南疆农田土壤盐分三维可视化系统设计

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土壤盐渍化会阻碍农作物正常生长,进而制约农业可持续发展,因此研究土壤盐渍化信息对农田盐渍化治理有重要意义。由于传统土壤盐分调查方法效率低下,使用新方法统计土壤盐分信息并结合计算机技术进行三维可视化系统设计,并依此得到土壤盐分的空间变异信息,成为国内外研究的热点与难点。在土壤盐分的相关研究中,其电导率与含盐量为正比关系,可以使用电导率反映土壤中含盐量的多少。本文选取新疆南疆阿拉尔市农田作为试验区,使用EM38-MK2大地电导率仪快速采集土壤表观电导率,并检测土壤样品的实测电导率。通过使用线性模型、克里金插值法、Cesium三维可视化等多种方法,开展土壤采样、电导率精确解译、电导率插值计算、土壤盐分空间变异分析、土壤盐分三维可视化系统实现等研究工作。主要研究结果包括以下几个方面:(1)基于电磁感应数据的土壤电导率反演模型研究使用EM38-MK2在水平、垂直两种模式下采集的ECh0.5、ECh1.0、ECv0.5、ECv1.0进行相关性分析以确保数据可信度,并对采集的土壤样品进行含水率与电导率分析。对这四项数据分别按0~20cm、20~40cm、40~60cm、60~80cm、80~100cm土层建模,进行建模因子的确定。通过表观电导率数据与土样实测电导率数据,以2:1的比例将土壤样品数据组分为建模集与验证集进行建模,得出土壤电导率解译模型与模型指标。研究结果表明,表观电导率数据的相关系数均大于0.95,具有可信度,且土壤样品的含水率均在20%左右,满足模型建立条件。在0~20cm、20~40cm深度的土层,使用ECh0.5作为建模因子,决定系数(R~2)分别为0.81与0.85;在40~60cm土层,使用ECv0.5作为建模因子,R~2为0.91;在60~80cm、80~100cm土层,使用ECv1.0作为建模因子,R~2分别为0.84,0.74。土壤电导率解译模型的RPD指标均大于2.0,具有良好预测能力。(2)土壤盐分三维变异性研究将表观电导率经过土壤电导率解译模型演算,得出各个土层的土壤电导率数据,使用普通三维克里金插值法(3D-Ordinary Kriging)实现土壤盐分的三维可视化,研究南疆农田土壤剖面盐分的分布情况。研究表明:使用普通三维克里金插值法可以高精度展示出盐分在土壤剖面中的分布位置与含量,土壤电导率三维数据分析结果表明,在覆膜、灌溉、气温、土壤质地与地下水等因素的影响下,盐分主要分布土层为0~20cm,随着土层的加深,土壤盐分含量逐渐下降,在部分地区20~40cm与40~60cm土壤盐分含量相近,初步分析为滴灌将表面盐分淋洗至这一土层。(3)三维可视化系统研究对WebGL进行调研分析,对开源WebGIS平台Cesium深入研究,总结Cesium的关键功能特性。通过对土壤盐分三维可视化进行需求分析,设计系统功能模块,确定系统设计原则和表现层、服务层和数据层的三层架构设计。对Cesium源码进行一定的修改,满足土壤电导率数据在地下视角显示的需求。开发土壤盐分三维可视化系统,并在系统中使用土壤电导率散点数据、整体插值图、剖面插值图等数据,实现土壤电导率属性值查看与三维可视化功能。
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