通過依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及土地的利用性質(zhì)決定按照8m的間距設(shè)立共計(jì)77個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在茶園區(qū)域內(nèi)設(shè)立39個(gè)，具體編號(hào)則從1-40號(hào)，并且將30號(hào)予以空缺，而在竹林區(qū)域中設(shè)立38，具體編號(hào)則從41-79號(hào)，并將69號(hào)予以空缺。本次監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)用剖面土壤水分的傳感器，其主要以是TDR時(shí)域反射儀技術(shù)，其可以對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)量介電常數(shù)，然后將其加以轉(zhuǎn)變得出土壤中的水份含量。利用剖面土壤水分傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定期的測(cè)量，主要測(cè)量深度為10cm、30cm深土壤內(nèi)的水分，并且每月一次和覆蓋干濕季節(jié)，對(duì)于降雨特別多的雨季更加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的資料，比如在5月份的10號(hào)和13號(hào)以及15號(hào)開展監(jiān)測(cè)，未得到監(jiān)測(cè)13號(hào)、21號(hào)、44號(hào)、65號(hào)點(diǎn)的30cm位置水分的含量。而在2016年12月到2017年12月間總共測(cè)量的14次左右。通過利用在2017年3月到l0月間測(cè)量的10次詳細(xì)數(shù)據(jù)融入建立樣點(diǎn)測(cè)量土壤水分回歸的模型之中，然后運(yùn)用2016年12月和2017年1月、11月、12月的4次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 具體研究的方法

研究區(qū)域土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

如果δi=0則表示此監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表研究區(qū)域內(nèi)的平均濕潤(rùn)；δi為正值則表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濕潤(rùn)度要超出研究區(qū)域平均的濕潤(rùn)度，δi為負(fù)值則與之相反。Sδi越大則表時(shí)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的土壤水分時(shí)間方面非常的不穩(wěn)定[2]。

通過以時(shí)間穩(wěn)定性為重要的研究基礎(chǔ)，并加以利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤中水分的特征進(jìn)行分析。本次使用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件并采用降維因子進(jìn)行相應(yīng)的分析，主要對(duì)茶園區(qū)域與竹林區(qū)域的相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3月至10月間對(duì)土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)的詳細(xì)數(shù)據(jù)加以分析研究，利用主成分相關(guān)性的分析方法進(jìn)而分析得出成分圖。在圖中一些相關(guān)性非常強(qiáng)的監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)聚集在一起，然后與通過時(shí)間穩(wěn)定性分析得出典型樣點(diǎn)加以有效的結(jié)合進(jìn)而選擇合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)選擇的監(jiān)測(cè)典型點(diǎn)可以體現(xiàn)出本次研究區(qū)域中全部樣點(diǎn)。通過有效的利用逐步多元線性回歸(P<0.1)，然后選擇自變量為典型監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的土壤水分，而因變量則是其它監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)，由此最終建立用于研究區(qū)域典型樣點(diǎn)和樣點(diǎn)的土壤水分具有關(guān)系的相應(yīng)模型[3]。利用典型監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)值，并經(jīng)過關(guān)系模型詳細(xì)的計(jì)算，最得出本次研究區(qū)域內(nèi)所有樣點(diǎn)的土壤水分含量，然后通過實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)加以校驗(yàn)，最終對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的精度利用均方根誤差開展相對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間的穩(wěn)定性分析

通過對(duì)2017年3月到10月間對(duì)茶園區(qū)域和竹林區(qū)域的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)得來的詳細(xì)據(jù)開展時(shí)間穩(wěn)定性特征的相應(yīng)分析。研究區(qū)域所有樣點(diǎn)平均的土壤含水相對(duì)偏差具體如圖1顯示進(jìn)行分布，對(duì)所有樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)注采取垂直誤差線加以顯示。土壤內(nèi)的平均含水相對(duì)偏差，茶園區(qū)域基本分布-0.5-0.5之間，如圖1(A)所示，其中有15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性比較好，其土壤含水相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差是Sδi<0.1；有20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性一般，土壤含水相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差是Sδi在0.1-0.2；有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性較差，Sδi>0.2。而竹林區(qū)域內(nèi)則主要分布在-0.4-0.4之間，具體如圖1B所示，有22個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的土壤含水量具有較好的時(shí)間穩(wěn)定性，13個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)時(shí)間穩(wěn)定性則為一般，還有3個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性表現(xiàn)較差。

圖1 茶園區(qū)域(A)和竹林區(qū)域(B)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均土壤的水分相對(duì)偏差

通過選擇茶園區(qū)域中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)17號(hào)較為典型的樣點(diǎn)作為濕潤(rùn)的代表，而40號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間穩(wěn)定性特別好，其可作為接近土壤水分平均含量的樣點(diǎn)，而干旱樣點(diǎn)則由9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加以代表；時(shí)間穩(wěn)定性最差的監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)則由l0號(hào)表示。與上述基本相同，在竹林區(qū)域內(nèi)由79號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為濕潤(rùn)的代表，而接近土壤平均含量最好的則為61號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，干旱監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)為53號(hào)，時(shí)間穩(wěn)定性比較差的樣點(diǎn)為63號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、通過以時(shí)間穩(wěn)定性為基礎(chǔ)進(jìn)行選取典型樣點(diǎn)4個(gè)點(diǎn)建立分析的線性回歸模型，其無法有效的對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的全部監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的土壤水分進(jìn)行精確模擬。本次在茶園區(qū)域內(nèi)，在30cm深處共有22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取得了較好的模擬精度(如表1所示)，而在10cm的位置，有29個(gè)監(jiān)測(cè)取得較好的模擬精度，另外還有3個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)比較差。在竹林區(qū)域內(nèi)，，在30cm深處共有26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取得了較好的模擬精度，另外還有2個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的精度比較差(如表2所示)；在10cm的位置，有35個(gè)監(jiān)測(cè)取得較好的模擬精度，另外還有2個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)比較差。由此表時(shí)，當(dāng)分析自變量選擇由時(shí)間穩(wěn)定性加以選擇的4個(gè)典型樣點(diǎn)時(shí)，無法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的所有監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的土壤水分進(jìn)行精確的模擬[4]。

表1 茶園區(qū)域典型監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)回歸模型所制定系數(shù)R2的分布數(shù)據(jù)

表2 竹林區(qū)域典型監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)回歸模型所制定系數(shù)R2的分布數(shù)據(jù)

2.2 降維因子分析

通過對(duì)2017年3月至10月間的10次土壤水分的數(shù)據(jù)開展降維因子分析而得出圖2(旋轉(zhuǎn)空間成分圖)。從該圖中可以看出，監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的位置和其之間的距離遠(yuǎn)近可以表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有相關(guān)性的高低，經(jīng)過綜合性的考慮和分析所有的監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的相關(guān)性和典型樣點(diǎn)，竹林區(qū)域選擇的監(jiān)測(cè)樣占為55和45號(hào)，而茶園區(qū)域則選擇23和12以及3號(hào)。

圖2 茶園區(qū)域(A)和竹林區(qū)域(B)監(jiān)測(cè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)空間成分圖

通過在已經(jīng)選擇監(jiān)測(cè)典型的樣點(diǎn)為基礎(chǔ)之上加以融入利用降維因子進(jìn)行分析得出的監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)當(dāng)作建立回歸模型時(shí)的自變量，觀察回歸模型的決定系數(shù)R2數(shù)據(jù)。通過對(duì)茶園區(qū)域融入添加典型監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)之后，R2見表1。通過將3號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、17號(hào)、23號(hào)、40號(hào)、12號(hào)等監(jiān)測(cè)樣占當(dāng)作回歸模型的自變量時(shí)，在30cm深度位置有29個(gè)較好的模擬精度，具體見表1所示，而在10cm深處則有35個(gè)較好的模擬精度。并且在總監(jiān)測(cè)中，10cm深處位置和30cm深處位置較好的模擬精度分別占總量的89.7%和78.4%，由此表明可以對(duì)本次研究區(qū)域內(nèi)的土壤水分加以有效的監(jiān)測(cè)。

而在竹林區(qū)域之中融入55號(hào)監(jiān)測(cè)樣后，見表2，其在30cm深度位置則有32個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)具有較好的模擬精度，在10cm深度位置則有36個(gè)監(jiān)測(cè)樣占具有較好的模擬精度，以及1個(gè)較差的模擬精度。在總監(jiān)測(cè)中，10cm深處位置和30cm深處位置較好的模擬精度分別占總量的94.7%和88.89%，由此表明竹林區(qū)域中只有5個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)便具有較好的模擬精度。

3 結(jié) 論

綜上所述，利用時(shí)間穩(wěn)定性與降維因子的結(jié)合而對(duì)土壤水分展開相應(yīng)的分析，并選擇科學(xué)合理的典型監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的相應(yīng)組合，最終可以有效的利用多元線性回歸模型對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤水分進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。當(dāng)只運(yùn)用時(shí)間穩(wěn)定性作為回歸模型的自變量時(shí)，模擬的精度并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的土壤水分進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，而當(dāng)時(shí)間穩(wěn)定性與因子進(jìn)行結(jié)合后，建立模型時(shí)所選擇的典型監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)該模型具有非常準(zhǔn)確的模擬精度。