自适应空间插值方法技术

本发明专利技术涉及一种自适应空间插值方法，属于土壤数字制图技术领域。为了解决数字土壤制图中土壤属性的空间插值的不可靠难题，本发明专利技术所提供的插值方法包括：在地理空间上将土壤空间与景观要素在垂直方向分开，底层是土壤图层，上层是景观要素特征向量层；按一定尺度将所述土壤图层网格化，提取所述网格化土壤图层中任意网格单元所对应的景观要素特征向量，并构建景观要素特征向量集；根据所述景观要素特征向量集对土壤空间进行分类，获取土壤空间分类图；建立基于所述土壤空间分类图的插值算子，根据所述插值算子对土壤空间中的任意未知单元进行插值。该技术方案提高并确保了复杂景观环境下土壤属性含量的空间插值的准确性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉土壤数字制图
，尤其涉及一种适用于中/大尺度上复杂景观条 件下土壤、水文及气象等研究对象的属性信息的空间插值与数字地图制作的自适应空间插 值方法。
技术介绍
受人力和物力的影响，对区域土壤属性信息的取样观测总是有限的，如何通过有 限的、离散的观测样点数据准确地描述区域土壤属性的面源分布信息，一直是人们感兴趣 的难点问题。目前，描述土壤属性的空间分布信息的主要方法是地统计方法及土壤-景观 模型。地统计方法成立的前提是土壤属性存在空间自相关性。实际上，由于土壤属性受 众多景观因子与人为因素的影响，土壤属性通常在小尺度上才具有较好的空间自相关性， 随研究尺度的增大，这种空间自相关性很难成立。因此，地统计方法可在土壤景观结构变 异不大的小区域上实现土壤属性的可靠插值，但对景观结构复杂的区域土壤属性的空间插 值，无疑是粗略的、不可靠的。土壤-景观模型通过分析和提取土壤属性与景观环境变量的关联性，通过一定的 推理技术来预测土壤属性含量。但是由于土壤属性的空间变异非常大，且其与景观环境变 量的关系具有高度非线性，这使得土壤景观模型很难准确地估算中/大尺度上具有复杂景 观结构特征的区域土壤属性含量。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何克服现有技术中的不足，提供一种可保证空间 插值准确性并可适用于中/大尺度上复杂景观条件的以解决数字土 壤制图中土壤属性的空间插值的不可靠难题。( 二 )技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种，包括下列步骤Sl 在地理空间上将土壤空间与景观要素在垂直方向分开；其中，底层是土壤图层，是被动的受作用层，上层是景观要素特征向量层，是引发 土壤变异的要素组合；S2 按用户自定义的尺度将所述土壤图层网格化，提取所述网格化土壤图层中任 意网格单元所对应的景观要素特征向量，并构建景观要素特征向量集；S3 根据所述景观要素特征向量集对土壤空间进行分类，获取土壤空间分类图；S4:建立基于所述土壤空间分类图的插值算子，根据所述插值算子对土壤空间中 的任意未知单元进行插值。优选地，所述步骤S2具体包括S201 对于给定的土壤图层，将所述土壤图层等间距地网格化分为若干个网格单 元；S202:依据用户对景观要素特征向量的要求来对景观要素特征向量的特征值进行 提取；S203 根据所述特征值得到景观要素特征向量在每个所述网格单元上的映射；S204:根据所述景观要素特征向量在每个所述网格单元上的映射，构建得到对应 所述土壤图层的景观要素特征向量集。优选地，所述特征向量包括植被类型、高程要素、土地类型要素以及路网；所述土壤图层的网格单元的粒度大小与所能获取的最小景观要素特征向量的粒度保持一致。 优选地，所述步骤S3具体包括S301 对于给定的土壤图层以及由步骤S2所得到的景观要素特征向量集，将任意 两个不同的景观要素特征向量看作两个不同的节点，所述两个不同的景观要素特征向量之 间的相似度看作所述两个不同节点之间的权值；将所述权值定义为所述两个不同的景观要 素特征向量之间的欧式距离；S302:预设定阀值，若所述权值不超过该阈值，则将所述两个不同的节点之间连 边，从而建立所述景观要素特征向量集的相似图；S303 构建相似图的对象矩阵以及邻接矩阵，从而得到相似图的拉普拉斯矩阵；S304 对所述拉普拉斯矩阵进行奇异值分解，求出矩阵特征值；S305:将所述矩阵特征值进行从小到大排列，根据所述矩阵特征值中的第二小的 特征值所对应的景观要素特征向量将所述相似图一分为二，得到土壤空间分类图。优选地，所述步骤S305具体为根据所述矩阵特征值中的第二小的特征值得到其所对应的景观要素特征向量；根据所述景观要素特征向量中各分量的正负号，将所对应的景观要素特征向量集 一分为二 ；根据对所述景观要素特征向量的分类，进而间接获取土壤空间分类图。 优选地，所述步骤S4具体包括S401 预先设定参与插值的最小监测样点数目；S402:利用土壤空间分类图对插值单元进行分类，将处于相同土壤空间类内的插 值单元定位为同一类；属于同一类的插值单元构成一个插值单元类；即，每一个插值单元 类对应一个土壤空间类；S403 判断某一插值单元类中的监测样点数目是否大于或等于步骤401中所预设 的最小监测样点数目；若是，则根据所述插值单元类中的所有监测样点的观察值构建得到插值算子，并 转入步骤S404 ；若否，则更换所述插值单元类重复执行步骤S403 ；S404:根据所述插值算子对所述插值单元类中的任一未知单元进行插值计算，得 到未知单元的插值结果。优选地，所述步骤S402中的分类方式为二分树数据索引结构方式，具体包括将所述任一插值单元类定义为一个叶节点，在一个叶节点上存储该插值单元类信 息；在每个父节点上存储指向两个子节点的索引信息；其中，由底向上，下层子节点间的空间同质性设置为比上层父节点间的强，且有相 同父节点的邻近叶节点的空间同质性设置为最强。优选地，所述步骤S403中的判断结果为否的情况下，更换所述插值单元类重复步 骤S403的过程具体为若所述被判断的插值单元类中的监测样点数目小于所述预设的最小监测样点数 目，则从与其相邻节点中，即相邻的另一插值单元类中搜索监测样点来完成插值；若所述两个相邻的被判断的插值单元类中的监测样点数目之和仍小于所述预设 的最小监测样点数目，则回溯到所述两个相邻的插值单元类所具有的共同父节点处搜索监 测样点来完成插值。优选地，所述步骤S404中，未知单元的插值结果Z(Xtl)按如下公式计算N(D1)Z(X0)= ^AlZ(Xi),(=1其中，Z= {z (Xl，yi)，ζ (x2，y2)，. . .，ζ (xk, yk)}为落入土壤空间类 Di 内的监测样 点集，此处，土壤空间类Di即插值单元类，N(Di)指土壤空间类Di中所包含的监测样点数目， Z(Xi)指对应Di内的监测样点z(Xi，yi)的观测值，入1是2汰)对应的权值。(三)有益效果本专利技术所提供的技术方案以土壤空间单元与景观要素特征向量之间的关系为驱 动，通过提取景观要素特征向量集并对其分类，产生不同土壤空间类，建立基于土壤空间分 类图的插值算子，插值算子自适应地将全局异质空间上的空间插值问题简化为局部同质空 间上的最优插值问题，对未知单元的土壤属性的估算将在同质的土壤空间类中执行，从而 提高并确保了复杂景观环境下土壤属性含量的空间插值的准确性和可靠性，并且该专利技术技 术也适用于生态、水文及气象等其他领域的空间插值与数字地图制作。附图说明图1为本专利技术具体实施方式所涉及的的流程图；图2为本专利技术具体实施方式所涉及的二分树索引结构的构建示意图；图3为本专利技术具体实施方式所涉及的基于二分树索引结构的插值单元搜索示意 图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。首先，为了消除歧义，对下述内容中所涉及的内容做如下说明插值单元指构成土壤空间类的基本网格单元，见图2所示；未知单元指不包含监测样点的插值单元；插值算子仅针对未知单元进行插值计算，插值过程中插值单元的观测值用该插值单元所包含的监测样点数据表征。下面，如图1所示，本专利技术技术方案所涉及的，包括下列步 骤Sl 在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应空间插值方法，其特征在于，包括下列步骤：Ｓ１：在地理空间上将土壤空间与景观要素在垂直方向分开；其中，底层是土壤图层，是被动的受作用层，上层是景观要素特征向量层，是引发土壤变异的要素组合；Ｓ２：按用户自定义的尺度将所述土壤图层网格化，提取所述网格化土壤图层中任意网格单元所对应的景观要素特征向量，并构建景观要素特征向量集；Ｓ３：根据所述景观要素特征向量集对土壤空间进行分类，获取土壤空间分类图；Ｓ４：建立基于所述土壤空间分类图的插值算子，根据所述插值算子对土壤空间中的任意未知单元进行插值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王纪华，尤冬梅，马智宏，潘立刚，韩平，陆安祥，
申请(专利权)人：北京农产品质量检测与农田环境监测技术研究中心，
类型：发明
国别省市：11[]