精細(xì)數(shù)字土壤普查模型與方法

前言

　　中國(guó)自古以來就是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，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(guó)制造業(yè)的迅速崛起、城市化的進(jìn)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(zhǎng)，致使土地資源的“質(zhì)”不斷下降，“量”不斷減少，土地資源保護(hù)與中國(guó)經(jīng)濟(jì)和文明發(fā)展之間的矛盾日益突出?！　∽孕轮袊?guó)成立以來，我圍已經(jīng)陸續(xù)開展了兩次全國(guó)性的土壤普查，動(dòng)用了全國(guó)農(nóng)業(yè)以及相關(guān)行業(yè)的力量，對(duì)了解當(dāng)時(shí)我國(guó)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(shù)是以手工方法和大量野外樣本為基礎(chǔ)，不僅降低了土壤普查的效率，延長(zhǎng)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(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

內(nèi)容概要

精細(xì)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(shù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，基于模糊推理理論獲取空間上詳細(xì)、數(shù)學(xué)上精確的土壤空間變化信息的方法。本書對(duì)精細(xì)數(shù)字土壤普查的理論和技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研討，內(nèi)容包括數(shù)字土壤普查的現(xiàn)狀、基于模糊邏輯的精細(xì)數(shù)字土壤的表達(dá)模型、定量描述土壤環(huán)境要素空間變化的分析技術(shù)、獲取土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)的人上智能和機(jī)器學(xué)習(xí)方法、模糊推理的計(jì)算手段以及應(yīng)用實(shí)例。在所附的CD中，為讀者提供了軟件系統(tǒng)和實(shí)際數(shù)據(jù)，便于讀者實(shí)踐。    本書主要讀者對(duì)象為從事自然資源（如土壤資源、動(dòng)物生境等）調(diào)查、自然災(zāi)害（如滑坡）預(yù)測(cè)和其他地理信息技術(shù)應(yīng)用的科研人員及大專院校相關(guān)專業(yè)的師生。

作者簡(jiǎn)介

　　朱阿興，研究員，男，1962年生，浙江省長(zhǎng)興縣人。1979 年9月－1983年7月于北京師范大學(xué)地理系畢業(yè)獲學(xué)士學(xué)位；1985年9月－1987年7月于加拿大卡爾加里（Calgary）大學(xué)地理系獲碩士學(xué)位；1989年9月－1994年5月于加拿大多倫多（Toronto）大學(xué)地理系獲博士學(xué)位。1994年8月－1995年12月在美國(guó)俄亥俄的邁阿密大學(xué)地理系工作任助理教授；1996年1月-2003年9月任教于美國(guó)威斯康星大學(xué)（Wisconsin-Madison）地理系并獲終身教授資格；2003年10月入選中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”，2004年通過中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”擇優(yōu)選拔?，F(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所基地研究員。曾任海外地理信息科學(xué)協(xié)會(huì)（CPGIS）主席，美國(guó)地理信息科學(xué)大學(xué)聯(lián)盟（UCGIS）威斯康星首席代表，威斯康星大學(xué)地理系地理信息科學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)帶頭人，美國(guó)農(nóng)業(yè)部資源普查署新技術(shù)開發(fā)委員會(huì)主席，威斯康星大學(xué)地理信息科學(xué)聯(lián)盟主席，曾是美國(guó)地理信息科學(xué)研究方向和研究重點(diǎn)白皮書的編寫者之一，現(xiàn)任海外地理信息科學(xué)協(xié)會(huì)學(xué)會(huì)理事、《資源科學(xué)》編委等職。

書籍目錄

序前言第1章  緒論  1.1 精細(xì)數(shù)字土壤資源普查的相關(guān)概念及必要性    1.1.1 相關(guān)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(diào)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(xì)土壤普查技術(shù)的概述和特點(diǎn)  1.5 本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第2章  精細(xì)土壤普查的理論基礎(chǔ)和基本思路  2.1 土壤與地理環(huán)境間的關(guān)系    2.1.1 土壤發(fā)育與環(huán)境因素的關(guān)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(xì)土壤普查的基本思想    2.2.1 基本假定    2.2.2 精細(xì)土壤普查的理論框架  2.3 詳細(xì)土壤空間變化的表達(dá)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(xì)土壤普查的基本步驟  2.5 本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)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(guān)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(zhì)條件    3.4.2 人為因素    3.4.3 時(shí)間要素    3.4.4 氣候要素  3.5 本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第4章  土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)的獲取  4.1 土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)的內(nèi)容及其隸屬度函數(shù)的表達(dá)    4.1.1 土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)的內(nèi)容    4.1.2 土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)的隸屬度函數(shù)表達(dá)  4.2 土壤普查專家知識(shí)的獲取方法    4.2.1 土壤普查專家知識(shí)獲取方法的基礎(chǔ)——個(gè)人構(gòu)念理論    4.2.2 知識(shí)獲取過程  4.3 基于大量野外樣本的知識(shí)獲取方法    4.3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法    4.3.2 決策樹    4.3.3 其他基于大量樣本的知識(shí)獲取方法  4.4 基于案例推理的知識(shí)獲取方法    4.4.1 基于案例推理的假設(shè)    4.4.2 基于案例推理的土壤與環(huán)境知識(shí)的獲取和應(yīng)用  4.5 基于已有土壤圖的知識(shí)獲取方法    4.5.1 土壤圖所包含的土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)    4.5.2 從土壤圖中挖掘知識(shí)的過程  4.6 目的性采樣的知識(shí)獲取方法    4.6.1 理論依據(jù)    4.6.2 目的性采樣的知識(shí)獲取步驟  4.7 本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第5章  土壤相似度的計(jì)算及其派生信息的生成  5.1 土壤相似度的計(jì)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(luò)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(jié)  參考文獻(xiàn)第6章  土壤詳查的實(shí)例  6.1 精細(xì)土壤普查方法在美國(guó)的應(yīng)用實(shí)例    6.1.1 研究區(qū)概況    6.1.2 專家知識(shí)    6.1.3 環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)    6.1.4 推理制圖    6.1.5 精度檢驗(yàn)  6.2 精細(xì)土壤普查方法在中國(guó)的應(yīng)用實(shí)例    6.2.1 研究區(qū)概況    6.2.2 環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的建立    6.2.3 土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)的獲取    6.2.4 推理制圖    6.2.5 土壤類型柵格圖精度評(píng)價(jià)    6.2.6 土壤屬性制圖及其評(píng)價(jià)  6.3 精細(xì)土壤普查的整體評(píng)估  6.4 本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第7章  研究方向及展望  7.1 研究方向與發(fā)展趨勢(shì)    7.1.1 土壤與環(huán)境關(guān)系知識(shí)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(shù)的完善    7.1.3 土壤的空間相關(guān)性和土壤與環(huán)境相關(guān)性的綜合    7.1.4 精細(xì)土壤普查所獲信息的應(yīng)用  7.2 精細(xì)土壤普查在我國(guó)的應(yīng)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(jié)  參考文獻(xiàn)附錄1：所附CD的內(nèi)容  附1.1 3dMapper  附1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件和實(shí)例數(shù)據(jù)  附1.3 美國(guó)威斯康星州Raffelson流域的實(shí)例數(shù)據(jù)  附1.4 精細(xì)土壤普查軟件附錄2：SoLIMSolutions軟件使用手冊(cè)  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(jié)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?cái)?shù)據(jù)庫(kù)管理    附2.2.3 知識(shí)庫(kù)管理    附2.2.4 土壤推理    附2.2.5 結(jié)果驗(yàn)證    附2.2.6 產(chǎn)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(guān)SoLIMSolutions的內(nèi)容及其說明附錄3：美國(guó)威斯康星州La Crosse縣Raffelson流域精細(xì)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(shí)    附3.1.1 由土壤專家確定的流域內(nèi)主要土系    附3.1.2 與土壤空間分布相關(guān)的環(huán)境要素    附3.1.3 土系與環(huán)境之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（按地質(zhì)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(jié)果精度檢驗(yàn)數(shù)據(jù)    附3.3.1 對(duì)土壤類型（土系）分布的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)    附3.3.2 土壤屬性（質(zhì)地）分布的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)  附3.4 所附CD中有關(guān)Raffelson流域數(shù)據(jù)的組織

章節(jié)摘錄

　　第2章　精細(xì)土壤普查的理論基礎(chǔ)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(shù)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(shí)和模糊理論的精細(xì)土壤普查技術(shù)的基本思想。本章主要對(duì)這套方法的理論基礎(chǔ)及基本思路進(jìn)行介紹?！　?.1　土壤與地理環(huán)境間的關(guān)系　　2.1.1　土壤發(fā)育與環(huán)境因素的關(guān)系　　土壤是成土母質(zhì)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(xué)和生物化學(xué)過程形成的。隨著時(shí)間的發(fā)展，母質(zhì)與土壤其他環(huán)境要素之間發(fā)生了頻繁的物質(zhì)能量的交換和轉(zhuǎn)化，形成了土壤腐殖質(zhì)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(gè)獨(dú)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(gè)能從物質(zhì)組成、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行剖析的物質(zhì)實(shí)體。同時(shí)，土壤又是地理環(huán)境統(tǒng)一體中的一個(gè)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?guó)古代的先秦時(shí)期（公元前221年之前），人們就對(duì)土壤與其他地理環(huán)境之間的關(guān)系有了比較深入的認(rèn)識(shí)和研究。這集中體現(xiàn)在兩篇重要的土壤學(xué)文獻(xiàn)——《尚書·禹貢》和《管子·地員》中。特別是在《管子·地員》篇中，比較詳細(xì)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(guān)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(shì)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(duì)于每種土壤說明其性狀、典型谷類品種以及它們?cè)谇鹆晟降厣峡梢陨a(chǎn)的各種植物，如樹木、果品、纖維、藥物、香料等?？梢哉f在土壤學(xué)的發(fā)軔時(shí)期，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到土壤與地理環(huán)境因素之間有密切關(guān)系?！　　?/pre>




編輯推薦
　　《精細(xì)數(shù)字土壤普查模型與方法》對(duì)土壤詳查的理論和技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并詳細(xì)介紹了該技術(shù)在美國(guó)和中國(guó)的應(yīng)用實(shí)例。書后附帶有精細(xì)土壤普查的軟件系統(tǒng)及詳細(xì)說明，為這一技術(shù)的應(yīng)用提供了方便，這也是少有的無私轉(zhuǎn)讓技術(shù)的方法。　　《精細(xì)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(nèi)容是朱阿興教授及其團(tuán)隊(duì)多年來的研究結(jié)晶，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外專門論述土壤詳查技術(shù)的第一本專著。該書的問世將對(duì)我國(guó)土壤普查技術(shù)的發(fā)展起到有力的推動(dòng)作用，也將為解決環(huán)境污染、災(zāi)害評(píng)估等其他領(lǐng)域相關(guān)問題提供借鑒。





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