Разработка крупномасштабной цифровой модели автоматизированного почвенно-агроэкологического картографирования на примере представительных ландшафтов Владимирского Ополья

Применение альтернативных подходов в почвенно-агроэкологическом картографировании. Авторами предложены различные модели связей между морфометрическими характеристиками рельефа и распространением агроэкологических групп структур почвенного покрова.

Рубрика География и экономическая география
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 17.06.2021
Размер файла 720,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка крупномасштабной цифровой модели автоматизированного почвенно-агроэкологического картографирования на примере представительных ландшафтов Владимирского Ополья

Минаев Н.В.,

Бузылёв А.В.,

Таллер Е.Б.

РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Аннотация

Применение альтернативных подходов в почвенно-агроэкологическом картографировании позволяет значительно ускорить процедуру разработки современных ГИС, а также повысить точность моделируемых процессов и оперативность принятия решений.

Рассматриваются результаты проведения сравнительного анализа имитационных моделей по ключевым ареалам представительных групп структур почвенного покрова.

Авторами предложены модели связей между морфометрическими характеристиками рельефа и распространением агроэкологических групп структур почвенного покрова, позволяющие автоматизировать процессы разработки цифровых почвенно-агроэкологических карт.

Ключевые слова: ЦИФРОВАЯ МОДЕЛЬ РЕЛЬЕФА, ЦИФРОВАЯ ПОЧВЕННАЯ КАРТОГРАФИЯ, ПОЧВЕННО-АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ, ВЛАДИМИРСКОЕ ОПОЛЬЕ

Картографические материалы почвенного содержания являются необходимым материалом и источником информации для изучения и оценки почвенно-земельных ресурсов и обоснования рационального землепользования. Методика агроэкологической оценки земель для проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ), разработанная В.И. Кирюшиным [1], требует постоянного совершенствования картографического материала с целью увеличения его достоверности и может быть реализована лишь на основе картографических материалов, отражающих ландшафтную дифференциацию условий, которые учитывают при формировании систем земледелия.

Экспертные и полуколичественные сопряжения почв и факторов почвообразования определяют правила выделения почвенных контуров как в действующей до сих пор Общесоюзной инструкции по почвенной картографии (1973) [2], так и в относительно недавних методических руководствах [3].

Недостаточная формализация долгое время оставалась узким местом почвенной картографии, преодоление которого связано с развитием методов количественного описания связей в почвенном покрове региона, как внутрипочвенных (между отдельными свойствами почв), так и между почвой и другими компонентами ландшафта [4]. Направление на решение такой проблемы на основе статистического моделирования и алгоритмов машинного обучения получило название "цифровая почвенная картография" [5, 6].

Прогнозное картографирование на основе моделей составляет основу цифровой почвенной картографии [5-8] и получило широкое воплощение при картографическом моделировании отдельных почвенных свойств [9-11], таксонов почв [12, 13] и структур почвенного покрова [14].

Цель работы - разработать крупномасштабную цифровую модель для автоматизации почвенно-агроэкологического картографирования.

Задачи

1. Создание моделей связей между морфометрическими характеристиками рельефа и распространением агроэкологических групп структур почвенного покрова с использованием методов машинного обучения;

2. Реализация полученных моделей в виде карт агроэкологических групп структур почвенного покрова;

3. Статистическая оценка картографических моделей и выбор лучшей.

Работа выполнялась для территории землепользования учебного хозяйства РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева (~4300 га), расположенного в Переславском районе Ярославской области.

По почвенно-географическому районированию территория землепользования относится к подзоне дерново-подзолистых почв южной тайги, но, согласно государственной почвенной карте 1 млн. масштаба, она попадает на область специфических почв Владимирского (Юрьевского) Ополья. В связи с этим и тем, что работа рассматривается для всей территории, включающей разные элементы ландшафта, их можно считать относительно представительными для этой территории. Генезис и классификация почв рассматриваемого региона достаточно сложна и спорна. Разными авторами предлагаются разные точки зрения. В основном, почвы Владимирского Ополья рассматривают в типе серых лесных почв [15]. Однако отмечается ряд морфологических и химических признаков, отличающий их от таковых [16], делается попытка выделить их в отдельные генетические типы переходного класса почв [17], а также рассматривается принадлежность почв к дерново-подзолистым окультуренным почвам [18].

В качестве исходных материалов для моделирования были использованы: карта структуры почвенного покрова, составленная в рамках проекта адаптивно-ландшафтных систем земледелия для учхоза "Дружба" [1] и топографическая карта масштаба 1:10000 с высотой сечения 1 м, на основе которой была построена цифровая модель рельефа с пространственным разрешением 20 м.

Структуры почвенного покрова по карте были сгруппированы в 10 групп. Критерии выделения и группировки структур почвенного покрова разработаны ранее с учетом местных условий [19]. Выделены следующие группы структур почвенного покрова: 1) зональные (автоморфные) (З); 2) слабоэрозионные (Э 1); 3) среднеэрозионные (Э 2); 4) сильноэрозионные (Э 3); 5) полугидроморфно-зональные (ПЗ); 6) полугидроморфно-эрозионные (ПЭ); 7) полугидроморфные глееватые (ПГ 1); 8) полугидроморфные глеевые (ПГ 2), 9) гидроморфные (Г), 10) пойменные (А). Таким образом, цифровой подход картографирования применялся к группам СПП.

Для поиска наиболее представительной модели были выбраны ключевые ареалы соответствующих групп структур почвенного покрова (рис. 1). В работе представлены наиболее оптимальные схемы и итерации для примера моделирования связей почвы (или структуры) с факторами, задаваемыми индикационной моделью.

Факторно-индикационную основу модели почвенно-ландшафтных связей задавали морфометрические параметры рельефа, рассчитанные по цифровой модели рельефа (табл. 1) [20, 21].

Рис. 1. Выборка, использованная при создании цифровых моделей

Таблица 1. Морфометрические характеристики рельефа, использованные в анализе

Переменная

Содержание

Индицируемый процесс

Крутизна (SLP), градусы

Скорость изменения высоты в гравитационном поле

Скорость латерального переноса вещества

Замкнутые понижения (CD)

Замкнутые понижения

Признак гидроморфности

Топографический индекс влажности (TWI)

Логарифм отношения водосборной площади к крутизне склона

Скорость транзита стока

Фактор длины/крутизны склона (LSF)

Составной показатель длины и крутизны склона

Емкость транзита жидкого, ионного и твердого стока

Вертикальное расстояние до гидрографической сети (VDCN), м

Превышение над местным базисом эрозии

Потенциальная энергия эрозионных процессов, уровень грунтовых вод, степень гидроморфности

Глубина понижений (VD), м

Глубина гидрографической сети

Принадлежность к пойме

Индекс топографической позиции (TPI100, TPI250, TPI500 TPI1000)

Относительные превышения в области (100, 250, 500 и 1000 м)

Выявления микрорельефа, влияющего на дополнительное увлажнение

Принципиальная схема цифрового подхода к картографированию рассматривается в работе Н.П. Сорокиной и Д.Н. Козлова [8].

Для моделирования и определения подходящей модели использовались методы статистического обучения в среде R (линейный дискриминантный анализ, множественная логистическая регрессия, "случайный лес", метод опорных векторов) [22].

Следует оговориться, что при моделировании почвенного покрова чисто формальный подход оценки независимых переменных не всегда может давать адекватный итоговый результат. Поэтому морфометрические характеристики были выбраны эмпирическим методом. Итоговым контролем модели должны служить не только, а, может, и не столько, статистические показатели получаемых данных модели в ходе анализа пространства признаков, а экспертная оценка получаемых карт. Наиболее наглядным выражением модели служит соответствующая карта, поэтому далее рассмотрим ряд картографических материалов и сопутствующую статистику к ним.

Рассмотрим карту групп структур почвенного покрова на основе модели дискриминантного анализа и статистику выходных данных.

Линейная дискриминантная модель разрабатывалась в программном языке R 3.3.3 в оболочке RStudio c использованием пакета MASS.

Ряд моделирований и полученные значения критерия Фишера (табл. 2) подтверждают ряд выборов параметров рельефа на предварительном этапе.

Таблица 2. Критерий Фишера для свойств рельефа

Свойство рельефа

Критерий Фишера

Крутизна (SLP), грд.

3583.9

Глубина понижений (VD), м

891.3

Расстояние до гидрографической сети (VDCN), м

718.1

Замкнутые понижения (CD)

668.3

Фактор длины/крутизны (LSF)

603.8

Топографический индекс влажности (TWI)

603.7

Относительные превышения в области 1000 м (TPI1000)

385.3

Относительные превышения в области 500 м (TPI0500)

286.4

Относительные превышения в области 100 м (TPI0100)

127.6

Относительные превышения в области 250 м (TPI0250)

127.3

Из таблицы 2 четко выделяется высокое значение крутизны в разделении групп структур почвенного покрова. Это в очередной раз подтверждает, что крутизна склонов играет определяющую (хотя и не единственную) роль в формировании стока. Ее влияние на интенсивность эрозионных процессов сильно различается в зависимости от почвенно-литологических и других условий. Поэтому единой классификации склонов по эрозионной опасности существовать не может, но некоторые усредненные представления по этому поводу сложились. В случае моделирования нет необходимости классифицировать склоны по крутизне, так как анализ учитывает все разнообразие непрерывного изменения крутизны в пространстве факторно-индикационной основы заданного пространственного разрешения.

После крутизны выделяется ряд дополняющих параметров рельефа, которые также вносят существенный вклад в построение модели.

Глубина понижений (VD) и вертикальное расстояние до гидрографической сети (VDCN) помогают в разграничении аллювиальных и ряда полугидроморфных групп ЭПС. Замкнутые имеют важное значение при выделении гидроморфных структур почвенного покрова. Фактор длины/крутизны (LSF) дополняет разграничение эрозионных структур, а топографический индекс влажности (TWI) играет дополнительную роль при выделении полугидроморфно-зональных и полугидроморфных групп.

Не вполне объяснима роль в модели топографического индекса позиции или относительных превышений в заданной области. Значимость их снижается практически от большей окрестности к меньшей. Однако для получения более оптимальной картографической модели были использованы все четыре индекса.

Получив модель и применив уравнения регрессии ко всему пространству факторно-индикационной основы, мы можем получить расчёт наиболее вероятной группы структур почвенного покрова в каждом пикселе. Предварительную оценку модели можно дать по таблице 3, которая отражает, как ареалы, использованные в построении модели, были заново классифицированы по модели. В среднем все группы имеют хороший процент совпадений. Лучшее разделение имеет группа аллювиальных структур и полугидроморфных глеевых. Низкий процент совпадений наблюдается для группы полугидроморфных глееватых ЭПС. Но общая точность прогноза группы структур почвенного покрова на основе линейного дискриминантного анализа составляет довольно высокое значение в 68%, индекс каппа, равный 0,63, показывает существенное совпадение модельных значений с исходными ключевыми выделами.

Для более полной оценки полученной модели было проведено сравнение цифровой карты на основе модели почвенно-ландшафтных связей (рис. 2) и исходной карты, которая выступает в роле своего-рода эталона.

Полученная матрица корреляции показывает более низкое совпадение в 41% (табл. 4). Индекс каппа со значением в 0,28 определяет удовлетворительное совпадение.

Таблица 3. Матрица неточности линейного дискриминантного анализа (LDA) по выборке ключевых ареалов

Группы ЭПС площадь, га

З

Э 1

Э 2

Э 3

ПЗ

ПЭ

ПГ 1

ПГ 2

Г

А

У

Точность по строкам, %

З

8.4

0

0

0

0

0

1.7

0

0

0

10.1

83

Э 1

0

9.4

2.3

0.1

1.4

0

1.4

0

0.9

0.5

16

59

Э 2

0

3.5

5.8

0.6

0

0.2

0.12

0.28

1.0

0.1

11.6

50

Э 3

0

0.1

0.2

2.1

0

0.1

0

0

0.1

0.1

2.7

78

ПЗ

5.4

0.5

0

0

17.5

0

3.9

0.3

0.1

0

27.7

63

ПЭ

0

0.1

0.2

0.1

0

1

0

0

0.3

0.1

1.78

53

ПГ 1

0

0.4

0

0

0.4

0

0.48

0

0.4

0

1.68

29

ПГ 2

0

0.1

0.1

0.1

0.4

0

0.8

6.8

1.3

0

9.6

72

Г

0

0

0.7

0.16

0

0.1

0

0

8.5

0.1

9.56

89

А

0

0

0.1

0

0

0

0

0

1.2

9

10.3

87

У

13.8

14.1

9.4

3.2

19.7

1.4

8.4

7.4

13.8

9.9

69

Общая точность

Точность по колонкам, %

61

66

61

68

89

78

6

92

61

91

Общая точность

68%

Каппа = 0,63.

Рис. 2. Карта групп структур почвенного покрова, реализованная на основе линейной дискриминантной модели

Низкий процент совпадений наблюдается у группы полугидроморфно-эрозионных, что можно объяснить тесной связью с эрозионными группами и полугидроморфно-зональными, а также невысокой долей ее в обучающей выборке. Этот выбор связан с тем, что на исходной карте группы занимают территории со склонами, расчлененными ложбинной сетью, и с обобщением почвенных условий таких территорий. Поэтому выделялись только отдельные участки, приуроченные к отдельным элементам рельефа, а не к их сочетанию. Приличную корреляцию имеют слабо- и сильноэрозионные, полугидроморфно-зональные, полугидроморфные и пойменные группы ЭПС. Сравнительная оценка недостаточно формализована, но, учитывая неопределенности при составлении исходной карты, такой исход вполне удовлетворительный.

Таблица 4. Матрица совпадений исходной карты и карты, построенной на основе модели линейного дискриминантного анализа

Группы ЭПС площадь, га

Группы ЭПС по исходной карте

У

Точность по строкам, %

З

Э 1

Э 2

Э 3

ПЗ

ПЭ

ПГ 1

ПГ 2

Г

А

Группы ЭПС по цифровой карте

З

114.4

42.8

13.7

0

75.1

19.3

23.5

1.9

1.0

0

291.7

39

Э 1

49.5

358.4

152.5

2.3

89.4

61.5

70

22.9

28.9

9.1

844.5

42

Э 2

2

40.7

63.2

2

2.7

6.1

4.8

2.3

12.4

5

141.2

45

Э 3

0.7

9.3

18.8

5.8

0.2

0.2

2.5

0.1

5.3

4.4

47.3

12

ПЗ

297.5

188.9

29.8

0

551.2

64.4

248

39.2

11.9

0.1

1431

39

ПЭ

0.3

2.5

0.1

0

0.9

1.2

0.6

0.6

0.1

0.2

6.5

19

ПГ 1

49.4

65.5

13.5

0

273.1

46.9

510.1

125.6

62.7

21.1

1167.9

44

ПГ 2

2.2

3.2

0.6

0

6.2

5.2

23.8

38.9

12.9

13.0

106

37

Г

1.6

13.2

8.9

1.4

5.3

3.9

7.3

9.0

60.2

18.0

128.8

47

А

0.1

14.9

6.8

0.2

4.2

13.1

11.4

28.4

39

80.6

198.7

41

У

517.7

739.4

307.9

11.7

1008.3

221.8

902

268.9

234.4

151.5

1784.04

Общая точность

Точность по колонкам, %

22

48

21

49

55

1

57

14

26

53

Общая точность

41%

Каппа = 0,28.

Учитывая сложность и многообразие почвенного покрова, формальные статистические подходы к оценке модели необходимо использовать в сочетании с экспертно-визуальной оценкой почвоведа. При экспертном анализе полученной карты можно сказать, что выделенные ареалы распространения групп ЭПС не лишены ландшафтной логики. Так, зональные (З) группы приурочены к выпуклым водоразделам и вершинам холмов, эрозионные структуры (Э 1, Э 2, Э 3) - к склонам различной крутизны, что связано с высокой ролью крутизны (SLP) в данной модели. Хорошо выделены пойменные участки (А), которые совпадают с долинами рек, протекающих на данной территории. Гидроморфные ЭПС заметно коррелируют с замкнутыми понижениями. Хорошо выделены полугидроморфно-зональные группы структур почвенного покрова, которые, ввиду специфики территории, представлены комбинациями автоморфных почв с некоторым участием слабоглееватых, и группа полугидроморфных глееватых, в которых доля глееватых почв возрастает, приуроченных к вогнутым поверхностям с небольшим уклоном и водосборным площадкам оврагов.

В целом карта имеет достаточно плавные переходы между разными группами структур почвенного покрова, а их общее распространение в целом не противоречит разработанной группировке структур почвенного покрова для Владимирского Ополья [15; c. 142-147].

Рассмотрим следующую модель на основе множественной логистической регрессии, разработанной в программном языке R 3.3.3 в оболочке RStudio c использованием пакета nnet.

Для построения модели использовался тот же набор параметров, что и для предыдущей дискриминантной модели, и стандартные настройки модели в пакете nnet.

По формальным признакам модель имеет хорошие показатели: общая точность 80%, а каппа 0,77 дает оценку существенного совпадения с исходными ключевыми ареалами групп ЭПС.

При сравнении же с исходной картой (табл. 5) оценка падает до общей корреляции в 34%, и каппа 0,22 дает удовлетворительное совпадение. При более высокой исходной точности, чем у линейного дискриминантного анализа, корреляция хуже, что, вероятно, свидетельствует о недостаточности этой модели.

Рассмотрим и проведем экспертную оценку визуализации модели множественной логистической регрессии в виде карты (рис. 3).

Полученная карта имеет более неоднородный рисунок распространения групп структур почвенного покрова. Большое распространение получила группа полугидроморфно-эрозионных. Эрозионные структуры имеют несколько другой характер распределения, но также приурочены к склонам: с увеличением крутизны увеличивается и вероятность более эрозионной группы. Пойменные группы смешаны и осложнены, в значительной степени, полугидроморфными глеевыми. Гидроморфные структуры схожи по распределению с картой на основе линейного дискриминантного анализа.

Таблица 5. Матрица корреляции исходной карты и карты, построенной на основе модели множественной логистической регрессии

Группы ЭПС площадь, га

Группы ЭПС по исходной карте

У

Точность по строкам, %

З

Э 1

Э 2

Э 3

ПЗ

ПЭ

ПГ 1

ПГ 2

Г

А

Группы ЭПС по цифровой карте

З

146.6

66.6

8.6

0

219.1

8.6

134.1

8.8

1.4

0

593.8

25

Э 1

59.8

226.7

85.5

2.9

67.6

20.6

34.3

3

6.2

0.2

506.8

45

Э 2

7.4

69.3

93.7

1.8

5.1

18.2

15.7

4.8

3.8

2.4

222.2

42

Э 3

0

7.9

15.9

3.8

0.1

1.2

2.1

0.2

4.6

6.9

42.7

9

ПЗ

194.5

118.6

22.7

0

372.9

54.9

136.7

17.4

6.7

0.2

924.6

40

ПЭ

24.2

173.2

51.7

1.6

99.6

63.6

83.2

38.7

17.1

21.1

574

11

ПГ 1

68.4

33.4

6.7

0

178

27.8

341.9

97

25.7

9.3

788.2

43

ПГ 2

8.2

18.8

4.0

0

40.6

11.1

102.1

36.2

39.4

6.9

267.3

14

Г

4.1

13.9

3.6

0.1

12.3

9.8

34.6

27.2

101.9

28.8

236.3

43

А

2.7

10.6

10.3

1.8

4.4

8.9

12.4

31.6

27.8

73.4

183.9

40

У

515.9

739

302.7

12

999.7

224.7

897.1

264.9

234.6

149.2

1461

Общая точность

Точность по колонкам, %

28

31

31

32

37

28

38

14

43

49

Общая точность

34%

Каппа = 0,22.

Рис. 3. Карта групп структур почвенного покрова, реализованная на основе множественной логистической регрессионной модели

Общее впечатление от карты неудовлетворительное: группы излишне перемешаны между собой, и ряд их сложно интерпретировать при экспертной оценке почвоведа.

Дальнейшую сравнительную характеристику проведем после рассмотрения всех вариантов моделирования, использованных в данной работе.

Модель на основе метода "случайного леса" разрабатывалась в программном языке R 3.3.3 в оболочке RStudio c использованием пакета randomForest. Для построения модели использовался тот же набор параметров, что и для других моделей при ntree = 500, mtry = 5.

Стоит отметить, что отклик относительной важности параметров рельефа при построении случайных лесов решающих деревьев получился совершенно отличным от дискриминантного анализа (табл. 6). Крутизна получила не приоритетную значимость, а самой низкой отмечены замкнутые понижения.

Таблица 6. Относительная значимость параметров рельефа в модели "случайный лес"

Свойство рельефа

Относительная важность

Расстояние до гидрографической сети (VDCN), м

380

Относительные превышения в области 500 м (TPI0500)

338

Топографический индекс влажности (TWI)

314

Крутизна (SLP), грд.

277

Относительные превышения в области 1000 м (TPI1000)

206

Фактор длины/крутизны (LSF)

184

Глубина понижений (VD), м

178

Относительные превышения в области 100 м (TPI0100)

157

Относительные превышения в области 250 м (TPI0250)

133

Замкнутые понижения (CD)

32

Алгоритм "случайных лесов" достаточно сложен, но дает высокие оценки точности. Случайный лес решающих деревьев позволяет построить модель со 100%-ным исходом, имеет коэффициент каппа 1,0. Такой подход к построению модели, при сравнении с исходной картой, показывает достаточно невысокую состоятельность и резкое снижение формальных оценок точности. Общее совпадение 28%, а каппа в 0,15 дает отклик слабого совпадения.

Рассмотрим полученную карту групп структур почвенного покрова на основе модели "случайного леса" и проведём экспертную оценку (табл. 7).

Таблица 7. Матрица совпадений исходной карты и карты, построенной на основе модели "случайный лес"

Группы ЭПС площадь, га

Группы ЭПС по исходной карте

У

Точность по строкам, %

З

Э 1

Э 2

Э 3

ПЗ

ПЭ

ПГ 1

ПГ 2

Г

А

Группы ЭПС по цифровой карте

З

139.7

69.4

28.6

0.2

197.8

37.3

39.2

3.8

1.6

0.1

517.7

27

Э 1

93.2

260

131.4

2.4

268.1

108.5

255.4

83.2

27.2

9.2

1238.6

21

Э 2

10.1

89.2

30.1

0.8

22.8

10.0

13.9

4.8

7

2.5

191.2

16

Э 3

0.5

11.6

18.1

4.0

0

0.2

3.8

0

0.1

0.4

38.7

10

ПЗ

182.3

166.1

48.9

0

277.2

8.7

109.1

9.3

5.4

0

807

34

ПЭ

0

0.8

0.6

0

0

1.4

1.7

0

0.3

0.1

4.9

29

ПГ 1

69.9

96.2

28.2

0.2

156.9

24.0

183

38.9

21.3

0.1

618.7

30

ПГ 2

11.2

3.4

0.6

0

31.5

0.3

142.1

36.9

2.9

0

228.9

16

Г

6.9

23.7

8.3

0.2

40

22.5

120.7

66.5

143.7

14.7

447.2

32

А

1.5

18.4

7.9

4.1

5.3

11.9

28.0

21.2

25.28

122.2

245.78

50

У

515.3

738.8

302.7

11.9

999.6

224.8

896.9

264.6

234.78

149.3

1199

Общая точность

Точность по колонкам, %

27

35

10

34

28

1

20

14

61

82

Общая точность

28%

Каппа = 0,15.

На полученной карте достаточно хорошо выделены эрозионные группы структур почвенного покрова, которые в целом схожи с распределением их по предыдущим картам, что свидетельствует об относительной стабильности возможности предсказания этих групп по разным моделям. Гидроморфные группы ЭПС получили завышенную долю распространения. Группы зональных (автоморфных) и полугидроморфно-зональных структур получили значительную выраженность разделения между западной и восточной частью исследуемой территории. Наблюдается также недостаточное разделение пойменных групп структур почвенного покрова. В целом карта смотрится недостаточно согласованно, и неудовлетворительное предсказание одних групп на фоне хорошего других делает модель в целом недостаточно пригодной для моделирования почвенно-ландшафтных связей.

Последняя крупномасштабная цифровая модель, рассматриваемая в данной работе (рис. 4), построена на основе метода опорных векторов с использованием программного языка R 3.3.3 в оболочке RStudio c использованием пакета e1071. Для построения модели использовался тот же набор параметров, что и для других моделей с настройками: sampling method; 10-fold cross validation; gamma 0,2; cost 100.

Рис. 4. Карта групп структур почвенного покрова, реализованная на основе модели "случайного леса"

Общая формальная точность данной модели имеет хорошие статистические показатели в 95%, каппа 0,94, что показывает почти полное совпадение с исходными ареалами групп ЭПС, использованных для построения модели.

Сравнение с исходной картой показывает схожую корреляцию с дискриминантной моделью (табл. 4) и, в сочетании с исходной статистикой, дает лучший показатель. Ряд групп ЭПС значительно хуже коррелирует с исходной картой. Так, совсем невысокий показатель у группы среднеэрозионных ЭПС (Э 2) и пойменных структур (А). Меньше выделены зональные (З) группы. Полугидроморфно-эрозионные группы ЭПС стабильно имеют невысокий процент совпадений.

Графическое отображение модели в виде карты групп структур почвенного покрова (рис. 5) отражает ряд общих показателей корреляции (табл. 8). На карте выделено заниженное количество зональных (З) групп структур почвенного покрова. Не отмечается приуроченности пойменных (А) групп к плоским поверхностям речных долин. Гидроморфные группы ЭПС имеют излишне значительный характер распространения, замещая часто пойменные структуры. На полученной карте достаточно хорошо выделены эрозионные группы структур почвенного покрова, которые в целом схожи с распределением их по предыдущим картам, что уже отмечалось ранее и свидетельствует об относительной стабильности возможности предсказания этих групп по разным моделям. Полугидроморфные глееватые (ПГ 1) и полугидроморфно-зональные (ПЗ) получили в значительной степени удовлетворительное отображение. В целом карта имеет неплохое наполнение, но отсутствие согласованности, как в случае с дискриминантной моделью, не позволяет принять данную модель.

Рис. 5. Карта групп структур почвенного покрова, реализованная на основе метода опорных векторов

Итоги формального сравнения статистических показателей по рассмотренным моделям и сравнения с исходной картой наглядно демонстрируют (сводная табл. 9), что в условиях проводимых моделирований наиболее подходящей моделью почвенно-ландшафтных связей является модель, разработанная на основе линейного дискриминантного метода. Это подтверждается и экспертной оценкой цифровых карт, построенных в автоматическом режиме разными методами.

Таблица 8. Матрица совпадений исходной карты и карты, построенной на основе метода опорных векторов

Группы ЭПС Площадь, га

Группы ЭПС по исходной карте

У

Точность по строкам, %

З

Э 1

Э 2

Э 3

ПЗ

ПЭ

ПГ 1

ПГ 2

Г

А

Группы ЭПС по исходной карте

З

77.8

33.7

6.4

0

74

6.4

20.0

2.9

0.5

0

221.7

35

Э 1

20.8

268.5

185.0

3.2

40.3

43.6

32.1

9.5

13.9

2.7

619.6

43

Э 2

2

4.9

6.5

1.1

0.3

0.2

0.6

0

0

0.1

15.7

41

Э 3

0.1

2.9

9.7

5.3

0

0

1.5

0

0.5

5.8

25.8

21

ПЗ

332.8

265.5

37.9

0

591.9

83.3

256.7

15.2

6.6

0.3

1590.2

37

ПЭ

4.4

69.4

30.8

1.3

16.4

20.7

26.2

12.1

9.3

17.5

208.1

10

ПГ 1

71.3

52.7

8.8

0

252.6

41.2

486.0

150.2

42.8

22.2

1127.8

43

ПГ 2

4.9

20.6

5.7

0

15.8

15.2

56.9

53.3

53.4

23

248.8

21

Г

1.8

18.7

9.9

1

8.3

9.8

14.9

13.8

97.9

53.1

229.2

43

А

0

2.1

1.9

0

0.1

4.6

2

7.9

9.9

24.5

53

46

У

515.9

739

302.6

11.9

999.7

225

896.9

264.9

234.8

149.2

1632.4

Общая точность

Точность по колонкам, %

15

36

2

44

59

9

54

20

42

16

Общая точность

38%

Каппа = 0,24.

Таблица 9. Сводная таблица статистических показателей по всем моделям

Метод

Ключевые ареалы групп ЭПС

Исходная карта СПП

Корреляция

Каппа

Корреляция

Каппа

Линейный дискриминантный анализ

68%

0,63

41%

0,28

Множественная логистическая регрессия

80%

0,77

34%

0,22

"Случайный лес"

100%

1,00

28%

0,15

Методы опорных векторов

95%

0,94

38%

0,24

Выводы

1. При построении цифровой модели почвенно-ландшафтных связей в крупном масштабе на основе существующей карты структур почвенного покрова лучшим статистическим методом является классический дискриминантный анализ.

2. Цифровую модель почвенно-ландшафтных связей на уровне групп структур почвенного покрова можно выразить в виде следующей системы классификационных уравнений:

1. Зональные (автоморфные) ЭПС = 4,1 + 1,53*SLP + 0*CD + 7,1*TWI + 0,18*LSF + 22,9* VDCN + 1,04* VD + 0,7* TPI100 +3,56* TPI250+ 8,34* TPI500 + 9,89* TPI1000.

2. Слабоэрозионные ЭПС = 11,3 + 3,39* SLP + 0* CD + 7,1* TWI + 0,6* LSF + 7,33* VDCN + 13,8* VD + 0,26* TPI100 - 0,27* TPI250- 2,8* TPI500 - 5,6* TPI1000.

3. Среднеэрозионные ЭПС = -16,1 + 4,16* SLP + 0* CD + 7,63* TWI + 0,84* LSF + 5,6* VDCN + 11,4* VD + 6,4* TPI100 - 0,4* TPI250+ 1,2* TPI500 - 0,3* TPI1000.

4. Сильноэрозионные ЭПС = 9,8 + 6,46* SLP + 0* CD + 6,92* TWI + 1,38* LSF +5,43* VDCN + 11,2* VD + 6,4* TPI100 - 0,4* TPI250+ 1,2* TPI500 - 0,3* TPI1000.

5. Полугидроморфно-зональные ЭПС = -40,1 + 1,53* SLP + 0* CD + 7,92* TWI +0,21* LSF + 19,08* VDCN + 2,8* VD + 6,4* TPI100 - 0,4* TPI250+ 1,2* TPI500 - 0,3* TPI1000.

6. Полугидроморфно-эрозионные ЭПС = -19,6 + 5,12* SLP + 0* CD + 8,66* TWI - 1,38* LSF + 4,74* VDCN + 14,97* VD + 6,4* TPI100 - 0,4* TPI250+ 1,2* TPI500 - 0,3* TPI1000.

7. Полугидроморфные глееватые ЭПС = 1,1 + 1,64*SLP + 0* CD + 8,6* TWI + 0,27* LSF + 16,7* VDCN + 4,36* VD + 6,4* TPI100 - 0,4* TPI250+ 1,2* TPI500 - 0,3* TPI1000.

8. Полугидроморфные глеевые ЭПС = -6,1 + 0,44* SLP + 0* CD + 10,11* TWI + 0,06* LSF + 16,2* VDCN + 0,62* VD + 6,4* TPI100 - 0,4* TPI250+ 1,2* TPI500 - 0,3* TPI1000.

9. Гидроморфные ЭПС = 11,6 + 1,61* SLP + 0,71* CD + 12,08* TWI + 0,5* LSF + 2,4* VDCN + 15,6* VD + 6,4* TPI100 - 0,4* TPI250+ 1,2* TPI500 - 0,3* TPI1000.

10. Пойменные ЭПС = 22,2 + 1,77* SLP +0,12* CD + 13,23* TWI +0,54* LSF +0,3*VDCN + 19,5*VD + 6,4* TPI100 - 0,4* TPI250+ 1,2* TPI500 - 0,3*TPI1000.

3. Построенная цифровая модель недостаточно полно отражает структуры почвенного покрова исходной карты, что связывается нами с неопределенностями классификации, субъективными суждениями составителя исходной карты и требует более детального уточнения и верификации в конкретных полевых условиях, что является темой для дальнейших публикаций. рельеф картографирование почвенный

Список использованных источников

1. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий / Под ред. В.И. Кирюшина, А.Л. Иванова. - М.: Росинформагротех. - 2005. - 784 с.

2. Общесоюзная инструкция по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт землепользований. - М.: Колос. - 1973.

3. Сорокина Н.П. Методология составления крупномасштабных агроэкологически ориентированных почвенных карт. - М.: Изд-во Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева. - 2006. - 150 с.

4. Сорокина Н.П. Региональная модель почвенно-ландшафтных связей (на примере Клинско-Дмитровской гряды) // Почвоведение. - 1998, №4. - С. 389-398.

5. McBratney A.B., Santos M.M.L., Minasny B. On Digital Soil Mapping / Geoderma. - 2003. - Vol. 117. - № 1-2. - P. 3-52.

6. Minasny B., McBratney A.B. Digital soil mapping: A brief history and some lessons // Geoderma. 2015 Vol. 184 P. 301-311.

7. Савин И.Ю. Компьютерная имитация картографирования почв. В сб.: "Цифровая почвенная картография: теоретические и экспериментальные исследования". - М.: Почвенный институт имени В.В. Докучаева. - 2012 - С. 26-34.

8. Сорокина Н.П., Козлов Д.Н. Методы цифровой почвенной картографии в задачах агроэкологической оценки земель. В сб.: "Цифровая почвенная картография: теоретические и экспериментальные исследования". - М.: Почвенный институт имени В.В. Докучаева. - 2012 - С. 141-155.

9. Lacoste M., Minasny B., McBratney A., Michot D., Viaud V., Walter C. High resolution 3D mapping of soil organic carbon in a heterogeneous agricultural landscape // Geoderma, vol. 213, 2014.

10. Vermeulen D.., Van Niekerk A. // Geoderma vol. 299, 2017, pp.1-12.

11. Zhao B., Li Z., Li P., Xu G., Gao H., Cheng Y., Chang E., Yuan S, Zhanga Y., Fenga Z Spatial distribution of soil organic carbon and its influencing factors under the condition of ecological construction in a hilly-gully watershed of the Loess Plateau, China // Geoderma, vol. 296, 2017, pp. 10-17.

12. Osat M., Heidari A., Eghbal M.K., Mahmood S. // Geoderma. №281, 2016, pp. 90-101.

13. Vincent S., Lemercier B. Spatial disaggregation of complex Soil Map Units at the regional scale based on soil-landscape relationships // Geoderma, 2016.

14. Сорокина Н.П., Козлов Д.Н. Опыт цифрового картографирования структуры почвенного покрова // Почвоведение. - 2009, № 2. - С. 198-210.

15. Модель адаптивно-ландшафтного земледелия Владимирского Ополья / Под. ред. В.И. Кирюшина и А.Л. Иванова. - М.: Агроконсалт. - 2004. - 453 с.

16. Рубцова Л.П. О генезисе почв Владимирского Ополья // Почвоведение. - 1974, № 6. С. 17-27.

17. Быстрицкая Т.Л., Тюрюканов А.Н. Ополица и ополец - генетические типы переходного класса почв Центральной России // Докл. АН СССР. - 1966, т. 166, No 4. - С. 955-958.

18. Яшин И.М., Кашанский А.Д. Ландшафтно-геохимическая диагностика и генезис почв Европейского Севера России: Монография. 2-е дополненное издание. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А., Тимирязева. - 20015. - 202 с.

19. Савастру Н.Т. Агроэкологическая оценка почвенного покрова Владимирского Ополья для проектирования адаптивно-ландшафтной системы земледелия. Дисс. к. б. н. - 1999. - 167 с.

20. Advances in Digital Terrain Analysis / Zhou, Qiming; Lees, Brian; Tang, Guo-an (Eds.). 2008, XIV, - 462 p.

21. Shary P.A., Sharay L.S., Mitusov A.V. Fundamental quantitative methods of and surface analysis // Geoderma, 2002, vol. 107. - P. 1-43.

22. Джеймс Г., Уиттон Д., Хасти Т., Тибширани Р. Введение в статистическое обучение с примерами на языке R. Пер. с англ. С.Э. Мастицкого. - М.: ДМК Пресс. - 2016. - 450 с.

Цитирование

Минаев Н.В., Бузылёв А.В., Таллер Е.Б. Разработка крупномасштабной цифровой модели автоматизированного почвенно-агроэкологического картографирования на примере представительных ландшафтов Владимирского Ополья // АгроЭкоИнфо. - 2018, №3. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/3/st_372.doc.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Основы почвенно-географического районирования. Современные взгляды на классификацию почв и почвенного покрова. Понятие о структуре почвенного покрова. Физико-географическая характеристика, климат, растительность, рельеф, почвообразующие породы.

    курсовая работа [79,3 K], добавлен 27.05.2015

  • Геологическое строение и рельеф Минска. Почвенно-растительный покров и животный мир. Формационная структура лесной растительности Минского района. Единицы классификации природных ландшафтов. Структура видов холмисто-моренно-эрозионных ландшафтов.

    курсовая работа [643,5 K], добавлен 07.10.2014

  • Основные виды и факторы деградации почв. Почвенно-климатические условия и качественная характеристика почв Костанайской области. Влияние хозяйственной деятельности основных отраслей экономики данного региона на земельный покров. Экологическая оценка почв.

    дипломная работа [177,3 K], добавлен 11.04.2015

  • Особенности природных компонентов Кореличского района: геологическое строение и рельеф, климатические показатели и водные ресурсы, почвенно-растительный покров и животный мир. Определение ландшафта, его роль. Единицы классификации природных ландшафтов.

    курсовая работа [881,9 K], добавлен 09.12.2012

  • Характеристика источников для создания карт. История аэрокосмического картографирования. Дешифрирование аэроснимков и космических снимков, их применение в тематическом и оперативном картографировании. Составление и обновление топографических карт.

    реферат [50,7 K], добавлен 20.12.2012

  • Современная география как комплекс взаимосвязанных наук. Изучение геосферы (биосферы, атмосферы, литосферы, гидросферы и почвенного покрова) и геосистемы (ландшафтов, природных зон, биогеоценоза). Географическая оболочка Земли и ее характеристики.

    курсовая работа [376,7 K], добавлен 20.02.2014

  • Совокупность форм горизонтального и вертикального расчленения земной поверхности. Роль рельефа в формировании ландшафтов. Применение морфологической и генетической классификации в топографии и картографии. Горный рельеф, равнины и океаническое дно.

    контрольная работа [34,6 K], добавлен 26.11.2010

  • Географическое положение Евразии. Флористическое районирование материка, характеристика климатических условий. Особенности почвенно-растительного покрова западного, приатлантического сектора Европы. Распространение растений в зарубежной Европе и Азии.

    реферат [1,5 M], добавлен 13.04.2010

  • Рассмотрение континентальности, зональности и провинциальности как основных компонент, определяющих размещение почвенно-растительного покрова и животного мира. Изучение условий образования почв, флористического состава и разнообразия фауны России.

    реферат [68,1 K], добавлен 21.04.2010

  • Классификация природных-территориальных комплексов Беларуси. Геологическое строение, рельеф, климатические условия, почвенно-растительный покров и животный мир Бобруйского района. Ознакомление с доминирующими и субдоминантными родами ландшафтов района.

    курсовая работа [2,2 M], добавлен 24.08.2014

  • Образование и развитие ГИС-методов картографирования земельных ресурсов. Основные виды и характеристики космических снимков, преимущества недостатки их использования, методы дешифрования. Картографирование растительности для кадастровой оценки земли.

    курсовая работа [550,9 K], добавлен 13.09.2015

  • Географическое положение, разнообразие почвенно-растительного покрова и животного мира Урала. Климат горных районов Западно-Сибирской равнины. Растительный покров Предуралья. Природные ресурсы, сельское хозяйство, население и экологические проблемы Урала.

    презентация [2,6 M], добавлен 29.05.2012

  • Особенности географического положения тундры, анализ почвенно-растительного покрова. Характеристика растительного мира тундры, ее климатические условия. Обитатели животного мира и его представители: северные олени, лисицы, снежные бараны, волки, лемминги.

    презентация [6,4 M], добавлен 09.05.2012

  • Характеристика крупных природных комплексов России как единой геоструктурной области больших размеров (платформы или складчатой системы определенного геологического возраста). Черты климата и соответствующие им особенности почвенно-растительного покрова.

    реферат [34,6 K], добавлен 11.11.2009

  • Географическое положение территории Амазонии. Геологическое строение. Климатообразующие факторы. Общие черты рельефа Южной Америки. Почвенно-растительный покров и животный мир. Основные этапы формирования природы. Ископаемые и агроклиматические ресурсы.

    курсовая работа [48,9 K], добавлен 07.03.2014

  • Геологическое строение кыргызской части Тянь-Шаня, особенности рельефа горных цепей. Климатические области Кыргызстана, почвенно-растительный покров и состав водных ресурсов. Структура отраслей промышленности республики и районирование территории.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 12.02.2013

  • Изучение климатических особенностей, рельефа и растительности Оренбургской области. Анализ влияния процесса карбонатизации на степное почвообразование. Почвенные пояса, области, зоны, провинции, районы. Характер расположения черноземов, серых лесных почв.

    реферат [64,8 K], добавлен 13.01.2015

  • Основные цели использования экологического картографирования. Классификация экологических карт по научно-прикладной направленности и содержанию. Способы картографирования загрязнения атмосферы и вод суши. Анализ геоинформационных систем, их применение.

    курсовая работа [263,9 K], добавлен 24.04.2012

  • Состав и свойства географической оболочки и ее общие закономерности. Характеристика географических поясов, климата, гидросферы и почвенного покрова Земли. Основные типы растительного покрова суши и особенности животного мира материков и океанов.

    курсовая работа [65,1 K], добавлен 23.02.2011

  • Исследование влияния особенностей рельефа на формирование климата и природных ландшафтов на отдельных территориях Казахстана. Характеристика месторасположения равнинно-низкогорных и высокогорных областей, низменных равнин и низкогорья, межгорных долин.

    презентация [1,7 M], добавлен 29.02.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.