[发明专利]一种基于HASM模型的土壤有机碳储量三维估算方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于HASM模型的土壤有机碳储量三维估算方法及系统，进一步完善并发展了现有数字土壤制图技术中的HASM模型。通过结合土壤深度信息，对多层土壤有机碳密度进行比例分配，可以实现对不同深度的土壤有机碳密度同时模拟，克服以前的HASM需逐一模拟不同深度土壤有机碳密度和储量的问题；通过土壤有机碳密度随不同深度变化的指数函数类型与地表分类信息联合控制，建立高精度三维土壤有机碳储量空间估算模型，解决大尺度三维土壤有机碳储量的空间估算误差问题。该方法不仅可为准确掌握大尺度区域复杂地表环境下的土壤有机碳储量三维空间分布提供可靠的模拟方法，也可为土壤质量评估、农田生态管理和气候变化适应与减缓提供科学支撑。

技术领域

本发明属于数字化土壤制图技术领域，具体涉及一种基于HASM模型的土壤有机碳储量三维估算方法及系统。

背景技术

土壤有机碳库是陆地生态系统中最丰富的碳库，其动态变化和存储分布在土壤质量评估、农田生态管理和气候变化适应与减缓等领域起着至关重要的作用。土壤有机碳储量的准确评估通常取决于土壤有机碳密度，其微小变化会显着影响大气中二氧化碳的浓度，从而进一步影响全球碳循环和生态平衡。因此对土壤有机碳密度进行精细预测对于更好的评估区域甚至全球土壤有机碳储量和理解生态系统碳循环至关重要。此外，土壤有机碳是景观中的三维实体，应更注意其垂直分布。其空间预测不仅应停留在表层，深层同样拥有大量的碳储量，且与评估总土壤有机碳储量相比，各层储量更为重要。表层土壤有机碳对地表径流、水分渗透、侵蚀控制和土壤耕作起着显著作用；而亚表层土壤碳动态比表层慢7倍。因此，更好地表述不同层土壤有机碳密度和储量的空间分布很有必要。此外，明确不同地表类型上土壤有机碳储量在不同土壤深度的差异，可以更好理解土壤有机碳的垂直分布，从而有助于理解深层碳如何转化为碳源或碳汇。

基于数字化土壤制图，结合多种环境信息可实现土壤有机碳相关属性的三维制图。研究人员通常拟合土壤有机碳密度与土壤深度的函数以实现土壤有机碳密度和储量的三维预测；此外，结合土壤深度作为协变量的地统计一步法模型也得到了广泛应用。然而，现有的土壤有机碳储量估算方法存在以下缺陷。第一，对于函数拟合方法来说，各层独立建模忽略了不同深度之间的关系及其相互作用；第二，建模过程中，若将不同的环境协变量应用于不同的深度区间，会使模型解释更加困难；第三，并非所有采样点都随深度遵循同一衰减模式，且任一层的属性值都会影响总体拟合效果；第四，对于使用土壤深度作为协变量的三维建模方法，存在不确定性较大、精度较低、无法生成现实预测的问题。因此，建立充分利用土壤深度信息，并考虑各层之间的非线性关系以及地表分类信息的融合方法，有助于解决上述问题，进一步提高土壤有机碳储量估算精度。

高精度曲面建模(High Accuracy Surface Modeling，HASM)方法是近年来发展起来的用于地理信息系统和生态建模的一种基于微分几何学曲面理论的曲面建模方法。20世纪50年代初以来，相继诞生了诸如克里格法、样条函数法、不规则三角网法、反距离加权法、趋势面分析和生态环境要素逼近等各种经典曲面建模方法。20世纪80年代以来，曲面建模被广泛用于分析和认识地球表层过程的空间现象，误差问题是其面临的主要挑战，而经典曲面建模方法的理论缺陷是其误差问题的主要根源。基于上述问题，岳天祥等将系统论、优化控制论和曲面论引入了地球表层系统建模，建立了可有效地合成内蕴量(微观过程信息)和外蕴量(宏观格局信息)的高精度曲面建模方法，解决了半个世纪以来困扰曲面建模的误差问题和多尺度问题。HASM已成功应用于各种空间尺度地表要素曲面建模，相比于经典曲面建模方法，具有较高的精度。

HASM算法基于曲面的第一、二类基本量和高斯方程的差分形式对规则格网数据建立数值方程。在采样数据的约束下，对正交剖分的均匀格网点采用迭代法进行求解，从而获得高精度的拟合曲面。如果曲面可表达为z＝U(x，y)，高精度曲面建模基本理论可被表示为：

其中E、G为曲面的第一类基本量，L、N为曲面的第二类基本量。

为了保证采样点的真实值与采样点的估计值相等或相近，HASM的表达式可转化为等式约束的最小二乘问题，即：