專利名稱：自適應(yīng)空間插值方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉土壤數(shù)字制圖技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于中/大尺度上復(fù)雜景觀條 件下土壤、水文及氣象等研究對象的屬性信息的空間插值與數(shù)字地圖制作的自適應(yīng)空間插 值方法。
背景技術(shù)：
受人力和物力的影響，對區(qū)域土壤屬性信息的取樣觀測總是有限的，如何通過有 限的、離散的觀測樣點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地描述區(qū)域土壤屬性的面源分布信息，一直是人們感興趣 的難點(diǎn)問題。目前，描述土壤屬性的空間分布信息的主要方法是地統(tǒng)計(jì)方法及土壤-景觀 模型。地統(tǒng)計(jì)方法成立的前提是土壤屬性存在空間自相關(guān)性。實(shí)際上，由于土壤屬性受 眾多景觀因子與人為因素的影響，土壤屬性通常在小尺度上才具有較好的空間自相關(guān)性， 隨研究尺度的增大，這種空間自相關(guān)性很難成立。因此，地統(tǒng)計(jì)方法可在土壤景觀結(jié)構(gòu)變 異不大的小區(qū)域上實(shí)現(xiàn)土壤屬性的可靠插值，但對景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域土壤屬性的空間插 值，無疑是粗略的、不可靠的。土壤-景觀模型通過分析和提取土壤屬性與景觀環(huán)境變量的關(guān)聯(lián)性，通過一定的 推理技術(shù)來預(yù)測土壤屬性含量。但是由于土壤屬性的空間變異非常大，且其與景觀環(huán)境變 量的關(guān)系具有高度非線性，這使得土壤景觀模型很難準(zhǔn)確地估算中/大尺度上具有復(fù)雜景 觀結(jié)構(gòu)特征的區(qū)域土壤屬性含量。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可保證空間 插值準(zhǔn)確性并可適用于中/大尺度上復(fù)雜景觀條件的自適應(yīng)空間插值方法以解決數(shù)字土 壤制圖中土壤屬性的空間插值的不可靠難題。( 二 )技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種自適應(yīng)空間插值方法，包括下列步驟Sl 在地理空間上將土壤空間與景觀要素在垂直方向分開；其中，底層是土壤圖層，是被動的受作用層，上層是景觀要素特征向量層，是引發(fā) 土壤變異的要素組合；S2 按用戶自定義的尺度將所述土壤圖層網(wǎng)格化，提取所述網(wǎng)格化土壤圖層中任 意網(wǎng)格單元所對應(yīng)的景觀要素特征向量，并構(gòu)建景觀要素特征向量集；S3 根據(jù)所述景觀要素特征向量集對土壤空間進(jìn)行分類，獲取土壤空間分類圖；S4:建立基于所述土壤空間分類圖的插值算子，根據(jù)所述插值算子對土壤空間中 的任意未知單元進(jìn)行插值。優(yōu)選地，所述步驟S2具體包括
S201 對于給定的土壤圖層，將所述土壤圖層等間距地網(wǎng)格化分為若干個網(wǎng)格單 元；S202:依據(jù)用戶對景觀要素特征向量的要求來對景觀要素特征向量的特征值進(jìn)行 提?。籗203 根據(jù)所述特征值得到景觀要素特征向量在每個所述網(wǎng)格單元上的映射；S204:根據(jù)所述景觀要素特征向量在每個所述網(wǎng)格單元上的映射，構(gòu)建得到對應(yīng) 所述土壤圖層的景觀要素特征向量集。優(yōu)選地，所述特征向量包括植被類型、高程要素、土地類型要素以及路網(wǎng)；所述土壤圖層的網(wǎng)格單元的粒度大小與所能獲取的最小景觀要素特征向量的粒
度保持一致。 優(yōu)選地，所述步驟S3具體包括S301 對于給定的土壤圖層以及由步驟S2所得到的景觀要素特征向量集，將任意 兩個不同的景觀要素特征向量看作兩個不同的節(jié)點(diǎn)，所述兩個不同的景觀要素特征向量之 間的相似度看作所述兩個不同節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值；將所述權(quán)值定義為所述兩個不同的景觀要 素特征向量之間的歐式距離；S302:預(yù)設(shè)定閥值，若所述權(quán)值不超過該閾值，則將所述兩個不同的節(jié)點(diǎn)之間連 邊，從而建立所述景觀要素特征向量集的相似圖；S303 構(gòu)建相似圖的對象矩陣以及鄰接矩陣，從而得到相似圖的拉普拉斯矩陣；S304 對所述拉普拉斯矩陣進(jìn)行奇異值分解，求出矩陣特征值；S305:將所述矩陣特征值進(jìn)行從小到大排列，根據(jù)所述矩陣特征值中的第二小的 特征值所對應(yīng)的景觀要素特征向量將所述相似圖一分為二，得到土壤空間分類圖。優(yōu)選地，所述步驟S305具體為根據(jù)所述矩陣特征值中的第二小的特征值得到其所對應(yīng)的景觀要素特征向量；根據(jù)所述景觀要素特征向量中各分量的正負(fù)號，將所對應(yīng)的景觀要素特征向量集 一分為二 ；根據(jù)對所述景觀要素特征向量的分類，進(jìn)而間接獲取土壤空間分類圖。
優(yōu)選地，所述步驟S4具體包括S401 預(yù)先設(shè)定參與插值的最小監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目；S402:利用土壤空間分類圖對插值單元進(jìn)行分類，將處于相同土壤空間類內(nèi)的插 值單元定位為同一類；屬于同一類的插值單元構(gòu)成一個插值單元類；即，每一個插值單元 類對應(yīng)一個土壤空間類；S403 判斷某一插值單元類中的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目是否大于或等于步驟401中所預(yù)設(shè) 的最小監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目；若是，則根據(jù)所述插值單元類中的所有監(jiān)測樣點(diǎn)的觀察值構(gòu)建得到插值算子，并 轉(zhuǎn)入步驟S404 ；若否，則更換所述插值單元類重復(fù)執(zhí)行步驟S403 ；S404:根據(jù)所述插值算子對所述插值單元類中的任一未知單元進(jìn)行插值計(jì)算，得 到未知單元的插值結(jié)果。優(yōu)選地，所述步驟S402中的分類方式為二分樹數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)方式，具體包括
將所述任一插值單元類定義為一個葉節(jié)點(diǎn)，在一個葉節(jié)點(diǎn)上存儲該插值單元類信 息；在每個父節(jié)點(diǎn)上存儲指向兩個子節(jié)點(diǎn)的索引信息；其中，由底向上，下層子節(jié)點(diǎn)間的空間同質(zhì)性設(shè)置為比上層父節(jié)點(diǎn)間的強(qiáng)，且有相 同父節(jié)點(diǎn)的鄰近葉節(jié)點(diǎn)的空間同質(zhì)性設(shè)置為最強(qiáng)。優(yōu)選地，所述步驟S403中的判斷結(jié)果為否的情況下，更換所述插值單元類重復(fù)步 驟S403的過程具體為若所述被判斷的插值單元類中的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目小于所述預(yù)設(shè)的最小監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù) 目，則從與其相鄰節(jié)點(diǎn)中，即相鄰的另一插值單元類中搜索監(jiān)測樣點(diǎn)來完成插值；若所述兩個相鄰的被判斷的插值單元類中的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目之和仍小于所述預(yù)設(shè) 的最小監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目，則回溯到所述兩個相鄰的插值單元類所具有的共同父節(jié)點(diǎn)處搜索監(jiān) 測樣點(diǎn)來完成插值。優(yōu)選地，所述步驟S404中，未知單元的插值結(jié)果Z(Xtl)按如下公式計(jì)算
N(D1)Z(X0)= ^AlZ(Xi),
(=1其中，Z= {z (Xl，yi)，ζ (x2，y2)，. . .，ζ (xk, yk)}為落入土壤空間類 Di 內(nèi)的監(jiān)測樣 點(diǎn)集，此處，土壤空間類Di即插值單元類，N(Di)指土壤空間類Di中所包含的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目， Z(Xi)指對應(yīng)Di內(nèi)的監(jiān)測樣點(diǎn)z(Xi，yi)的觀測值，入1是2汰)對應(yīng)的權(quán)值。(三)有益效果本發(fā)明所提供的技術(shù)方案以土壤空間單元與景觀要素特征向量之間的關(guān)系為驅(qū) 動，通過提取景觀要素特征向量集并對其分類，產(chǎn)生不同土壤空間類，建立基于土壤空間分 類圖的插值算子，插值算子自適應(yīng)地將全局異質(zhì)空間上的空間插值問題簡化為局部同質(zhì)空 間上的最優(yōu)插值問題，對未知單元的土壤屬性的估算將在同質(zhì)的土壤空間類中執(zhí)行，從而 提高并確保了復(fù)雜景觀環(huán)境下土壤屬性含量的空間插值的準(zhǔn)確性和可靠性，并且該發(fā)明技 術(shù)也適用于生態(tài)、水文及氣象等其他領(lǐng)域的空間插值與數(shù)字地圖制作。


圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式
所涉及的自適應(yīng)空間插值方法的流程圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式
所涉及的二分樹索引結(jié)構(gòu)的構(gòu)建示意圖；圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式
所涉及的基于二分樹索引結(jié)構(gòu)的插值單元搜索示意 圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。首先，為了消除歧義，對下述內(nèi)容中所涉及的內(nèi)容做如下說明插值單元指構(gòu)成土壤空間類的基本網(wǎng)格單元，見圖2所示；未知單元指不包含監(jiān)測樣點(diǎn)的插值單元；插值算子僅針對未知單元進(jìn)行插值計(jì)算，插值過程中插值單元的觀測值用該插值單元所包含的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)據(jù)表征。下面，如圖1所示，本發(fā)明技術(shù)方案所涉及的自適應(yīng)空間插值方法，包括下列步 驟Sl 在地理空間上將土壤空間與景觀要素垂直分開；其中，底層是土壤圖層，是被 動的受作用層，上層是景觀要素特征向量層，是引發(fā)土壤變異的要素組合；S2 按用戶自定義的尺度將所述土壤圖層網(wǎng)格化，提取所述網(wǎng)格化土壤圖層中任 意網(wǎng)格單元所對應(yīng)的景觀要素特征向量，并構(gòu)建景觀要素特征向量集； 所述步驟S2具體包括S201 對于給定的土壤圖層S，將所述土壤圖層S等間距地網(wǎng)格化分為若干個，比 如 η 個網(wǎng)格單元，即 S = (S1, S2, . . . , Si, . . . , SJ ；此時，假設(shè)景觀要素特征向量集F = (F1, F2, ...，F(xiàn)i, ...，F(xiàn)j，其中Fi為景觀要素 向量在土壤網(wǎng)格單元Si上的映射；假設(shè)任意的特征向量Fi = (fi; f2，. . .，. . .，fk)，其中&為與網(wǎng)格單元Si對應(yīng) 的景觀要素向量的特征值；S202 依據(jù)用戶對景觀要素特征向量的實(shí)際要求來對景觀要素特征向量&的特征 值fi進(jìn)行計(jì)算提取；S203:根據(jù)所述特征值&得到景觀要素特征向量在每個所述土壤網(wǎng)格單元Si上的 映射Fi ；S204:根據(jù)所述景觀要素特征向量在每個所述土壤網(wǎng)格單元上的映射Fi,進(jìn)而構(gòu) 建得到對應(yīng)所述土壤圖層S的景觀要素特征向量集F。所述特征向量包括植被類型、高程要素、土地類型要素以及路網(wǎng)；對于植被類型和 高程要素，用歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index-NDVI)和高程 值表示；對于土地類型要素，可用類別表示；對于路網(wǎng)，以Si所含的路網(wǎng)分布密度表示(即 過Si的路網(wǎng)長度比Si的面積)。另外，所述土壤圖層的網(wǎng)格單元的粒度大小與所能獲取的 最小景觀要素特征向量的粒度保持一致。為了便于說明，假定能有效獲取的影響土壤屬性的景觀要素為植被類型及高程， 分別用歸一化植被指數(shù)與歸一化高程值表征植被類型與高程。定義Fi=Orj^7,如 下
NIR1-RED1 脈'NIRi + REDi 這里，NIRi和REDi分別指單元Si的近紅外波段與紅色波段的反射率。 [ ].elevation — Min elevation
elevatl0n Max _ elevation — Min _ elevation其中，elevation” Min_elevation 及 Max_elevation 分別指單元 Si 的高程值、區(qū)
域S的高程最小值與最大值。S3 根據(jù)所述景觀要素特征向量集對土壤空間進(jìn)行分類，獲取土壤空間分類圖；受植被、地形、氣候等景觀環(huán)境因素影響，土壤屬性的空間分布在全局地理空間上 是不連續(xù)的，但是在局部地理空間上存在連續(xù)性，也就是說位于空間同質(zhì)區(qū)域的土壤屬性
7比位于非空間同質(zhì)區(qū)域的土壤屬性更近似。因此，對影響土壤屬性的景觀要素進(jìn)行分類，可 間接獲取土壤空間類。這樣，全局異質(zhì)空間上土壤屬性的空間插值問題轉(zhuǎn)化成局部同質(zhì)子 空間上的最優(yōu)插值。對景觀要素分類是一個反復(fù)的迭代過程，需要先確定景觀要素的分類數(shù)目，以便 有效地保證分類的收斂。通常情況是無法預(yù)先知道景觀環(huán)境要素的分類數(shù)目，因此需要設(shè) 計(jì)自動收斂的方法以實(shí)現(xiàn)景觀要素特征分類。為此，本具體實(shí)施方式
開發(fā)了一個譜分割方法實(shí)現(xiàn)土壤空間分類，譜分割方法通 過對景觀要素特征分類，間接獲取土壤空間類；具體包括如下步驟S301 對于給定的土壤圖層S = (S1, S2,... ,Si,... , Sj以及由步驟S2所得到的 景觀要素特征向量集？={&，&，...，&，...，？ }，譜分割方法將景觀要素特征向量看作節(jié) 點(diǎn)V，據(jù)此，任意兩個不同的景觀要素特征向量可以看作為兩個不同的節(jié)點(diǎn)Vi與Vp所述兩 個不同的景觀要素特征向量之間的相似度看作兩個不同節(jié)點(diǎn)\與節(jié)點(diǎn)\之間的權(quán)值Wij ； 將所述權(quán)值Wu定義為Wu = Il Fi-Fj Il 2，即所述兩個不同的景觀要素特征向量之間的歐式 距離；S302 預(yù)設(shè)定預(yù)定閥值δ，若所述權(quán)值Wij不超過該預(yù)定閾值δ，則將所述兩個不 同的節(jié)點(diǎn)\與節(jié)點(diǎn)、之間連邊Ε，從而建立所述景觀要素特征向量集的相似圖G(V，Ε)；S303 構(gòu)建相似圖G的對象矩陣D(G)以及鄰接矩陣A (G)，且滿足
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，包括下列步驟51在地理空間上將土壤空間與景觀要素在垂直方向分開；其中，底層是土壤圖層，是被動的受作用層，上層是景觀要素特征向量層，是引發(fā)土壤 變異的要素組合；52按用戶自定義的尺度將所述土壤圖層網(wǎng)格化，提取所述網(wǎng)格化土壤圖層中任意網(wǎng) 格單元所對應(yīng)的景觀要素特征向量，并構(gòu)建景觀要素特征向量集；53根據(jù)所述景觀要素特征向量集對土壤空間進(jìn)行分類，獲取土壤空間分類圖；S4:建立基于所述土壤空間分類圖的插值算子，根據(jù)所述插值算子對土壤空間中的任 意未知單元進(jìn)行插值。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括5201對于給定的土壤圖層，將所述土壤圖層等間距地網(wǎng)格化分為若干個網(wǎng)格單元；5202依據(jù)用戶對景觀要素特征向量的要求來對景觀要素特征向量的特征值進(jìn)行提?。?203根據(jù)所述特征值得到景觀要素特征向量在每個所述網(wǎng)格單元上的映射；5204根據(jù)所述景觀要素特征向量在每個所述網(wǎng)格單元上的映射，構(gòu)建得到對應(yīng)所述 土壤圖層的景觀要素特征向量集。
3.如權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，所述特征向量包括植被類 型、高程要素、土地類型要素以及路網(wǎng)；所述土壤圖層的網(wǎng)格單元的粒度大小與所能獲取的最小景觀要素特征向量的粒度保 持一致。
4.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括5301對于給定的土壤圖層以及由步驟S2所得到的景觀要素特征向量集，將任意兩個 不同的景觀要素特征向量看作兩個不同的節(jié)點(diǎn)，所述兩個不同的景觀要素特征向量之間的 相似度看作所述兩個不同節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值；將所述權(quán)值定義為所述兩個不同的景觀要素特 征向量之間的歐式距離；5302預(yù)設(shè)定閥值，若所述權(quán)值不超過該閾值，則將所述兩個不同的節(jié)點(diǎn)之間連邊，從 而建立所述景觀要素特征向量集的相似圖；5303構(gòu)建相似圖的對象矩陣以及鄰接矩陣，從而得到相似圖的拉普拉斯矩陣；5304對所述拉普拉斯矩陣進(jìn)行奇異值分解，求出矩陣特征值；5305將所述矩陣特征值進(jìn)行從小到大排列，根據(jù)所述矩陣特征值中的第二小的特征 值所對應(yīng)的景觀要素特征向量將所述相似圖一分為二，得到土壤空間分類圖。
5.如權(quán)利要求4所述的自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，所述步驟S305具體為根據(jù)所述矩陣特征值中的第二小的特征值得到其所對應(yīng)的景觀要素特征向量；根據(jù)所述景觀要素特征向量中各分量的正負(fù)號，將所對應(yīng)的景觀要素特征向量集一分 為二；根據(jù)對所述景觀要素特征向量的分類，進(jìn)而間接獲取土壤空間分類圖。
6.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括5401預(yù)先設(shè)定參與插值的最小監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目；5402利用土壤空間分類圖對插值單元進(jìn)行分類，將處于相同土壤空間類內(nèi)的插值單元定位為同一類；屬于同一類的插值單元構(gòu)成一個插值單元類；即，每一個插值單元類對 應(yīng)一個土壤空間類；S403 判斷某一插值單元類中的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目是否大于或等于步驟401中所預(yù)設(shè)的最 小監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目；若是，則根據(jù)所述插值單元類中的所有監(jiān)測樣點(diǎn)的觀察值構(gòu)建得到插值算子，并轉(zhuǎn)入 步驟S404 ；若否，則更換所述插值單元類重復(fù)執(zhí)行步驟S403 ；S404:根據(jù)所述插值算子對所述插值單元類中的任一未知單元進(jìn)行插值計(jì)算，得到未 知單元的插值結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，所述步驟S402中的分類方 式為二分樹數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)方式，具體包括將所述任一插值單元類定義為一個葉節(jié)點(diǎn)，在一個葉節(jié)點(diǎn)上存儲該插值單元類信息；在每個父節(jié)點(diǎn)上存儲指向兩個子節(jié)點(diǎn)的索引信息；其中，由底向上，下層子節(jié)點(diǎn)間的空間同質(zhì)性設(shè)置為比上層父節(jié)點(diǎn)間的強(qiáng)，且有相同父 節(jié)點(diǎn)的鄰近葉節(jié)點(diǎn)的空間同質(zhì)性設(shè)置為最強(qiáng)。
8.如權(quán)利要求7所述的自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，所述步驟S403中的判斷結(jié) 果為否的情況下，更換所述插值單元類重復(fù)步驟S403的過程具體為若所述被判斷的插值單元類中的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目小于所述預(yù)設(shè)的最小監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目，則 從與其相鄰節(jié)點(diǎn)中，即相鄰的另一插值單元類中搜索監(jiān)測樣點(diǎn)來完成插值；若所述兩個相鄰的被判斷的插值單元類中的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目之和仍小于所述預(yù)設(shè)的最 小監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目，則回溯到所述兩個相鄰的插值單元類所具有的共同父節(jié)點(diǎn)處搜索監(jiān)測樣 點(diǎn)來完成插值。
9.如權(quán)利要求6所述的自適應(yīng)空間插值方法，其特征在于，所述步驟S404中，未知單元 的插值結(jié)果Z(Xtl)按如下公式計(jì)算N(D1)ζ(χ0)= Σ々ζ(^)，i=\其中，Z = {ζ (Xl，yi)，Z (X2，Y2),..., Z (xk, yk)}為落入土壤空間類Di內(nèi)的監(jiān)測樣點(diǎn)集， 此處，土壤空間類Di即插值單元類，N(Di)指土壤空間類Di中所包含的監(jiān)測樣點(diǎn)數(shù)目，Z(Xi) 指對應(yīng)Di內(nèi)的監(jiān)測樣點(diǎn)ζ (xi; Yi)的觀測值，λ i是Z (Xi)對應(yīng)的權(quán)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)空間插值方法，屬于土壤數(shù)字制圖技術(shù)領(lǐng)域。為了解決數(shù)字土壤制圖中土壤屬性的空間插值的不可靠難題，本發(fā)明所提供的插值方法包括在地理空間上將土壤空間與景觀要素在垂直方向分開，底層是土壤圖層，上層是景觀要素特征向量層；按一定尺度將所述土壤圖層網(wǎng)格化，提取所述網(wǎng)格化土壤圖層中任意網(wǎng)格單元所對應(yīng)的景觀要素特征向量，并構(gòu)建景觀要素特征向量集；根據(jù)所述景觀要素特征向量集對土壤空間進(jìn)行分類，獲取土壤空間分類圖；建立基于所述土壤空間分類圖的插值算子，根據(jù)所述插值算子對土壤空間中的任意未知單元進(jìn)行插值。該技術(shù)方案提高并確保了復(fù)雜景觀環(huán)境下土壤屬性含量的空間插值的準(zhǔn)確性和可靠性。
文檔編號G06T11/00GK102074028SQ20101062396
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者尤冬梅, 潘立剛, 王紀(jì)華, 陸安祥, 韓平, 馬智宏 申請人:北京農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測與農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究中心