专利名称：基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法
技术领域：
本发明属于地质统计学方法的领域，特别涉及一种基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法。
背景技术：
土壤是受自然因素以及人为因素共同作用而形成的，自然因素是土壤属性空间变异的内在驱动力，它有利于土壤属性空间变异结构性的加强和相关性的提高，而人为过程如灌溉排水、施肥和耕作等则是土壤属性变异的外在影响因素，表现为较大的随机性，它往往对空间变异的结构性和相关性具有削弱作用，使土壤含水量的空间分布朝均一化方向发展，自然和人为因素共同导致了土壤含水量在空间分布上表现为很大的变异性。土壤含水量的空间变异研究，特别是对其量化过程的研究，对提高农田水肥利用效率，改善田间管理，特别是对“精准农业”的实施都具有重要的意义。由于土壤含水量具有区域化的特点，即具有随机性和结构性的双重特征，而地质统计学(Geostistics)对于描述变量的这种随机和结构性特征具有较好的优势，因而地质统计学方法被广泛的应用于表征土壤含水量的空间变异。地质统计学方法是根据已知采样点土壤样本的观测数据推测周围未采样点土壤样本的相关特征，将不连续的点状数据形成连续的面状区域，来描述整个研究区域的土壤特性空间变异特征的方法。地质统计学方法在表征土壤含水量空间变异的过程中是以变异函数为核心，以克里格插值法为手段对观测数据周围采样点的土壤含水量数据进行推测的，但是，由于克里格方法是基于变异函数的一种空间插值方法，实质上是一种滑动求平均方法，它以空间变异性为原则进行加权平均，因而不可避免对数据造成平滑，而对于异常的分析和识别来说， 局部变化信息的压制和抹杀往往会造成有用信息的丢失。另一方面，由于地质统计学方法是基于平稳性条件和准高斯分布假设前提下的，不能分析非高斯分布空间序列的空间变异。因此，基于以上地质统计学方法在表征土壤含水量空间变异上的缺点，限制了土壤含水量空间变异特征表征的精确性。多重分形插值方法不但可以度量变量的局部奇异性，同时还能考虑其局部空间相关性，采用这种方法不仅可以进行插值，同时能够保持和突出变量的局部空间结构和奇异性信息。这种方法在生物医学中细胞图像识别、信号与信息处理、地质勘查中地球化学异常空间结构和奇异性分析方面取得了较好的应用效果，但在土壤学中的应用还较少，尤其在土壤含水量空间变异性方面的应用更为少见。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种土壤含水量空间变异性表征方法，能有效的解决现有技术中土壤含水量空间变异特征表征不精确的问题。技术内容如下一种基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，包括
选取土壤地块，将所述土壤地块划分成至少4个的取样网格，所述取样网格为正方形，在每个所述取样网格中央设置有取样点；在所述取样点上取得土壤表层0 20cm的土壤样品，烘干所述土壤样品测量所述土壤样品的单个样品含水量和总样品含水量；将所述土壤地块上划分出所述计算网格，所述计算网格为正方形；将每个所述计算网格中的所述取样点的单个样品含水量求平均值，得到每个所述计算网格的平均含水量；根据计算网格的长度、所述平均含水量和所述总样品含水量，获得奇异性指数α 和分形维数f( α)；根据所述α和f(a)绘制多重分形谱曲线，获得α min、α max、f ( α min)和f(amax)， 并根据所述amin、amax、f(amin)和f(amax)获得表征空间变异性指数Δ α和土壤含水量对空间变异性影响指数Af;根据所述Δ α和Af获得土壤含水量空间变异性表征。进一步，所述土壤地块的面积为2000m2，所述取样网格的个数为64个，所述取样点的个数为64个。进一步，所述计算网格中有至少一个所述取样点。进一步，设所述计算网格的长度为ε，6πι彡ε彡2細。进一步，不同计算网格的长度下土壤含水量的概率分布凡(力=#其中，Pi(e ) 为测度；ε为所述计算网格的长度讽为不同的ε下，第i个网格中平均含水量(i < η)；
η
η为计算网格的个数；M为所述总样品含水量。进一步，配分函数& O) = Σρ"(￡),其中，
/=1
q的取值范围可以为-10 < q < 10。进一步，xq(e) - ε…，其中，τ (q)为q阶质量指数，对于每一个q值对应的 τ (q)可以通过计算log( ε )和log(X(1( ε ))之间的拟合曲线的斜率得到。进一步，α(q) = d τ (q)/dq。进一步，f[a(q)] = qa (q)-T (q)。进一步，Δa = a max- α min, Δ f = f ( α min) -f ( α mJ。技术效果如下1、本发明对研究区域进行了不同尺度的划分，抓住了小尺度中参数的奇异性特征，改进了地质统计学在进行数据插值的时候采用的是滑动求平均的方法，该滑动求平均的方法无法抓住土壤特性空间分布的小尺度信息。2、本发明的多重分形构造配分函数的过程体现了空间变异性与网格尺度之间的定量关系，改进了地质统计学在进行半方差函数拟合时带有较强的主观色彩。3、本发明利用土壤含水量多重分形谱参数实现对农田土壤含水量的空间变异分布复杂性和异质性的精确表征，为农田土壤水分空间分布状况进行精确评价提供指导。
图1是本发明的流程图2是本发明中计算网格的长度为6时土壤多重分形计算网格的划分；图3是本发明中计算网格的长度为12时土壤多重分形计算网格的划分；图4是本发明中计算网格的长度为16时土壤多重分形计算网格的划分；图5是本发明中计算网格的长度为24时土壤多重分形计算网格的划分；图6是本发明的优选实施例一中北京大兴区土壤含水量的多重分形谱曲线；图7是本发明的优选实施例一中内蒙古河套灌区土壤含水量的多重分形谱曲线。
具体实施例方式本发明利用土壤含水量多重分形谱参数实现对农田土壤含水量的空间变异分布复杂性和异质性的精确表征，为农田土壤水分空间分布状况进行精确评价提供指导。下面参考附图和优选实施例，对本发明的技术方案做详细描述。如图1所示，是本发明的流程图。其步骤包括步骤101、获取土壤地块含水量实测数据1、选取土壤地块，将该土壤地块划分成至少4个的取样网格，取样网络为正方形， 在每个的取样网格中央设置有取样点；2、在取样点上取得土壤表层0 20cm的土壤样品，烘干土壤样品测量土壤样品的含水量，获得单个样品含水量和总样品含水量；取得土壤样品后测量烘干前的土壤样品质量，之后放入烘箱将该土壤样品烘干， 测量烘干后的土壤样品质量，用烘干前后的土壤质量算得土壤样品的单个样品含水量和总样品含水量。步骤102、数据预处理1、如图2至图4所示，设计算网格的长度为ε，计算网格为正方形，将该土壤地块上划分出若干个ε = 6m的正方形计算网格、若干个ε = 12m的正方形计算网格、若干个 ε = 16m的正方形计算网格或若干个ε = 2 !的正方形计算网格，保证每个计算网格中有至少一个取样点；2、将每个计算网格中的取样点的土壤含水量求平均值，获得每个计算网格的土壤含水量；步骤103、多重分形参数计算步骤1031、获得概率密度不同计算网格的长度下土壤含水量的概率分布A(S) =，其中，Pi ( ε )为测度；
ε为所述计算网格的长度；Mi*不同的ε下，第i个网格中平均含水量(i<n) ；η为计算网格的个数；M为总样品含水量；步骤1032、构造配分函数
η配分函数AO) =,其中，q的取值范围可以为-q < +⑴，配分函
/=1
数\(0和ε之间满足xq(e) - ε吣)，其中，τ (q)为q阶质量指数，对于每一个q值对应的τ (q)可以通过计算log( ε )和log(X(1( ε ))之间的拟合曲线的斜率得到；
步骤1033、获得奇异性指数α和分形维数f (α)奇异性指数α由τ (q)曲线的Legendre变换来决定，S卩α (q) = d τ (q)/dq, f(a)为具有奇异性指数α的分形子集的分形维数，则f[a (q)] = qa (q) - τ (q)步骤104、绘制多重分形谱曲线并获得表征空间变异性大小的多重分形参数Δ a 和Af根据α和f(a)绘制多重分形谱曲线，获得a min、a max> f(amin)和f(amJ， 求得表征空间变异性指数Δ α和土壤含水量对空间变异性影响指数Af，其中，Δ a =
a max" Q min' Δ f = f ( CI"f ( Q 匪)。步骤105、土壤含水量空间变异性表征根据获得Δ α和Af，Δ α即整个分形结构上物理量的概率测度分布的不均勻程度，Δ α越大表示分布越不均勻。Af < 0，说明在研究区域内含水量值较大的区域对整个区域土壤含水量的空间变异性起到主要影响作用；Af > 0，说明在研究区域内含水量值较小的区域对整个区域土壤含水量的空间变异性起到主要影响作用。优选实施例一步骤101、获取土壤地块含水量实测数据1、选取北京大兴区和内蒙古河套灌区各一块面积为2000m2的土壤地块，将该土壤地块划分成64个36m2的正方形取样网格，在64个取样网格中央设置有64个取样点；2、在取样点上取得土壤表层0 20cm的土壤样品，烘干土壤样品测量土壤样品的含水量，获得单个样品含水量和总样品含水量；取得土壤样品后测量烘干前的土壤样品质量，之后放入烘箱将该土壤样品烘干， 测量烘干后的土壤样品质量，用烘干前后的土壤质量算得土壤样品的含水量。步骤102、数据预处理1、如图2至图4所示，设计算网格的长度为ε，计算网格为正方形，将该土壤地块上划分出64个ε = 6m的正方形计算网格、16个ε = 12m的正方形计算网格、9个ε = 16m的正方形计算网格或4个ε = 2 !的正方形计算网格，保证每个计算网格中有至少一个取样点；2、将每个计算网格中的取样点的土壤含水量求平均值，获得每个计算网格的土壤含水量；步骤103、多重分形参数计算步骤1031、获得概率密度不同计算网格的长度下土壤含水量的概率分布凡“)=#其中，Pi ( ε )为测度；
ε为所述计算网格的长度；Mi*不同的ε下，第i个网格中平均含水量(i<n) ；η为计算网格的个数；M为总样品含水量；步骤1032、构造配分函数
η配分函数= YjP^(S),其中，q的取值范围可以为-10 < q < 10，配分函数xq ( ε )和ε之间满足xq(e) - ε吣)，其中，τ (q)为q阶质量指数，对于每一个q值对应的τ (q)可以通过计算log( ε )和log(X(1( ε ))之间的拟合曲线的斜率得到；步骤1033、获得奇异性指数α和分形维数f( α )奇异性指数α由τ (q)曲线的Legendre变换来决定，S卩α (q) = d τ (q)/dq, f(a)为具有奇异性指数α的分形子集的分形维数，则f[a (q)] = qa (q) - τ (q)步骤104、绘制多重分形谱曲线并获得表征空间变异性大小的多重分形参数Δ a 和Af如图5所示，是北京大兴区土壤含水量的多重分形谱曲线；如图6所示，是内蒙古河套灌区土壤含水量的多重分形谱曲线。据此计算多重分形谱参数Δ α和Δ f，如下表所
不。
权利要求
1.一种基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，包括选取土壤地块，将所述土壤地块划分成至少4个的取样网格，所述取样网格为正方形， 在每个所述取样网格中央设置有取样点；在所述取样点上取得土壤表层0 20cm的土壤样品，烘干所述土壤样品测量所述土壤样品的单个样品含水量和总样品含水量；将所述土壤地块上划分出所述计算网格，所述计算网格为正方形； 将每个所述计算网格中的所述取样点的单个样品含水量求平均值，得到每个所述计算网格的平均含水量；根据计算网格的长度、所述平均含水量和所述总样品含水量，获得奇异性指数α和分形维数f(a)；根据所述α和f(α)绘制多重分形谱曲线，获得amin、amax、f(cimin)和f(amax)，并根据所述amin、amax、f(amin)和f(amax)获得表征空间变异性指数Δ α和土壤含水量对空间变异性影响指数Af;根据所述Δ α和Δ f获得土壤含水量空间变异性表征。
2.如权利要求1所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于所述土壤地块的面积为2000m2，所述取样网格的个数为64个，所述取样点的个数为 64个。
3.如权利要求1所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于所述计算网格中有至少一个所述取样点。
4.如权利要求1所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于设所述计算网格的长度为ε，ε的范围为6m彡ε彡2細。
5.如权利要求1或4所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于不同计算网格的长度下土壤含水量的概率分布
6.如权利要求5所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于配分函数
7.如权利要求6所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于Χ(1(Οκ ετω，其中，τ (q)为q阶质量指数，对于每一个q值对应的τ (q)可以通过计算log( ε )和l0g(X(i( ε ))之间的拟合曲线的斜率得到。
8.如权利要求1、5、6或7所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于α (q) = d τ (q)/dq。
9.如权利要求8所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于:f[a (q)] = qa (q) - τ (q)。
10.如权利要求1所述的基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，其特征在于Δ α = α 腿χ_ a min, Af = f (a min) -f ( a max)。
全文摘要
本发明公开了一种基于多重分形参数的土壤含水量空间变异性表征方法，包括选取土壤地块，将土壤地块划分成至少4个的取样网格，在取样网格设置有取样点；在取样点上取得土壤样品，测量土壤样品的单个样品含水量和总样品含水量；将土壤地块上划分出计算网格，将每个计算网格中的取样点的单个样品含水量求平均值，得到每个计算网格的平均含水量；根据计算网格的长度、所述平均含水量和总样品含水量，获得奇异性指数α和分形维数f(α)；根据α和f(α)绘制多重分形谱曲线。本发明对研究区域进行了不同尺度的划分，抓住了小尺度中参数的奇异性特征。
文档编号G06F19/00GK102306229SQ20111014369
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者吕烨, 王少丽, 管孝艳 申请人:中国水利水电科学研究院