土地質量地球化學調查土壤采樣點智能化布設研究

常 嬋,高艷芳,孫彬彬,周怡寧,吳 超,柳青青

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

0 引言

土地質量地球化學調查是地球化學勘查方法技術的延伸和拓展,是以地球化學為手段,生態地球化學理論為指導,為全面了解土地質量現狀而開展的地質調查工作[1-4]。近年來,土地質量地球化學調查工作在全國范圍內蓬勃展開,實現了土地質量調查評價的科學量化,為土地資源利用與規劃、土壤污染防控與治理、農業種植結構調整等方面提供了有效的地質服務,促進了農業經濟發展和生態文明建設[5-6]。土地質量地球化學調查工作開展之初,首先需要進行采樣點的布置,用來指導野外實際樣品的采集。土地質量地球化學調查按工作比例尺主要分為1∶250 000、1∶50 000和地塊尺度調查?，F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)進行采樣網格繪制,再手動進行采樣大格編號。最后按照樣點布設要求,結合土地利用圖斑或遙感影像手動進行逐點布設及編號[4,7-9]。這種布點方式工作量大、步驟繁瑣、費時費力,且不同技術人員間布設結果可能存在一定的差異。

筆者依據土地質量地球化學調查相關規范,探討了基于MapGIS平臺的土地質量地球化學調查土壤采樣點位自動化布設算法設計及實現過程,相關成果可顯著提升地球化學調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勘查一體化系統(Geochem Studio 4.0)工作布置模塊中,可為土地質量地球化學調查工作中土壤點位布設提供智能化服務。

1 樣點布設原則

1.1 1∶250 000土地質量地球化學調查

1∶250 000土地質量地球化學調查工作的主要任務是,全面掌握評價區土地質量地球化學宏觀狀況,為各省(直轄市、自治區)主體功能區劃分、土地資源規劃、經濟社會可持續發展政策制定等提供依據[9]。

1∶250 000土地質量地球化學土壤采樣點布設原則,與區域化探規范中的技術要求類似,沿用規則網劃分,但需采用雙層網格進行布點,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內的4個點組成一個分析樣。采樣點的布設需兼顧均勻性與合理性,以最大限度的控制調查面積。采樣點位應在每個采樣小格(1 km×1 km或2 km×2 km)內均勻布設采樣點,各采樣點間距離一般大于500 m,不得連續出現4個空白小格[10]。

1.2 1∶50 000土地質量地球化學調查

1∶50 000土地質量地球化學調查工作主要任務是,查明研究區域內的優勢土地資源及重要的生態地球化學問題,為土地利用規劃、農業經濟區劃、種植結構調整及生態環境治理等提供依據[10]。

1∶50 000土地質量地球化學調查點位布設,主要在耕地、園林及特色農業種植區域內,一般通過結合1∶50 000或者更高精度的土地利用現狀調查圖斑完成布設。土壤樣品主要布設在農用地上,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。土壤樣品按采樣網格加圖斑的原則進行布設,網格數量原則上與采樣密度相一致。網格布設可保障樣品空間上相對均勻,圖斑布設可保障土壤樣品點主要分布在農用地,同時對工作區范圍內的建設用地及未利用地按照相應的評價比例尺密度范圍的最低要求布設采樣點進行控制,以便對工作區域進行整體評價及避免出現較多空白區[11-12]。

1.3 地塊尺度土地質量地球化學調查

為滿足地塊尺度土地資源精細化管護的需求[12],我國陸續開展地塊尺度的土地質量地球化學調查試點工作,為國家生態管護和土壤資源管理提供決策依據。

地塊尺度的土地質量地球化學調查工作以單一地塊(圖斑)為基本單元,要求單一地塊均具有質量調查屬性。因而采樣點布設一般結合土地利用現狀調查圖斑,對每個圖斑進行均勻布設。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,自然環境復雜,不同地區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、建設用地等)進行不同密度的點位布置。一般布設規則為:對某一土地利用類型布點時,對于面積小于S1的圖斑不進行點位布設,當S1≦圖斑面積

2 布設算法的設計及實現

2.1 1∶250 000土地質量地球化學調查點位布設

為保障采樣點布設密度及其均勻性,1∶250 000土地質量地球化學調查,依據采樣網格實現土壤點位的自動化布設。筆者首先根據標準圖幅內圖框或實際工區范圍進行采樣大格的自動繪制;再依據自左而右、自上而下,按順序遞增的順序進行采樣大格自動編號。同時抽取重復樣大格,預留重復樣便于后期質量控制;最后基于采樣大格實現點位自動布設及編號,算法流程圖見圖1。算法實現了土壤雙層采樣點位的初步布設及自動編號,同時考慮了重復樣及組合樣的設置,滿足規范要求。

圖1 1∶250 000土地質量地球化學調查點位布設流程圖

2.1.1 采樣大格的自動繪制及編號

標準圖幅采樣大格可根據內圖框進行繪制(圖2),表層土壤可依據1∶50 000標準圖幅進行2 km×2 km采樣大格繪制,深層土壤依據1∶100 000標準圖幅進行4 km×4 km采樣大格繪制。任意范圍的采樣大格繪制根據實際工區范圍,生成最大外包矩形,再進行2 km×2 km或4 km×4 km采樣大格繪制。算法依據內圖框或工區范圍的實際坐標,從偶數方里網坐標起,繪制網格。其中2 km×2 km的網格中心點,落在奇數方里網的相交處。

圖2 采樣大格點位布設示意圖

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

圖3 1∶250 000土地質量地球化學表層土壤采樣點位布設圖(標準圖幅)

2.1.2 點位自動布置及編號

表層土壤依據采樣大格(2 km×2 km)進行布置,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(采樣小格內布置的第n個點)。采樣大格內的全部采樣點(一般為4個)形成一個組合樣(001)。重復樣大格中的采樣點作為重復樣進行采集,其編號規則與原始樣相同,在圖上顯示如圖2所示,如001a1和003a1是一對重復樣。

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

2.1.3 算法應用與分析

圖3為依據5萬標準圖幅實現的表層土壤樣品的布置結果,算法基于內圖框文件實現采樣大格(2 km×2 km)的自動繪制及編號,并實現了采樣點位的自動布設,布設采樣密度為1個點/km2,滿足規范要求。其中014和017、062和071、102和105為三對重復樣格子,內部布設了原始樣點和重復樣點,重復樣點布設率為2.7%,布設結果滿足規范要求。

圖4為依據浙江省龍游縣塔石工作區范圍實現的表層土壤樣品的布置結果,算法基于工區范圍文件實現采樣大格(2 km×2 km)的自動繪制及編號,并實現了采樣點位的自動布設,其中14和46、64和74為兩對重復樣格子,內部布設了原始樣點和重復樣點,重復樣點布設率為2.6%,布設結果滿足規范要求。

2.2 1∶50 000土地質量地球化學調查點位布設

1∶50 000土地質量地球化學調查工作中,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狀調查圖斑進行布設。筆者首先根據工區范圍進行采樣大格的自動繪制和編號,再根據不同采樣密度要求及樣點布設規則,結合圖斑文件,將樣點主要布設于農用地,并實現了采樣點自動編號算法流程圖見圖5,樣點布設結果兼顧均勻性和代表性。

圖5 1∶50 000土地質量地球化學調查點位布設流程圖

2.2.1 任意范圍采樣大格的繪制及編號

為保障采樣點布設空間上相對均勻,首先根據工區范圍,計算外包矩形,并擴邊至整數公里網范圍,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格內的土地質量情況,采樣點位的布設原則應主要分布在農用地內,同時對于農用地分布范圍內的建設用地與未利用地需按照相應評價比例尺采樣密度范圍的最低要求布設采樣點,以最大限度地控制調查面積。因此,筆者將圖斑分為主布圖斑和輔布圖斑兩類進行分別布設,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土地質量地球化學調查中土壤樣品采樣點布設的密度要求介于4個點/km2～16個點/km2。依據工區設計平均采樣密度要求在主布圖斑布設點位,同時在輔助圖斑內進行最低采樣密度1個點/km2進行布設。點位布置算法見圖6,具體實現如下:

圖6 點位布置算法

1)主布圖斑內點位布設。根據設計采樣密度,對每個采樣大格(1 km×1 km)進行n×n采樣小格劃分。如采樣密度設為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的圖斑,尋找落入其內面積最大的主布圖斑,在其區域內布設采樣點以控制該采樣小格區域。

2)輔布圖斑內點位布設。依據繪制好的采樣大格,裁剪落入采樣大格(1 km×1 km)內的圖斑,尋找落入采樣大格內的面積最大的輔助圖斑類型,在其區域內布設采樣點?；虍敳蓸用芏炔粷M足要求時,進行輔助圖斑的點位布置。

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

2.2.3 采樣點編號

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

2.2.4 算法應用與分析

圖7為浙江省龍游縣塔石工作區1∶50 000土地質量地球化學調查土壤樣點布置結果。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。工區面積為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,主布圖斑密度設為4個點/km2,輔布圖斑密度為設1個點/km2,最終布置結果中布設樣點總數共1 209個,平均采樣密度為5.2個點/km2,其中重復樣點數為27個,重復樣點比例為2.2%。如圖7(b)所示,主布圖斑密度設為9個點/km2,輔布圖斑密度設為1個點/km2,最終布置結果中布設樣點總數共2 250個,平均采樣密度9.7個點/km2,其中重復樣點個數為27個,重復樣比例2.2%。如圖7(c)所示,主布圖斑密度設為16個點/km2,輔布圖斑密度設為1個點/km2,最終布置結果中布設樣點總數共3 607個,平均采樣密度15.5個點/km2,其中重復樣點數為80個,重復樣點比例2.2%。該算法可按照不同的采樣密度要求,進行土壤樣點布設,樣點布設結果在空間上總體呈均勻分布,且主要分布在采樣小格內最大的農用地圖斑內,具有較好的代表性。

圖7 浙江省龍游縣塔石工作區1∶50 000土壤采樣點布設結果

2.3 地塊尺度土地質量地球化學調查

地塊尺度土地質量地球化學調查以土地利用現狀調查圖斑為基礎,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、建設用地等)進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,單一地塊(圖斑)內多點布設結果空間分布均勻,滿足規范要求。

2.3.1 圖斑信息統計

分別統計研究區域內不同土地利用類型的圖斑,獲取面積最小值、最大值及中位數等參數并確定S1或S2,以確定不同土地利用類型的點位布置規則。筆者所使用點位布置規則根據一般經驗設置,具體如表1所示。

表1 地塊規模地球化學調查中樣點的排列與編號規則

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,主要分為耕地、園林建設用地、林地和草地四類進行,點位布置流程見圖8。對于面積小于S1的圖斑不進行點位布設,當S1≦圖斑面積

圖8 點位布置算法

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

圖9 圖斑內多點布置算法

2.3.3 算法應用與分析

圖10為浙江省龍游縣塔石工作區下設研究區內地塊尺度土地質量地球化學調查方法的點位布置結果。工區面積為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、設施農用地等,S1、S2、Nmax的取值按表1所設置,布設樣品總數共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,采樣設置結果空間分布較為均勻,且任一圖斑內多點分布較為均勻,對于不規則形、破碎形圖斑處理較好(圖11),可滿足規范要求。

圖10 浙江省龍游縣塔石工作區地塊尺度土壤點位布置結果

圖11 同一圖斑多點布設結果

3 結論

隨著信息技術的發展,地球化學勘查全流程逐步實現信息化和智能化。工作布置作為野外工作開展的首要任務,在實際工作中,卻仍舊延續傳統的人工布點方法,操作繁瑣且耗時耗力。筆者基于MapGIS平臺二次開發,遵循土地質量地球化學調查規范中土壤點位的布設原則,實現了土地質量地球化學調查中不同工作比例尺下土壤點位的自動化、智能化布設,主要結論如下:

1)通過結合1∶50 000或1∶100 000標準圖幅內圖框快速生成采樣大格并自動編號,布設點位于采樣小格中心,并實現采樣點自動編號,實現了1∶250 000土地質量地球化學調查中土壤點位的自動化布設。經實驗分析,布設結果滿足采樣密度要求,后續可結合野外現場環境對點位進行進一步調整。

2)遵循采樣網格加土地利用圖斑的布設原則,實現了支持不同平均密度要求下,1∶50 000土地質量地球化學調查土壤采樣點位自動化布設。經實驗分析,點位布設結果表明點位主要分布于農用地,且以最低采樣密度要求控制了建設用地及未利用地,兼顧空間均勻性和合理性。

3)地塊尺度土地質量地球化學調查中,針對其不同土地利用類型差異化采樣密度的點位布設原則,筆者基于Kmeans算法實現了土壤采樣點位的自動化布設。經實驗分析,點位布設結果不僅滿足采樣密度要求,單一不規則地塊內多點布置結果空間分布均勻,布設合理。