劉興童

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

耕地作為保障糧食安全的主要根基，是解決我國“三農(nóng)”問題的關(guān)鍵。目前我國依然處于人多地少的狀態(tài)，對耕地的保護和利用面臨很多挑戰(zhàn)。我國總體耕地質(zhì)量水平并不高，中低產(chǎn)田占全國耕地面積的2/3以上，部分地區(qū)土壤退化十分嚴(yán)重，東北的黑土地有機質(zhì)含量也明顯下降，北方土壤的干旱鹽堿化問題十分突出，南方的紅黃壤土壤酸化造成耕地退化等問題，都嚴(yán)重影響了耕地質(zhì)量[1-2]。因此，要科學(xué)地應(yīng)用遙感技術(shù)對土地進行深入觀測，確保對土地資源的精細(xì)化調(diào)查。

1 耕地質(zhì)量的主要概念

1.1 耕地生產(chǎn)力

耕地生產(chǎn)力是耕地質(zhì)量的重要評判標(biāo)準(zhǔn)，而針對耕地生產(chǎn)力的研究需要關(guān)注土壤肥力，包括氮、速效鉀、速效磷、有機質(zhì)、pH值、陽離子交換量等多種指標(biāo)。在評價耕地生產(chǎn)力的過程中，需要進行實證研究，充分考慮土體構(gòu)型、理化性狀、養(yǎng)分狀況以及農(nóng)田基本狀況，并篩選出剖面結(jié)構(gòu)土壤厚度、土壤pH值、速效鉀、速效磷等相關(guān)指標(biāo)，在規(guī)范土壤種植的基礎(chǔ)上，根據(jù)地下水埋深、土壤侵蝕程度、堿化度、植被缺苗率等指標(biāo)進行分析。充分考量土壤物理性狀、化學(xué)性狀及周邊生態(tài)環(huán)境，再結(jié)合勞動力投入量、農(nóng)業(yè)機械化水平、水利化程度、化學(xué)化程度、耕地現(xiàn)有生產(chǎn)力以及耕地現(xiàn)有人口承載量等社會經(jīng)濟要素進行全面判斷。

1.2 土壤環(huán)境質(zhì)量評價

對土壤環(huán)境質(zhì)量的研究，以往多是基于單個指標(biāo)、單點的土壤環(huán)境質(zhì)量評價，隨著相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，很多研究也趨向于多指標(biāo)綜合分析[3-4]。例如，在評價農(nóng)田耕地土壤環(huán)境質(zhì)量時可以選取As、Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、DDT、BHC等指標(biāo)，并且補充太陽輻射量、降水量、氣象災(zāi)害等氣象指數(shù)，充分考察雜草、土壤、動物、微生物等的生物多樣性。在土壤肥力狀況、重金屬污染以及立地條件等方面對土壤環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價，由單指標(biāo)、單點采樣轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀笜?biāo)、大樣本采樣，全面立體化地對土壤肥力、立地條件和重金屬污染情況進行實地考察。

1.3 土壤健康質(zhì)量評價

土壤健康質(zhì)量評價主要集中在土地健康和土壤健康兩方面。土地健康是指土地維持自身正常代謝的基本狀態(tài)，土地自身恢復(fù)能力可以有效緩解外界對土地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的不良沖擊，包括土壤質(zhì)量下降、表土風(fēng)化、水土流失、植被減少、土壤酸化以及鹽堿化等問題。根據(jù)聯(lián)合國開發(fā)計劃署以及世界經(jīng)濟合作與發(fā)展組織提出的分析框架，結(jié)合土地系統(tǒng)特點構(gòu)建健康評價模型，主要包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，綜合構(gòu)建土地系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系。土壤健康主要是指土壤在生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)維持生物生產(chǎn)力、改善環(huán)境質(zhì)量、促進動植物健康生長的能力。土壤健康指標(biāo)的選擇，必須滿足靈敏度高、使用范圍廣、測量方法切實可行等要求。一些生物學(xué)家通過對土壤重金屬污染及健康狀況進行分析，還可以增加土壤微生物活性、功能性。通過考察土壤全氮、有機碳、有機氮以及微生物量碳、氮等指標(biāo)，進一步提高土壤健康質(zhì)量評價的標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于遙感的耕地指標(biāo)體系構(gòu)建和技術(shù)流程

在遙感信息獲取的過程中，需要結(jié)合歷史積累數(shù)據(jù)庫、文獻資料、實地調(diào)研數(shù)據(jù)等多種資源。遙感技術(shù)不僅可以對地形條件中的田面坡度和坡向等關(guān)鍵指標(biāo)進行快速提取，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)大面積快速無損地獲取各類信息[5-6]。在常規(guī)的地質(zhì)調(diào)研中，無論是定點觀測現(xiàn)場調(diào)查，還是原地采樣，為了獲取要點數(shù)據(jù)，需要耗費大量人力和時間，而且很難從表面上獲取指標(biāo)監(jiān)測信息，必須引入新的信息技術(shù)，提高土壤質(zhì)量調(diào)查的整體水平。目前，遙感數(shù)據(jù)種類比較多，例如按照電磁波光譜段分，可以分為多光譜、高光譜、熱紅外以及微波雷達等數(shù)據(jù)；按照傳感器的工作方式分，可以分為主動遙感和被動遙感；按照信息獲取尺度分，可以分為近地面原位、車載、航空航天遙感數(shù)據(jù)，不同的尺度對耕地質(zhì)量評判的影響因素也各不相同。利用無人機、航空飛機等飛行設(shè)備，可以搭載相應(yīng)的傳感器，通過衛(wèi)星遙感傳感器提供亞米級到千米級的遙感數(shù)據(jù)信息。根據(jù)遙感的耕地質(zhì)量評價信息標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以總結(jié)耕地質(zhì)量評價的基本需求，而且還可以對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息進行快速收集和整理，實現(xiàn)科學(xué)布設(shè)樣點，快速獲取“天空地”遙感以及非遙感協(xié)同數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的工作需求，對遙感及非遙感數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，最后確保遙感分類信息能夠被快速提取。

遙感分類的研究包括目視解譯和大數(shù)據(jù)人工智能的信息提取。近年來隨著深度學(xué)習(xí)在遙感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深入信念網(wǎng)絡(luò)、自動編碼器等應(yīng)用更加廣泛，可以確保對影像特征的快速提取，保障信息處理能力。而遙感數(shù)據(jù)定量在建模的同時也需要對各種數(shù)據(jù)進行平滑處理、微分變換以及小波變換等，從而提高數(shù)據(jù)處理能力[7-8]。我國衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)形成低中高分辨率等多種類型的衛(wèi)星體系，其中靜止軌道衛(wèi)星能夠?qū)Φ孛孢M行全天候的監(jiān)測，分辨率達50 m以上，還能夠?qū)Φ乇碇脖凰w進行實時記錄；中等分辨率衛(wèi)星體系可以連續(xù)幾天甚至十幾天對所在區(qū)域進行全面觀測，解決資源普查以及地表要素的觀測和反演問題；高分辨率衛(wèi)星體系能夠?qū)Φ乇韺ο筮M行大范圍的調(diào)查，對地表要素進行觀測，時間長達十幾天。衛(wèi)星遙感技術(shù)覆蓋面廣、時效性強，與地面監(jiān)測網(wǎng)站數(shù)據(jù)接入能夠提高科學(xué)監(jiān)測洪澇災(zāi)害的水平。對于緊急的突發(fā)事件，可以快速進行處理。

3 耕地評價指標(biāo)的遙感識別技術(shù)

3.1 對土壤本底質(zhì)量的研究

在對土壤本底質(zhì)量的研究中，通過光譜特征分析可以為耕地質(zhì)量的信息化監(jiān)測提供豐富多樣的實驗數(shù)據(jù)，尤其是針對土壤有機質(zhì)、水分、顆粒組成與光譜反射率之間關(guān)系的研究，不僅總結(jié)了土壤理化特性與反射率的關(guān)系，而且建立了定量估計模型。由于土壤反射光譜數(shù)據(jù)獲取存在一定的差異性，而不同研究的定量遙感結(jié)果區(qū)域化特點十分明顯，所以根據(jù)不同的定量遙感研究結(jié)果，可以獲得明顯的區(qū)域特點，但缺乏共享性。

3.2 在土壤污染中的應(yīng)用

環(huán)境污染問題主要是因為廢水、廢氣以及廢棄物不當(dāng)排放和堆放而導(dǎo)致的，而通過遙感技術(shù)可以快速獲取土壤質(zhì)量信息，也可以對河湖水系進行監(jiān)測。因人類活動引起的生態(tài)環(huán)境污染問題十分普遍，通過遙感定量監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)ν寥乐械腃d、Zn以及有機質(zhì)含量進行判斷。通過可見光近紅外反射光譜和偏最小二乘回歸法對土壤中重金屬元素的含量進行預(yù)測，也能構(gòu)建農(nóng)田土壤的As、Hg、Pb、Fe含量與反射光譜的對應(yīng)關(guān)系，從而提高光譜遙感技術(shù)定量監(jiān)測的可行性。利用偏最小二乘回歸法對土壤中Pb、Cd、Hg等重金屬元素含量進行模擬分析，從而判斷土壤的重金屬污染程度。

3.3 耕地立地條件的識別

隨著高分辨率遙感技術(shù)的快速發(fā)展，獲取耕地信息的方法，應(yīng)用更加廣泛。例如根據(jù)不同的對象分類，可以對耕地、交通運輸用地、河流、建筑用地、農(nóng)田水利用地、農(nóng)田防護林地等不同數(shù)據(jù)信息進行快速提取，而且采用尺度分割獲得不同層次的地類信息，精度十分高。在耕地質(zhì)量建設(shè)管理中需要以農(nóng)田道路、灌排溝渠以及農(nóng)田林網(wǎng)等線狀地物為主，快速準(zhǔn)確地對線狀地物進行識別[9-10]。利用高分辨率遙感影像技術(shù)，通過斷點連接高低雙長度閾值過濾，獲取精度高于50%的道路溝渠線狀工程地物信息，有效解決微小彎曲和被遮蔽溝渠等問題，確保溝渠信息獲取精確度達到91.46%。在我國灌溉技術(shù)快速發(fā)展的同時，基于遙感技術(shù)的灌溉能力評價也快速發(fā)展。根據(jù)氣象站點數(shù)據(jù)信息計算出年度有效灌溉量以及灌溉需求量，將二者的比值作為灌溉保障能力的評價指標(biāo)，同時利用遙感數(shù)據(jù)信息對農(nóng)田防護林特征進行快速提取，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)以及面向?qū)ο蠓ǐ@取農(nóng)田防護林的矢量結(jié)果，從而對土地整理區(qū)農(nóng)用井的識別準(zhǔn)確率達到88%以上。

3.4 在耕地質(zhì)量綜合評價中的應(yīng)用

遙感技術(shù)對耕地質(zhì)量評價指標(biāo)的研究尚處于初級階段，單純以遙感影像為主，通過將各類植被指數(shù)與非遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以快速獲取相關(guān)因子。例如，利用多光譜影像快速提取NDVI、DVI、RVI等指標(biāo)，充分反映土壤肥力狀況、水分狀況、土壤退化狀況等信息，并結(jié)合坡度信息、土地利用程度，構(gòu)建評價指標(biāo)體系。在應(yīng)用遙感技術(shù)對耕地質(zhì)量進行識別的過程中，可以利用多光譜遙感影像，快速獲取土壤有機質(zhì)、地形坡度、表層土壤質(zhì)地、灌溉保證率以及排水條件等相關(guān)指標(biāo)。

3.5 遙感技術(shù)可識別

在遙感技術(shù)可識別中主要包括坡度、坡向、地形部位等相關(guān)指標(biāo)，利用坡度、坡向數(shù)據(jù)可以對耕地地形進行準(zhǔn)確評價，從而滿足作物生長的需求。在坡度、坡向評價時，高程點或等高線差值法的成本較低，操作簡單，但數(shù)據(jù)源受限制比較大；激光雷達算法能夠滿足坡面尺度高精度地形數(shù)據(jù)，但是目前尚處于初級階段。對于地形部位的評價主要通過實地調(diào)研、地形地貌圖來確定，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)獲取地形部位的信息，需要利用DNA計算，結(jié)合半自動化信息提取，包含地形因子提取法、特征要素分析法、波譜分析法、紋理分析法等。由于地貌形態(tài)比較復(fù)雜，對于數(shù)字化地形部位的分析集中于定性或半定量階段，目前尚未實現(xiàn)大范圍推廣。

4 遙感技術(shù)獲取耕地質(zhì)量評價指標(biāo)的未來發(fā)展方向

4.1 深入挖掘不同尺度遙感數(shù)據(jù)的特征

在耕地質(zhì)量指標(biāo)評價中，地形部位、土壤屬性指標(biāo)、田間利用狀況等數(shù)據(jù)信息已經(jīng)得到全面發(fā)展，但是土地覆被分類、土壤含水量、表面粗糙程度等不夠均勻，致使地面、航空、航天不同尺度的遙感數(shù)據(jù)觀測還存在較大的尺度效應(yīng)。要想充分利用不同尺度遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，必須對耕地質(zhì)量指標(biāo)進行準(zhǔn)確判斷、深入研究，確保地表樣本布局合理。遙感數(shù)據(jù)、遙感產(chǎn)品尺度轉(zhuǎn)化合理，充分運用“天空地”一體化數(shù)字遙感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從而獲得真實的監(jiān)測結(jié)果。

4.2 加強耕地質(zhì)量評價的自動化提取

我國幅員遼闊，耕地覆蓋面積廣，存在顯著的空間差異。在獲取遙感數(shù)據(jù)信息的過程中，要盡可能地根據(jù)不同指標(biāo)的空間分布規(guī)律和時間演變規(guī)律進行判斷。因此，在新時期要充分將大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)和遙感信息化、自動化技術(shù)相結(jié)合，針對不同區(qū)域、不同時間、不同地表覆蓋、不同土壤類型的遙感信息影響規(guī)律持續(xù)學(xué)習(xí)，得到充分的演化機理和知識經(jīng)驗庫，從而滿足信息指標(biāo)的自動化提取要求。

4.3 建設(shè)耕地質(zhì)量評價的遙感大數(shù)據(jù)平臺

在當(dāng)前農(nóng)業(yè)和國土資源快速發(fā)展的背景下，我國已構(gòu)建了“天空地”一體化數(shù)字遙感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，但是沒有在耕地質(zhì)量評價中形成工程化平臺。所以要高度重視基于遙感的耕地質(zhì)量監(jiān)測評價技術(shù)的研究，確保工程化遙感數(shù)據(jù)信息的快速獲取。

5 結(jié)語

耕地質(zhì)量評價指標(biāo)已經(jīng)不再局限于耕地地力評價以及耕地潛在生產(chǎn)力評價，而是在原有的基礎(chǔ)之上拓寬發(fā)展領(lǐng)域。因此，在新時期要充分提高遙感理論技術(shù)方法的普適性，確定更具有真實意義的耕地質(zhì)量評價指標(biāo)，形成快速、大面積的工程化指標(biāo)信息的獲取思路，要充分開展遙感獲取土壤生物指標(biāo)的研究，增強土壤微生物的監(jiān)測效果。未來，高分辨率數(shù)據(jù)與高光譜數(shù)據(jù)的有機結(jié)合，能夠為耕地質(zhì)量評價提供真實的支持。