精細數(shù)字土壤普查模型與方法

前言

　　中國自古以來就是一個農業(yè)大國，以世界5%的耕地卻養(yǎng)活了世界20%的人口。然而近幾十年來，由于中國制造業(yè)的迅速崛起、城市化的進程加快、資源的過度開發(fā)、全球環(huán)境的變化加劇、人口的持續(xù)增長，致使土地資源的“質”不斷下降，“量”不斷減少，土地資源保護與中國經(jīng)濟和文明發(fā)展之間的矛盾日益突出?！　∽孕轮袊闪⒁詠?，我圍已經(jīng)陸續(xù)開展了兩次全國性的土壤普查，動用了全國農業(yè)以及相關行業(yè)的力量，對了解當時我國土壤的“家底”起到了非常重要的作用。然而，傳統(tǒng)的土壤普查技術是以手工方法和大量野外樣本為基礎，不僅降低了土壤普查的效率，延長了普查的周期，而且也迫使土壤普查成本居高不下。因此傳統(tǒng)的土壤普查技術已經(jīng)難以適應當今社會和經(jīng)濟發(fā)展的需要。

內容概要

精細數(shù)字土壤普查模型與方法是指利用現(xiàn)代空間分析技術、人工智能和機器學習的方法，基于模糊推理理論獲取空間上詳細、數(shù)學上精確的土壤空間變化信息的方法。本書對精細數(shù)字土壤普查的理論和技術及其應用進行了系統(tǒng)研討，內容包括數(shù)字土壤普查的現(xiàn)狀、基于模糊邏輯的精細數(shù)字土壤的表達模型、定量描述土壤環(huán)境要素空間變化的分析技術、獲取土壤與環(huán)境關系知識的人上智能和機器學習方法、模糊推理的計算手段以及應用實例。在所附的CD中，為讀者提供了軟件系統(tǒng)和實際數(shù)據(jù)，便于讀者實踐。    本書主要讀者對象為從事自然資源（如土壤資源、動物生境等）調查、自然災害（如滑坡）預測和其他地理信息技術應用的科研人員及大專院校相關專業(yè)的師生。

作者簡介

　　朱阿興，研究員，男，1962年生，浙江省長興縣人。1979 年9月－1983年7月于北京師范大學地理系畢業(yè)獲學士學位；1985年9月－1987年7月于加拿大卡爾加里（Calgary）大學地理系獲碩士學位；1989年9月－1994年5月于加拿大多倫多（Toronto）大學地理系獲博士學位。1994年8月－1995年12月在美國俄亥俄的邁阿密大學地理系工作任助理教授；1996年1月-2003年9月任教于美國威斯康星大學（Wisconsin-Madison）地理系并獲終身教授資格；2003年10月入選中國科學院“百人計劃”，2004年通過中國科學院“百人計劃”擇優(yōu)選拔?，F(xiàn)任中國科學院地理科學與資源研究所基地研究員。曾任海外地理信息科學協(xié)會（CPGIS）主席，美國地理信息科學大學聯(lián)盟（UCGIS）威斯康星首席代表，威斯康星大學地理系地理信息科學領域學術帶頭人，美國農業(yè)部資源普查署新技術開發(fā)委員會主席，威斯康星大學地理信息科學聯(lián)盟主席，曾是美國地理信息科學研究方向和研究重點白皮書的編寫者之一，現(xiàn)任海外地理信息科學協(xié)會學會理事、《資源科學》編委等職。

書籍目錄

序前言第1章  緒論  1.1 精細數(shù)字土壤資源普查的相關概念及必要性    1.1.1 相關概念    1.1.2 必要性    1.1.3 可能性  1.2 土壤普查及其發(fā)展現(xiàn)狀    1.2.1 傳統(tǒng)的土壤普查    1.2.2 新興的土壤普查方法與數(shù)字土壤制圖  1.3 土壤資源調查存在的問題    1.3.1 傳統(tǒng)土壤普查方法與制圖中存在的問題    1.3.2 新興的土壤普查方法與數(shù)字土壤制圖中存在的問題  1.4 精細土壤普查技術的概述和特點  1.5 本章小結  參考文獻第2章  精細土壤普查的理論基礎和基本思路  2.1 土壤與地理環(huán)境間的關系    2.1.1 土壤發(fā)育與環(huán)境因素的關系    2.1.2 影響土壤形成的環(huán)境因素    2.1.3 土壤與環(huán)境因素間的協(xié)同性  2.2 精細土壤普查的基本思想    2.2.1 基本假定    2.2.2 精細土壤普查的理論框架  2.3 詳細土壤空間變化的表達模型    2.3.1 土壤的空間變化特征    2.3.2 模糊邏輯的基本概念    2.3.3 柵格模型的基本概念    2.3.4 土壤空間變化的相似度模型    2.3.5 相似度模型與類別多邊形模型  2.4 精細土壤普查的基本步驟  2.5 本章小結  參考文獻第3章  土壤環(huán)境要素信息的獲取  3.1 環(huán)境要素的選取原則    3.1.1 選取與土壤空間差異相關的環(huán)境要素    3.1.2 選擇可獲取的環(huán)境要素  3.2 地形要素信息的提取    3.2.1 地形屬性的提取    3.2.2 地貌部位信息的定量描述  3.3 植被要素空間分布信息的提取    3.3.1 植被類型的定性信息    3.3.2 植被屬性的定量信息  3.4 其他環(huán)境要素信息的提取    3.4.1 母質條件    3.4.2 人為因素    3.4.3 時間要素    3.4.4 氣候要素  3.5 本章小結  參考文獻第4章  土壤與環(huán)境關系知識的獲取  4.1 土壤與環(huán)境關系知識的內容及其隸屬度函數(shù)的表達    4.1.1 土壤與環(huán)境關系知識的內容    4.1.2 土壤與環(huán)境關系知識的隸屬度函數(shù)表達  4.2 土壤普查專家知識的獲取方法    4.2.1 土壤普查專家知識獲取方法的基礎——個人構念理論    4.2.2 知識獲取過程  4.3 基于大量野外樣本的知識獲取方法    4.3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡方法    4.3.2 決策樹    4.3.3 其他基于大量樣本的知識獲取方法  4.4 基于案例推理的知識獲取方法    4.4.1 基于案例推理的假設    4.4.2 基于案例推理的土壤與環(huán)境知識的獲取和應用  4.5 基于已有土壤圖的知識獲取方法    4.5.1 土壤圖所包含的土壤與環(huán)境關系知識    4.5.2 從土壤圖中挖掘知識的過程  4.6 目的性采樣的知識獲取方法    4.6.1 理論依據(jù)    4.6.2 目的性采樣的知識獲取步驟  4.7 本章小結  參考文獻第5章  土壤相似度的計算及其派生信息的生成  5.1 土壤相似度的計算    5.1.1 基于隸屬度曲線的推理過程    5.1.2 基于案例的土壤推理過程    5.1.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的推理過程  5.2 土壤相似度派生信息的生成    5.2.1 土壤類型柵格圖及其不確定性圖      5.2.2 類常規(guī)的多邊形土壤圖    5.2.3 土壤屬性圖  5.3 本章小結  參考文獻第6章  土壤詳查的實例  6.1 精細土壤普查方法在美國的應用實例    6.1.1 研究區(qū)概況    6.1.2 專家知識    6.1.3 環(huán)境要素數(shù)據(jù)庫    6.1.4 推理制圖    6.1.5 精度檢驗  6.2 精細土壤普查方法在中國的應用實例    6.2.1 研究區(qū)概況    6.2.2 環(huán)境要素數(shù)據(jù)庫的建立    6.2.3 土壤與環(huán)境關系知識的獲取    6.2.4 推理制圖    6.2.5 土壤類型柵格圖精度評價    6.2.6 土壤屬性制圖及其評價  6.3 精細土壤普查的整體評估  6.4 本章小結  參考文獻第7章  研究方向及展望  7.1 研究方向與發(fā)展趨勢    7.1.1 土壤與環(huán)境關系知識獲取方法的完善    7.1.2 反映土壤空間差異的環(huán)境要素和信息獲取技術的完善    7.1.3 土壤的空間相關性和土壤與環(huán)境相關性的綜合    7.1.4 精細土壤普查所獲信息的應用  7.2 精細土壤普查在我國的應用前景    7.2.1 必要性    7.2.2 可能性與面臨的主要問題  7.3 本章小結  參考文獻附錄1：所附CD的內容  附1.1 3dMapper  附1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡軟件和實例數(shù)據(jù)  附1.3 美國威斯康星州Raffelson流域的實例數(shù)據(jù)  附1.4 精細土壤普查軟件附錄2：SoLIMSolutions軟件使用手冊  附2.1 快速入門    附2.1.1 軟件概覽    附2.1.2 新建工程    附2.1.3 推理制圖    附2.1.4 查看結果  附2.2 使用指南    附2.2.1 工程管理    附2.2.2 環(huán)境要素數(shù)據(jù)庫管理    附2.2.3 知識庫管理    附2.2.4 土壤推理    附2.2.5 結果驗證    附2.2.6 產品生成    附2.2.7 地形分析    附2.2.8 其他工具  附2.3 其他資料    附2.3.1 文件后綴說明    附2.3.2 所附CD中有關SoLIMSolutions的內容及其說明附錄3：美國威斯康星州La Crosse縣Raffelson流域精細土壤普查所需數(shù)據(jù)  附3.1 與土壤專家訪談得到的專家知識    附3.1.1 由土壤專家確定的流域內主要土系    附3.1.2 與土壤空間分布相關的環(huán)境要素    附3.1.3 土系與環(huán)境之間的對應關系（按地質條件歸類）    附3.1.4 隸屬度曲線  附3.2 環(huán)境要素層  附3.3 結果精度檢驗數(shù)據(jù)    附3.3.1 對土壤類型（土系）分布的檢驗數(shù)據(jù)    附3.3.2 土壤屬性（質地）分布的檢驗數(shù)據(jù)  附3.4 所附CD中有關Raffelson流域數(shù)據(jù)的組織

章節(jié)摘錄

　　第2章　精細土壤普查的理論基礎和基本思路　　在第1章中已介紹了傳統(tǒng)土壤普查方法，概括了近幾十年隨著信息技術發(fā)展所出現(xiàn)的新興的土壤普查方法以及其所面臨的主要問題，提出了發(fā)展基于專家知識和模糊理論的精細土壤普查技術的基本思想。本章主要對這套方法的理論基礎及基本思路進行介紹?！　?.1　土壤與地理環(huán)境間的關系　　2.1.1　土壤發(fā)育與環(huán)境因素的關系　　土壤是成土母質在一定水熱條件和生物的作用下，經(jīng)過一系列的物理、化學和生物化學過程形成的。隨著時間的發(fā)展，母質與土壤其他環(huán)境要素之間發(fā)生了頻繁的物質能量的交換和轉化，形成了土壤腐殖質和黏土礦物，發(fā)育了層次分明的土壤剖面，出現(xiàn)了具有肥力特性的土壤。土壤是一個獨立的歷史自然體。它不僅具有自身的發(fā)生發(fā)展過程，而且是一個能從物質組成、形態(tài)、結構和功能上進行剖析的物質實體。同時，土壤又是地理環(huán)境統(tǒng)一體中的一個組成要素，處在與巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈不斷地相互作用之中?！　≡缭谥袊糯南惹貢r期（公元前221年之前），人們就對土壤與其他地理環(huán)境之間的關系有了比較深入的認識和研究。這集中體現(xiàn)在兩篇重要的土壤學文獻——《尚書·禹貢》和《管子·地員》中。特別是在《管子·地員》篇中，比較詳細地論述了土壤與地形、地下水和植物等地理環(huán)境因素之問的關系。在前半部分，闡述了“瀆田”（大平原）中的“悉徙”、“赤壚”、“黃唐”、“赤埴”、“黑埴”等各種土壤類型所分布的空間位置存在地勢高下、地下水甘苦和深淺的變化，而且這些土壤上所宜生的谷物和草木也有所不同。后一部分介紹了18種土壤。對于每種土壤說明其性狀、典型谷類品種以及它們在丘陵山地上可以生產的各種植物，如樹木、果品、纖維、藥物、香料等?？梢哉f在土壤學的發(fā)軔時期，人們已經(jīng)認識到土壤與地理環(huán)境因素之間有密切關系。　　……

編輯推薦

　　《精細數(shù)字土壤普查模型與方法》對土壤詳查的理論和技術進行了系統(tǒng)的闡述，并詳細介紹了該技術在美國和中國的應用實例。書后附帶有精細土壤普查的軟件系統(tǒng)及詳細說明，為這一技術的應用提供了方便，這也是少有的無私轉讓技術的方法。　　《精細數(shù)字土壤普查模型與方法》是朱阿興教授近年來的一部力作，也是朱阿興教授的第一部中文專著。書中內容是朱阿興教授及其團隊多年來的研究結晶，也是當前國內外專門論述土壤詳查技術的第一本專著。該書的問世將對我國土壤普查技術的發(fā)展起到有力的推動作用，也將為解決環(huán)境污染、災害評估等其他領域相關問題提供借鑒。

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