吉林大学学报(地球科学版) ›› 2026, Vol. 56 ›› Issue (5): 1806-1819.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20250052

• 地球探测与信息技术 • 上一篇    

基于多源数据的土壤侵蚀时空分布预测模型

揭磊1,王明常1,刘星男1,刘子维2,李晓燕3   

  1. 1.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026

    2.吉林建筑大学现代产业学院,长春130118

    3.吉林大学地球科学学院,长春130061

  • 出版日期:2026-09-26 发布日期:2026-10-18
  • 基金资助:

    国家重点研发计划项目(2021YFD1500104);吉林省教育厅科学技术研究项目(JJKH20231181KJ)


Soil Erosion Spatial and Temporal Distribution Prediction Model Based on Multi-Source Data

Jie Lei1, Wang Mingchang1, Liu Xingnan1, Liu Ziwei2, Li Xiaoyan3   

  1. 1. College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China

    2. Modern Industry College, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China

    3.  College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China

  • Online:2026-09-26 Published:2026-10-18
  • Supported by:
    Supported by the National Key Research and Development Program of China (2021YFD1500104) and the Scientific Research Project of Jilin Provincial Education Department (JJKH20231181KJ)

摘要: 土壤侵蚀是制约农业生产和可持续发展的严峻挑战。其类型多样、驱动因素复杂,预测其发生发展难度较大。本文针对土壤侵蚀的驱动因素和发生特点,基于多源数据,提取特征变量集,通过模拟退火(SA)算法选择最优特征变量子集。使用随机森林回归(RFR)构建土壤侵蚀速率(SER)预测模型,并绘制1990—2020年(5 a间隔)的SER空间分布图。最后,通过相关性分析和统计方法探讨SER的时空异质性。研究表明:筛选出的最优特征变量子集主要包括气候因子、遥感指数、缨帽变换分量和地形因子,涵盖年降雨量、植被与土壤相关指数、地表湿度特征和地形因子等多源环境变量;基于这些特征变量子集构建的RFR模型,均方根误差为0.048 mm/a,决定系数为0.662。1990—2020年SER呈波动趋势,主要为降低—增加—降低的变化;2005年和2020年SER波动主要受年降雨量增加的影响;SER平缓波动,中位数为1.06~1.22 mm/a,主要为轻度侵蚀,中度以上侵蚀区域较少。SER的空间分布呈现西部低、东部高的特点,具有显著的空间自相关性,表现为聚集性空间分布;土壤性质和地形地势等因素显著影响SER,并在局部区域存在一定的空间差异。

关键词: 遥感数据, 土壤侵蚀速率, 机器学习, 时空异质性分析, 预测模型

Abstract:

Soil erosion is a serious challenge that constrains agricultural production and sustainable development. Its types are diverse, and its driving factors are complex, making it difficult to predict its occurrence and development. This study focuses on  driving factors and occurrence characteristics of soil erosion, extracting a feature variable set from multi-source data, and selecting the optimal feature subset using the simulated annealing (SA) algorithm. A soil erosion rate (SER) prediction model is built using random forest regression (RFR), and spatial distribution maps of SER from 1990 to 2020 (at 5 a intervals) are generated. Finally, the spatiotemporal heterogeneity of SER is analyzed and discussed through correlation analysis and statistical methods. The results are as follows: The optimal feature subset consisted of climate, remote sensing, tasseled cap transformation, and topographic variables, including precipitation, vegetation and soil indices, surface moisture, and terrain metrics. The RFR model constructed based on these feature variables has a root mean square error of 0.048 mm/a and a coefficient of determination of 0.662. The SER from 1990 to 2020 fluctuated, mainly following a decrease-increase-decrease trend. The fluctuations in 2005 and 2020 were mainly influenced by increased annual precipitation. The SER fluctuated gently, with a median value ranging from 1.06 mm/a to 1.22 mm/a, primarily light  erosion, with relatively few areas experiencing moderate or severe erosion. The spatial distribution of SER showed a low-west and high-east pattern, exhibiting significant spatial autocorrelation and a clustered spatial distribution. Soil properties and topographic factors significantly influenced the SER, with notable spatial variations in certain local areas.

Key words: remote sensing data, soil erosion rate, machine learning, spatiotemporal heterogeneity analysis, prediction model

中图分类号: 

  • P237
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