Wykorzystanie głównych komponentów do skalowania modeli topograficznych w celu mapowania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie
16 października 2018
Procesy krajobrazowe są kluczowymi składnikami formowania gleby i odgrywają ważną rolę w określaniu właściwości gleby i struktury przestrzennej w krajobrazach. Proponujemy nowe podejście wykorzystujące krokową regresję głównych składowych do przewidywania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie w różnych skalach przestrzennych.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie rolnictwa, takie jak to, w jaki sposób topografia krajobrazu może wpływać na erozję gleby i dynamikę materii organicznej w glebie. Główną zaletą tej techniki jest to, że można ją zastosować w miejscach o ograniczonych obserwacjach i zapewnia opłacalne oszacowanie zasobów węgla organicznego w glebie i procesów redystrybucji gleby. Najpierw zbierz dane ze strony internetowej projektu GeoTREE Light Detection and Ranging Mapping Project.
Wybierz typ obwiedni i region, aby powiększyć do określonego obszaru. Następnie narysuj wielokąt, aby pobrać kafelki wykrywania i zakresu światła dla wybranego obszaru analizy. Przekonwertuj surowe dane dotyczące wykrywania i zakresu światła na plik LAS za pomocą narzędzia do mapowania systemu informacji geograficznej.
Następnie wygeneruj cyfrowe modele terenu (DEMS) z trzymetrową rozdzielczością przestrzenną przy użyciu odwrotnej interpolacji ważonej odległością. Przefiltruj trzymetrowy DEMS dwukrotnie za pomocą filtra dolnoprzepustowego z trzema jądrami, aby zredukować szumy związane z lokalną zmiennością. Aby wygenerować dane topograficzne, najpierw kliknij opcję Importuj raster w sekcji Import/Eksport, aby zaimportować przefiltrowane trzymetrowe DEMS do SAGA.
Następnie kliknij moduł Nachylenie, Proporcje, Krzywizna SAGA z ustawieniami domyślnymi, aby wygenerować nachylenie, metrykę związaną z krzywizną i ogólną metrykę krzywizny przy użyciu przefiltrowanych DEM. Kliknij moduł Akumulacja przepływu od góry do dołu w systemie SAGA i wybierz opcję Deterministyczna nieskończoność jako metodę generowania metryki akumulacji przepływu przy użyciu przefiltrowanych DEM. Następnie kliknij moduł Otwartość topograficzna SAGA z ustawieniami domyślnymi, aby wygenerować dodatnią metrykę otwartości przy użyciu przefiltrowanego obrazu wzmocnionego na osi z.
Zwiększenie odległości pionowych w numerycznych modelach terenu poprawia rozróżnialność dodatniej otwartości w miejscach o stosunkowo płaskiej powierzchni. Kliknij moduł LS-Factor Field Based w SAGA z ustawieniami domyślnymi, aby wygenerować metryki współczynnika nachylenia i długości nachylenia przy użyciu przefiltrowanych DEM. Następnie kliknij moduł Długość ścieżki przepływu w SAGA z ustawieniami domyślnymi, aby wygenerować metrykę długości ścieżki przepływu przy użyciu przefiltrowanych DEM.
Kliknij moduł Gradient odległości w dół SAGA z ustawieniami domyślnymi, aby wygenerować metrykę indeksu spadku przy użyciu przefiltrowanych DEM. Teraz kliknij moduł SAGA Wetness Index i wybierz bezwzględny obszar zlewni jako typ obszaru, aby wygenerować metryki obszaru zlewni i topograficznego indeksu wilgotności przy użyciu przefiltrowanych DEM. Kliknij moduł Stream Power Index (Indeks mocy strumienia) w systemie SAGA i wybierz pseudospecyficzny obszar zlewni jako konwersję obszaru, aby wygenerować metrykę indeksu mocy strumienia przy użyciu przefiltrowanych DEM.
Następnie wygeneruj mapy maksymalnej wysokości z wieloma promieniami. Przefiltruj mapy maksymalnej wysokości dwukrotnie przez filtr dolnoprzepustowy z trzema jądrami. Odejmij przefiltrowane trzymetrowe DEM od przefiltrowanych map maksymalnej wysokości, aby uzyskać serię map rzeźby terenu.
Wyodrębnij serię zmiennych rzeźby terenu do wielu lokalizacji. Wykonaj analizę składowych głównych zmiennych reliefu, aby przekształcić podcięcia w składniki rzeźby terenu. Wybierz główne składniki, które wyjaśniają ponad 90% wariancję zestawu danych rzeźby terenu jako metryki rzeźby terenu.
Ustandaryzuj siedem map rzeźby terenu za pomocą średniej i odchylenia standardowego. Utwórz główne składniki reliefu przez sumę znormalizowanego reliefu topograficznego ważonego odpowiednimi obciążeniami. Podczas tworzenia metryki rzeźby terenu ważne jest, aby generować obrazy rzeźby terenu w różnych skalach przestrzennych, aby ograniczyć niepewności związane z arbitralnym wyborem promienia, ponieważ na kontrolę rzeźby terenu na właściwościach gruntu mogą mieć wpływ przestrzenne skale rzeźby terenu.
Należy wybrać kilka lokalizacji pól uprawnych, które mogą odpowiednio reprezentować cechy krajobrazu badanego obszaru oraz kilka reprezentatywnych pól uprawnych na małą skalę, z których można intensywnie pobierać próbki. Prześlij wszystkie przykładowe współrzędne lokalizacji do systemu pozycjonowania geograficznego opartego na kodzie i fizycznie zlokalizuj je w terenie. Następnie zbierz trzy próbki dla każdego miejsca pobierania próbek z górnej 30-centymetrowej warstwy gleby za pomocą sondy pchającej.
Rejestruj informacje o współrzędnych geograficznych miejsc pobierania próbek za pomocą systemu pozycjonowania geograficznego. Następnie przesiej próbkę gleby za pomocą dwumilimetrowego sitka. Zważyć próbki gleby po wysuszeniu.
Oblicza się gęstość gleby, wykorzystując całkowitą objętość próbki w miejscach pobierania próbek i masę. Wymieszaj trzy próbki z tego samego miejsca, aby uzyskać złożoną próbkę gleby. Zmielić 10-gramową podpróbkę przesianej gleby na bardzo drobny proszek za pomocą młyna walcowego.
Teraz zmierz całkowitą zawartość węgla w glebie w próbce zmielonej walcowo poprzez spalanie na analizatorze elementarnym CN w temperaturze 1350 stopni Celsjusza. Po wypaleniu materii organicznej w glebie w piecu oszacuj zawartość węgla w węglanie wapnia, analizując pozostały węgiel. Teraz umieść duże dwumilimetrowe przesiane próbki gleby w zlewkach Marinelli i zamknij je.
Umieść zlewkę w detektorze i zmierz stężenie cezu w każdej próbce za pomocą analizy promieniowania gamma przy użyciu systemu spektroskopowego, który odbiera dane wejściowe z trzech współosiowych kryształów germanu o wysokiej czystości do 8 192-kanałowych analizatorów. Zapisać wyjściowe stężenie cezu. Na koniec oblicz współczynnik redystrybucji gleby za pomocą inwentaryzacji cezu, stosując Model Bilansu Masy II w dodatkowym programie arkusza kalkulacyjnego.
460 lokalizacji pól uprawnych zostało losowo wybranych w celu uzyskania informacji topograficznych w zlewni Walnut Creek w stanie Iowa. Przedstawiono wyniki analiz korelacji między wskaźnikami topograficznymi a gęstością węgla organicznego w glebie, redystrybucją gleby. Topograficzny wskaźnik wilgotności i wielkoskalowa rzeźba terenu wykazały najwyższe korelacje odpowiednio ze wskaźnikami gęstości i redystrybucji gleby.
Wzorce przestrzenne obu wskaźników wykazały wysokie wartości w obszarze depresji i niskie wartości w obszarach pochyłych i grzbietowych. Różnice między tymi dwoma wskaźnikami wystąpiły jednak na obszarach rowów, gdzie wskaźnik wilgotności topograficznej wykazywał wyjątkowo wysokie wartości, ale wartości wielkoskalowej rzeźby terenu topograficznego nie różniły się od obszarów sąsiednich. Poniżej wymieniono pięć głównych komponentów topograficznych, które zostały wybrane do budowy modeli opartych na topografii.
Ponad 70 i 65% zmienności gęstości węgla organicznego w glebie i wskaźników redystrybucji gleby wyjaśniono za pomocą krokowego modelu zwykłej regresji najmniejszej kwadratowej z uwzględnieniem odpowiednio zmiennych całkowitych. W przypadku modeli, w których usunięto współliniową współzmienną, wydajność symulacji była nieco niższa niż w przypadku zwykłego modelu regresji krokowej metodą najmniejszych kwadratów z modelem całych zmiennych. W przypadku modeli SPCR obserwuje się podobną wydajność symulacji jak w przypadku krokowego zwykłego modelu regresji najmniejszej kwadratowej z usuniętą współliniową współzmienną.
Mapy redystrybucji gleby i gęstości węgla organicznego w glebie wygenerowane na podstawie modeli SPCR ujawniły spójne wzorce między symulacjami modelowymi a pomiarami terenowymi. Technika ta toruje drogę naukowcom zajmującym się rolnictwem do badania redystrybucji gleby i wzorców materii organicznej w skali działu wodnego i regionalnej. Technika ta może zostać ulepszona dzięki dalszemu udoskonaleniu danych dotyczących wykrywania światła i pomiaru odległości oraz włączeniu dodatkowych wskaźników topograficznych.
Przegląd
Niniejsze badanie wprowadza nowatorskie podejście wykorzystujące krokową regresję głównych składowych do przewidywania redystrybucji gleby oraz zawartości organicznego węgla w glebie w różnych skalach przestrzennych. Metoda ta odpowiada na kluczowe pytania rolnicze dotyczące wpływu topografii krajobrazu na erozję gleby i dynamikę materii organicznej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauka o glebach
- Badania rolnicze
- Nauki o środowisku
Wstęp
- Procesy krajobrazowe są kluczowe dla procesów glebotwórczych.
- Właściwości gleby i jej struktura przestrzenna są kształtowane przez te procesy.
- Zrozumienie dynamiki organicznego węgla w glebie jest niezbędne dla zrównoważonego rolnictwa.
- Ograniczona ilość danych obserwacyjnych może utrudniać badania glebowe.
Cel badania
- Opracowanie kosztowo efektywnej metody szacowania zasobów organicznego węgla w glebie.
- Przewidywanie procesów redystrybucji gleby w różnych krajobrazach.
- Pogłębienie zrozumienia wpływu topografii na właściwości gleby.
Zastosowane metody
- Gromadzenie danych z projektu mapowania GeoTREE metodą Light Detection and Ranging (LiDAR).
- Generowanie cyfrowych modeli wysokościowych (DEM) o rozdzielczości przestrzennej 3 m.
- Wykorzystanie oprogramowania SAGA GIS do generowania wskaźników topograficznych.
- Pobieranie próbek gleby oraz analiza zawartości i gęstości węgla.
Główne wyniki
- Analizy korelacji ujawniły istotne zależności między wskaźnikami topograficznymi a gęstością organicznego węgla w glebie.
- Wskaźnik wilgotności topograficznej oraz wielkoskalowa rzeźba terenu wykazały najwyższe korelacje z właściwościami gleby.
- Wzorce przestrzenne wskazały na wysokie wartości w obszarach depresyjnych i niskie wartości w regionach nachylonych.
Wnioski
- Proponowana metoda skutecznie szacuje zawartość organicznego węgla w glebie oraz jego redystrybucję.
- Metryki topograficzne mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia dynamiki gleby.
- Podejście to może być zastosowane w obszarach o ograniczonej dostępności danych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Metoda ta stanowi kosztowo efektywne podejście do szacowania zasobów organicznego węgla w glebie oraz procesów jego redystrybucji w krajobrazach rolniczych przy ograniczonych danych obserwacyjnych. Dzięki wykorzystaniu wskaźników topograficznych pochodnych z LiDAR oraz analizy głównych składowych, umożliwia ona skalowalne modelowanie dynamiki gleby w skali stanowisk oraz zlewni. Podejście to zwiększa pewność predykcyjną decyzji w zakresie zarządzania gruntami poprzez redukcję przeuczenia modelu dzięki redukcji wymiarowości i usuwaniu kolinearności.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie czynników sterujących zmiennością organicznego węgla w glebie w skali krajobrazowej za pomocą głównych składowych topograficznych.
- Wartość operacyjna: Zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną poprzez izolację niezależnych zmiennych topograficznych wpływających na redystrybucję gleby.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje ustandaryzowane, ilościowe wyniki (tempo redystrybucji gleby, gęstość SOC) na podstawie wieloźródłowych zestawów danych topograficznych i glebowych.
- Wartość operacyjna: Wspiera przygotowanie do analiz poprzez tworzenie powtarzalnych modeli przestrzennych zwalidowanych w oparciu o pomiary terenowe.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia ekstrapolację danych z reprezentatywnych obszarów badawczych na większe krajobrazy, w tym na grunty prywatne z ograniczonym dostępem.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ciągłość między modelowaniem topograficznym w skali odkrycia a prognozowaniem dynamiki organicznego węgla w glebie na poziomie zlewni.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje przetwarzanie danych topograficznych, pobieranie próbek gleby oraz modelowanie statystyczne, aby wspierać procesy od odkrycia do wdrożenia w badaniach środowiskowych i rolniczych.
- Biologia odkrywcza: Wykorzystuje analizę głównych składowych do wyjaśnienia wpływów topograficznych na glebotwórczość i dynamikę węgla.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowych, jawnie przestrzennych prognoz redystrybucji gleby i gęstości węgla organicznego do analizy porównawczej warunków.
- Analityka: Stosuje krokową regresję głównych składowych w celu generowania statystycznie odpornych modeli z ograniczonym ryzykiem nadmiernego dopasowania.
- Badania translacyjne: Umożliwiają skalowanie wyników specyficznych dla danego miejsca do zastosowań w zlewniach, wspierając decyzje o rozwoju skorygowane o ryzyko.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy reużywalne ramy modelowania topograficznego, które można zastosować w zróżnicowanych krajobrazach rolniczych przy ograniczonej dostępności danych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększenie pewności predykcyjnej w modelowaniu organicznego węgla w glebie oraz jego redystrybucji poprzez redukcję kolinearności i kontrolę wymiarowości.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja generowania metryk topograficznych i protokołów analizy gleby zapewnia powtarzalność badań w różnych lokalizacjach.
- Wartość strategiczna: Poprawa procesów decyzyjnych (go/no-go) w zarządzaniu gruntami dzięki dostarczeniu kosztowo efektywnych szacunków w sytuacjach, gdy bezpośrednie pomiary są niewykonalne.
- Wpływ na portfolio: Wsparcie priorytetyzacji interwencji konserwatorskich lub rolniczych z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o modelowane wyniki stanu zdrowia gleby.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wiedza specjalistyczna w zakresie systemów informacji geograficznej, w szczególności oprogramowania SAGA GIS oraz przetwarzania danych LiDAR.
- Dostęp do cyfrowych modeli wysokościowych o wysokiej rozdzielczości oraz infrastruktury do pobierania próbek gleby.
- Standaryzacja procedur pobierania, suszenia i przesiewania gleby oraz analiz zawartości węgla i azotu.
- Uwzględnienie adaptacji do różnych skal przestrzennych rzeźby terenu oraz ekstrakcji zmiennych rzeźby.
- Ograniczenia obejmują zależność od dokładnego generowania DEM oraz potencjalną niepewność w wyborze metryk rzeźby w różnych, dowolnych skalach przestrzennych.
