基于遥感的土壤电阻率空间变化模拟与估算研究

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土壤电阻率是雷电起电机制的重要参数,也是现代防雷接地工程研究中的重要依据,对接地装置乃至防雷工程的正确设计起着决定性作用,另一方面,表征土壤导电性能的土壤电阻率也是土壤科学中的重要研究内容之一,土壤中水分、盐分、阳离子、有机质含量和其温度、质地结构等诸多理化因子都不同程度地影响着土壤电阻率。因此,利用影响因子对电阻率值进行估测以及对其空间变异的模拟研究对防雷减灾、工程地质调查、水文地质探测和环境监测等领域的应用具有重要意义。试验以我国长江中下游市南京及周边15个市(县)为例,针对草地、农田、林地三种不同地表覆盖类型,采用野外测定、室内分析与遥感反演相结合的方法,对采样点土壤物化性质进行了分析。首先,进行遥感图像分类分别提取出研究区内草地、农田、林地区域,以便开展后续表层土壤电阻率空间变化模拟及估测研究,然后,运用经典统计方法研究了不同深度层和不同覆盖类型下土壤电阻率的总体统计特征,并对土壤电阻率主要影响因子的分布特征以及其对土壤电阻率的影响作用进行探讨;采用倒数、对数、线性、偏最小二乘(PLS)、偏最小二乘二次多项式(PLSQM)等5种多元回归模型分别对不同覆盖类型土壤电阻率进行建模估算,并比较模型拟合精度。采用普通克里格法获取土壤可溶盐总量和盐离子交换量空间分布,并遥感反演土壤水分和温度空间分布,以获取土壤电阻率空间模拟所需要的主要参数,然后利用偏最小二乘二次多项式模型和BP神经网络法(BPNN)模拟不同覆盖类型下区域内土壤电阻率的空间变化规律,并与普通克里格法(OK)、反距离加权法(IDW)的模拟效果进行了比较,以确定最佳土壤电阻率空间分布模拟模型。结果表明,不同覆盖类型下土壤电阻率存在显著差异,0-20cm土层中,草地、农田、林地三种不同覆盖类型下土壤电阻率大小依次为:草地>林地>农田;10-20cm土层土壤电阻率总体接近或高于0-10cm。5种多元回归模型中,以偏最小二乘二次多项式模型对土壤电阻率回归精度最高,草地、林地和农田覆盖下的决定系数分别为0.837,0.800,0.605。地统计分析结果显示,土壤可溶盐总量(TSS)、土壤阳离子交换量(CEC)和土壤电阻率的空间变异最优拟合模型分别为指数模型、高斯模型和指数模型;对研究区土壤水分空间分布数据的反演结果具有较高的精度,土壤水分含量的反演值与实测值的相关系数、MRE、RMSE分别为0.73,19.66%和4.76;而地表温度的反演值与土壤温度实测值的相关系数为0.78。基于遥感获取土壤参数的BP神经网络方法对土壤电阻率空间变化的模拟效果最好,与普通克里格法(OK)、反距离加权法(IDW)和PLSQM模型相比,BPNN的估测值与实测值的相关系数分别提高了0.12、0.15和0.05;平均相对误差(MRE)分别减小了11.63%、7.74%和3.86%;均方根误差(RMSE)也分别减小了2.59、2.23和1.13。从空间分布图来看,神经网络模型模拟结果更接近于实际情况,具有更好的应用潜力。
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