張飛揚(yáng)，胡月明，謝英凱*，謝健文，蕭嘉明，封寧，周煉清，史舟

（1.廣州市華南自然資源科學(xué)技術(shù)研究院，廣州 510642；2.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，?？?570228；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642；4.廣東省土地信息工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；5.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058）

中國(guó)用世界7%左右的耕地養(yǎng)活了世界約19%的人口，人均耕地面積排在世界126 位，糧食需求的壓力巨大[1]。雖然近年來(lái)我國(guó)實(shí)行的耕地保護(hù)政策使耕地?cái)?shù)量趨于穩(wěn)定[2]，但隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的發(fā)展，耕地“占優(yōu)補(bǔ)劣”、耕地退化、環(huán)境污染等導(dǎo)致耕地質(zhì)量問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，直接影響糧食質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品安全[3]。相對(duì)于耕地?cái)?shù)量的變化，耕地質(zhì)量受自然、生態(tài)、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)多重因素影響，其變化更為復(fù)雜[4]。我國(guó)正在構(gòu)建耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”的耕地管理和保護(hù)新格局，其中耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)是耕地管理工作的基礎(chǔ)，是開展耕地保護(hù)工作的重要前提[5-6]。

現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)耕地質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，主要依靠野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析。工作人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后通過(guò)觀測(cè)判斷、問(wèn)卷調(diào)查、挖剖面進(jìn)行測(cè)量等方式獲得現(xiàn)場(chǎng)記錄并采集土樣。土樣送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干和研磨過(guò)篩等預(yù)處理工序后，進(jìn)行物理分析、化學(xué)分析或電化學(xué)分析，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。上述方法雖然能夠消除環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響，但是整個(gè)采樣分析流程的周期長(zhǎng)，無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)快速出具監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果，并且數(shù)據(jù)的時(shí)空變化信息較少[7]。在常規(guī)監(jiān)測(cè)方法中引入移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速獲取耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[8]。

國(guó)外已進(jìn)行了移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的研究和應(yīng)用。美國(guó)耕地監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室大部分是由公司或?qū)嶒?yàn)室運(yùn)營(yíng)，為用戶提供耕地現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)服務(wù)[9-11]，例如Environmental Chemistry Consulting Services 公司的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、New Age Laboratories的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室等，主要監(jiān)測(cè)耕地土壤、灌溉水及各類嚴(yán)重影響農(nóng)產(chǎn)品安全和消費(fèi)者身體健康的污染指標(biāo)。巴西Embrapa公司的Fertmovel移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和印度ELICO移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室主要監(jiān)測(cè)耕地土壤的pH值、鉀、磷等耕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)。

近年來(lái)，我國(guó)的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室已應(yīng)用在食品安全、檢驗(yàn)檢疫等多種業(yè)務(wù)當(dāng)中[12-13]，例如中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院的肉制品安全移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室[14]、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室[15]、中國(guó)人民解放軍第二軍醫(yī)大學(xué)的生物采樣偵檢車[16]等。并且，可用于耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)的快速檢測(cè)技術(shù)也有一定的發(fā)展[17-18]。然而，移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室只使用車內(nèi)速測(cè)儀器進(jìn)行耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)的時(shí)空變化信息依舊較為匱乏，需要進(jìn)一步集成時(shí)間和空間信息更豐富的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和地面速測(cè)裝備的發(fā)展為耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法的創(chuàng)新提供了理論基礎(chǔ)[19]。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)可以周期性獲得廣域范圍內(nèi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[20]，適用于大范圍耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)與預(yù)警分析[21]，但是遙感數(shù)據(jù)易受大氣等環(huán)境干擾，且數(shù)據(jù)空間分辨率相對(duì)較低[22]，無(wú)法滿足精細(xì)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)需求。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)可獲得高空間分辨率的低空遙感數(shù)據(jù)[23]，能夠有效完成新增耕地、占補(bǔ)平衡等高精度調(diào)查監(jiān)測(cè)[24-25]，但監(jiān)測(cè)成本高，不適合大區(qū)域作業(yè)，需要其他手段輔助[26-27]。以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以定時(shí)采集、自動(dòng)傳輸現(xiàn)場(chǎng)的土壤含水量、pH 值等環(huán)境數(shù)據(jù)[28-30]，能夠滿足部分耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)的高時(shí)間分辨率監(jiān)測(cè)需求，但是傳感器監(jiān)測(cè)精度容易受環(huán)境影響[31-32]。地面速測(cè)設(shè)備可以現(xiàn)場(chǎng)完成土壤等指標(biāo)的分析，精度相對(duì)高于遙感和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但是需要進(jìn)行人工采樣和操作，監(jiān)測(cè)范圍和工作效率較低[33-35]。如果直接將衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)和地面速測(cè)應(yīng)用于耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)，多類型的監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)使監(jiān)測(cè)工作變得更加復(fù)雜。

綜上所述，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)效率等方面還有缺陷，不太適宜直接應(yīng)用于耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)中對(duì)耕地質(zhì)量巡查和污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法和時(shí)空數(shù)據(jù)分析有需求的業(yè)務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法費(fèi)用高、分析時(shí)間長(zhǎng)，不適于耕地質(zhì)量巡查等需要分析大量地塊的業(yè)務(wù)，也較難及時(shí)監(jiān)測(cè)突發(fā)污染地區(qū)的耕地質(zhì)量空間和時(shí)間變化情況[36]。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)方法分析速度快、能夠現(xiàn)場(chǎng)完成檢測(cè)，但是數(shù)據(jù)的時(shí)空變化信息較少[37]。天空地多種監(jiān)測(cè)方法能夠提供豐富的時(shí)空變化信息，但是同時(shí)使用多監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常復(fù)雜[38]。本研究以移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室作為平臺(tái)，集成天空地多種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，探索創(chuàng)新一套現(xiàn)場(chǎng)快速獲取耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)及時(shí)空變化的監(jiān)測(cè)方法。與標(biāo)準(zhǔn)的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法搭配使用形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，滿足不同耕地質(zhì)量業(yè)務(wù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出具監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)時(shí)空信息等需求[39]。

本研究整合多部委原有的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)并結(jié)合天空地多種監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)建天空地一體耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系；以移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，結(jié)合地面原位監(jiān)測(cè)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)天空地一體移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)；利用中間件技術(shù)，設(shè)計(jì)將天空地多種監(jiān)測(cè)方式與移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合的集成方法。最終完成天空地一體耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室集成設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量多時(shí)空尺度的快速監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支撐。

1 天空地一體移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室集成設(shè)計(jì)

1.1 耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系構(gòu)建

自然資源部與農(nóng)業(yè)農(nóng)村部均涉及耕地質(zhì)量保護(hù)工作，但不同業(yè)務(wù)部門所采取的指標(biāo)體系一般會(huì)偏重于各自的業(yè)務(wù)需求，并且均以常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室分析的監(jiān)測(cè)方式為基礎(chǔ)。原國(guó)土資源部于2011 年下發(fā)《國(guó)土資源部辦公廳關(guān)于開展耕地質(zhì)量等級(jí)監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作的通知》（國(guó)土資廳函〔2011〕5 號(hào)），監(jiān)測(cè)指標(biāo)采用原《農(nóng)用地分等指標(biāo)》，內(nèi)容囊括農(nóng)用地的土壤環(huán)境指標(biāo)、地形因素和水利條件，主要反映耕地的潛在生產(chǎn)能力。原農(nóng)業(yè)部的全國(guó)耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)工作中采用的耕地地力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，考慮了土壤、肥料、環(huán)境、國(guó)土、作物栽培、信息系統(tǒng)等多方面因素影響。此外，現(xiàn)有的指標(biāo)主要考慮不同區(qū)域情況，對(duì)快速分析和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法等業(yè)務(wù)需求響應(yīng)較弱。現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系無(wú)法滿足快速耕地質(zhì)量移動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，有必要建立一套既滿足業(yè)務(wù)需求又具備科學(xué)性、可操作性的天空地一體耕地質(zhì)量移動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。

耕地質(zhì)量移動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)充分發(fā)揮其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、覆蓋性廣及智能化優(yōu)勢(shì)，切實(shí)解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)題，為業(yè)務(wù)部門提供科學(xué)高效的監(jiān)測(cè)模式及管理決策支持。本研究使用頻度分析法和特爾斐法進(jìn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選取，監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選取應(yīng)該充分考慮業(yè)務(wù)需求，在指標(biāo)選取過(guò)程中應(yīng)遵循科學(xué)性和可操作性原則，建立在業(yè)務(wù)部門標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程以及實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析國(guó)土、農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程和實(shí)際項(xiàng)目的指標(biāo)體系，每個(gè)指標(biāo)需經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜艺撟C和科學(xué)知識(shí)推理；同時(shí)能夠體現(xiàn)快速、高精度等特性，可快速響應(yīng)耕地質(zhì)量災(zāi)害及污染事件的應(yīng)急監(jiān)測(cè)，解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的低效問(wèn)題，監(jiān)測(cè)結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，避免數(shù)據(jù)誤差影響到管理決策。本研究以原國(guó)土資源部《農(nóng)用地分等規(guī)程》（TD/T 1004—2003）和原農(nóng)業(yè)部《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（NY/T 1634—2008）為基礎(chǔ)，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）、《高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)評(píng)價(jià)規(guī)范》（GB/T 33130—2016）、《耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（NY/T 1119—2019）等國(guó)土和農(nóng)業(yè)的指標(biāo)體系，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)地分析整理并提取使用頻率較高的指標(biāo)，同時(shí)綜合國(guó)土、農(nóng)業(yè)、環(huán)保各部門的監(jiān)測(cè)需求，遵循科學(xué)性和可操作性原則，考慮土地整治、高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)等工程措施對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的人為干擾[33]，結(jié)合衛(wèi)星影像、無(wú)人機(jī)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)征詢專家意見進(jìn)行篩選和綜合調(diào)整，建立了一套耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的指標(biāo)體系。具體指標(biāo)如表1所示。

表1 耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)指標(biāo)Table 1 The monitoring indicators of farmland quality monitoring mobile laboratory

在天空地多種監(jiān)測(cè)方式中，代表“天”的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的高光譜遙感數(shù)據(jù)主要用于獲取有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮等與耕地地力相關(guān)的指標(biāo)以及土壤重金屬元素、鹽堿程度等污染相關(guān)的指標(biāo)[40]，多光譜遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)植被覆蓋率、葉面積指數(shù)等指標(biāo)，可見光遙感影像則監(jiān)測(cè)田面坡度等指標(biāo)；代表“空”的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的高光譜成像數(shù)據(jù)用于獲取土壤有機(jī)質(zhì)、土壤氮磷鉀、土壤重金屬等指標(biāo)，多光譜成像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)歸一化植被指數(shù)、植被覆蓋率等指標(biāo)，航拍影像需要獲取灌溉保證率、田間道路通達(dá)度、巖石露頭度等指標(biāo)；代表“地”的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和原位速測(cè)技術(shù)可以測(cè)得有機(jī)質(zhì)含量、氮磷鉀含量、重金屬含量、田面坡度等指標(biāo)。

1.2 耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究創(chuàng)新一套以移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，集成衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、無(wú)線傳感器和原位監(jiān)測(cè)等多種方法，建立從高空、低空、地表到地下的多層級(jí)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系（圖1），實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室更強(qiáng)的時(shí)間和空間變化識(shí)別能力。

圖1 耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室整體架構(gòu)Figure 1 The overall methodological framework of farmland quality monitoring mobile laboratory

本研究的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)是一臺(tái)全順客車，北京環(huán)達(dá)汽車裝配有限公司進(jìn)行改裝，車身全長(zhǎng)6.50 m、寬2.08 m、高2.95 m，改裝后總質(zhì)量3.93 t，車體劃分成駕駛區(qū)、監(jiān)測(cè)區(qū)、承載區(qū)，車內(nèi)由蓄電池、汽油發(fā)電機(jī)或外接市電進(jìn)行供電，并配備了給排水、空調(diào)、4G無(wú)線路由。

利用我國(guó)高分系列衛(wèi)星和其他遙感衛(wèi)星獲取大區(qū)域、周期重復(fù)測(cè)定的圖像及多光譜、高光譜等遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合耕地質(zhì)量地面光譜與地面調(diào)查數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生大區(qū)域、周期性的衛(wèi)星遙感耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量宏觀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)現(xiàn)使用高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以獲得2 m 分辨率的全色、8 m 分辨率的多光譜數(shù)據(jù)，覆蓋周期41 d。

續(xù)表1 耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)指標(biāo)Continued table 1 The monitoring indicators of farmland quality monitoring mobile laboratory

利用多旋翼和固定翼無(wú)人機(jī)搭載傳感器，獲取特定區(qū)域高時(shí)空分辨率的耕地圖像、多光譜、高光譜以及三維模型等低空遙感數(shù)據(jù)，可有效彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不足，實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)的局域高精度測(cè)量。本系統(tǒng)現(xiàn)使用大疆的精靈4無(wú)人機(jī)，最大飛行速度50 km·h-1，垂直定位精度±0.1 m、水平定位精度±0.3 m，最長(zhǎng)飛行時(shí)間約27 min。無(wú)人機(jī)搭載1臺(tái)集成了1個(gè)可見光傳感器和5個(gè)多光譜傳感器的長(zhǎng)光禹辰MS600多光譜相機(jī)，單個(gè)傳感器有效像素208 萬(wàn)，多光譜包含藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅外，地面采樣距離為H/18.9，單位為厘米每像素，H為無(wú)人機(jī)飛行高度。

本團(tuán)隊(duì)以CC2530作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要模塊研發(fā)的無(wú)人機(jī)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面采集節(jié)點(diǎn)和無(wú)人機(jī)機(jī)載匯聚節(jié)點(diǎn)組成[41]，可以獲取耕地采樣點(diǎn)的土壤、灌溉水、氣象以及農(nóng)作物圖像的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表特征數(shù)據(jù)長(zhǎng)期連續(xù)采集，采樣時(shí)間比常規(guī)系統(tǒng)減少25%，數(shù)據(jù)傳輸效率是常規(guī)系統(tǒng)的8 倍，數(shù)據(jù)傳輸能耗比常規(guī)系統(tǒng)降低50%[42]。

利用便攜式分析儀、臺(tái)式速測(cè)儀等原位測(cè)量?jī)x器設(shè)備，可在現(xiàn)場(chǎng)分析土壤、灌溉水、農(nóng)作物等樣品數(shù)據(jù)，快速獲取采樣點(diǎn)土壤特性等耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)。本系統(tǒng)現(xiàn)主要使用托普儀器的TPY-6 土壤養(yǎng)分速測(cè)儀，可測(cè)土壤的氮、磷、鉀、pH 值、有機(jī)質(zhì)含量，pH 值的相對(duì)誤差±0.5，其他相對(duì)誤差±5%；使用一臺(tái)便攜式光譜儀，采集土壤的高光譜數(shù)據(jù)并反演重金屬等元素含量。

通過(guò)天空地多種監(jiān)測(cè)方式配合，可有效滿足耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)在覆蓋范圍、時(shí)空采樣頻率、時(shí)效性、觀測(cè)精度等方面的需求。從空間尺度來(lái)看，高分衛(wèi)星遙感-無(wú)人機(jī)低空遙感-地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和原位監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域-農(nóng)田-樣點(diǎn)的監(jiān)測(cè)；從時(shí)間尺度來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)-高分衛(wèi)星遙感-無(wú)人機(jī)低空遙感和地面原位監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了高頻-中頻-低頻的監(jiān)測(cè)。

1.3 移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室集成

天空地多種監(jiān)測(cè)方法組合有效滿足了耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)在覆蓋范圍、采樣頻率、時(shí)效性、觀測(cè)精度等方面的需求，但是多種監(jiān)測(cè)手段集成使得監(jiān)測(cè)過(guò)程與數(shù)據(jù)類型較為復(fù)雜，需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)并研制天空地一體化監(jiān)測(cè)的集成設(shè)備。天空地一體監(jiān)測(cè)方法的集成主要使用了物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)，為衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、無(wú)線傳感器網(wǎng)、原位監(jiān)測(cè)多種方式分別設(shè)計(jì)硬件中間件、軟件中間件和平臺(tái)中間件，將多種監(jiān)測(cè)方法集成到移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室與數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量信息的融合、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。天空地一體監(jiān)測(cè)方法的集成架構(gòu)如圖2所示。

圖2 天空地一體耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法信息化集成Figure 2 An integrated method for Space-Air-Ground farmland quality monitoring

（1）通過(guò)硬件中間件將地面監(jiān)測(cè)的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室車載設(shè)備集成到數(shù)據(jù)中心。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)每臺(tái)儀器設(shè)備都會(huì)加裝作為硬件中間件的數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)由控制模塊、接口模塊、通信模塊和存儲(chǔ)模塊組成。接口模塊用于連接儀器設(shè)備，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)與儀器設(shè)備的通信；通信模塊用于接入車內(nèi)局域網(wǎng)，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心通信；存儲(chǔ)模塊用于某一端通信不正常時(shí)，緩存數(shù)據(jù)或者命令；控制模塊則是總控節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊。儀器設(shè)備完成分析的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)自動(dòng)傳輸?shù)揭苿?dòng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對(duì)儀器設(shè)備的命令也通過(guò)數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的儀器設(shè)備。以此完成將土壤大量元素、重金屬元素等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)方法集成到移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。硬件中間件擬采用Arduino及其各類功能模塊。Arduino 是一種開源的電子原型平臺(tái)，不僅能夠方便快捷地進(jìn)行軟硬件開發(fā)，各類型號(hào)都留有足夠豐富的接口，例如數(shù)字輸入輸出、模擬輸入輸出、UART 串行通信、SPI、I2C。其開源硬件的特性也帶來(lái)了豐富的外接配件，例如RS232、RJ45等，非常適用于儀器設(shè)備多樣的天空地一體移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。

（2）通過(guò)軟件中間件將地表立體無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和低空無(wú)人機(jī)集成到數(shù)據(jù)中心。軟件中間件運(yùn)行在移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中心內(nèi)，當(dāng)無(wú)人機(jī)完成低空遙感數(shù)據(jù)采集和地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚后，外業(yè)人員將無(wú)人機(jī)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)中心相連接，軟件中間件自動(dòng)提取無(wú)人機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類整理。這就實(shí)現(xiàn)了將pH 值、灌溉保證率等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)方法集成到移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。軟件中間件擬使用C#編寫運(yùn)行在車內(nèi)數(shù)據(jù)中心的窗體程序，在識(shí)別到無(wú)人機(jī)存儲(chǔ)連接后對(duì)存儲(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行掃描，并根據(jù)文件的時(shí)間、坐標(biāo)點(diǎn)等信息進(jìn)行分組存儲(chǔ)。

（3）通過(guò)平臺(tái)中間件將衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)集成到數(shù)據(jù)中心。平臺(tái)中間件運(yùn)行在移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中心，根據(jù)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)任務(wù)的區(qū)域范圍、采樣點(diǎn)分布等信息，向衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸申請(qǐng)，并且將數(shù)據(jù)引導(dǎo)至實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)。這就實(shí)現(xiàn)了將地形、農(nóng)作物分類等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)方法集成到移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。

通過(guò)技術(shù)集成提升了耕地質(zhì)量天空地一體化監(jiān)測(cè)的設(shè)備自動(dòng)化以及信息化管理程度，能夠?qū)崿F(xiàn)不同監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)存儲(chǔ)，多種方式采集得到的數(shù)據(jù)由移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一整合并發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，降低了數(shù)據(jù)錄入過(guò)程的工作量和人為出錯(cuò)幾率；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可追溯，每一步操作都會(huì)與數(shù)據(jù)一起自動(dòng)記錄并在線傳輸，為進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)查提供有力的支持，能夠提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

基于上述的探討，本研究設(shè)計(jì)并研制了天空地一體的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室原型系統(tǒng)（圖3）。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室配備了無(wú)人機(jī)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、速測(cè)儀、工作站等設(shè)備，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸、管理等軟件系統(tǒng)；同時(shí)，移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了供水、供電、換氣等硬件改造，并配備了車內(nèi)局域網(wǎng)、4G 網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室裝配了部分速測(cè)儀器及設(shè)備，參與完成了耕地質(zhì)量調(diào)查、旱改水工程驗(yàn)收等工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作情況，天空地一體移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一整合、高效管理、快速調(diào)用分析。

圖3 耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室Figure 3 Farmland quality monitoring mobile laboratory

2019 年6 月27 日，根據(jù)耕地提質(zhì)改造項(xiàng)目主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)的需求，移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室搭載高光譜儀、土壤養(yǎng)分速測(cè)儀、電子天平以及取樣工具，對(duì)廣州市花都區(qū)炭步鎮(zhèn)華嶺村的耕地提質(zhì)改造項(xiàng)目的耕地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室2 h內(nèi)采集總共5個(gè)樣點(diǎn)的土樣及土壤光譜，利用土壤養(yǎng)分速測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值，利用高光譜儀反演鎳、鉛、銅、砷、鋅、鎘、汞、鉻的元素含量，并用常規(guī)方法獲取土壤機(jī)械組成。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比，移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室極大地縮短了獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間，可在現(xiàn)場(chǎng)快速出具耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。采樣點(diǎn)分布和檢測(cè)結(jié)果如圖4和表2所示。

表2 耕地質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果Table 2 Test results of farmland quality

與傳統(tǒng)的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法相比，本研究創(chuàng)制的天空地一體移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

首先，集成后的天空地一體耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室可以降低傳統(tǒng)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)所需的時(shí)間、人力和物力成本。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)采集、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)分析，并通過(guò)集成化系統(tǒng)將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸至遠(yuǎn)程云平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)算分析，將原來(lái)需要至少一個(gè)月的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)檢驗(yàn)分析過(guò)程縮短為現(xiàn)場(chǎng)可以完成采樣點(diǎn)指標(biāo)的采集、檢驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。在完成區(qū)域內(nèi)所有采樣點(diǎn)指標(biāo)采集的同時(shí)，云平臺(tái)就可以開始運(yùn)算分析所需監(jiān)測(cè)的目標(biāo)耕地及其周邊區(qū)域的指標(biāo)現(xiàn)狀、指標(biāo)變化過(guò)程并進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，縮短了原來(lái)人工收集、整理檢驗(yàn)分析所得的數(shù)據(jù)，手工錄入系統(tǒng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合分析的過(guò)程。

其次，全流程的信息化和低空遙感、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的利用，實(shí)現(xiàn)了耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)的分析過(guò)程及數(shù)據(jù)來(lái)源的可追溯性，降低了調(diào)查人員現(xiàn)場(chǎng)主觀判斷對(duì)結(jié)果的影響，也為指標(biāo)復(fù)查分析提供條件?，F(xiàn)有耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法當(dāng)中，對(duì)于灌溉保證率等現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、人工記錄的指標(biāo)，難以進(jìn)行指標(biāo)的檢驗(yàn)和復(fù)查。常規(guī)實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析的指標(biāo)也需要人工調(diào)取周邊過(guò)往數(shù)據(jù)，以此來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否有誤，如果差異較大還需重新進(jìn)行化驗(yàn)分析。天空地一體耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的低空遙感數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以全面地記錄目標(biāo)耕地及周邊地區(qū)的情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查指標(biāo)的判斷和復(fù)查提供清晰完整的判斷依據(jù)。集成化、信息化的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室不僅可以記錄指標(biāo)采樣分析過(guò)程中的每一步操作，提升指標(biāo)數(shù)據(jù)的可追溯性，還能夠在云平臺(tái)內(nèi)自動(dòng)調(diào)用周邊數(shù)據(jù)和過(guò)往數(shù)據(jù)來(lái)判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，快速將指標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性判斷結(jié)果反饋給移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的工作人員。

更重要的是，天空地多種監(jiān)測(cè)方式的集成綜合了地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、小區(qū)域范圍的高時(shí)空分辨率無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)和大區(qū)域范圍的可重復(fù)衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測(cè)。三種監(jiān)測(cè)方式相輔相成，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，快速、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地反映研究區(qū)耕地質(zhì)量的時(shí)空動(dòng)態(tài)。傳統(tǒng)的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方式獲取的是以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣當(dāng)天、目標(biāo)耕地當(dāng)中采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)為代表的區(qū)域數(shù)據(jù)。耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室由于集成了天空地三大平臺(tái)多種監(jiān)測(cè)方法，因此在空間和時(shí)間分布上都遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的方法。在空間方面，移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室各類地面監(jiān)測(cè)方法采集的是采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)低空遙感采集耕地及周邊區(qū)域的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星遙感采集整個(gè)區(qū)域完整的數(shù)據(jù)。在時(shí)間方面，移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室車載的速測(cè)儀器、便攜設(shè)備以及無(wú)人機(jī)平臺(tái)采集當(dāng)天的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星遙感獲取周期性的數(shù)據(jù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)每日定時(shí)采集數(shù)據(jù)。這種時(shí)空與點(diǎn)面耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)的融合，實(shí)現(xiàn)了耕地質(zhì)量由點(diǎn)到面、實(shí)時(shí)、快速、高效與精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

與國(guó)外的耕地質(zhì)量移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室相比，本研究創(chuàng)制的天空地一體移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室在指標(biāo)全面性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空尺度上都更有優(yōu)勢(shì)。在指標(biāo)全面性方面，國(guó)外的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室只使用車內(nèi)速測(cè)的監(jiān)測(cè)方法，受車內(nèi)空間所限無(wú)法部署大量的儀器設(shè)備。因此美國(guó)的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室主要監(jiān)測(cè)與污染相關(guān)的指標(biāo)，巴西、印度的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室主要監(jiān)測(cè)耕地養(yǎng)分相關(guān)的指標(biāo)。本研究的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室集成了天空地多種監(jiān)測(cè)方法，能夠監(jiān)測(cè)地形、土壤、植被、基礎(chǔ)設(shè)施等多種類型的指標(biāo)。在時(shí)空尺度方面，國(guó)外的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室只能獲得到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的某個(gè)時(shí)刻某個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本研究能夠通過(guò)天空地多種手段獲得多種空間尺度數(shù)據(jù)，在移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室離開現(xiàn)場(chǎng)后也能通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星遙感定時(shí)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

下一步，本團(tuán)隊(duì)將根據(jù)本研究的指標(biāo)體系和架構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步補(bǔ)充完善天空地多種監(jiān)測(cè)方式的儀器設(shè)備，例如XRF元素分析儀等。

3 結(jié)論

耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”耕地管理和耕地保護(hù)的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)、高效、便捷和全面的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法可以為各級(jí)業(yè)務(wù)部門進(jìn)行耕地提質(zhì)改造、耕地?cái)?shù)量質(zhì)量占補(bǔ)平衡、耕地污染監(jiān)管與預(yù)警等業(yè)務(wù)提供強(qiáng)有力支持。

本研究設(shè)計(jì)了天空地一體的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)集成技術(shù)，將多種天空地新型監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了天空地一體的耕地質(zhì)量快速、實(shí)時(shí)、高效與精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，為耕地管理和耕地保護(hù)提供一種適宜實(shí)施長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、大范圍監(jiān)測(cè)、日常業(yè)務(wù)調(diào)查監(jiān)測(cè)、污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)等各類耕地調(diào)查監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的新型監(jiān)測(cè)手段。