矢量数据在多尺度栅格化中的精度损失模型探讨

在进行空间分析时,由于栅格数据便于空间分析,因而通常将矢量数据转化成栅格数据进行空间分析。在转化过程中,采用不同尺度的栅格大小会造成怎样的精度损失?精度损失、栅格大小和平均斑块大小之间的关系是否可以用模型来表达?本文正是针对这样的问题,以重庆市1∶10万的土地利用矢量数据为例,探讨了在不同尺度栅格大小(从30m×30m到1000m×1000m)的情况下,各种土地利用类型在转化过程中的精度损失情况,对精度损失与栅格大小和平均斑块大小之间的关系进行了定量分析。研究表明,精度损失与地类的平均斑块大小和栅格尺度之间的关系可以用模型来表达。该模型为:Y=5.366-0.179X-0.978ln(S)+0.0348Xln(S)。模型中Y为精度损失,S为地类的平均斑块大小,X表示栅格的大小。该模型的复相关系数为0.93。     

矢量数据向栅格数据转换的一种改进算法

地理信息系统的发展与空间数据结构的优化密不可分,栅格数据与矢量数据之间的高效转换是GIS的关键技术之一。由于栅格数据十分有利于空间分析中的叠置分析,因而通常需要将矢量数据转换成栅格数据。该文分析对比了地理信息系统的两种基本数据结构,在总结已往矢量数据转换为栅格数据方法的基础上,依据边界代数多边形填充算法的基本原理,结合绘图作业时采用的正负法,提出了一种改进的折线边界(数据串)跟踪方法。该算法原理简单,不需进行复杂的距离比较运算,运算速度快,并且通过简单的角度判断保证了填充的精度。     

土地利用数据尺度转换的精度损失分析

由于栅格数据便于空间分析,因而通常将矢量数据转化成栅格数据来进行空间分析.在转化过程中,选用不同的栅格大小,其面积和精度损失是不同的.针对这个问题,以重庆市110万的土地利用矢量数据为例,探讨了不同栅格大小下,各种土地利用类型在转化过程的面积和精度损失.研究表明(1)栅格大小＜100m时,其精度损失均＜3.3%.(2)在1000m时,其精度损失达到50%以上的地类有湖泊、水库坑塘、滩地、农村居民点用地、工交建设用地、戈壁、裸岩石地、平原区旱地和坡度＞25°的旱地,这些地类的平均图斑大小均在＜51hm2.(3)在30m～1000m间,平均图斑大小＜82hm2的地类随着栅格的由小变大,其面积变得比实际面积小;平均图斑大小＞101hm2的地类中除高盖度的草地和河渠之外,却与此相反.     

土壤数据空间分辨率对水文过程模拟的影响

分布式水文模型的应用,其准确性有赖于输入数据对流域特征的描述,尤其在大尺度流域,输入数据分辨率的增加是否必然改善模型的模拟效果是值得深入研究的问题。本文以鄱阳湖信江流域为研究区,运用SWAT模型为模拟工具,分析了土壤数据空间分辨率对径流、蒸发及土壤含水量等水文要素模拟的影响以及高精度土壤数据在大流域尺度的适应性。结果表明：不同分辨率的土壤数据对SWAT模型中水文响应单元的划分结果差异显著,但在径流模拟和蒸发计算结果中并没有表现出显著的差别;模型率定前后,低分辨率土壤数据的径流模拟结果略好于高分辨率土壤数据,但两者之间的差别不明显;模型模拟的土壤含水量差异显著,高分辨率土壤模拟的月平均土壤含水量整体大于低分辨率土壤模拟结果;研究还发现,模型的蒸发计算对土壤分辨率信息不敏感。本文研究意味着,大尺度SWAT模型的应用中,土壤数据分辨率的提高不一定会改善模型的模拟效果。在具体应用中,应考虑流域本身的尺度以及模拟精度的要求,选择合适分辨率的土壤数据,同时应结合模型原理和关键参数的物理含义来解释模拟结果。     

栅格化属性精度损失的评估方法及其尺度效应分析——以四川省1:25 万土地覆被数据为例

选择在600 m~30 km 16 个尺度上,在ArcGIS 中利用常用的面积最大值法(Rule ofMaximum Area,RMA) 对2005 年四川省1:25 万土地覆被矢量数据进行栅格化,并采用两种属性精度损失评估方法：传统的常规分析方法和一种新的基于栅格单元分析方法,来对比分析在这两种评估方法下RMA栅格化的属性(这里是指面积) 精度损失随尺度的变化特征。结果表明：(1) 在同一尺度下采用基于栅格单元方法分析所得的研究区平均属性精度损失大于常规分析方法分析得到的平均属性精度损失,且二者之间的差异在1~10 km内很明显,当栅格单元大于10km时,两种方法得到的平均属性精度损失的差值稳定,且其随尺度的变化曲线趋于平行;(2) 基于栅格单元分析方法不仅能够准确地定量估计RMA栅格化的属性精度损失,而且能客观地反映属性精度损失的空间分布规律;(3) 对四川省1:25 万土地覆被数据进行面积最大值法(RMA)栅格化的适宜尺度域最好不要超过800 m,在该尺度域内数据工作量适宜,且RMA栅格化属性精度损失小于2.5%。     

土壤碳循环研究进展及干旱区土壤碳循环研究展望

土壤碳库动态及其驱动机制是陆地生态系统碳循环与全球变化研究的热点问题之一。随着各国对《京都议定书》的重视,农业土壤碳库变化及其源汇效应研究不断加强,但以往研究土壤碳循环主要是针对有机碳,较少考虑无机碳的作用和地位,干旱区土壤无机碳储量巨大,其在区域碳循环过程中的贡献日益显著,这使得干旱区土壤碳循环研究必须同时考虑土壤有机碳和无机碳的行为。国内外关于农业土壤有机碳动态的研究主要围绕农业土壤有机碳储量、固碳潜力等问题展开,研究区多为湿润、半湿润地区;国际上对农业土壤无机碳动态的研究主要集中在干旱区土地管理措施对土壤发生性碳酸盐碳的形成与转化方面,研究方法以稳定同位素技术为主,但目前关于中国干旱区农业土壤无机碳动态的研究还较为薄弱。因此,应加强干旱区绿洲土壤碳循环研究,深入分析干旱区绿洲土壤碳的源/汇效应;探讨土壤无机碳动态变化的机理。     

矢量和栅格数据土地利用结构分维值比较——以苏州为例

分形理论对处理土地利用结构之类的非线性对象具有较强实用价值, 分维值作为该理论的重要测度指标, 其计算常基于栅格数据, 由此导致了土地结构边界信息的损失, 也减弱了分维值对土地利用空间结构特性的揭示作用。本文以苏州市1:10 万土地利用数据为例, 对研究区的土地利用空间格局进行分形分析, 通过分析不同栅格大小的土地利用分维值, 建立分维值与栅格粒度之间的定量关系, 并通过栅格数据推算矢量分维值, 分析推算误差及其原因。结果表明, 苏州市土地利用格局符合分形理论的一般规律;苏州市整体土地利用程度较高, 耕地、建设用地结构较为简单, 而未利用地、林草地结构较复杂, 水域斑块结构复杂性较低;随着栅格粒度的增加, 土地利用分维值呈现增加趋势, 且粒度与分维值之间存在二次函数的定量关系, 可以通过此关系式在一定误差范围内推求矢量数据的土地结构分维值, 斑块数量与整体规模是影响推求精度的重要原因。     

黑河绿洲区耕作影响下的土壤粒径分布及其与有机碳的关系

选取黑河绿洲区典型土壤类型为研究对象,分析耕作对土壤粒径分布及其与土壤总有机碳、活性有机碳、惰性有机碳关系的影响。结果显示:非耕地(灰钙土、灰褐土、栗钙土)转变为耕地后,改变了10～50μm粗粉粒、50～250μm细砂粒、250～1000μm粗砂粒的含量,对<5μm的粘粒含量影响小。而风沙土变为耕地土壤后,土壤颗粒出现了细化现象。土壤粒径分布的变化也波及到了土壤颗粒与有机碳的关系,耕地与非耕地中存在异同点。相同之处在于,以50μm作为分界点,土壤总有机碳、活性有机碳、惰性有机碳与<50μm的粉粒、粘粒土壤颗粒含量呈正相关,与>50μm的砂粒呈负相关。不同之处为:耕地中土壤有机碳仅与5～10μm、10～50μm、50～250μm有关;非耕地中土壤有机碳与<1μm、1～5μm、5～10μm、10～50μm、50～250μm、250～1000μm的含量有关。分析表明,耕作是引起土壤活性有机碳增加及土壤有机碳与土壤粒径之间的关系发生变化的内在原因。     

矢量空间数据渐进传输研究进展

渐进传输被认为是解决目前海量空间数据传输与实时用户体验之间矛盾的有效方法。栅格数据渐进传输的相关研究比较成熟,但矢量数据的渐进传输理论和技术还存在问题。为了推进矢量数据渐进传输的相关研究,该文对与矢量数据渐进传输密切相关的二维矢量数据、三维表面模型两种数据的多分辨率表达和渐进传输的研究现状进行归纳与总结,指出相关研究的发展方向,为海量空间数据适用于分布式网络传输提供参考依据。     

森林转换对不同土层土壤碳氮含量及储量的影响

森林转换是影响森林碳氮储量的重要因素。研究森林转换对土壤碳氮的影响,对明确生态系统碳氮循环动态具有重要意义。对由中亚热带常绿阔叶天然林转换而成的阔叶天然次生林(BL)与杉木人工林(CF)不同土层的有机碳(SOC)、氮(TN)含量以及储量进行研究,探讨森林转换对地下土壤碳氮储量的影响及其影响因素。结果表明:(1)相同土层,阔叶天然次生林的SOC含量、TN含量高于杉木人工林,分别在0～40 cm各土层与0～20 cm各土层之间均具有显著性,相同森林类型下SOC含量与TN含量垂直拟合关系均以幂函数拟合效果最好,R~2均达到0.9以上,可以为当地碳氮含量估算提供依据,土壤碳氮比(C/N)均随土层深度增加而下降。(2)森林转换后0～100 cm碳氮储量(SCM、SNM)阔叶天然次生林高于杉木人工林。土壤碳氮在2种林分的差异主要集中在0～10 cm,且阔叶天然次生林显著高于杉木人工林。(3)相关分析显示土壤SOC、 TN含量与土壤容重呈显著负相关,与C/N之间呈极显著正相关(P0.01)。研究表明:森林土壤碳氮储量主要集中在0～10 cm土层,天然林转换为杉木人工林后,土壤碳氮含量降低,不利于森林碳氮储量的积累,因此要加大对天然林的保护。     

基于矢量数据的土地利用类型分维数计算程序设计及其应用

当前用来计算分形维数的原始数据通常是栅格图像,但是现有的土地利用数据大多以矢量形式存放,若将其转为栅格形式后计算分维数,则将面临基于栅格图像所得到的分形维数的计算精度与像元尺寸以及图像自身大小有较大关系,并且在对栅格图像进行不规则形状提取时容易造成数据丢失等问题。鉴于此,本文利用Visual C#完成了基于Windows平台的矢量数据分形维数计算程序设计,并利用该程序对20世纪90年代三个时期的秦岭中段和鄂东南地区土地利用类型的分维数进行了求算。结果表明该程序是一种方便、实用而且精确的分维数计算方法。此外,从三期各类土地利用类型的稳定性指数来看,在秦岭中段地区表现为：居民点及工矿用地>未利用土地>水田>旱地>草地>林地>水域,而鄂东南地区则表现为：水田>未利用土地>居民点及工矿用地>旱地>林地>草地>水域,这说明在上述两个地区,林地、水域、草地的稳定性都相对较差,它们的潜在变化趋势也较大。     

滨海滩涂土壤有机碳演变驱动因子框架

通过归纳、总结前人大量的研究成果,从土壤有机碳演变的尺度约束框架、滩涂土壤有机碳的核心控制因子以及演变的驱动因素3个方面进行总结。结果表明：①目前形成的监测技术约束下的碳库研究体系,其研究的结果忽视了机理性认识的未来需要,这对于应对未来气候变化条件下的滩涂湿地碳库变化风险稍显不足; ② 滩涂土壤有机碳演变的核心控制因子有泥沙、地貌与埋藏速率、植被与农业活动。滩涂围垦后的农业活动类型与方式是滩涂开发后影响土壤有机碳演变的核心要素,远远高于自然滩涂中的自然主导因子; ③ 不同因素在不同时空尺度上会对滩涂有机碳演变起到重要影响,其中,土地利用/覆被对于有机碳的影响机制是需要重点关注的核心命题; ④ 小尺度、长时间尺度有机碳循环机制的研究需要加强,同时,综合考量要素的时空尺度特性及其技术手段的提升,更加注重过程研究对于指导未来滩涂土壤有机碳研究更具有现实意义。     

空间尺度上推方法的精度评价——以内蒙古锡林郭勒盟土地利用数据为例

不同的空间尺度上推方法会导致不同程度的信息丢失、信息歪曲等后果;但目前少有研究在较长的尺度序列上、对不同尺度上推方法所得成果开展精度分析。本研究首先提出尺度上推方法精度评价的三个准则,即:保持土地类型构成特征、保持土地面积精度、保持土地空间分布格局和斑块形态;继而使用格点中心值、最大面积斑块、最大聚合面积斑块等3种尺度上推方法,配合100 m～50 km土地利用数据开展尺度转化实验;最后基于上述评价准则和尺度上推实验所得的系列输出结果,分析了不同尺度上推方法的精度。研究表明:(1)格点中心值上推方法能更好地保留区域土地类型构成、土地面积精度等特征;(2)锡林郭勒盟地区土地研究的适宜尺度应小于10 km,最大不应超过30 km;(3)在尺度上推过程中,土地斑块的平均面积、形态以及空间分布格局对尺度上推成果精度有着重要影响。     

The impact of land use/cover change on storage and quality of soil organic carbon in midsubtropical mountainous area of southern China

Land use/cover change (LUCC) is widely recognized as one of the most important driving forces of global carbon cycles. The influence of converting native forest into plantations, secondary forest, orchard and arable land on stores and quality of soil organic carbon (SOC) was investigated in mid-subtropical mountainous area of southern China. The results showed that LUCC had led to great decreases in SOC stocks and quality. Considerable SOC and light-fraction organic carbon (LFOC) had been stored in the native forest (142.2 t hm?2 and 14.8 t hm?2 respectively). When the native forest was converted to plantations, secondary forest, orchard and arable land, the SOC stocks decreased by 25.6%, 28.7%, 38.0%, 31.8% and 51.2%, respectively. The LFOC stocks decreased by 52.2% to 57.2% when the native forest was converted to woodland plantations and secondary forest, and by 82.1% to 84.2% when converted to economic plantation, orchard and arable land. After the conversion, the ratios of LFOC to SOC (0–60 cm) decreased from 13.3% to about 3.0% to 10.7%. The SOC and LFOC stored at the upper 20 cm were more sensitive to LUCC when compared to the subsurface soil layer. Also, the decline in carbon storage induced by LUCC was greater than the global average level, it could be explained by the vulnerable natural environment and special human management practices. Thus, it is wise to enhance soil carbon sequestration, mitigate elevated atmospheric co2 and develop ecological services by protecting vulnerable environment, restoring vegetation coverage, and afforesting in mountainous area in mid-subtropics.     

The impact of land use on soil properties in a karst agricultural region of Southwest China:a case study of Xiaojiang watershed, Yunnan

Supported by RS and GIS, the land use change from 1982 to 2003 were analyzed and the impacts of land use changes on pH value, organic matter, total N, total P, total K, available N, available P, and available K in soil of Xiaojiang watershed, a typical karst agricultural region of Yunnan Province, Southwest China were assessed. The following aspects are concluded. (1) The total land use converted during the past 20 years in Xiaojiang watershed covers an area of 610.12 km2, of which 134.29 km2 of forestland was converted into cultivated land, and 210 km2 of unused land was converted into cultivated land. (2) The rapid growth of population and the economic development were the main driving forces of land use change. (3) With the change in land use, the soil properties have been changed significantly. The pH, organic matter, total N, total P, total K, available N, available P and available K in soil in 1982 were 6.3, 38.02 g kg-1, 1.86 g kg-1, 1.63 g kg-1, 10.94 g kg-1, 114.42 g kg-1, 11.65 mg kg-1 and 64.69 mg kg-1g, respectively; and those in 2003 were 6.73, 25.26 g kg-1, 1.41 g kg-1, 0.99 g kg-1, 12.6 g kg-1, 113.43 mg kg-1, 11.11 mg kg-1 and 151.59 mg kg-1, respectively. Pared samples t-test of the tested indices of soil properties indicate that those indices have changed significantly during the last 20 years. But the soil properties changed differently, due to the differences in land use change. (4) Also, with the change in land use and management measures of soil, the modifications in soil properties which developed from carbonate rocks were more sensitive than those in the soil developed from sandstone.     

典型岩溶农业区土地利用变化对土壤性质的影响——以云南小江流域为例

1 Introduction Because of modifying land-cover (Turner et al., 1991) and management measures of soil (Dalal, 1986), land use changes can cause significant modifications in soil properties (Islam, 2000; Mcalister, 1998; Braimoh, 2004; Lal, 1996; Shepherd, …     

Mapping ecosystem services at the regional scale: the validity of an upscaling approach

Mapping ecosystem services (ES) over large scales is important for environmental monitoring but is often prohibitively expensive and difficult. We test a hybrid, low-cost method of mapping ES indicators over large scales in Pará State, Brazil. Four ES indicators (vegetation carbon stocks, biodiversity index, soil chemical quality index and rates of water infiltration into soil) were measured in the field and then summarized spatially for regional land-cover classes derived from satellite imagery. The regionally mapped ES values correlated strongly with independent and local measures of ES. For example, regional estimates of the vegetation carbon stocks are strongly correlated with actual measures derived from field samples and validation data (significant anova test – p-value = 4.51^e?9) and differed on average by only 20 Mg/ha from the field data. Our spatially-nested approach provides reliable and accurate maps of ES at both local and regional scales. Local maps account for the specificities of an area while regional maps provide an accurate generalization of an ES’ state. Such up-scaling methods infuse large-scale ES maps with localized data and enable the estimation of uncertainty of at regional scales. Our approach is first step towards the spatial characterization of ES at large and potentially global scales.     

中亚热带山区土地利用变化 对土壤有机碳储量和质量的影响

通过对中亚热带山区天然林、人工林(用材林和经济林)、次生林、果园和坡耕地等7 种典型土地利用方式的土壤有机碳储量及质量的研究, 结果表明: 中亚热带山区天然林转变 为其他土地利用类型后, 土壤有机碳储量下降了25.6%~51.2%, 而表层0~20 cm 土壤有机碳 储量下降了45.1%~74.8%, 比底层土壤有机碳对土地利用变化的响应更为敏感。土壤轻组有机碳储量(0~60 cm) 下降了52.2%~84.2%, 轻组有机碳占总有机碳比例从13.3%降到3.0% ~10.7%, 比土壤总有机碳对土地利用变化更为敏感。天然林转变为其他土地利用类型后土壤 有机碳损失巨大的原因主要与凋落物归还数量及质量, 水土流失和经营措施对土壤(特别是表层土壤) 的扰动引起土壤有机质加速分解等因素有关。坡耕地人为干扰最严重, 土壤有机 碳下降幅度最大。中亚热带山区土地利用变化引起土壤有机碳储量下降幅度高于全球平均水平, 主要与区域降水和地貌条件有关。因此, 保护山区脆弱生态环境, 加强天然林保护和植 被恢复, 合理营造人工林, 减少耕作, 对山区土壤碳吸存、减缓大气CO₂ 浓度升高和气候变化以及促进山区可持续开发的生态服务功能发展都具有重要意义。     

中亚热带山区土地利用变化对土壤有机碳储量和质量的影响

Land use/cover change (LUCC) is widely recognized as one of the most important driving forces of global carbon cycles. The influence of converting native forest into plantations, secondary forest, orchard and arable land on stores and quality of soil organic carbon (SOC) was investigated in mid-subtropical mountainous area of southern China. The results showed that LUCC had led to great decreases in SOC stocks and quality. Considerable SOC and light-fraction organic carbon (LFOC) had been stored in the native forest (142.2 t hm⁻² and 14.8 t hm⁻² respectively). When the native forest was converted to plantations, secondary forest, orchard and arable land, the SOC stocks decreased by 25.6%, 28.7%, 38.0%, 31.8% and 51.2%, respectively. The LFOC stocks decreased by 52.2% to 57.2% when the native forest was converted to woodland plantations and secondary forest, and by 82.1% to 84.2% when converted to economic plantation, orchard and arable land. After the conversion, the ratios of LFOC to SOC (0–60 cm) decreased from 13.3% to about 3.0% to 10.7%. The SOC and LFOC stored at the upper 20 cm were more sensitive to LUCC when compared to the subsurface soil layer. Also, the decline in carbon storage induced by LUCC was greater than the global average level, it could be explained by the vulnerable natural environment and special human management practices. Thus, it is wise to enhance soil carbon sequestration, mitigate elevated atmospheric CO₂ and develop ecological services by protecting vulnerable environment, restoring vegetation coverage, and afforesting in mountainous area in mid-subtropics. Foundation: Supported by the Key Project of Ministry of Education of China, No.JA04166 Author: Yang Yusheng (1964–), Professor, specialized in carbon and nitrogen cycles of forest.     

深层土壤有机碳的来源、特征与稳定性

深层土壤有机碳占土壤剖面总有机碳的一半以上．最近发现表层和深层土壤有机碳动态及其调控因素并不相同,这对准确评估土壤固碳潜力具有重要影响．深层土壤有机碳主要来源午根系、根系分泌物、可溶性有机碳、土壤微生物及生物扰动作用,这些来源的相对重要性可能取决于气候、土壤、植被类型和土地利用方式;与表层土壤相比,深层土壤有机碳一般具有较高的稳定性同位素C／N、平均驻留时间长、矿化速率低和高稳定性．深层土壤有机碳的生物化学稳定性、化学稳定性和物理保护三种稳定性机制的相对贡献并不清楚．未来应加强环境变化和人类干扰对深层土壤有机碳动态及稳定性影响的研究．