稀疏格网样点的国家尺度土壤属性制图方法与应用

 国家尺度土壤属性数据是地球生物化学循环及水循环等领域研究的重要数据,目前,该尺度土壤属性数据的获取方法主要有两类:土壤属性-空间数据连接法和空间插值。为了确定哪一类方法更适合稀疏样点的国家尺度土壤属性制图,本文以中国吉林省的土壤有机质含量制图为例,采用8~32km格网样点和1∶100万土壤图,对这两类方法进行对比分析。独立样本验证结果表明,土壤属性-空间数据连接法的平均误差(ME)大于距离反比加权(IDW)插值,而平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)都小于IDW插值。IDW插值获得的土壤属性图虽然能大致反映土壤属性空间分布的基本规律,但出现了类似"牛眼睛"的空间结构,且存在无样点区估计值不准确等问题;土壤属性-空间数据连接法尽管忽略了同种土壤类型内部的差异,保留了不同土壤类型边界处的属性值突变,但获得的土壤属性图更能反映土壤属性分布的基本规律,也具有比较详细的土壤属性空间结构。因此,在基于稀疏样点的国家尺度土壤属性制图中,土壤属性-空间数据连接法的制图效果要优于IDW空间插值法。     

Equality testing for soil grid unit resolutions to polygon unit scales with DNDC modeling of regional SOC pools

Matching soil grid unit resolutions with polygon unit map scales is important to minimize the uncertainty of regional soil organic carbon(SOC) pool simulation due to their strong influences on the modeling.A series of soil grid units at varying cell sizes was derived from soil polygon units at six map scales,namely,1:50 000(C5),1:200 000(D2),1:500 000(P5),1:1 000 000(N1),1:4 000 000(N4) and 1:14 000 000(N14),in the Taihu Region of China.Both soil unit formats were used for regional SOC pool simulation with a De Nitrification-DeC omposition(DNDC) process-based model,which spans the time period from 1982 to 2000 at the six map scales.Four indices,namely,soil type number(STN),area(AREA),average SOC density(ASOCD) and total SOC stocks(SOCS) of surface paddy soils that were simulated by the DNDC,were distinguished from all these soil polygon and grid units.Subjecting to the four index values(IV) from the parent polygon units,the variations in an index value(VIV,%) from the grid units were used to assess its dataset accuracy and redundancy,which reflects the uncertainty in the simulation of SOC pools.Optimal soil grid unit resolutions were generated and suggested for the DNDC simulation of regional SOC pools,matching their respective soil polygon unit map scales.With these optimal raster resolutions,the soil grid units datasets can have the same accuracy as their parent polygon units datasets without any redundancy,when VIV 1% was assumed to be a criterion for all four indices.A quadratic curve regression model,namely,y = – 0.80 × 10~(–6)x~2 + 0.0228 x + 0.0211(R~2 = 0.9994,P 0.05),and a power function model R? = 10.394?~(0.2153)(R~2 = 0.9759,P 0.05) were revealed,which describe the relationship between the optimal soil grid unit resolution(y,km) and soil polygon unit map scale(1:10 000x),the ratio(R?,%) of the optimal soil grid size to average polygon patch size(?,km~2) and the ?,with the highest R~2 among different mathematical regressions,respectively.This knowledge may facilitate the grid partitioning of regions during the investigation and simulation of SOC pool dynamics at a certain map scale,and be referenced to other landscape polygon patches' mesh partition.     

Effects of spatial information of soil physical properties on hydrological modeling based on a distributed hydrological model

The spatial distribution of soil physical properties is essential for modeling and understanding hydrological processes. In this study, the different spatial information (the conventional soil types map-based spatial information (STMB) versus refined spatial information map (RSIM)) of soil physical properties, including field capacity, soil porosity and saturated hydraulic conductivity are used respectively as input data for Water Flow Model for Lake Catchment (WATLAC) to determine their effectiveness in simulating hydrological processes and to expound the effects on model performance in terms of estimating groundwater recharge, soil evaporation, runoff generation as well as partitioning of surface and subsurface water flow. The results show that: 1) the simulated stream flow hydrographs based on the STMB and RSIM soil data reproduce the observed hydrographs well. There is no significant increase in model accuracy as more precise soil physical properties information being used, but WATLAC model using the RSIM soil data could predict more runoff volume and reduce the relative runoff depth errors; 2) the groundwater recharges have a consistent trend for both cases, while the STMB soil data tend to produce higher groundwater recharges than the RSIM soil data. In addition, the spatial distribution of annual groundwater recharge is significantly affected by the spatial distribution of soil physical properties; 3) the soil evaporation simulated using the STMB and RSIM soil data are similar to each other, and the spatial distribution patterns are also insensitive to the spatial information of soil physical properties; and 4) although the different spatial information of soil physical properties does not cause apparent difference in overall stream flow, the partitioning of surface and subsurface water flow is distinct. The implications of this study are that the refined spatial information of soil physical properties does not necessarily contribute to a more accurate prediction of stream flow, and the selection of appropriate soil physical property data needs to consider the scale of watersheds and the level of accuracy required.     

涉密矢量数字地图中敏感要素几何信息量的测度方法

涉密矢量数字地图中敏感要素几何信息的定量测度,是实现定量化密级评定的基础和前提。如何进行敏感要素几何信息量的计算,目前尚缺乏相关研究。在现有地图信息论研究成果的基础上,论文主要开展了3方面的研究工作：首先,从地理对象的敏感性入手,探讨了地图要素敏感性的定义与要素集合的敏感性表征指标;然后,基于任意发生元的Voronoi构建方法,实现了对点要素集、线要素集、部分覆盖面要素集及综合要素集的信息单元自动化剖分;最后,基于长度系数、面积系数和角度系数,提出了线、面要素图形复杂度的计算方法,并在此基础上形成了涉密矢量数字地图中敏感几何信息量的测度方法。实验表明,该方法的计算结果遵循了信息量的非负性、连续性、可加性等特点,较为合理地反映了相关因素（地图比例尺、要素空间分布、要素图形复杂度、要素敏感系数等）对计算结果的影响。相关成果将支持矢量数字地图的定量化密级评定,并有助于完善地理信息安全监管的理论和方法体系。     

国家西部测图工程产品模式设计与实践——以1:50000影像地形图为例

为实现国家西部1∶50 000地形图空白区测图工程:丰富产品种类,拓展服务领域的设计宗旨,根据ISO 9000对产品的概念,提出了西部测图工程整体产品模式,并对其进行细化,建立了国家两部测图工程地形图产品模式.本文以西部测图工程1∶50 000影像地形图的设计与实现为实例,详细介绍了1∶50 000影像地形图测绘新产品...     

Effects of gully erosion and gully filling on soil degradation in the black soil region of Northeast China

Gully erosion has caused soil degradation and even reduced soil productivity.However,only few studies on the effects of gully erosion and artificial controlling measures on soil degradation in the Black Soil Region of Northeast China are available.Thus,this study explores the relationships between gully erosion,gully filling and soil parameters.Two sets of soil samples were collected in the field at:(1) 72 sample points in the gully erosion study area,60 sample points in the ephemeral and classical gully erosion area(3,518 m2),12 sample points in the deposition zone(443 m2),(2)10 reference points along a slope unaffected by gully erosion representing the original situation before the gully was formed.All soil samples were analyzed for gravel content(GC),soil organic matter(SOM),total nitrogen(TN),available nitrogen(AN),available phosphorus(AP),and available potassium(AK).The soil property values on unaffected slope were fitted by the polynomial curves as the reference values in no gully erosion area.The interpolated soil property values in gully eroded study area were compared with these polynomial curves,respectively,and then,changes of soil property values were analyzed.Gully erosion caused an increase in GC and a decrease in SOM,TN,AN,AP and AK.The change of GC,SOM,TN,AN,AP,AK was 8.8%,-9.04 g kg-1,-0.92 g kg-1,-62.28 mg kg-1,-29.61 mg kg-1,-79.68 mg kg-1.The soil property values in the study area were below optimal values.Thus,we concluded that gully erosion and gully filling caused both on-site and off-site soil degradation.Soil degradation area was 0.65 % of the cultivated land.In addition,it was proved that gully filling were an improper soil and water conservation measure,which seems to exacerbate the problem.Thus,it is suggested that soil where soil is deep is moved to fill the gully,and then the area around the filled gullies should be covered by grass for preventing the formation and development of the gully.     

SWAT模型对高精度土壤信息的敏感性研究

土壤信息是SWAT模型的重要输入数据,通常认为,土壤信息的精度直接影响着模拟结果的准确性。本文以美国Brewery Creek流域(19.5km²)为例,在其他输入不变的情况下,通过比较不同精度土壤数据(美国农业部SSURGO土壤图与SoLIM方法获得的土壤图)的模拟径流,分析SWAT模型对高精度土壤信息的敏感性。应用结果显示,在模型的校正前后,两种土壤数据的径流模拟结果均近似,差别并不显著。这表明在小流域水文模拟中,SWAT模型的径流模拟对高精度土壤信息的敏感性较弱,模拟径流不能很好的体现一定精度基础上土壤信息的差别。本文将此现象主要归因于:SWAT模型所采用的SCS-CN径流计算方法,在计算CN值(Curve Number)时将不同土壤类型综合到四个土壤水文组的做法,概括了土壤信息,模糊了土壤之间的属性差别,损失了土壤精度信息。本研究发现了SCS-CN径流计算方法在利用高精度土壤数据时存在的问题,并进行了分析,为水文模拟中参数的确定和数据的准备提供了参考。     

中国陆地1∶100万数字地貌分类体系研究

地貌分类体系是地貌图研制的关键之一,本文在总结国内外地貌及分类研究的基础上,借鉴20世纪80年代的中国1∶100万地貌图制图规范,基于遥感影像、数字高程模型和计算机自动制图等技术条件,归纳总结了数字地貌分类过程中应遵循的几大原则,分析了它们之间的相互关系,讨论了数字地貌分类的各种指标:包括形态、成因、物质组成和年龄等,提出了中国陆地1∶100万数字地貌三等六级七层的数值分类方法,扩展了以多边形图斑反映形态成因类型,以点、线、面图斑共同反映形态结构类型的数字地貌数据组织方式,并详细划分了各成因类型的不同层次、不同级别的地貌类型。中国1∶100万数字地貌分类体系的研究,为遥感等多源数据的陆地地貌解析和制图提供了规范,也为《中华人民共和国地貌图集》的编制奠定了基础,同时为全国大、中比例尺地貌图的分类和编制研究提供了借鉴。     

Application of matter-element model in soil nutrient evaluation of ecological fragile region

On the basis of the soil environment investigation in Da'an City, Jilin Province, China, 40 soil samples from main land use types were obtained and tested by standard method. Soil organic matter (SOM), total N (TN), total P (TP), total K (TK), available N (AN), available P (AP) and available K (AK) were chosen as the evaluation factors. A regional soil nutrient evaluation model was developed based on the matter-element model. The results show that the soil samples with nutrient grade Ⅱ-Ⅴ respectively account for 10%, 30%, 32.5% and 27.5%, and those with grade Ⅳ and Ⅴ account for 60% in all samples. The relationship between soil nutrients and land types indicates that the nutrients of farmland are relatively good, with 41.7% of soil samples with the nutrient grade Ⅳ and Ⅴ. The nutrients of saline-alkali land and sandy land are the worst, with 100% of soil samples with the nutrient grade Ⅳ and Ⅴ. And the ratios of soil samples grade Ⅳ and Ⅴ in grassland and wasteland are respectively 62.5 % and 54.55%. Generally speaking, the soil nutrients status in Da'an City is poor, 60% of soil samples are in poor and extremely poor conditions, indicating that the soil has been severely eroded. Being a relatively superior evaluation method with more accurate resuits and spatial distribution consistency, matter-element analysis is more suitable for regional soil nutrient evaluation than previous models.     

我国电子地图研制的实践及其发展方向

本文对我国电子地图的研制作了概述,并提出了今后发展方向。全文共分3个部分:(1)我国创作的已出版和制作的电子地图和电子地图集可区分阅读型、交互型和网络型3种;(2)介绍了面向对象的电子地图模型,建立电子地图图层创作模版和电子地图软件系统(EA-World)的开发,以及总结了电子地图设计的一些问题;(3)分析了电子地图今后研究方向.提出开展现代地图学理论研究,指导电子地图的创作,开展网络地图学研究,实现地图信息共享:以及进一步进行电子地图的数据模型和设计研究,提高电子地图创作质量。     

利用DLG数据制作地形图

本文探讨了利用1∶5万DLG数据制作1∶5万地形图的若干关键性技术,如数据预处理,注记层编辑,图层数据的编辑和要素的更新。并给出完整工艺流程,为数据库转化为模拟地图及电子地图等可视化产品提供科学依据。     

民国初期河南省1∶10万地图精度分析

 清末与民国初期调绘了大范围的、内容较为详尽的1 ∶2.5万至1 ∶20万比例尺地图,是研究20世纪初中国历史的宝贵资料。为高效利用这些地图资源,评估地图精度提供了基础性的图件。针对民国初期河南陆地测量局调绘的1 ∶10万河南省地图,应用ArcGIS软件将民国地图与当代地图作对比,对其精度进行了系统分析和初步解释。分析表明:①全省范围内地图精度分布不均匀,经线方向平均向西偏移6.28'、纬线方向平均向南移2.23',标准差分别为3.76和2.51。②纬线方向绝对精度和相对精度总体上高于经线方向;同时,误差分布呈现空间自相关特征,经向误差Moran's I指数为0.85(Z=57),纬向指数为0.69(Z=46)。③平原地区地图相对精度高于山区。④地图误差分布呈现三种模式:位置偏移较小,偏移较大但偏移向量保持一致,以及偏移较大且方向不一致。民国地图误差与《清史稿》记载的经纬度误差具有较强的相关性,由此提出的一个初步推论:民国地图调查作业中采用了晚清时期的经纬度成果。但有些地区利用了较新的成果,也有部分地区参照或转绘了质量较差的旧地图。本研究为民国初期河南省地图的进一步利用提供了依据,也对同期地图的利用具有借鉴价值。     

图数整合的高保真版式网络地图发布原理及方法

在分析当前网络地图出版特别是专题地图网络出版现状的基础上,本文提出了版式网络地图的概念、原理及技术方法。版式网络地图克服了当前专题地图出版GIS化和静态图片化的倾向,在为用户提供高保真地图阅读体验的同时,实现了专题数据和专题地图同时发布的模式。该模式的主要技术特点包括：对专题地图图片和专题地图数据进行四叉树分解,将专题地图图片划分为规则格网大小的瓦片金字塔;将专题数据要素分解为可变分辨率的格网集合,以唯一标识记录每个格网及其（需查询的）属性,并采用支持区域、时间、指标、数据四元组的专题数据元进行存储,以便高效地索引专题数据,从而实现专题地图数据的高效查询。同时,本文还介绍了版式网络地图发布模式在地形图出版、原图版式发布、《中华人民共和国人口与环境变迁地图集》电子版网络地图发布系统中的应用案例。最后,对比分析了WebGIS、静态地图图片、PDF/GeoPDF地图、SVG地图以及版式网络地图5种发布模式的优缺点,结果表明版式网络地图是一种有望在专题地图出版领域推广和应用的轻量级地图发布模式。     

中国明、清时期黄河和京杭大运河地图的特征与价值

黄河是中华民族的母亲河,而京杭大运河则担负着河运的重要职责,其重要性决定了古代关于黄运工程及其治理的地图数量繁多。本文旨在通过对大量明、清时期黄河、京杭大运河水利地图的梳理,对明、清时期水利地图的载体形式、表现形式和绘制特点进行剖析,并探讨其在地理学、地图学、水利学方面的应用价值和研究价值。明、清时期的黄河、京杭大运河地图,从载体形式来分,主要分为水利典籍（志书、图说）附图和绘本舆图2类：前者多为示意性地图,画法比较简单,只起到辅助说明水利典籍的作用;后者多采用山水形象画法绘制,多为长卷展开景物再现式地图,其主要特点是形象直观。其采用的“对景法”地图表现形式（即所绘黄河、京杭大运河两岸各类地物要素均朝向河流中心线）,容易引起读者的视觉共鸣,轻松构筑被描画事物的整体画面。从表现形式和绘制特点来看,明、清时期还出现了另外2类地图：计里画方类地图和经纬度实测地图,但由于其实用性和艺术性不如山水形象画法地图,因此,这2类地图在明、清并没有得到广泛普及。但从功能和价值而言,不论是长卷展开式古地图、计里画方类古地图,还是经纬度实测地图,对于古地图史、历史地理学、古代水利研究,对如今的地图、水利、地理学研究等,都是不可多得的历史瑰宝。     

自适应地图符号模型与原型系统的实现

随着计算机技术的进步,地图学中出现了电子地图等新型地图,在内容表达上发生了新的变化,但其地图符号的模型并没有取得相应的研究成果,以适应地图的新形式和新内容。本文对地图符号在地图新形式和新内容表达中存在的问题进行了分析,在自适应空间信息可视化系统理论成果的基础上,总结了自适应地图符号模型设计的原则,提出了树结构的自适应地图符号模型,设计了以树结构符号模型为核心的自适应地图符号系统模块,以及该模块和自适应空间信息可视化系统的其他模块间的接口;引入"晚绑定"的思想,实现了自适应地图符号编辑器原型系统,对树状地图符号模型的符号定义和符号集合图形数据部分进行了研究。     

水稻土有机碳密度的空间预测分析——以浙江省长兴县为例

准确预测未采样区域SOC密度,是研究SOC演变趋势和探索土壤固碳作用对缓解全球气候变化的基础。采用泛克里格法(Universal Kriging,UK)和土壤类型法(pedological professional knowledge-based method,PKB),分别对长兴县水稻土有机碳密度进行了预测,其中,UK直接以长兴水稻土剖面资料为源数据、PKB以长兴水稻土剖面数据和长兴1∶5万数字土壤图为源数据进行预测。根据平均绝对误差(MAE)及均方根误差(RMSE)大小,评价了两种方法在县域尺度土壤有机碳密度空间预测效果。结果表明:UK的MAE(31.2)、RMSE(52.5)均大于PKB的MAE(24.7)、RMSE(43.1),说明PKB法的预测效果较好,UK法相对较差。研究表明,对土壤类型、土壤母质,以及剖面点位置等信息的综合考虑能使PKB法更好地表达土壤属性的空间特征,也更适于县域尺度土壤有机碳密度的空间预测。     

基于条件生成对抗网络的电子地图可视水印去除方法

水印对于电子地图版权的保护十分重要,开展可视水印的去除研究有助于从攻防对抗的角度评价可视水印的有效性,进而提高电子地图可视水印的抗攻击研究水平。针对已有基于深度学习的可视水印去除方法存在训练样本量大、效率低、可视水印去除后有残留或要素丢失等问题,本文提出一种基于条件生成对抗网络(CGAN)的电子地图可视水印去除方法。该方法的模型主要由一个生成器和一个判别器组成,其中生成器采用U-Net结构,保证去除可视水印后生成的地图区域的真实性,判别器则采用基于区域判别的全卷积网络,通过对抗训练来区分生成的地图瓦片与真实地图瓦片之间的差异,使得可视水印去除后重建的电子地图更接近真实地图。实验表明,本文提出的方法简单易行,模型训练速度比基于全卷积网络的算法快4倍,能够去除文字、彩色图像及二者混合等模式的可视水印,可实现Google、高德、百度等国内外地图厂商提供的导航电子地图、遥感影像等多种地图瓦片上的可视水印批量去除,无需人工干预,且水印去除后的地图瓦片与原始真实地图瓦片有着良好的结构相似性。     

几种土壤属性制图方法的稳定性与影响因素分析

 本文以土壤CEC和土壤全氮为研究对象,在河南省黄河以北6个地市选取870个样点,并随机均分为两个数据集,进行了制图对比分析;同时研究了Kriging法、IDW法和以点代面法制图结果的稳定性及其与精度的关系,以及影响因素。结果表明:采用实测数据与预测数据的交叉验证并不能用来衡量制图结果的稳定性,验证精度高低并不表示采用不同数据集制图结果可能会重现的概率;而且采用不同的方式进行精度检验,结论也会有所不同。采用不同抽样集合制图,Kriging法和IDW的结果较稳定,两者较接近,其相对误差>0.3的区域均不超过20%,且相对差异度高值区的空间分布格局相对分散;而以点代面法制图结果不稳定,相对误差>0.3的区域达到54.21%,且差异度较高的图斑相对集中,呈大片状分布。制图结果稳定性受到实测数据分布特征和局部地区土壤的高度变异性的影响,其中Kriging方法制图结果的不稳定性受样点分布格局的影响较另两种方法要大,而IDW法和以点代面法受实测数据自身变异性影响更明显。     

基于机器学习的稀疏样本下的土壤有机质估算方法

采用GRNN（Generalized Regression Neural Network）和RF（Random Forest）2种机器学习方法构建土壤有机质预测模型,以提高稀疏样本情况下的土壤有机质估算精度。依据北京市大兴区农用地2007年的土壤有机质采样数据,按MMSD准则（Minimization of the Mean of the Shortest Distances）抽稀为8种不同采样密度的样本（分别为2703、1352、676、339、169、85、43、22个样本）,分别采用GRNN、RF和Ordinary kriging对各采样密度下的未知采样点进行预测,采用交叉检验的方式验证各采样密度下未知样点的预测精度。随着采样点密度的下降,样点间的空间自相关性逐渐减弱,半变异函数的拟和精度变差,预测点结果误差增大,预测的置信度降低。当抽稀到43个和22个采样点时,样点间的空间自相关性接近歼灭,半变异函数的决定系数较低且残差较大。普通克里格受到采样点数量和采样密度、样点的空间结构的影响比较明显,其预测精度随采样点数量的下降而下降。在85个采样点及以下时,其预测值与观测值之间没有显著的相关性。GRNN和RF的预测精度受采样密度的影响不大,其预测精度在一个较小的范围内波动,其预测值围绕观测值在一定阈值空间内震荡波动,具有较好的相关性,在85个及以下的采样密度时,预测精度相对普通克里格有较大的提升。普通克里格法不适合在稀疏样本条件下空间插值计算,尤其是在空间自相关性比较弱的情况下。机器学习模型能充分学习土壤间环境信息、样点空间邻近效应信息,兼顾属性相似性和空间自相关,具有更好的稳定性和适应性,不容易受到采样点数量、构型和采样密度等因素的影响,即使在采样点空间自相关性很弱的情况下也能做出稳定预测精度。     

尺度对人口地图空间分异规律认知的影响

人口地图是人们认知人口分布规律的重要工具,而不同尺度的人口地图造成了读图者对于人口空间分布规律的认知差异。本文通过眼动跟踪的省、县（市）不同尺度下人口地图认知实验,选取注视点数、注视时间、正确个数等眼动参数,进行差异性显著检验,并结合热点透视图,从空间分异规律的角度进行分析。结果表明,不同尺度的人口地图对于读图者的认知影响显著,读图者对人口空间分布特征及人口数量进行认知时,县（市）级尺度人口地图提供了更丰富、直观的空间分布信息,利于读图者对于人口空间分异规律的把握,平均注视点数更小,平均注视时间更短,每道题回答正确的被试个数更多,认知效率更高。本研究揭示了尺度对人口地图的认知影响规律,为多尺度人口地图制图设计与表达提供理论实验参考。