土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤采樣點智能化布設(shè)研究

常 嬋,高艷芳,孫彬彬,周怡寧,吳 超,柳青青

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所 自然資源部地球化學(xué)探測重點實驗室,廊坊 065000;2.聯(lián)合國教科文組織 全球尺度地球化學(xué)國際研究中心,廊坊 065000)

0 引言

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查是地球化學(xué)勘查方法技術(shù)的延伸和拓展,是以地球化學(xué)為手段,生態(tài)地球化學(xué)理論為指導(dǎo),為全面了解土地質(zhì)量現(xiàn)狀而開展的地質(zhì)調(diào)查工作[1-4]。近年來,土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作在全國范圍內(nèi)蓬勃展開,實現(xiàn)了土地質(zhì)量調(diào)查評價的科學(xué)量化,為土地資源利用與規(guī)劃、土壤污染防控與治理、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面提供了有效的地質(zhì)服務(wù),促進(jìn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)[5-6]。土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作開展之初,首先需要進(jìn)行采樣點的布置,用來指導(dǎo)野外實際樣品的采集。土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查按工作比例尺主要分為1∶250 000、1∶50 000和地塊尺度調(diào)查?，F(xiàn)有方法一般通過GIS軟件圖形編輯功能或通過工具(如ArcGIS中Fishnet工具)進(jìn)行采樣網(wǎng)格繪制,再手動進(jìn)行采樣大格編號。最后按照樣點布設(shè)要求,結(jié)合土地利用圖斑或遙感影像手動進(jìn)行逐點布設(shè)及編號[4,7-9]。這種布點方式工作量大、步驟繁瑣、費時費力,且不同技術(shù)人員間布設(shè)結(jié)果可能存在一定的差異。

筆者依據(jù)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查相關(guān)規(guī)范,探討了基于MapGIS平臺的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤采樣點位自動化布設(shè)算法設(shè)計及實現(xiàn)過程,相關(guān)成果可顯著提升地球化學(xué)調(diào)查工作的自動化和信息化水平。目前所獲成果已集成于地球化學(xué)勘查一體化系統(tǒng)(Geochem Studio 4.0)工作布置模塊中,可為土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作中土壤點位布設(shè)提供智能化服務(wù)。

1 樣點布設(shè)原則

1.1 1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查

1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作的主要任務(wù)是,全面掌握評價區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)宏觀狀況,為各省(直轄市、自治區(qū))主體功能區(qū)劃分、土地資源規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展政策制定等提供依據(jù)[9]。

1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)土壤采樣點布設(shè)原則,與區(qū)域化探規(guī)范中的技術(shù)要求類似,沿用規(guī)則網(wǎng)劃分,但需采用雙層網(wǎng)格進(jìn)行布點,分別采集表層土壤和深層土壤兩層樣品。表層樣品采樣深度為0 cm～20 cm,采樣密度通常為1個點/km2,每4 km2的4個點組成一個分析樣。深層土壤根據(jù)不同景觀條件,采樣深度為100 cm、120 cm或150 cm以下,采樣密度通常為1個點/km2,每16 km2內(nèi)的4個點組成一個分析樣。采樣點的布設(shè)需兼顧均勻性與合理性,以最大限度的控制調(diào)查面積。采樣點位應(yīng)在每個采樣小格(1 km×1 km或2 km×2 km)內(nèi)均勻布設(shè)采樣點,各采樣點間距離一般大于500 m,不得連續(xù)出現(xiàn)4個空白小格[10]。

1.2 1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查

1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作主要任務(wù)是,查明研究區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢土地資源及重要的生態(tài)地球化學(xué)問題,為土地利用規(guī)劃、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及生態(tài)環(huán)境治理等提供依據(jù)[10]。

1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查點位布設(shè),主要在耕地、園林及特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)域內(nèi),一般通過結(jié)合1∶50 000或者更高精度的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查圖斑完成布設(shè)。土壤樣品主要布設(shè)在農(nóng)用地上,采樣密度范圍為4個點/km2～16個點/km2,有林地、草地等土地利用類型采樣密度為1個點/km2～2個點/km2,平均采樣密度為9個點/km2。土壤樣品按采樣網(wǎng)格加圖斑的原則進(jìn)行布設(shè),網(wǎng)格數(shù)量原則上與采樣密度相一致。網(wǎng)格布設(shè)可保障樣品空間上相對均勻,圖斑布設(shè)可保障土壤樣品點主要分布在農(nóng)用地,同時對工作區(qū)范圍內(nèi)的建設(shè)用地及未利用地按照相應(yīng)的評價比例尺密度范圍的最低要求布設(shè)采樣點進(jìn)行控制,以便對工作區(qū)域進(jìn)行整體評價及避免出現(xiàn)較多空白區(qū)[11-12]。

1.3 地塊尺度土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查

為滿足地塊尺度土地資源精細(xì)化管護(hù)的需求[12],我國陸續(xù)開展地塊尺度的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查試點工作,為國家生態(tài)管護(hù)和土壤資源管理提供決策依據(jù)。

地塊尺度的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作以單一地塊(圖斑)為基本單元,要求單一地塊均具有質(zhì)量調(diào)查屬性。因而采樣點布設(shè)一般結(jié)合土地利用現(xiàn)狀調(diào)查圖斑,對每個圖斑進(jìn)行均勻布設(shè)。原則上土壤樣品的平均采樣密度為32個點/km2,采樣密度范圍為20個點/km2～64個點/km2。但由于我國幅員遼闊,自然環(huán)境復(fù)雜,不同地區(qū)的地塊密度各有差異,變化可以介于10個點/km2～200個點/km2。同時由于土地利用類型的多樣性和地塊破碎程度的差異性,一般采用差異性布點方式[13-14],對不同的土地利用類型(耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地等)進(jìn)行不同密度的點位布置。一般布設(shè)規(guī)則為:對某一土地利用類型布點時,對于面積小于S1的圖斑不進(jìn)行點位布設(shè),當(dāng)S1≦圖斑面積

2 布設(shè)算法的設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查點位布設(shè)

為保障采樣點布設(shè)密度及其均勻性,1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查,依據(jù)采樣網(wǎng)格實現(xiàn)土壤點位的自動化布設(shè)。筆者首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖幅內(nèi)圖框或?qū)嶋H工區(qū)范圍進(jìn)行采樣大格的自動繪制;再依據(jù)自左而右、自上而下,按順序遞增的順序進(jìn)行采樣大格自動編號。同時抽取重復(fù)樣大格,預(yù)留重復(fù)樣便于后期質(zhì)量控制;最后基于采樣大格實現(xiàn)點位自動布設(shè)及編號,算法流程圖見圖1。算法實現(xiàn)了土壤雙層采樣點位的初步布設(shè)及自動編號,同時考慮了重復(fù)樣及組合樣的設(shè)置,滿足規(guī)范要求。

圖1 1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查點位布設(shè)流程圖

2.1.1 采樣大格的自動繪制及編號

標(biāo)準(zhǔn)圖幅采樣大格可根據(jù)內(nèi)圖框進(jìn)行繪制(圖2),表層土壤可依據(jù)1∶50 000標(biāo)準(zhǔn)圖幅進(jìn)行2 km×2 km采樣大格繪制,深層土壤依據(jù)1∶100 000標(biāo)準(zhǔn)圖幅進(jìn)行4 km×4 km采樣大格繪制。任意范圍的采樣大格繪制根據(jù)實際工區(qū)范圍,生成最大外包矩形,再進(jìn)行2 km×2 km或4 km×4 km采樣大格繪制。算法依據(jù)內(nèi)圖框或工區(qū)范圍的實際坐標(biāo),從偶數(shù)方里網(wǎng)坐標(biāo)起,繪制網(wǎng)格。其中2 km×2 km的網(wǎng)格中心點,落在奇數(shù)方里網(wǎng)的相交處。

圖2 采樣大格點位布設(shè)示意圖

采樣大格線交點處為網(wǎng)格中心點,算法按自左而右再自上而下,順序遞增的編號順序進(jìn)行采樣大格的編號。同時,每50個采樣大格中,隨機(jī)抽取一對采樣大格作為原始大格和重復(fù)樣大格作為重復(fù)樣。如圖3所示,采樣大格014和采樣大格017作為一對重復(fù)樣大格,重復(fù)樣采樣大格號碼017不顯示在圖上。

圖3 1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)表層土壤采樣點位布設(shè)圖(標(biāo)準(zhǔn)圖幅)

2.1.2 點位自動布置及編號

表層土壤依據(jù)采樣大格(2 km×2 km)進(jìn)行布置,點位布置于其中1 km×1 km采樣小格格子中心(圖3)。

采樣小格自左而右、自上而下編號為a、b、c、d。采樣點編號規(guī)則為采樣大格號碼(001)+采樣小格號碼(a、b、c、d)+n(采樣小格內(nèi)布置的第n個點)。采樣大格內(nèi)的全部采樣點(一般為4個)形成一個組合樣(001)。重復(fù)樣大格中的采樣點作為重復(fù)樣進(jìn)行采集,其編號規(guī)則與原始樣相同,在圖上顯示如圖2所示,如001a1和003a1是一對重復(fù)樣。

深層土壤依據(jù)采樣大格(4 km×4 km)進(jìn)行布置,點位布置于其中2 km×2 km采樣小格格子中心。采樣點編號規(guī)則與淺層土壤采樣點編號相同。

2.1.3 算法應(yīng)用與分析

圖3為依據(jù)5萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅實現(xiàn)的表層土壤樣品的布置結(jié)果,算法基于內(nèi)圖框文件實現(xiàn)采樣大格(2 km×2 km)的自動繪制及編號,并實現(xiàn)了采樣點位的自動布設(shè),布設(shè)采樣密度為1個點/km2,滿足規(guī)范要求。其中014和017、062和071、102和105為三對重復(fù)樣格子,內(nèi)部布設(shè)了原始樣點和重復(fù)樣點,重復(fù)樣點布設(shè)率為2.7%,布設(shè)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

圖4為依據(jù)浙江省龍游縣塔石工作區(qū)范圍實現(xiàn)的表層土壤樣品的布置結(jié)果,算法基于工區(qū)范圍文件實現(xiàn)采樣大格(2 km×2 km)的自動繪制及編號,并實現(xiàn)了采樣點位的自動布設(shè),其中14和46、64和74為兩對重復(fù)樣格子,內(nèi)部布設(shè)了原始樣點和重復(fù)樣點,重復(fù)樣點布設(shè)率為2.6%,布設(shè)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

2.2 1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查點位布設(shè)

1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作中,土壤采樣點位布置工作一般使用采樣大格疊加土地利用現(xiàn)狀調(diào)查圖斑進(jìn)行布設(shè)。筆者首先根據(jù)工區(qū)范圍進(jìn)行采樣大格的自動繪制和編號,再根據(jù)不同采樣密度要求及樣點布設(shè)規(guī)則,結(jié)合圖斑文件,將樣點主要布設(shè)于農(nóng)用地,并實現(xiàn)了采樣點自動編號算法流程圖見圖5,樣點布設(shè)結(jié)果兼顧均勻性和代表性。

圖5 1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查點位布設(shè)流程圖

2.2.1 任意范圍采樣大格的繪制及編號

為保障采樣點布設(shè)空間上相對均勻,首先根據(jù)工區(qū)范圍,計算外包矩形,并擴(kuò)邊至整數(shù)公里網(wǎng)范圍,繪制采樣大格(1 km×1 km)。采樣大格編號按照從左到右再自上而下的順序遞增。

2.2.2 點位自動布置

為更好地反映采樣網(wǎng)格內(nèi)的土地質(zhì)量情況,采樣點位的布設(shè)原則應(yīng)主要分布在農(nóng)用地內(nèi),同時對于農(nóng)用地分布范圍內(nèi)的建設(shè)用地與未利用地需按照相應(yīng)評價比例尺采樣密度范圍的最低要求布設(shè)采樣點,以最大限度地控制調(diào)查面積。因此,筆者將圖斑分為主布圖斑和輔布圖斑兩類進(jìn)行分別布設(shè),主布圖斑主要包括水田、菜園、果園、旱地、茶園等,輔布圖斑主要包括其他草地、其他林地、有林地等。

1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中土壤樣品采樣點布設(shè)的密度要求介于4個點/km2～16個點/km2。依據(jù)工區(qū)設(shè)計平均采樣密度要求在主布圖斑布設(shè)點位,同時在輔助圖斑內(nèi)進(jìn)行最低采樣密度1個點/km2進(jìn)行布設(shè)。點位布置算法見圖6,具體實現(xiàn)如下:

圖6 點位布置算法

1)主布圖斑內(nèi)點位布設(shè)。根據(jù)設(shè)計采樣密度,對每個采樣大格(1 km×1 km)進(jìn)行n×n采樣小格劃分。如采樣密度設(shè)為9個點/km2,則按照3×3采樣小格劃分,逐個遍歷采樣小格,裁剪落入采樣小格內(nèi)的圖斑,尋找落入其內(nèi)面積最大的主布圖斑,在其區(qū)域內(nèi)布設(shè)采樣點以控制該采樣小格區(qū)域。

2)輔布圖斑內(nèi)點位布設(shè)。依據(jù)繪制好的采樣大格,裁剪落入采樣大格(1 km×1 km)內(nèi)的圖斑,尋找落入采樣大格內(nèi)的面積最大的輔助圖斑類型,在其區(qū)域內(nèi)布設(shè)采樣點?；虍?dāng)采樣密度不滿足要求時,進(jìn)行輔助圖斑的點位布置。

3)重復(fù)樣點布設(shè)。重復(fù)樣點的按照樣點總量的2%～3%進(jìn)行布設(shè),布設(shè)方法可隨機(jī)抽取相對樣比例的樣品作為重復(fù)樣點,或者可固定位置進(jìn)行重復(fù)樣點設(shè)置,如每50個樣點設(shè)置一個重復(fù)樣點,將固定位置(如第25個)設(shè)置為重復(fù)樣。

2.2.3 采樣點編號

采樣小格編號規(guī)則為自左而右自上而下編號:a、b、c、d。采樣點編號規(guī)則為采樣大格號碼(001)+采樣小格號碼(a、b、c、d)+n(采樣小格內(nèi)布置的第n個點)。

2.2.4 算法應(yīng)用與分析

圖7為浙江省龍游縣塔石工作區(qū)1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤樣點布置結(jié)果。按照繪制采樣大格-采樣大格編號-點位布置及編號的流程完成了采樣點位的自動布設(shè)。工區(qū)面積為232.4 km2,主布圖斑包括水田、菜園、果園、旱地、茶園,輔布圖斑包括有林地、其他草地、其他林地。其中如圖7(a)所示,主布圖斑密度設(shè)為4個點/km2,輔布圖斑密度為設(shè)1個點/km2,最終布置結(jié)果中布設(shè)樣點總數(shù)共1 209個,平均采樣密度為5.2個點/km2,其中重復(fù)樣點數(shù)為27個,重復(fù)樣點比例為2.2%。如圖7(b)所示,主布圖斑密度設(shè)為9個點/km2,輔布圖斑密度設(shè)為1個點/km2,最終布置結(jié)果中布設(shè)樣點總數(shù)共2 250個,平均采樣密度9.7個點/km2,其中重復(fù)樣點個數(shù)為27個,重復(fù)樣比例2.2%。如圖7(c)所示,主布圖斑密度設(shè)為16個點/km2,輔布圖斑密度設(shè)為1個點/km2,最終布置結(jié)果中布設(shè)樣點總數(shù)共3 607個,平均采樣密度15.5個點/km2,其中重復(fù)樣點數(shù)為80個,重復(fù)樣點比例2.2%。該算法可按照不同的采樣密度要求,進(jìn)行土壤樣點布設(shè),樣點布設(shè)結(jié)果在空間上總體呈均勻分布,且主要分布在采樣小格內(nèi)最大的農(nóng)用地圖斑內(nèi),具有較好的代表性。

圖7 浙江省龍游縣塔石工作區(qū)1∶50 000土壤采樣點布設(shè)結(jié)果

2.3 地塊尺度土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查

地塊尺度土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查以土地利用現(xiàn)狀調(diào)查圖斑為基礎(chǔ),一般采用差異性布點,對不同的土地利用類型(耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地等)進(jìn)行不同密度的點位布置。人工布點方法繁瑣,筆者基于Kmeans算法,實現(xiàn)了針對不同土地利用類型差異化采樣密度的點位自動布設(shè),單一地塊(圖斑)內(nèi)多點布設(shè)結(jié)果空間分布均勻,滿足規(guī)范要求。

2.3.1 圖斑信息統(tǒng)計

分別統(tǒng)計研究區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型的圖斑,獲取面積最小值、最大值及中位數(shù)等參數(shù)并確定S1或S2,以確定不同土地利用類型的點位布置規(guī)則。筆者所使用點位布置規(guī)則根據(jù)一般經(jīng)驗設(shè)置,具體如表1所示。

表1 地塊規(guī)模地球化學(xué)調(diào)查中樣點的排列與編號規(guī)則

2.3.2 點位布置

針對不同土地利用類型差異化采樣密度的點位自動布設(shè),主要分為耕地、園林建設(shè)用地、林地和草地四類進(jìn)行,點位布置流程見圖8。對于面積小于S1的圖斑不進(jìn)行點位布設(shè),當(dāng)S1≦圖斑面積

圖8 點位布置算法

對于面積較大的圖斑(≥S2),布設(shè)圖斑面積/S2個樣品,但單一地塊布設(shè)樣點不超過樣點最大數(shù)Nmax。首先計算圖斑最小外包矩形,并以此范圍按規(guī)則網(wǎng)格方式均勻生成點位,剔除掉圖斑范圍外的點位,構(gòu)建訓(xùn)練點集,并使用無監(jiān)督分類Kmeans分組方法[15-16],對訓(xùn)練點集進(jìn)行分組。分組數(shù)等于布設(shè)點個數(shù),獲取分組的質(zhì)心作為點位布設(shè)位置,圖斑內(nèi)多點布置算法見圖9。

圖9 圖斑內(nèi)多點布置算法

2.3.3 算法應(yīng)用與分析

圖10為浙江省龍游縣塔石工作區(qū)下設(shè)研究區(qū)內(nèi)地塊尺度土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查方法的點位布置結(jié)果。工區(qū)面積為51 km2,主要土地利用類型包括旱地、水田、茶園、果園、有林地、其他園林、其他林地、其他草地、設(shè)施農(nóng)用地等,S1、S2、Nmax的取值按表1所設(shè)置,布設(shè)樣品總數(shù)共1 525個,平均采樣密度29.9個點/km2,滿足采樣密度的要求。整體上來看,采樣設(shè)置結(jié)果空間分布較為均勻,且任一圖斑內(nèi)多點分布較為均勻,對于不規(guī)則形、破碎形圖斑處理較好(圖11),可滿足規(guī)范要求。

圖10 浙江省龍游縣塔石工作區(qū)地塊尺度土壤點位布置結(jié)果

圖11 同一圖斑多點布設(shè)結(jié)果

3 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,地球化學(xué)勘查全流程逐步實現(xiàn)信息化和智能化。工作布置作為野外工作開展的首要任務(wù),在實際工作中,卻仍舊延續(xù)傳統(tǒng)的人工布點方法,操作繁瑣且耗時耗力。筆者基于MapGIS平臺二次開發(fā),遵循土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范中土壤點位的布設(shè)原則,實現(xiàn)了土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中不同工作比例尺下土壤點位的自動化、智能化布設(shè),主要結(jié)論如下:

1)通過結(jié)合1∶50 000或1∶100 000標(biāo)準(zhǔn)圖幅內(nèi)圖框快速生成采樣大格并自動編號,布設(shè)點位于采樣小格中心,并實現(xiàn)采樣點自動編號,實現(xiàn)了1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中土壤點位的自動化布設(shè)。經(jīng)實驗分析,布設(shè)結(jié)果滿足采樣密度要求,后續(xù)可結(jié)合野外現(xiàn)場環(huán)境對點位進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。

2)遵循采樣網(wǎng)格加土地利用圖斑的布設(shè)原則,實現(xiàn)了支持不同平均密度要求下,1∶50 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤采樣點位自動化布設(shè)。經(jīng)實驗分析,點位布設(shè)結(jié)果表明點位主要分布于農(nóng)用地,且以最低采樣密度要求控制了建設(shè)用地及未利用地,兼顧空間均勻性和合理性。

3)地塊尺度土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中,針對其不同土地利用類型差異化采樣密度的點位布設(shè)原則,筆者基于Kmeans算法實現(xiàn)了土壤采樣點位的自動化布設(shè)。經(jīng)實驗分析,點位布設(shè)結(jié)果不僅滿足采樣密度要求,單一不規(guī)則地塊內(nèi)多點布置結(jié)果空間分布均勻,布設(shè)合理。