1、匯報內容一、耕地土壤質量調查評價二、三位一體空間統計框架三、耕地土壤質量調查優化布樣方法五、耕地土壤耕地質量統計推斷方法一、耕地土壤質量調查評價p 耕地質量指能夠滿足農作物生長和安全生產所需的土壤地力和土壤環境質量。u 耕地地力：指耕地用于農作物栽培使用時，在一定時期內單位面積耕地的物質生產力水平（公斤/公頃）u 耕地環境：指耕地是否被污染物污染以及被污染的程度u 經濟效益：指耕地的物質生產量進行市場交換后所產生的收益（元/畝）p 耕地質量主管部門u 耕地地力：自然資源部（國土部）、農業農村部（農業部）u 耕地環境：農業農村部（農業部）、生態環保部（環保部）p 土壤是耕地質量的核心2一、耕地土

2、壤質量調查評價p 我國耕地質量狀況堪憂、基礎地力下降，耕地退化面積較大 。u 東北黑土區：黑土層變淺流失、耕層變薄、地力退化快、有機肥投入不足、有機質下降。u 華北及黃淮平原潮土區：耕層變淺，地下水超采，部分地區土壤鹽漬化嚴重;淮河北部及黃河南部地區砂姜黑土易旱易澇，地力下降潛在風險大。u 長江中下游平原水稻土區：土壤酸化、潛育化，局部地區土壤重金屬污染比較嚴重u 南方丘陵崗地紅黃壤區：稻田土壤酸化、潛育化，部分地區水田冷(地溫低)、爛(深泥腳)、毒(硫化氫等有害氣體)問題突出，山區耕地土層薄、地塊小、礫石含量多，土壤有機質含量低，季節性干旱嚴重；土壤重金屬污染比較嚴重。u 西北灌溉及黃土型旱

3、作農業區：耕地貧瘠，土壤鹽漬化、沙化和地膜殘留污染嚴重，地力退化明顯，土壤有機質含量低，保水保肥能力差，干旱缺水。3一、耕地土壤質量調查評價（地力）p 自然資源部工作：u 建立“定期全面評價、年度更新評價、年度監測評價”的工作制度。 1999年一調部署了農用地分等工作，2009年12月24日發布的中國歷史上第一份耕地質量等級調查與評定成果中國耕地質量等級調查與評定 2011年底，部署耕地質量等別補充更完善工作。2013年，形成基于二調的耕地質量等別結果 自2014年，開展耕地質量等別年度更新評價工作，更新耕地增減變化、耕地質量變化u 制定規范：農用地質量分等規程（GB/T 28407-2012

4、）、農用地定級規程（ GB/T 28405-2012 ）、農用地估價規程（ GB/T 28406-2012 ） 自然等：光溫、氣候資源條件和土地條件 利用等：自然條件和平均土地利用條件 經濟等：自然條件、平均土地利用條件、平均土地經濟條件一、耕地土壤質量調查評價（地力）p 農業農村部工作：u 2002年啟動全國耕地地力理調查與評價工作 以第二次土壤普查等數據為基礎，開展補充調查 全國耕地類型區、耕地地力等級劃分（NY/T 309-1996 ) 開發全國縣域耕地資源管理信息系統，部署在每個縣使用（2498個）u 2005年起，啟動測土配方施肥工作 取得了1317萬個土壤樣品，近億個土壤測試數據、

5、8萬多個田間實驗、11萬多個田間示范、1120萬個農戶調查數據 建立縣域測土配方施肥專家系統，部署到2400多個縣使用。測土數據匯總到揚州市土肥站。u 2017年起，農業農村部耕地質量監測保護中心 開展耕地質量調查監測、評價分析、改良保護和監督監管 種植業司農田建設管理司 制定耕地質量等級GB/T 33469-2016 一、耕地土壤質量調查評價（環境）p 2016年5月28日, 國務院印發土壤污染防治行動計劃，部署了土壤污染調查、評估、管理和修復的任務。p 2018年8月31日，十三屆全國人大常委會第五次會議全票通過土壤污染防治法（已于2019年1月1日起實施），規定要實行土壤污染風險管控和修

6、復制度，并規定地方各級人民政府對本行政區域的土壤污染防治和安全利用負責。p 管理思路u 預防為主、保護優先、分類管理、風險管控、污染擔責、公眾參與u 調查（第一次全國土壤污染普查、地球化學調查、耕地重金屬調查、環保詳查）監測 （例行監測）u 農用地土壤環境類別劃：嚴格管控區、安全利用區和優先保護區一、耕地土壤質量調查評價（環境）p 生態環保部工作(國家環境監測總站)u “七五”土壤環境背景值調查u “菜籃子”基地、污水灌溉區土壤環境監測u “十一五”首次全國土壤污染狀況調查（2005-2013年）u “十二五”土壤環境例行監測試點u 2016年首次例行監測p 農業農村部工作(農業農村部環境保護

7、科研監測所農業農村部農業生態與資源保護總站)u 全國農產品產地土壤重金屬污染防治(2012-2018)全國130萬個樣點，土壤和農作物協同調查一、耕地土壤質量調查評價（環境）p 農用地土壤污染狀況詳查：生態環保部牽頭，農業農村部、自然資源部參加點位超標區土壤重點污染源影響區點位超標區土壤污染問題突出區域重點污染源影響區問題突出區域農用地詳查范圍一、耕地土壤質量調查評價（環境）p 土壤環境例行監測u 生態環保部：四萬個點：背景點、基礎點和監控點三類背景點（ 2481個）：基礎點（20006個）：監控點（16393 個）：u 農業農村部：四萬個點:基于農產品質量安全，布設農產品產地風險點位，開展農

8、產品產地土壤與農產品協同監測工作。與生態環保部互補重復，統一規范、統一標準和統一信息發布，融入國家土壤環境監測網。一、耕地土壤質量調查評價p 耕地土壤質量調查評價流程采樣等級劃分插值制圖統計推斷分析計算均值估計質量評價（標準規程標準化+權重）二、三位一體空間統計框架p 空間統計:u 定義：對具有空間分布特征數據的統計分析理論和方法u 理論基礎：統計學地理學三大定律 地理學第一定律：空間相關性定律（Tobler,1970; Goodchild，2004） 地理學第二定律：空間異質性定律（ Harvey；Goodchild，2004 ） 地理學第三定律：地理環境相似性定律（Zhu et al.,

9、2018）u 解決問題：模式、趨勢、相關、因果優化、估計、預測u 空間抽樣與統計推斷是核心11二、三位一體空間統計框架p 抽樣與統計推斷:u 基于設計的（Design-based）：概率抽樣+基于入樣概率的推斷u 基于模型的（Model-based）：目的性抽樣+基于模型的推斷Bowley,1906Kiaer,1895Neyman,1934Fisher, 1922Design-basedModel-based發展歷史Brus (p,t)(1998)Krige,1951Matheron,1963u 問題： “空間抽樣，由于空間相關性的存在，達到同樣估計精度，所需的樣本量較小”。概率抽樣用于地理空

10、間推斷問題時，需要加一個修正系數。 空間相關性是不是總體的性質？ 隨機抽樣獲得樣本，能不能用Kriging進行插值？12二、三位一體空間統計框架p 三位一體空間統計框架：u 抽樣估計的精度由總體性質、抽樣方法和統計推斷方法共同決定，不同的組合有不同效率，需要選擇較優的組合(,)三位一體信息流三、耕地土壤質量調查優化布樣方法p 耕地土壤調查評價業務對總體統估計目標：均值估計、插值制圖和等級劃分p 采樣方案的優劣取決于采樣目的，不同采樣目的需要具有針對性的方法耕地土壤調查和監測常見目標插值制圖目 標：估計值接近真實均值 每個點位的含量估計值準確均值估計等級劃分等級邊界的位置準確采樣要求： 樣本代表

11、性高特征空間+地理空間均勻等級邊界模糊地帶多布樣三、耕地土壤質量調查優化布樣方法p 沒有任何先驗知識：u 空間均勻采樣 格網布樣 MMSDu 嵌套采樣p 已知空間變異函數：u 誤差函數 平均克里金插值誤差 最大克里金插值誤差p 具有輔助變量：u 分層采樣u 特征空間采樣15三、耕地土壤質量調查優化布樣方法u 多維特征空間分布(拉丁超立方體采樣，Minasny and McBratney2006) 構建理想分布：特征空間均勻覆蓋 基于實際分布與理想分布之差構建目標函數 多用于總體估計、回歸u 多維特征空間+地理空間分布（scLHS） 特征空間代表性分布 地理空間均勻覆蓋三、耕地土壤質量調查優化布

12、樣方法u 地理與特征空間均衡采樣優化方法（scLHS）: 針對空間變異較大的農業資源和環境變量，利用輔助信息，優化地理和特征空間分布，改善插值制圖精度。O = w O + w O + w O + w O優化目標函數：co coca cas scor corPrepare dataGenerate initial sample: Set S=S1;compute overall objectivity ODisturb S to produce new sampleS2; compute overall objectivity OnewMetropoliscriterionNoYesOnewOM

13、etro =Exp(O-Onew/T)Generating a random numberrand(0,1)NoYesDiscard S2randMetroAccept S2: set S=S2, O=OnewStopping criterionsatisfiedNoAnneal:Set T=T*YesOutput sampleGao et. al, A spatial conditioned Latin hypercube sampling method for mapping using ancillary data,Transactions in GIS ,2016,20(5):735-

14、754三、耕地土壤質量調查優化布樣方法p 農用地土壤環境類別劃：加密采樣u 要求：類別邊界要準確三、耕地土壤質量調查優化布樣方法u 思路：在等級過渡地帶加密樣點三、耕地土壤質量調查優化布樣方法u 存在問題：插值結果不一定準確，有誤差（不確定性范圍）。插值結果一般表達為：0.30 .05 ， 即0.25,0.35假設0.4為閾值，大于0.4超標，小于0.4不超標越接近閾值，越容易劃錯誤差越大，越容易劃錯三、耕地土壤質量調查優化布樣方法 普通克里金在空間插值中應用最廣泛,它能給出插值結果和結果的不確定性。 某個點的插值為，誤方差為不確定性符合正態分布：(, )基于此構造錯劃指數相同不同估計值，相同

15、誤差估計值，不同誤差Gao et. al. ,Additional Sampling Layout Optimization Method for Environmental Quality GradeClassifications of Farmland Soil. IEEE 17 10(12) JSTARS, 20:5350-5357三、耕地土壤質量調查優化布樣方法普通克里要求空間平穩、正態分布；而且有平滑效應指示克里金可以避免上述問題，其估計結果為超過閾值的概率三、耕地土壤質量調查優化布樣方法基于概率閾值進行線性變換，構造閾值錯劃指數將誤差作為誤差錯劃指數概率分布的分布為均勻分布，因此兩

16、者可加，構成綜合錯劃指數估計結果分布閾值錯劃指數：誤差錯劃指數綜合錯劃指數估計結果誤差Gao et. al., index for additional sampling to map soil contaminant grades. Ecological Indicators,2017,77:129-Error 138三、耕地土壤質量調查優化布樣方法u 一套等級劃分及加密采樣優化解決方案（潛在錯劃帶布樣）： 正態分布：基于Multi-Gaussian 模型構造錯劃指數 非正態分布：基于非參數統計，通過概率變換構造錯劃指數五、耕地土壤耕地質量統計推斷方法p 統計推斷方法影響結果的精度，進而影響

17、對資源環境的認知和決策。p 選擇或研發統計推斷方法，不僅需要考慮調查對象的性質和樣本的分布，還需要考慮統計推斷的目的。等級劃分插值制圖均值估計統計推斷目的統計推斷方法樣本布設方式對象性質五、耕地土壤耕地質量統計推斷方法p 基于地理學三大定律的插值方法u 基于地理學第一定律：確定性：反距離加權、三角網、條函數統計學：普通克里金等確定性+統計：卡爾曼濾波u 基于地理學第二定律：空間各向異性半變異函數方法、趨勢克里金方法、分層克里金方法、三明治插值方法、 P-MSNu 基于地理學第三定律：SoLIM、相似度度量法 (iPSM)、回歸、機器學習（隨機森林等）u 第一定律+第三定律：協克里金方法、回歸克

18、里金、地理加權回歸、地理加權回歸克里金、半監督（機器）學習五、耕地土壤耕地質量統計推斷方法p 隨機函數及平穩假設與各態歷經假設p 分層非平穩類型：均值非平穩、方差非平穩和共同非平穩三類均值非平穩方差非平穩共同非平穩27五、耕地土壤耕地質量統計推斷方法u 針對分區異質性表面的插值制圖方法: 能夠區分區內和區間變異，實現不同區樣點信息的借用，改善插值制圖結果。誤差函數 = = , + , + , 2 , 2 , + var Gao et.al., Spatial interpolation of marine environment data using P-MSN， IJGIS，2019五、耕地質量統計推斷方法u 有偏樣本無偏估計方法: 通過雙重自組織分區，對有偏樣本進行糾偏，得到全局均值無偏估計SampleSize305SampleSize142SampleSize119Sa