耕地土壤质量调查评价中空间统计方法的应用
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Ø 取得了1317万个土壤样品，近亿个土壤测试数据、8万多个田间实验、11万 多个田间示范、1120万个农户调查数据
Ø 建立县域测土配方施肥专家系统，部署到2400多个县使用。测土数据汇总 到扬州市土肥站。
u 2017年起，农业农村部耕地质量监测保护中心
Ø 开展耕地质量调查监测、评价分析、改良保护和监督监管 Ø 种植业司——》农田建设管理司 Ø 制定《耕地质量等级GB/T 33469-2016 》
u “七五”土壤环境背景值调查 u “菜篮子”基地、污水灌溉区土壤环境监测 u “十一五”首次全国土壤污染状况调查（2005-2013年） u “十二五”土壤环境例行监测试点 u 2016年首次例行监测
p 农业农村部工作(农业农村部环境保护科研监测所à农业农村部农业 生态与资源保护总站)
u 全国农产品产地土壤重金属污染防治(2012-2018)
汇报内容
一、耕地土壤质量调查评价 二、三位一体空间统计框架 三、耕地土壤质量调查优化布样方法 五、耕地土壤耕地质量统计推断方法
一、耕地土壤质量调查评价
p 耕地质量——指能够满足农作物生长和安全生产所需的土壤地 力和土壤环境质量。
u 耕地地力：指耕地用于农作物栽培使用时，在一定时期内单位 面积耕地的物质生产力水平（公斤/公顷）
Ø 自2014年，开展耕地质量等别年度更新评价工作，更新耕地增减变化、耕地 质量变化
u 制定规范：农用地质量分等规程（GB/T 28407-2012）、农用地定级规 程（ GB/T 28405-2012 ）、农用地估价规程（ GB/T 28406-2012 ）
Ø 自然等：光温、气候资源条件和土地条件 Ø 利用等：自然条件和平均土地利用条件 Ø 经济等：自然条件、平均土地利用条件、平均土地经济条件
u 生态环保部：
Ø四万个点：背景点、基础点和监控点三类 Ø背景点（ 2481个）： Ø基础点（20006个）： Ø监控点（16393 个）：
u 农业农村部：
Ø四万个点:基于农产品质量安全，布设农产品产地风险点位，开展农产品产 地土壤与农产品协同监测工作。 Ø与生态环保部互补重复，统一规范、统一标准和统一信息发布，融入国家土 壤环境监测网。
耕地土壤调查和监测常见目标
均值估计
插值制图
目 标：估计值接近真实均值 每个点位的含量估计值准确
等级划分 等级边界的位置准确
采样要求： 样本代表性高
特征空间+地理空间均匀 等级边界模糊地带多布样
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
p 没有任何先验知识：
u 空间均匀采样
Ø 格网布样 Ø MMSD
u 嵌套采样
Ø 基于实际分布与理想 分布之差构建目标函 数
Ø 多用于总体估计、回 归
u 多维特征空间+地理空 间分布（scLHS）
Ø 特征空间代表性分布 Ø 地理空间均匀覆盖
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 地理与特征空间均衡采样优化方法（scLHS）: 针对空间变异较大的农业
资源和环境变量，利用辅助信息，优化地理和特征空间分布，改善插值
一、耕地土壤质量调查评价（地力）
p 农业农村部工作：
u 2002年启动全国耕地地力理调查与评价工作
Ø 以第二次土壤普查等数据为基础，开展补充调查 Ø 全国耕地类型区、耕地地力等级划分（NY/T 309-1996 ) Ø 开发全国县域耕地资源管理信息系统，部署在每个县使用（2498个）
u 2005年起，启动测土配方施肥工作
p 管理思路
u 预防为主、保护优先、分类管理、风险管控、污染担责、公众参与 u 调查（第一次全国土壤污染普查、地球化学调查、耕地重金属调查、环保详
查）——》监测 （例行监测） u 农用地土壤环境类别划：严格管控区、安全利用区和优先保护区
一、耕地土壤质量调查评价（环境）
p 生态环保部工作(国家环境监测总站)
p 已知空间变异函数：
u 误差函数
Ø 平均克里金插值误差 Ø 最大克里金插值误差
p 具有辅助变量：
u 分层采样 u 特征空间采样
15
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 多维特征空间分布(拉 丁超立方体采样， Minasny and McBratney 2006)
Ø 构建理想分布：特征 空间均匀覆盖
一、耕地土壤质量调查评价
p 耕地土壤质量调查评价流程 ①采样 ②统计推断
分析计算
③质量评价 （标准规程 标准化+权重）
等级划分 插值制图 均值估计
二、三位一体空间统计框架
p 空间统计:
u 定义：对具有空间分布特征数据的统计分析理论和方法 u 理论基础：
Ø统计学 Ø地理学三大定律
ü 地理学第一定律：空间相关性定律（Tobler,1970; Goodchild，2004） ü 地理学第二定律：空间异质性定律（ Harvey；Goodchild，2004 ） ü 地理学第三定律：地理环境相似性定律（Zhu et al., 2018）
不同 估计 值， 相同 误差
Gao et. al. ,Additional Sampling Layout Optimization Method for Env、耕地土壤质量调查优化布样方法—
Ø普通克里要求空间平稳、正态分布；而且有平滑效应 Ø指示克里金可以避免上述问题，其估计结果为超过阈值的概率
u 耕地环境：指耕地是否被污染物污染以及被污染的程度 u 经济效益：指耕地的物质生产量进行市场交换后所产生的收益
（元/亩）
p 耕地质量主管部门
u 耕地地力：自然资源部（国土部）、农业农村部（农业部） u 耕地环境：农业农村部（农业部）、生态环保部（环保部）
p 土壤是耕地质量的核心
2
一、耕地土壤质量调查评价
No Anneal:Set T=T*α
Yes
Output sample
Gao et. al, A spatial conditioned Latin hypercube sampling method for mapping using ancillary data, Transactions in GIS ,2016,20(5):735-754
12
二、三位一体空间统计框架
p 三位一体空间统计框架： u 抽样估计的精度由总体性质、抽样方法和统计推断方法共同决定，不同的组合 有不同效率，需要选择较优的组合
信
(ℜ,ꢀ, Ψ)三位一体
息
流
三、耕地土壤质量调查优化布样方法
p 耕地土壤调查评价业务对总体统估计目标：均值估计、插值制图 和等级划分
p 采样方案的优劣取决于采样目的，不同采样目的需要具有针对性 的方法
No
Onew<O Yes
Metro =Exp(O-Onew/T)
Generating a random number randϵ(0,1)
Discard S2 No rand<Metro Yes Accept S2: set S=S2, O=Onew
Stopping criterion satisfied
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
Ø基于概率阈值进行线性变换，构造阈值错划指数 Ø将误差作为误差错划指数 Ø概率分布的分布为均匀分布，因此两者可加，构成综合错划指数
估计结果分布
阈值错划指数：
估计结果误差
误差错划指数 综合错划指数
Gao et. al., index for additional sampling to map soil contaminant grades. Ecological Indicators, 2017,77:129-Error 138
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
p 农用地土壤环境类别划：加密采样
u 要求：类别边界要准确
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 思路：在等级过渡地带加密样点
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 存在问题：插值结果不一定准确，有误差（不确定性范围）。 插值结果一般表达为：0.3±0.05 ， 即[0.25,0.35]
u 解决问题：
Ø模式、趋势、相关、因果 Ø优化、估计、预测
u 空间抽样与统计推断是核心
11
二、三位一体空间统计框架
p 抽样与统计推断:
u 基于设计的（Design-based）：概率抽样+基于入样概率的推断 u 基于模型的（Model-based）：目的性抽样+基于模型的推断
发 Bowley,1906
一、耕地土壤质量调查评价（环境）
p 2016年5月28日, 国务院印发《土壤污染防治行动计划》，部署了土壤污 染调查、评估、管理和修复的任务。
p 2018年8月31日，十三届全国人大常委会第五次会议全票通过《土壤污染 防治法》（已于2019年1月1日起实施），规定要实行土壤污染风险管控和 修复制度，并规定地方各级人民政府对本行政区域的土壤污染防治和安全 利用负责。
假设0.4为阈值，大于0.4超标，小于0.4不超标
越接近阈值，越容易划错
误差越大，越容易划错
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
Ø 普通克里金在空间插值中应用最广泛,它能给出插值结果和结果的 不确定性。
Ø 某个点的插值为ꢂ，误方差为不确定性符合正态分布：ꢃ(ꢂ, ꢄ)
基于此构造错划指数
相同 估计 值， 不同 误差
制图精度。
优化目标函数： O = wco Oco + wca Oca + wsOs + wcor Ocor
Prepare data
Generate initial sample: Set S=S1; compute overall objectivity O
Metropolis criterion
Disturb S to produce new sample S2; compute overall objectivity Onew
展 历
Kiaer,1895
史 Krige,1951
Neyman,1934 Fisher,1922 Matheron,1963
Design-based Model-based
Brus (p,t)(1998)
u 问题： Ø “空间抽样，由于空间相关性的存在，达到同样估计精度，所需的样本量较 小”。概率抽样用于地理空间推断问题时，需要加一个修正系数。 Ø 空间相关性是不是总体的性质？ Ø 随机抽样获得样本，能不能用Kriging进行插值？
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 一套等级划分及加密采样优化解决方案（潜在错划带布样）：
Ø 正态分布：基于Multi-Gaussian 模型构造错划指数 Ø 非正态分布：基于非参数统计，通过概率变换构造错划指数
五、耕地土壤耕地质量统计推断方法
p 统计推断方法影响结果的精度，进而影响对资源环境的认知和决策。 p 选择或研发统计推断方法，不仅需要考虑调查对象的性质和样本的
u 南方丘陵岗地红黄壤区：稻田土壤酸化、潜育化，部分地区水 田冷(地温低)、烂(深泥脚)、毒(硫化氢等有害气体)问题突出，山 区耕地土层薄、地块小、砾石含量多，土壤有机质含量低，季 节性干旱严重；土壤重金属污染比较严重。
u 西北灌溉及黄土型旱作农业区：耕地贫瘠，土壤盐渍化、沙化 和地膜残留污染严重，地力退化明显，土壤有机质含量低，保 水保肥能力差，干旱缺水。
Ø全国130万个样点，土壤和农作物协同调查
一、耕地土壤质量调查评价（环境）
p 农用地土壤污染状况详查：生态环保部牵头，农业农村部、自然资源部
参加 点位超标区
土壤重点污染源影响区 土壤污染问题突出区域
农用地详查范围
点位超标区
问题突 出区域
重点污染 源影响区
一、耕地土壤质量调查评价（环境）
p 土壤环境例行监测
p 我国耕地质量状况堪忧、基础地力下降，耕地退化面积较大 。
u 东北黑土区：黑土层变浅流失、耕层变薄、地力退化快、有机 肥投入不足、有机质下降。
u 华北及黄淮平原潮土区：耕层变浅，地下水超采，部分地区土 壤盐渍化严重;淮河北部及黄河南部地区砂姜黑土易旱易涝，地 力下降潜在风险大。
u 长江中下游平原水稻土区：土壤酸化、潜育化，局部地区土壤 重金属污染比较严重
3
一、耕地土壤质量调查评价（地力）
p 自然资源部工作：
u 建立“定期全面评价、年度更新评价、年度监测评价”的工作制度。
Ø 1999年一调部署了农用地分等工作，2009年12月24日发布的中国历史上第一 份耕地质量等级调查与评定成果《中国耕地质量等级调查与评定》
Ø 2011年底，部署耕地质量等别补充更完善工作。2013年，形成基于二调的耕 地质量等别结果
Ø 建立县域测土配方施肥专家系统，部署到2400多个县使用。测土数据汇总 到扬州市土肥站。
u 2017年起，农业农村部耕地质量监测保护中心
Ø 开展耕地质量调查监测、评价分析、改良保护和监督监管 Ø 种植业司——》农田建设管理司 Ø 制定《耕地质量等级GB/T 33469-2016 》
u “七五”土壤环境背景值调查 u “菜篮子”基地、污水灌溉区土壤环境监测 u “十一五”首次全国土壤污染状况调查（2005-2013年） u “十二五”土壤环境例行监测试点 u 2016年首次例行监测
p 农业农村部工作(农业农村部环境保护科研监测所à农业农村部农业 生态与资源保护总站)
u 全国农产品产地土壤重金属污染防治(2012-2018)
汇报内容
一、耕地土壤质量调查评价 二、三位一体空间统计框架 三、耕地土壤质量调查优化布样方法 五、耕地土壤耕地质量统计推断方法
一、耕地土壤质量调查评价
p 耕地质量——指能够满足农作物生长和安全生产所需的土壤地 力和土壤环境质量。
u 耕地地力：指耕地用于农作物栽培使用时，在一定时期内单位 面积耕地的物质生产力水平（公斤/公顷）
Ø 自2014年，开展耕地质量等别年度更新评价工作，更新耕地增减变化、耕地 质量变化
u 制定规范：农用地质量分等规程（GB/T 28407-2012）、农用地定级规 程（ GB/T 28405-2012 ）、农用地估价规程（ GB/T 28406-2012 ）
Ø 自然等：光温、气候资源条件和土地条件 Ø 利用等：自然条件和平均土地利用条件 Ø 经济等：自然条件、平均土地利用条件、平均土地经济条件
u 生态环保部：
Ø四万个点：背景点、基础点和监控点三类 Ø背景点（ 2481个）： Ø基础点（20006个）： Ø监控点（16393 个）：
u 农业农村部：
Ø四万个点:基于农产品质量安全，布设农产品产地风险点位，开展农产品产 地土壤与农产品协同监测工作。 Ø与生态环保部互补重复，统一规范、统一标准和统一信息发布，融入国家土 壤环境监测网。
耕地土壤调查和监测常见目标
均值估计
插值制图
目 标：估计值接近真实均值 每个点位的含量估计值准确
等级划分 等级边界的位置准确
采样要求： 样本代表性高
特征空间+地理空间均匀 等级边界模糊地带多布样
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
p 没有任何先验知识：
u 空间均匀采样
Ø 格网布样 Ø MMSD
u 嵌套采样
Ø 基于实际分布与理想 分布之差构建目标函 数
Ø 多用于总体估计、回 归
u 多维特征空间+地理空 间分布（scLHS）
Ø 特征空间代表性分布 Ø 地理空间均匀覆盖
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 地理与特征空间均衡采样优化方法（scLHS）: 针对空间变异较大的农业
资源和环境变量，利用辅助信息，优化地理和特征空间分布，改善插值
一、耕地土壤质量调查评价（地力）
p 农业农村部工作：
u 2002年启动全国耕地地力理调查与评价工作
Ø 以第二次土壤普查等数据为基础，开展补充调查 Ø 全国耕地类型区、耕地地力等级划分（NY/T 309-1996 ) Ø 开发全国县域耕地资源管理信息系统，部署在每个县使用（2498个）
u 2005年起，启动测土配方施肥工作
p 管理思路
u 预防为主、保护优先、分类管理、风险管控、污染担责、公众参与 u 调查（第一次全国土壤污染普查、地球化学调查、耕地重金属调查、环保详
查）——》监测 （例行监测） u 农用地土壤环境类别划：严格管控区、安全利用区和优先保护区
一、耕地土壤质量调查评价（环境）
p 生态环保部工作(国家环境监测总站)
p 已知空间变异函数：
u 误差函数
Ø 平均克里金插值误差 Ø 最大克里金插值误差
p 具有辅助变量：
u 分层采样 u 特征空间采样
15
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 多维特征空间分布(拉 丁超立方体采样， Minasny and McBratney 2006)
Ø 构建理想分布：特征 空间均匀覆盖
一、耕地土壤质量调查评价
p 耕地土壤质量调查评价流程 ①采样 ②统计推断
分析计算
③质量评价 （标准规程 标准化+权重）
等级划分 插值制图 均值估计
二、三位一体空间统计框架
p 空间统计:
u 定义：对具有空间分布特征数据的统计分析理论和方法 u 理论基础：
Ø统计学 Ø地理学三大定律
ü 地理学第一定律：空间相关性定律（Tobler,1970; Goodchild，2004） ü 地理学第二定律：空间异质性定律（ Harvey；Goodchild，2004 ） ü 地理学第三定律：地理环境相似性定律（Zhu et al., 2018）
不同 估计 值， 相同 误差
Gao et. al. ,Additional Sampling Layout Optimization Method for Env、耕地土壤质量调查优化布样方法—
Ø普通克里要求空间平稳、正态分布；而且有平滑效应 Ø指示克里金可以避免上述问题，其估计结果为超过阈值的概率
u 耕地环境：指耕地是否被污染物污染以及被污染的程度 u 经济效益：指耕地的物质生产量进行市场交换后所产生的收益
（元/亩）
p 耕地质量主管部门
u 耕地地力：自然资源部（国土部）、农业农村部（农业部） u 耕地环境：农业农村部（农业部）、生态环保部（环保部）
p 土壤是耕地质量的核心
2
一、耕地土壤质量调查评价
No Anneal:Set T=T*α
Yes
Output sample
Gao et. al, A spatial conditioned Latin hypercube sampling method for mapping using ancillary data, Transactions in GIS ,2016,20(5):735-754
12
二、三位一体空间统计框架
p 三位一体空间统计框架： u 抽样估计的精度由总体性质、抽样方法和统计推断方法共同决定，不同的组合 有不同效率，需要选择较优的组合
信
(ℜ,ꢀ, Ψ)三位一体
息
流
三、耕地土壤质量调查优化布样方法
p 耕地土壤调查评价业务对总体统估计目标：均值估计、插值制图 和等级划分
p 采样方案的优劣取决于采样目的，不同采样目的需要具有针对性 的方法
No
Onew<O Yes
Metro =Exp(O-Onew/T)
Generating a random number randϵ(0,1)
Discard S2 No rand<Metro Yes Accept S2: set S=S2, O=Onew
Stopping criterion satisfied
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
Ø基于概率阈值进行线性变换，构造阈值错划指数 Ø将误差作为误差错划指数 Ø概率分布的分布为均匀分布，因此两者可加，构成综合错划指数
估计结果分布
阈值错划指数：
估计结果误差
误差错划指数 综合错划指数
Gao et. al., index for additional sampling to map soil contaminant grades. Ecological Indicators, 2017,77:129-Error 138
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
p 农用地土壤环境类别划：加密采样
u 要求：类别边界要准确
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 思路：在等级过渡地带加密样点
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 存在问题：插值结果不一定准确，有误差（不确定性范围）。 插值结果一般表达为：0.3±0.05 ， 即[0.25,0.35]
u 解决问题：
Ø模式、趋势、相关、因果 Ø优化、估计、预测
u 空间抽样与统计推断是核心
11
二、三位一体空间统计框架
p 抽样与统计推断:
u 基于设计的（Design-based）：概率抽样+基于入样概率的推断 u 基于模型的（Model-based）：目的性抽样+基于模型的推断
发 Bowley,1906
一、耕地土壤质量调查评价（环境）
p 2016年5月28日, 国务院印发《土壤污染防治行动计划》，部署了土壤污 染调查、评估、管理和修复的任务。
p 2018年8月31日，十三届全国人大常委会第五次会议全票通过《土壤污染 防治法》（已于2019年1月1日起实施），规定要实行土壤污染风险管控和 修复制度，并规定地方各级人民政府对本行政区域的土壤污染防治和安全 利用负责。
假设0.4为阈值，大于0.4超标，小于0.4不超标
越接近阈值，越容易划错
误差越大，越容易划错
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
Ø 普通克里金在空间插值中应用最广泛,它能给出插值结果和结果的 不确定性。
Ø 某个点的插值为ꢂ，误方差为不确定性符合正态分布：ꢃ(ꢂ, ꢄ)
基于此构造错划指数
相同 估计 值， 不同 误差
制图精度。
优化目标函数： O = wco Oco + wca Oca + wsOs + wcor Ocor
Prepare data
Generate initial sample: Set S=S1; compute overall objectivity O
Metropolis criterion
Disturb S to produce new sample S2; compute overall objectivity Onew
展 历
Kiaer,1895
史 Krige,1951
Neyman,1934 Fisher,1922 Matheron,1963
Design-based Model-based
Brus (p,t)(1998)
u 问题： Ø “空间抽样，由于空间相关性的存在，达到同样估计精度，所需的样本量较 小”。概率抽样用于地理空间推断问题时，需要加一个修正系数。 Ø 空间相关性是不是总体的性质？ Ø 随机抽样获得样本，能不能用Kriging进行插值？
三、耕地土壤质量调查优化布样方法—
u 一套等级划分及加密采样优化解决方案（潜在错划带布样）：
Ø 正态分布：基于Multi-Gaussian 模型构造错划指数 Ø 非正态分布：基于非参数统计，通过概率变换构造错划指数
五、耕地土壤耕地质量统计推断方法
p 统计推断方法影响结果的精度，进而影响对资源环境的认知和决策。 p 选择或研发统计推断方法，不仅需要考虑调查对象的性质和样本的
u 南方丘陵岗地红黄壤区：稻田土壤酸化、潜育化，部分地区水 田冷(地温低)、烂(深泥脚)、毒(硫化氢等有害气体)问题突出，山 区耕地土层薄、地块小、砾石含量多，土壤有机质含量低，季 节性干旱严重；土壤重金属污染比较严重。
u 西北灌溉及黄土型旱作农业区：耕地贫瘠，土壤盐渍化、沙化 和地膜残留污染严重，地力退化明显，土壤有机质含量低，保 水保肥能力差，干旱缺水。
Ø全国130万个样点，土壤和农作物协同调查
一、耕地土壤质量调查评价（环境）
p 农用地土壤污染状况详查：生态环保部牵头，农业农村部、自然资源部
参加 点位超标区
土壤重点污染源影响区 土壤污染问题突出区域
农用地详查范围
点位超标区
问题突 出区域
重点污染 源影响区
一、耕地土壤质量调查评价（环境）
p 土壤环境例行监测
p 我国耕地质量状况堪忧、基础地力下降，耕地退化面积较大 。
u 东北黑土区：黑土层变浅流失、耕层变薄、地力退化快、有机 肥投入不足、有机质下降。
u 华北及黄淮平原潮土区：耕层变浅，地下水超采，部分地区土 壤盐渍化严重;淮河北部及黄河南部地区砂姜黑土易旱易涝，地 力下降潜在风险大。
u 长江中下游平原水稻土区：土壤酸化、潜育化，局部地区土壤 重金属污染比较严重
3
一、耕地土壤质量调查评价（地力）
p 自然资源部工作：
u 建立“定期全面评价、年度更新评价、年度监测评价”的工作制度。
Ø 1999年一调部署了农用地分等工作，2009年12月24日发布的中国历史上第一 份耕地质量等级调查与评定成果《中国耕地质量等级调查与评定》
Ø 2011年底，部署耕地质量等别补充更完善工作。2013年，形成基于二调的耕 地质量等别结果