衛(wèi)星遙感在黑土地品質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

?_>_K一、 刖言土地是滿足人類生存需求的基本資源，黑土地更是上天贈與人類的珍寶。與其他土壤相比，黑土土壤有機(jī)質(zhì)含量更高、養(yǎng)分供給能力更強(qiáng)，是我國主要糧食產(chǎn)區(qū)，其耕地質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響我國糧食安全問題。然而，黑土資源在過度開發(fā)和自然因素作用下，土壤質(zhì)量退化現(xiàn)象已十分嚴(yán)重。為了實(shí)現(xiàn)土地資源的高效管理，精準(zhǔn)掌握有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的定量化監(jiān)測，科學(xué)開展土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和評估及黑土保護(hù)等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。土壤是一個(gè)在時(shí)間和空間上存在連續(xù)變異的綜合體，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有高空間和高光譜分辨率，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確獲取豐富的區(qū)域地表光譜信息，在土地質(zhì)量監(jiān)測中具有無可比擬的優(yōu)勢。應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行黑土地土壤質(zhì)量生態(tài)監(jiān)測在技術(shù)上具有可行性，在實(shí)踐中也取得了較好的成果。二、衛(wèi)星遙感在黑土監(jiān)測中的作用高光譜遙感又稱成像光譜遙感，是將成像技術(shù)和光譜技術(shù)相結(jié)合的多維信息獲取技術(shù)。高光譜遙感數(shù)據(jù)中包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息，具有重要的綜合應(yīng)用價(jià)值。高光譜影像的光譜分辨率一般優(yōu)于1Onm,可以探測出富含不同物質(zhì)的土壤光譜差異，在土壤組分含量的研究中具有一定優(yōu)勢，這一優(yōu)勢使高光譜遙感逐漸成為獲取土壤特性定量化數(shù)據(jù)的一種有效手段，并呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。由于在特定光譜域以高光譜分辨率同時(shí)獲得連續(xù)的地物光譜圖像，相較于多光譜遙感，高光譜遙感更有利于地球表面物理化學(xué)過程分析及地表物理化學(xué)參數(shù)的反演。因此，高光譜遙感廣泛應(yīng)用于土地質(zhì)量和農(nóng)作物生長狀態(tài)反演、制圖和評價(jià)等方面。高光譜遙感數(shù)據(jù)在黑土地中的應(yīng)用研究目前主要集中在基于黑土地土壤光譜反射特性的土壤物質(zhì)成分識別和定量反演、土壤光譜反射特性影響因素分析、土地適宜性和生產(chǎn)力綜合評價(jià)、土壤類型劃分和制圖、植被生物物理生物化學(xué)參數(shù)反演等方面。在農(nóng)業(yè)上，廣泛應(yīng)用于植被指數(shù)、植被葉面積指數(shù)、光合作用有效輻射估算、葉綠素、葉黃素等植物生化參數(shù)分析、植被生物量和作物單產(chǎn)估算、作物病蟲害監(jiān)測等。光譜遙感科學(xué)在黑土地監(jiān)測中的意義包括：（1） 實(shí)現(xiàn)黑土地天空地一體化集成調(diào)查以光譜遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建黑土地天空地集成遙感調(diào)查技術(shù)體系。通過研究黑土的光譜特征、遙感影像區(qū)域參數(shù)特征、植被覆蓋及土地利用變化及程度、土壤地球化學(xué)背景特征、土壤侵蝕特征等,確定黑土分布邊界、范圍、時(shí)空變化，評估黑土質(zhì)量狀況及變化，并預(yù)測變化趨勢，從而實(shí)現(xiàn)黑土地區(qū)域土地資源實(shí)時(shí)、快速調(diào)查。（2） 建立黑土地監(jiān)察體系，掌握黑土地動態(tài)變化以光譜遙感科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合地球化學(xué)及其他輔助方法提取得到的信息，建成涵蓋寒地黑土、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、礦區(qū)及過渡區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的黑土地關(guān)鍵帶觀測基地。利用遙感監(jiān)測、區(qū)域調(diào)查及關(guān)鍵帶觀測基地工作成果等，建立覆蓋全球主要黑土地區(qū)碳排放數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建黑土地天空地一體化調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測黑土關(guān)鍵帶的地球生態(tài)過程、黑土關(guān)鍵帶土壤質(zhì)量及其全球變化以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)響應(yīng)，為碳循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對黑土關(guān)鍵帶中碳循環(huán)及其與全球氣候變化和人類活動的關(guān)系進(jìn)行研究。（3） 預(yù)測黑土變化趨勢，為黑土地生態(tài)修復(fù)打下理論基礎(chǔ)通過對黑土地長期遙感調(diào)查和監(jiān)測，詳細(xì)研究黑土中能量及碳、氮等養(yǎng)分元素循環(huán)，建立一種多學(xué)科集成模型系統(tǒng)來表達(dá)不同圈層間能量、水和溶質(zhì)的相互作用及循環(huán)系統(tǒng)與氣候變化、人類活動的關(guān)系，并預(yù)測黑土變化趨勢，提出黑土修復(fù)建議，為黑土地修復(fù)工作的開展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。三、遙感黑土監(jiān)測的技術(shù)流程目前黑土地光譜遙感調(diào)查與監(jiān)測已經(jīng)形成了天空地一體化調(diào)查體系，主要包括航空高光譜遙感反演、航天中高空間分辨率遙感監(jiān)測和地面調(diào)查數(shù)據(jù)三個(gè)方面的立體監(jiān)測技術(shù)。航空高光譜反演以工作區(qū)內(nèi)典型土地樣本和農(nóng)作物樣品的實(shí)測光譜數(shù)據(jù)及地球化學(xué)測試數(shù)據(jù)作為切入點(diǎn)，研究樣品實(shí)測光譜數(shù)據(jù)與土地質(zhì)量/農(nóng)作物生長狀態(tài)之間的關(guān)系，構(gòu)建土地質(zhì)量和農(nóng)作物生長狀態(tài)的遙感反演評價(jià)模型。在此基礎(chǔ)上，拓展到基于航空高光譜遙感數(shù)據(jù)的土地質(zhì)量和農(nóng)作物生長狀態(tài)反演、制圖及評價(jià)?；炯夹g(shù)流程及方法主要包括航空高光譜數(shù)據(jù)獲取、航空高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、野外數(shù)據(jù)采集及處理、地球化學(xué)采樣與分析、土地質(zhì)量參數(shù)遙感反演方法、農(nóng)作物生長狀態(tài)的遙感反演方法、地面溫度反演方法、土地質(zhì)量評價(jià)方法8個(gè)方面。中分辨尺度衛(wèi)星遙感監(jiān)測流程中分衛(wèi)星遙感調(diào)查總體技術(shù)路線包括：工作區(qū)背景調(diào)研、文獻(xiàn)調(diào)研、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)獲取、遙感數(shù)據(jù)處理（包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的檢查、大氣校正、正射處理、數(shù)據(jù)融合、投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)裁切、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、質(zhì)量檢查和成果整理等工作）、典型區(qū)域野外調(diào)查、黑土覆蓋信息提取、水土流失強(qiáng)度信息提取、鹽堿地信息提取、沖溝信息提取、專題圖制作等內(nèi)容。高分辨尺度衛(wèi)星遙感監(jiān)測流程高分衛(wèi)星遙感調(diào)查基本技術(shù)路線包括：資料收集、高分辨率遙感影像與DEM等輔助信息獲取、遙感影像預(yù)處理（主要包括輻射校正、正射校正、影像配準(zhǔn)、影像融合及鑲嵌等步驟）、實(shí)測作物光譜數(shù)據(jù)和土壤采集樣本數(shù)據(jù)獲取及處理、作物種植結(jié)構(gòu)建模與提取、農(nóng)作物長勢監(jiān)測模型建立、農(nóng)作物估產(chǎn)、土地質(zhì)量評價(jià)、野外地面調(diào)查等（圖1）。

與處理

數(shù)據(jù)獲取買測植拔無諧及土壤采樣信息作物買如光菅與漲勢指標(biāo)感光港指數(shù)反演作物物候J力年作物神植面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)高分遙感監(jiān)測歷年地塊產(chǎn)量數(shù)據(jù)，實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證±模型修正完善模型構(gòu)建耕地質(zhì)重評價(jià)模型構(gòu)建作物￡勢監(jiān)測［J~作物I古廣模型構(gòu)建*?模型構(gòu)建圖1與處理

數(shù)據(jù)獲取買測植拔無諧及土壤采樣信息作物買如光菅與漲勢指標(biāo)感光港指數(shù)反演作物物候J力年作物神植面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)高分遙感監(jiān)測歷年地塊產(chǎn)量數(shù)據(jù)，實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證±模型修正完善模型構(gòu)建耕地質(zhì)重評價(jià)模型構(gòu)建作物￡勢監(jiān)測［J~作物I古廣模型構(gòu)建*?模型構(gòu)建圖1高分衛(wèi)星遙感調(diào)查技術(shù)流程圖廠總結(jié)G項(xiàng)目1.衛(wèi)星多光譜遙感技術(shù)在黑土監(jiān)測中的應(yīng)用在土壤信息提取方面，程彬等人（2011）通過在大范圍黑土區(qū)采集少量土壤樣品，進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)測定，并研究在ASTER遙感影像中典型黑土的光譜反射特性，建立黑土有機(jī)質(zhì)含量多元線性回歸模型，實(shí)現(xiàn)了對大范圍黑土有機(jī)質(zhì)含量的快速估測。馬馳（2016）以美國陸地衛(wèi)星（Landsat-8）OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源，研究了吉林北部黑土區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)反演技術(shù)，表明其4、5、6波段光譜倒數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量具有較高的相關(guān)系數(shù)。在土地利用類型變換監(jiān)測方面，吳娟（2017）以黑龍江省五常市2005年、2010年、2015年三期LandsatTM遙感影像為主要數(shù)據(jù)，輔助于DEM和其他數(shù)據(jù)，參照五常市土地分類體系和地物類型解譯標(biāo)準(zhǔn)以及遙感影像光譜及紋理分析結(jié)果，應(yīng)用CA-Markov模型完成了未來土地利用預(yù)測模擬研究。在土壤質(zhì)量等級評價(jià)方面，楊鳳海等人（2018）采用Landsat-5TM和Landsat-8OLI影像，基于遙感反演的植被指數(shù)、裸土指數(shù)、濕度指數(shù)和地表溫度指標(biāo)，經(jīng)過主成分分析構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)，對黑龍江省拜泉縣1985—2015年的水土流失情況進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測，分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的空間分布及變化，為地方政府準(zhǔn)確掌握研究區(qū)生態(tài)變化態(tài)勢，進(jìn)一步保護(hù)好生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)的依據(jù)。李鎮(zhèn)等（2019）基于美國快鳥（QuickBird）、地球眼（GeoEye-1）衛(wèi)星和世界觀測（Worldview-2）衛(wèi)星影像，將多光譜數(shù)據(jù)和全色波段數(shù)據(jù)按主成份分析法融合，以線性內(nèi)插法重采樣，再進(jìn)行正射校正,最后得到分辨率為0.61m和0.5m的真彩色圖像，用于侵蝕溝溝緣線提取。HaoxuanYang等人（2020）以東北松嫩平原的明水縣為研究區(qū)，利用美國航天飛機(jī)遙感測繪使命（STRM）DEM、遺留土壤數(shù)據(jù)和1984—2018年（4—5月為研究區(qū)土壤裸露期）20幅Landsat裸地影像，利用極大似然法分類，建立了基于高時(shí)間數(shù)據(jù)的數(shù)字土壤制圖模型。研究結(jié)果為類似光譜曲線的黑土區(qū)土壤類型制圖提供參考，為黑土區(qū)耕地保護(hù)、監(jiān)測和可持續(xù)利用提供技術(shù)支持。2.天空地一體化調(diào)查方法在黑土監(jiān)測中的應(yīng)用天空地一體化的核心內(nèi)容是整合天基、空基和地基等不同觀測手段，聚合分析多源多維異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)單一手段觀測尺度或維度的不足，實(shí)現(xiàn)不同手段和信息的協(xié)同和互補(bǔ)，服務(wù)應(yīng)急和決策。在黑龍江省海倫市長發(fā)鎮(zhèn)開展的衛(wèi)星遙感、航空高光譜、地面土壤地球化學(xué)調(diào)查的“星空地”調(diào)查中，以不同時(shí)序的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取農(nóng)作物長勢,航空高光譜提取土壤陽離子交換量、質(zhì)地以及土壤全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)；采取權(quán)重賦值法評價(jià)海倫市長發(fā)鎮(zhèn)土地質(zhì)量狀況；通過地面土壤地球化學(xué)采樣調(diào)查評價(jià)長發(fā)鎮(zhèn)土地質(zhì)量地球化學(xué)狀況；以