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土壤水盐时空变异的稳健性分析和条件模拟研究

作　者: 徐英
导　师: 陈亚新
学　校: 内蒙古农业大学
专　业: 农业水土工程
关键词: 条件模拟 LU分解法稳健统计学土壤水盐时空变异性
分类号: S152
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

论文以数学地质分支——地质统计学为理论基础，在灌区土壤水盐监测目标下，结合水—土科学的特点，研究了土壤水—盐时空变异性，对黄河河套灌区内田间中小尺度的水盐变异规律做了较系统的条件模拟。为了加强空间变异理论在水—土科学中的研究基础，本文吸收了新兴相关学科——稳健统计学的先进成果，对土壤水盐数据的变异函数进行了特异值处理和稳健性分析，使土壤空间变异数据的处理更加科学化、合理化。土壤特性在空间和时间上都具有非均一性，即时空变异性。研究我国北方冻季、非冻季非饱和带土壤水分和盐分的时空变异性、监测与预测大面积土壤水-盐(肥)特性，对于指导我国中低产田的改造、现代农业水利工程的管理以及精细农业的实施具有重要的指导意义。在灌区土壤水盐监测目标下，空间采样尺度的确定与研究问题的性质(如空间变异性的揭示)、要求密切相关，田间尺度效应是决定采样点、网的设计密度和工作量的大小以及资金投入大小的基础。本文通过正态变换、特异值处理、稳健变异函数的估计，逐步逼近土壤水分和盐分的稳健变异函数，得到土壤水分和盐分稳健的带状各向异性套合模型。在秋浇前和夏灌前，土壤水分近似于正态分布，土壤盐分符合近似的三参数对数正态分布，并且都有一定数量的特异值存在。用四种位置的稳健方法：位置的尤伯估计、中位数中位偏差法、中位调节法与克瑞西—豪金斯法，对经特异值处理后的水盐数据进行变异函数的稳健分析，结果发现：稳健处理后的变异函数值(方差)都有所降低，变差图比之前表现出更强的结构性，但尚难绝对评价哪种方法(包括传统的变异函数计算方法)通用性最好，最适合反映土壤水盐的结构特性，因此只能根据具体情况择优选用。本文初步认为：中位调节法与克瑞西—豪金斯法比较适合估计土壤水分和盐分的稳健变异函数。在本研究网格数为中尺度的条件下，首次从国外引进并成功地运用协方差矩阵的LU三角分解法进行了二维平面上土壤水盐的条件模拟，认为该方法原理简单、计算精度高，模拟和条件化可同时进行，避免了常用的转向带法和傅立叶转换法的一些缺陷，在网格数为中尺度的条件模拟研究(地质与非地质领域)中，具有广泛的应用前景。用变异函数讨论了沙壕试验区季节性冻融土中不同时期非饱和带土壤垂向水分和盐分的时空变异性；运用条件模拟理论用较少的采样点再现其水盐的波动过程，并同普通Kriging插值法进行了对比分析和评价；同时研究了影响条件模拟Monte-Carlo实验计算精度和效率的两个重要因素——随机数种子(R_d)和随机数序列长度(R)的取值规律，得到了比较平稳的取值范围。较国外某些研究成果更深入和具体。从变异函数图、理论变异函数模型的检验结果及Kropng估值、条件模拟几个方面，对二维平面上土壤水盐的异向性进行了分析评价，认为在本研究区及条件相似的地区可以将土壤水盐分布近似简化为各向同性。简化了分析、计算工作，有较好的实用价值。在一维和二维空间，对土壤水分和盐分进行了田间尺度效应初步分析，结果表明：本引黄灌区土壤水分的变化性在h＝25一100In观测尺度下，表现出相同的结构：土壤盐分的变化性在 h＝25～100m观测尺度下，表现出同一级的结构；25m网格上的土壤水分和盐分的结构都可以用100m的观测网格估计或模拟；在h＝10m的观测尺度下，土壤水分和盐分（一维）的结构性不能在］00m的采样网格上体现出来；即使是同一级的结构，随着采样尺度的增大，估计的精度也会明显降低，要想得到高精度的估计或模拟现实，必须加密采样网格，加大采样工作量。这些成果对野外采样设计及采样工作的实施有指导作用。本文有助于新兴科学在非地质领域的开拓应用，有助于数学地质理论在水－土资源和农业工程领域的学科融合创新。

全文目录

1 导论  8-17
  1.1 研究意义  8-9
  1.2 研究背景  9
  1.3 国内外研究现状评述  9-14
    1.3.1 地质统计学在土壤--水科学领域的应用简述  9-11
    1.3.2 稳健统计学的研究进展  11-12
    1.3.3 条件模拟研究的进展  12-14
  1.4 研究起点和主体内容构思  14-15
  1.5 研究目标和研究内容  15-17
2 试验区采样系统设计和成果统计评估  17-23
  2.1 采样系统设计  17-19
    2.1.1 试验区Ⅰ采样网格的设计及采样成果  17-18
    2.1.2 试验区Ⅱ采样网格的设计  18-19
    2.1.3 试验区Ⅲ冻土采样点的设计  19
  2.2 试验原始资料分析  19-23
    2.2.1 土壤水盐原始试验资料的统计分析  19-20
    2.2.2 采样数的精度分析  20-21
    2.2.3 土壤水分和盐分的频数分布  21-23
3 土壤水-盐的空间变异性及其变异函数的稳健性处理和分析  23-57
  3.1 区域化变量理论及变异函数  23-27
    3.1.1 区域化变量的概念及性质  23
    3.1.2 变差函数及其性质  23-25
    3.1.3 变异函数的结构分析  25-26
    3.1.4 理论变差函数模型的检验  26-27
  3.2 稳健变差函数的获取  27-31
    3.2.1 实验数据的正态分析  27
    3.2.2 特异值的识别和处理方法  27-28
    3.2.3 获取稳健变异函数的几种稳健统计学方法  28-31
  3.3 秋浇前(试验区Ⅰ)平面采样地盐分的空间变异性分析  31-38
    3.3.1 秋浇前盐分分布的正态变换  31
    3.3.2 特异值识别、处理以及变异函数的稳健性分析的案例  31-33
    3.3.3 秋浇前盐分特异值的识别和处理  33-37
    3.3.4 秋浇前盐分在各向异性条件下的变异及其套合结构  37-38
  3.4 夏灌前(试验区Ⅰ)平面采样地盐分的空间变异性分析  38-44
    3.4.1 夏灌前盐分分布的正态变换  38-39
    3.4.2 夏灌前盐分的特异值识别和处理以及变异函数的稳健性分析  39-43
    3.4.3 夏灌前盐分在各向异性条件下的变异及其套合结构  43-44
  3.5 秋浇前与夏灌前盐分变异性的对比分析  44-45
  3.6 秋浇前(试验区Ⅰ)平面采样地水分的空间变异性分析  45-51
    3.6.1 秋浇前水分的特异值识别和处理以及变异函数的稳健性分析  45-50
    3.6.2 秋浇前水分在各向异性条件下的变异及其套合结构  50-51
  3.7 夏灌前(试验区Ⅰ)平面采样地水分的空间变异性分析  51-55
    3.7.1 夏灌前水分变异函数的稳健处理  52-54
    3.7.2 夏灌前水分在各向异性条件下的变异及其套合结构  54-55
  3.8 秋浇前与夏灌前水分变异性的对比分析  55-57
4 土壤水-盐的条件模拟和空间变异性监测  57-81
  4.1 条件模拟基本理论  57-59
    4.1.1 模拟的概念和目的  57
    4.1.2 条件模拟理论概述  57
    4.1.3 条件模拟基本原理  57-59
  4.2 条件模拟的实现方法--协方差矩阵的LU三角分解法  59-64
    4.2.1 几种常用方法简介  59-60
    4.2.2 协方差矩阵的LU三角分解法原理  60-63
    4.2.3 对数正态Kriging法(lognormal kriging)  63-64
  4.3 秋浇前和夏灌前(试验区Ⅰ)平面采样地土壤水-盐数据的条件模拟  64-81
    4.3.1 秋浇前和夏灌前平面采样地土壤盐分数据的Kriging插值与条件模拟  65-74
    4.3.2 秋浇前和夏灌前平面采样地土壤水分数据的Kriging插值与条件模拟  74-81
5 土壤水盐空间变异各向同性近似的探讨  81-89
  5.1 各向同性近似的可能性  81
  5.2 各向同性假设条件下夏秋两季土壤水盐分布的估计与模拟  81-89
    5.2.1 各向同性条件下的变异函数  81-83
    5.2.2 各向同性假设下，Kriging估计和条件模拟评价  83-87
    5.2.3 各向同性假设下，实验、估计及模拟统计特征值评价  87-89
6 关于尺度效应的初步研究  89-99
  6.1 尺度效应的概念及其研究的意义  89-90
  6.2 研究区土壤水盐的尺度效应研究  90-99
    6.2.1 一维条件下不同尺度的土壤水分和盐分变异性  90-94
    6.2.2 二维平面不同尺度下土壤水分和盐分的变异性  94-99
7 冻季土壤水盐时空变性的一维条件模拟  99-104
  7.1 模拟的基本原理及应用方法  99-100
  7.2 试验采样系统  100
  7.3 模拟过程  100
  7.4 成果与讨论  100-104
    7.4.1 结构分析  100-101
    7.4.2 条件模拟结果和普通Kriging插值结果的对比分析  101-102
    7.4.3 条件模拟过程中M-C试验的技术研究  102-104
8 可视化软件系统  104-110
  8.1 软件系统的设计结构与流程  104
  8.2 空间信息结构  104-108
    8.2.1 数据文件的建立及数据的预处理  105
    8.2.2 变异函数的计算、拟合、检验及绘制变异函数图  105-108
  8.3 克立格估值和条件模拟  108-110
    8.3.1 模拟点坐标文件的建立  108
    8.3.2 估计和模拟结果的显示  108-110
9 结论  110-113
致谢  113-114
参考文献  114-120
作者简介  120

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