土壤空间变异及其研究方法潘2012

相关性与协方差(correlation/covariance)
统计学中，当两个变量之间存在联系，一个变量会随着 另外一个变量变化。有正相关和负相关之分。相关性并不 描述两个变量之间的因果关系。 相关系数r
协方差cov
空间自相关的概念 （spatial autocorrelation）
当变量在空间一些位置的值依赖于该变量在其它位置的 值时，就存在着空间自相关，亦即空间自相关描述了同一 变量在不同位置的依赖性。
依赖于空间分布位置的变量称为区域化变量 （Regionalized Variable）
对于一个变量 Z（比如土壤有机质含量），随不
同空间位置i 而变化，该变量的变化决定于三个
采用经典的统计方法，计算均值、标准差、变异系数等，从而得出有 机质含量最终结果。
这种方法可以在样本少、材料多样和环境多变情况下获取最多的信息 ，因此我国的大多数土壤工作者至今仍沿用这种方法。
例 1 土壤有机质分布
有 机 质
从有机质分布看，西北高，中间低，
而东南较高，分布有空间规律性。
误
从误差分布来看，西北角的误差都
全局的空间分析会掩盖其在不同方向上的差别。
例如：丘陵斜坡上采样，顺坡和横坡方向上变异差别比 较大，全局的分析会掩盖这种差异。
不同方向的空间分析可以发现土壤属性的各向异性
土壤性质各向异性
土壤数据具有空间变异性 具有空间关联性 具有空间结构 传统统计学方法已经难以解决空间数据
问题
主要内容
空间自相关是针对同一个属性变量而言的，当某一样点 属性值高，而其相邻点同一属性值也高时，为空间正相关 ；反之，为空间负相关。
Moran’s I值
其中Wij为权重矩阵
土壤空间自相关图
土壤有机质
土壤有机质自相关各向异性
区域化变量概念
有些变量，在考虑空间或时间时，变量往往不是随 机的（或者说数据不是完全独立的），因而，计算这些 变量的特征时，除了变量的均值、方差等统计量，还需 要计算变量的空间结构。
80年代，Webster，McBratney, Burgess，Burrough，Trangmar将地统计 学引入土壤科学研究，并做了大量介绍和实例研究，这方面的研究已成 为土壤科学的重要内容之一。
在我国1977年开始介绍地统计学。随后也开始了土壤、水资源系统中参 数的空间变异研究。
目前，国内外已开展了许多有关土壤物理、化学性质方面的空间变异研 究，前者主要集中于土壤水分（包括饱和导水率、渗透率等）、容重、 机械组成等；后者主要包括有机质、营养元素以及重金属元素等。
土壤空间变异及其研究 方法潘2012
2020年4月20日星期一
主要内容
基本概念 空间变异性分析 （半变异函数） 空间插值方法 （Kriging方法） 其它研究方法及应用
70年代以后，地统计学被应用于土壤学和水资源研究，广泛应用克立格 法来预测非采样点土壤属性。70年代后期，美国陆续将其应用于土壤调 查制图及土壤变异性的研究中。J.B.Campbell在研究两个土壤制图单元 中砂粒含量和pH空间变异时首先采用地统计学。
土壤空间变异研究：why
经典统计分析方法的实现
是以概率论为基础的、研究随机现象统计规律的应用数学学科。研究 的变量为纯随机变量，理论上可以进行无限次重复和大量重复观测试验。 每次取样需要单独进行，样本中各个取值之间需要互相独立。
例1：研究某县土壤有机质含量情况
由于不可能获得该区域所有土壤的有机质状况，遵循经典统计学方法 需要在该区域不同地点、不同类型土壤上采样，样点分布要符合随机抽样 要求。经过化学分析获得各个土壤样品的土壤有机质含量。
差
是大于0，而东南部的误差却都小
分
于0，误差之间存在空间关联性。
布
土壤数据具有空间相关性
例2 A、B两个区域速效钾的变异
两组数据统计特征基本一致 直方图显示，两组数据几乎相同
从空间分布来看，左图空间变化更快，右图稍缓。 两组数据差异表现在空间变异性差别，而不是数量的变异性。 这种空间变异的变化将影响采样设计、空间预测、制图等。
用于确定合理的取样或观测点的数目; 对未测点的参数进行最优估值，还可结合标定理论的应用分析
预测状态变量的空间分布; 提高土壤调查和制图精度，改进土壤分类系统的诊断精度; 完善对不同空间尺度上土壤过程的预测和模拟－空间尺度转换
。
空间变异性的研究方法
地统计学方法
以区域化变量、随机函数和平稳性假设等概念 为基础，以变异函数为核心，以空间插值法为 手段，研究自然现象的空间变异问题。
英国诗人Francis Thompson，The Mistress of Vision
随机变量概念
统计学中，通常假设某随机变量取值是完全随机的，或 在空间上、时间上是完全独立的；简单理解，这个变量取 下一个数值时，不需要考虑过去的数值或者周围的数值。
就土壤来说：土壤的各种属性，比如大范围的有机质等 景观特性等等
基本概念 空间变异性分析 （半变异函数） 空间插值方法 （Kriging方法） 其它研究方法
地理学第一定律
地理学第一定律由美国地理学家W.R.Tobler在1970年提出 :
Everything is related to everything else, but near things are more related than distant things.
后来人们也称之为Tobler 第一定律( TFL ).
All Things by a immortal power, Near or far
Hiddenly to each other linked are, That thou canst not stir a flower Without the troubling of a star
空间变异性ห้องสมุดไป่ตู้
土壤是不均匀和变化的连续体，即使在土壤类型相同的 区域内，土壤属性值在不同空间位置上也具有明显差异 。土壤属性在空间分布上的非均一性，称为土壤属性的 空间变异性。
空间变异的研究目的:
根据不同空间位置的土壤观测或取样测定的资料，分析土壤各 特性参数的空间变化特征、参数自身及各参数间的空间关系;