1 第10章现代土壤调查技术与 土壤信息系统 《土壤地理学》电子教案 10.1 土壤地理调查 10.2 遥感技术在土壤调查中的应用 10.3 土壤-土地数字化数据库(SOTER) 10.4 土壤数据库简介 10.5 中国土壤系统分类自动检索系统 思考题与个案分析 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 2 教学重点 掌握土壤地理调查的基本方法 熟悉遥感技术在土壤地理调查中的应用 了解土壤-土地数字化数据库(SOTER) 了解国际主要土壤数据库的结构及其应用 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3 关键词 土壤调查(soil survey) 土样(soil sample) 土壤普查(general detailed soil survey) 芒塞尔土色卡(Munsellsoil chart) 土壤遥感(soil remote sensing) 土壤信息系统(soil information system, SIS) 全球土壤-土地数字化数据库(World Soil & Terrain Digital Data Base，SOTER) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 4 知识结构 10.1 土壤地理调查 10.2 遥感技术在土壤调查 中的应用 10.3 土壤-土地数字化数据 库(SOTER) 10.5 中国土壤系统分类自 动检索系统 认识土壤地理调查的 重要性，掌握其主要 方法 熟悉(SOTER)与土壤 数据库的结构，探索 土壤信息系统的开发 及其应用 10.4 土壤数据库简介 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5 土壤地理调查是通过野外实地观察成 土条件、土壤剖面特征，揭示区域土壤地 理发生发育规律的基本方法，也是土壤地 理学教学内容的有机组成部分。通过土壤 地理调查可应用和验证所学的理论与知 识，强化学生对教学内容的理解，培养学 生的科研与创新的能力。 10.1 土壤地理调查 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 6 ?揭示调查区土壤类型及其土壤发生规律； ?了解土壤发育(或退化)的空间分布特征； ?结合地形图和遥感影像图进行综合地学分 析，编制土壤(或土壤退化)类型图，为相关 科学研究和土壤开发利用提供基础资料。 10.1.1 土壤地理调查目的和任务 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 7 近100多年来世界各国陆续有计划地开 展了其土壤资源调查与制图工作，土壤地 理已经从简单的描述性与经验性，逐步发 展到广泛运用现代科学技术来标准化、定 量化和数据化。现代土壤地理调查基本程 序，如图10-1 所示。 10.1.2 土壤地理调查的基本程序 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 8图10-1 现代土壤地理调查基本程序图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 9 土壤剖面的设置、挖掘、观察、描述 与记录、土壤分析样品的采集是土壤地理 学研究的基本方法。土壤剖面点的设置应 具有广泛代表性，原则上每个土壤类型至 少有一个剖面点。 10.1.3 土壤剖面观察 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 10 土壤剖面观察与描述记载：按土壤剖 面垂直方向上土壤性状的差异(诊断特性) 及其变化划分土壤发生层次(诊断土层)， 即O枯枝落叶层、K矿质结皮层、A腐植质 土层、E淋溶土层、B淀积土层、P犁底土 层、G潜育土层、C母质层和R基岩层。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 11 在土壤剖面观察记录之后，可按土壤 调查的需要，以发生土层由下而上逐层采 集土壤剖面标本和样品。以便分析土壤性 质，进行土壤分类和制图，获得有关土壤 改良、水分状况、土壤-植物系统的特征， 为研究土壤发生发育规律提供科学数据， 为某些法律或法规仲裁提供资料。 10.1.4 土壤样品采集 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 12 现代遥感技术是土壤地理学研究的基本 方法，在大尺度土壤资源调查与制图、土壤 利用变化监测、土壤生产潜力评估、土壤退 化监测与防治，以及区域土地利用规划与管 理等方面具有巨大的应用价值。因此，它已 成为区域土壤调查制图必不可少的手段。 10.2遥感和GIS技术 在土壤调查中的应用 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 13 遥感信息以地物反射特性为基础，故土 壤及其覆盖物的光谱特性是土壤遥感解译的 基础。土壤遥感解译实质上是综合分析、逻 辑推理与验证的过程，其中不仅包括土壤地 理发生学理论、土壤类型分布规律的光谱特 性分析，也包括土壤、成土因素的光谱特性 分析。 10.2.1 土壤遥感目视解译原理与方法 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 14 土壤类型是依据诊断土层(或土体构型) 和诊断特性来划分的。但至今还无能反映土 体构型的遥感传感器，这就需要从遥感地学 分析入手，按土壤地理发生学理论，研究区 域土壤剖面构型、诊断特性与成土条件的相 关性，以建立区域土壤发生发育的时空模 型，并进行土壤遥感解译，如图10-2所示。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 15 图10-2 基于土壤发生学理论的土壤遥感解译模式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 16 土壤遥感影像目视解译是指直接利用 经过校正的遥感影像所反映的土壤景观的 光谱特性(色调、几何形状、阴影、纹理 和图形结构等)，或间接地应用地学相关 分析、信息复合、综合分析等方法对土壤 类型及其性状进行定位、定性与定量分析 和鉴别的过程，如图10-3和10-4所示。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 17图10-3 北京市怀柔区某地卫星遥感影像 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 18图10-4 北京市怀柔区某地土壤类型目视解译图 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 19 以遥感数据为主要依据，借助GIS和 计算机技术，采取人机对话方式输入遥感 数据与特征地物间的相互关系，然后经计 算机按照特定的法则进行自动分类，即依 据遥感像元点的数据特征识别其类型，与 实地类别联系并对各个像元进行聚类分 析，制出土壤类型图，如图10-5所示。 10.2.2 土壤遥感数据自动识别方法 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 20 图10-5 自动识别土壤类型的系统方法 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 21 传统土壤调查是基于土壤发生学理论 的。过程为：土壤野外调查专家通过研究 区土壤调查以建立区域土壤-景观模型，建 立研究区土壤个体与不同景观单元之间的 相互关系，然后土壤制图者通过遥感影像 绘制不同土壤类型或者土壤组合的空间范 围。其基本过程如图10-6和10-7所示。 10.2.3 土壤-景观推理模型(SoLIM) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 22 图10-6 土壤-景观推理模型(SoLIM)过程图 (据Axing Zhu，2002) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 23 图10-7 土壤-景观推理模型(SoLIM)过程图 (据Axing Zhu，2002) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 24 土壤信息包括发生土层(或诊断层)、单 个土体、土壤类型以及世界土壤分布的信 息，这些信息被汇编成为土壤图和土壤调 查报告。土壤图主要提供土壤地理信息； 土壤调查报告则提供土壤类型及其物质组 成和性状信息，如图表10-1、图10-8所示。 10.3 土壤-土地数字化数据库 10.3.1 土壤图中的土壤信息 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 25 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 26 图10-8 世界土壤图所包含信息 (a:直接信息；b：推断的信息；) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 27 国际土壤学会(ISSS) 、FAO和加拿大土 地资源研究中心合作研发了SOTER方法，将 模式化的地形、形态、坡度、母质和土壤类 型信息集成在SOTER 1:100万的制图单元 中，每个制图单元都通过GIS与包含有地质 地貌、土壤、气候、植被和土地利用现状等 信息的数据库相链接，如图10-9所示。 10.3.2 全球土壤-地形数据库(SOTER) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 28图10-9 SOTER提供的区域信息和点状信息数据库结构图 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 29 SOTER的基本思路是：在土壤制图单元 中叠加包含模式化地形、岩性、母质、植被 等信息的图层，使制图单元代表着独特地形 与土壤性状组合，如图10-10、10-11所示。 可见SOTER制图类似于自然地理学的土壤制 图，与传统的土壤制图的主要区别在于它强 调区域地形与土壤的相互关系。 10.3.3 全球土壤-地形数据库的结构 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 30 图10-10 SOTER单元与组成成分间相互关系及划分标准 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 31 图10-11 SOTER单元及其地形组成(TC)、属性与空间位置图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 32 土壤数据库包含每个0.5°×0.5°陆地网 格单元的空间数据(土壤类型、网格单元不 同土类面积比例的数字文件数据)和显示在 数字栅格地图上的属性数据。属性数据包 括与106个土壤单元相关土壤剖面数据，还 包括获取土壤信息实验室、分析方法和原 始数据来源等，如图10-12、10-13所示。 10.4 土壤数据库简介 10.4.1 全球土壤数据库 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 33 图10-12 土壤数据库的基本结构图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 34图10-13 WISE土壤剖面数据库变量的示意图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 35 美国土壤调查局(NCSS)开发的土壤调 查数据库包含6个数据文件：土壤特征记录 (单个土体调查SCR)、图斑单元(土壤组合) 记录(MUR)、土系单元记录(TUR)、土壤 调查地理数据库(SSURGO)、州级-国家级 土壤地理数据库(STATSGO-NATSGO)。 并按NCSS数据性质标准对上述信息进行鉴 定，如图10-14所示。 10.4.2 美国土壤调查数据库 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 36 图 10- 14 美 国 土 壤 调 查 数 据 库 中 空 间 资 料 相 互 关 系 图 式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 37 加拿大1972年开始土壤信息系统(Can- SIS)、国家土壤数据库(NSDB) 的研究，以支 持加拿大农业生产，在Arc/Info软件支持下利 用Can-SIS处理土壤、地理、气候、土地利用 和作物产量等数据，其国家土壤数据库 (NSDB)是其核心内容。NSDB作为国家土地 资源档案信息，是由联邦和各省开展田间调 查资料的系统汇总。 10.4.3 加拿大土壤数据库 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 38 中国学术界已经认识到，获取土壤-土 地资源信息是合理利用土壤资源、维护土 壤资源可持续性的基础，而SOTER的建立 则是获取土壤-土地资源信息的关键。将土 壤分类和土地分类系统及其研究成果标准 化、定量化，系统地存储SOTER之中，并 可按照需要随时输出。 10.4.4 中国SOTER研究现状 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 39 用C++Builder将中国土壤系统分类检索表 中决策逻辑关系转化为计算机能识别的决策 网络-中国土壤系统分类自动检索系统 (Automatic Search System of Chinese Soil Taxonomic Classification, ASS-CSTC)。该系 统按土壤系统分类指标体系向用户提出一系 列问题，并根据用户提供的土壤信息，完成 土壤类型(即土纲)的自动识别。 10.5 中国土壤系统分类自动检索系统 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 40 中国土壤系统分类自动检索系统(ASS- CSTC)的主要目标是：根据中国土壤系统 分类检索表向用户提出一系列问题，并根 据用户提供的有关待分类土壤的基本信 息，完成土壤类型(土纲)自动识别；系统自 定义一种文件格式，并以此向用户输出土 壤类型识别结果，如图10-15、10-16所示。 10.5.1 ASS-CSTC的设计 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 41 图10-15 ASS-CSTC的基本结构图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 42图10-16 ASS-CSTC系统实施技术路线图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 43 设计中国土壤系统分类自动检索系统 (ASS-CSTC) 流程的重要步骤，是严格按 照中国土壤系统分类的内在逻辑关系而制 定出计算机化流程。这里列举出14个土纲 的检索流程，如图10-17、10-18所示。 10.5.2 ASS-CSTC检索过程及功能 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 44图10-17 ASS-CSTC中14个土纲检索流程图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 45图10-18ASS-CSTC中雏形土亚纲的检索流程图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 46 中国土壤系统分类数据库(DB-CSTCD) 主要采用生命周期法进行设计，利用快速应 用程序开发法、面向对象技术、客户/服务 器技术、网络GIS技术、面向对象数据库技 术和软件重用原则进行实施。DB-CSTC的 结构是：建立土壤地理信息系统的要求，开 发能在因特网上发布多层土壤地理信息的应 用程序，其总体结构如图10-19所示。 10.5.3 中国土壤系统分类数据库 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 47 图10-19 DB-CSTC的结构图式 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 48 思考题与个案分析 1. 怎样确定土壤地理调查路线、怎样布设土壤剖面观察点。 2. 简述并实践土壤剖面修整与观测、土层划分、土壤特性观 察与描述记录的一般方法。 3. 通过查阅资料，试简述土壤样品采集与处理的一般方法。 4. 结合土壤地理学、自然地理学野外实习活动，试简述在野 外土壤地理调查中，你是怎样使用地形图、地质地貌图和 遥感影像图的。 5. 结合土壤地理发生学理论简述土壤遥感解译原理与方法。 6. 结合你所学习的GIS、数据库方面的知识，试简述建立区 域土壤地理信息系统(S-GIS)的结构特点。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com