湯萌萌,江文娟,丁琪洵,王強(qiáng),馬友華
(農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,合肥 230036)
耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源,其質(zhì)量直接影響著國(guó)內(nèi)糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。受自然因素和人類(lèi)因素的雙重作用,耕地質(zhì)量呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)[2-3],其中以?xún)?yōu)質(zhì)耕地資源數(shù)量下降、后備耕地資源開(kāi)發(fā)趨于極限[4-6]、土壤污染[7-8]為主要問(wèn)題,導(dǎo)致耕地質(zhì)量的下降,制約耕地資源的可持續(xù)利用[9-10]。如何快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序、大范圍的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)耕地資源合理有效運(yùn)用和保護(hù)耕地資源的關(guān)鍵[11]。隨著高時(shí)間、高空間、高光譜分辨率遙感技術(shù)應(yīng)用的普及,將其應(yīng)用于耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)中,簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取手段、節(jié)約數(shù)據(jù)獲取成本,同時(shí)可以借助高分辨率遙感技術(shù)獲得長(zhǎng)時(shí)間跨度的耕地質(zhì)量信息,對(duì)比耕地質(zhì)量的變化趨勢(shì)[12]。如何在高分辨率遙感應(yīng)用進(jìn)展的基礎(chǔ)上,進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)獲取,結(jié)合高分辨率遙感影像進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià),成為當(dāng)今耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)乃至土地評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。筆者分析高分辨率遙感技術(shù)在耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的應(yīng)用現(xiàn)狀,并結(jié)合高分辨率遙感技術(shù)對(duì)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜述,旨在為完善國(guó)內(nèi)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)工作提供參考。
高分辨率遙感影像是相對(duì)于中低分辨率遙感影像,具有更加豐富的地物紋理信息、多波段成像、重訪(fǎng)周期短且空間分辨率優(yōu)于5 m 的遙感影像。目前,國(guó)際上已有的商業(yè)高分辨率衛(wèi)星包括ALOS、SPOT5、SPOT6、RapidEye 等。高分辨率遙感影像在測(cè)繪、交通、資源環(huán)境、國(guó)土等領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛,因此,國(guó)內(nèi)對(duì)于高分辨率遙感技術(shù)的研究也日益深入。
高分辨率遙感影像與傳統(tǒng)的中低分辨率遙感影像相比,具有諸多優(yōu)點(diǎn)[13-16]。(1)更高的空間與時(shí)間分辨率,滿(mǎn)足大比例尺下的土地利用調(diào)查需求,分辨道路、耕地以及排水渠等農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施。(2)獲取的地物內(nèi)容信息更加詳細(xì),由于分辨率更高,在獲取光譜信息反演土壤性狀的同時(shí),也可以對(duì)植被指數(shù)、作物類(lèi)型等內(nèi)容進(jìn)行更加詳盡的分辨。(3)紋理和尺寸信息更加清晰,高分辨率影像能夠提供相對(duì)更小尺寸的紋理單元信息,提高對(duì)地物類(lèi)型、土壤質(zhì)地、土壤類(lèi)型的區(qū)分度。(4)三維信息更加豐富,對(duì)具有一定高度的物體,側(cè)面和陰影中包含更多的三維信息,有助于準(zhǔn)確判斷地形部位、計(jì)算地形屬性。
高分辨率遙感影像具有諸多優(yōu)勢(shì),但也存在一些挑戰(zhàn)。(1)類(lèi)內(nèi)差異性強(qiáng),高分分辨率影像在提供精細(xì)化的地物目標(biāo)的同時(shí),大大增加了可識(shí)別地物的類(lèi)型和數(shù)量。(2)“異物同譜”和“同物異譜”現(xiàn)象更加突出,噪聲、光照、云霧等外界環(huán)境對(duì)成像質(zhì)量影響較大,且高分辨率影像內(nèi)容高度細(xì)節(jié)化、地物邊緣模糊,使得“異物同譜”和“同物異譜”現(xiàn)象普遍存在。(3)數(shù)據(jù)量大,高分辨率遙感影像由于一幅數(shù)據(jù)覆蓋面小、波段多,同樣獲取一個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù),如果將該區(qū)域的分辨率提高4 倍,則圖像的尺寸大約是中低分辨率遙感圖像的15 倍,并且隨著分辨率的增加,圖像的信息量增加。(4)解譯困難,由于精細(xì)程度高、結(jié)構(gòu)獨(dú)立性強(qiáng),需要更多的解譯目標(biāo),提高計(jì)算自動(dòng)化程度和算法的自動(dòng)化程度。
遙感技術(shù)在全天候提供地表信息的同時(shí),還可以對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列和大范圍的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外研究用Landsat TM/ETM+、SPOT、BJ-1、MODIS、HJ、Hyperion、Geo Eye-1等高分辨率影像探索不同耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的反演和評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建,為基于高分辨率遙感影像的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。
耕地質(zhì)量是耕地的內(nèi)在條件和外部利用特征的綜合特征,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于耕地質(zhì)量的評(píng)價(jià)具有差異性。國(guó)外多注重在土地質(zhì)量方面的研究[17],包括土壤全氮[18-20]、土壤酸堿度[21]、表層土壤有機(jī)質(zhì)含量[22-23]、土壤顆粒組成[24-26]等,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)耕地質(zhì)量的研究則關(guān)注自然條件和環(huán)境條件2 個(gè)方面[27-28]。結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究?jī)?nèi)容,耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)主要包括地形特征、田間基礎(chǔ)設(shè)施、土壤性狀、農(nóng)田環(huán)境狀況、生物多樣性等內(nèi)容。
當(dāng)前,耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)多從實(shí)地調(diào)查采樣數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)文本數(shù)據(jù)中獲取,而基于遙感的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)是從對(duì)地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中獲取指標(biāo)內(nèi)容,其中對(duì)地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)以SPOT、Landsat TM/ETM + 、Sentinel- 2A、MODIS、國(guó)產(chǎn)高分系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為主。耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)可以通過(guò)遙感識(shí)別或者反演模型獲得,例如地形特征、土壤性狀、土壤重金屬含量、田間基礎(chǔ)設(shè)施、生物多樣性。高空間分辨率遙感影像提取耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)的定性指標(biāo),而高光譜分辨率遙感影像則能對(duì)其進(jìn)行定量指標(biāo)的反演。具體的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容見(jiàn)表1。
表1 耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)
2.1.1 地形特征地形影響耕地的光照、熱量、水分條件,數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,簡(jiǎn)稱(chēng)DEM)是對(duì)地表形態(tài)的數(shù)字化表達(dá),包含坡面、坡向等地形、地貌信息。耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中關(guān)于地形特征的指標(biāo)有地形部位和田面坡度,這2 項(xiàng)指標(biāo)都可以通過(guò)DEM 計(jì)算得到。遙感可以通過(guò)立體像對(duì)、干涉雷達(dá)、激光雷達(dá)3 種方式獲得DEM 數(shù)據(jù)[29-32],根據(jù)DEM數(shù)據(jù)計(jì)算地形屬性和提取地形信息,包括耕地的地形部位、海拔高度、坡面、田面坡度、坡向等[33-34]。
2.1.2 田間基礎(chǔ)設(shè)施田間基礎(chǔ)設(shè)施主要是包括灌排條件、農(nóng)田林網(wǎng)化、道路通達(dá)度等在內(nèi)的農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施。以多源遙感影像為數(shù)據(jù)源,運(yùn)用決策樹(shù)分類(lèi)、形態(tài)學(xué)分析等方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)田間溝渠的識(shí)別;基于SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)遙感模型,應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)田蒸散發(fā)、地表干旱指數(shù)進(jìn)行反演,并對(duì)農(nóng)田的灌溉面積進(jìn)行估算[35]。根據(jù)對(duì)田間排水溝的特征識(shí)別,計(jì)算田間排水溝的長(zhǎng)度、密度等指標(biāo),反映農(nóng)田的排水狀況。通過(guò)對(duì)道路反射光譜特性和形態(tài)特征的分析,提取田間道路,計(jì)算道路與農(nóng)田之間的距離,得到耕地道路通達(dá)度[36]。利用遙感影像,識(shí)別農(nóng)田林網(wǎng)的形態(tài)和分布,計(jì)算林網(wǎng)密度,以反映農(nóng)田林網(wǎng)化程度[37-38]。
2.1.3 生物多樣性利用遙感影像進(jìn)行個(gè)體物種的識(shí)別,提取耕地及周邊的生物多樣性信息。光譜異質(zhì)性是用來(lái)衡量棲息地異質(zhì)性的重要指標(biāo),區(qū)域異質(zhì)性高代表著有更多的物種,生物多樣性高[39]。
利用GF2、SPOT-6 等高空間分辨率遙感影像,分析不同紋理特征對(duì)生物量的影響,結(jié)合地面實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域生物量反演,分析區(qū)域生物多樣性[40]。
2.2.1 土壤性狀耕地土壤性狀通過(guò)土壤類(lèi)型、耕層質(zhì)地、含水量、養(yǎng)分、表層有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)來(lái)表達(dá)。土壤類(lèi)型可以用手持光譜儀進(jìn)行土壤高光譜反射率的測(cè)定,采用去包絡(luò)線(xiàn)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行區(qū)分[41-42]。有學(xué)者利用主成分分析法對(duì)近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維,提取3 個(gè)主成分來(lái)代表原光譜數(shù)據(jù),基于極限學(xué)習(xí)機(jī)鑒別土壤類(lèi)型[43-45]。白燕英等[46]研究河套灌區(qū)表層土壤粘粒、粉粒、砂粒等不同粒徑與光譜的關(guān)系,采用一元回歸模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,建立土壤質(zhì)地與敏感波段的關(guān)系模型。采用遙感-數(shù)學(xué)-模型學(xué)的研究方法將MODIS 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)融合,結(jié)合采樣點(diǎn)數(shù)據(jù),建立地下水位線(xiàn)、土壤水分的線(xiàn)性方程,反演研究區(qū)的地下水位且誤差較小[47];微波遙感的后向散射系數(shù)也可以用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤含水量[48]。屈冉等[49]通過(guò)收集野外采樣數(shù)據(jù)和Landsat TM影像數(shù)據(jù),篩選出與土壤有機(jī)質(zhì)分布相關(guān)的TM 波段,在此基礎(chǔ)上建立土壤有機(jī)質(zhì)與Landsat TM 影像各波段DN值的回歸方程。趙瑞等[50]基于國(guó)產(chǎn)高光譜遙感影像提取光譜信息,將4 種不同的土壤指數(shù)與實(shí)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量建立聯(lián)系,反演土壤有機(jī)質(zhì)含量。任紅艷等[51]通過(guò)偏最小二乘回歸模型建立回歸方程,基于土壤的單波段、全波段高光譜反射特征,預(yù)測(cè)土壤全氮、碳氮比等屬性,發(fā)現(xiàn)估測(cè)模型的精度受土壤顆粒粒徑水平和光譜指數(shù)的影響。林楠等[52]將蝙蝠算法與Adaboost 模型相結(jié)合,構(gòu)建高光譜土壤養(yǎng)分預(yù)測(cè)模型,估測(cè)研究區(qū)的土壤中磷、鉀含量。有學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),土壤實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的一階微分和二階微分變化可以提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮反演的相關(guān)性,通過(guò)光譜變化技術(shù)增強(qiáng)土壤養(yǎng)分與高光譜之間的相關(guān)性[53]。Zeraatpishehet[54]利用數(shù)字高程模型(DEM)和Landsat ETM+影像,采用Cubist模型(Cu)、隨機(jī)森林(RF)、回歸樹(shù)(regression tree)、多元線(xiàn)性回歸(multiple linear regression)等模型,預(yù)測(cè)研究區(qū)的土壤有機(jī)碳、粘土含量、碳酸鈣當(dāng)量。
2.2.2 農(nóng)田環(huán)境狀況隨著高光譜技術(shù)的發(fā)展,較多學(xué)者的研究已經(jīng)證明,利用土壤光譜信息可以預(yù)測(cè)土壤中的重金屬含量[55]。直接分析土壤的光譜特征難以估算其中的重金屬含量,可以通過(guò)微分方程增強(qiáng)光譜特征,提取重金屬光譜特征,建立GA-SVM 土壤重金屬高光譜反演模型[56-57]。
《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T 33469—2016)中采用綜合指數(shù)法對(duì)區(qū)域滿(mǎn)足農(nóng)產(chǎn)品持續(xù)產(chǎn)出和質(zhì)量安全的能力進(jìn)行評(píng)價(jià),包括耕地地力、耕地土壤健康狀況、田間基礎(chǔ)設(shè)施等方面評(píng)價(jià)內(nèi)容。根據(jù)全國(guó)農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃,設(shè)立13 個(gè)基礎(chǔ)性指標(biāo),結(jié)合不同區(qū)域耕地的特點(diǎn),將全國(guó)耕地劃分為9 個(gè)區(qū)域,針對(duì)不同的區(qū)域補(bǔ)充不同的耕地質(zhì)量指標(biāo)。指標(biāo)確定后,首先對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)有無(wú)污染進(jìn)行判定,如果沒(méi)有污染,采用AHP 方法確定各指標(biāo)權(quán)重;如果耕地中有污染,用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和土壤單項(xiàng)污染指數(shù)來(lái)判定耕地的清潔程度,從而達(dá)到對(duì)耕地質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)[58]。耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)方法是基于實(shí)地調(diào)查采樣數(shù)據(jù),以點(diǎn)帶面進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià),監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)范圍小,成本高。
植被指數(shù)增加了高分辨率遙感影像的解譯內(nèi)容,反映植被在可見(jiàn)光、近紅外波段反射與土壤背景值之間差異,不同植被指數(shù)可以用來(lái)說(shuō)明研究區(qū)植被狀況[59-62]。植被指數(shù)主要包括估算植被覆蓋率的比值植被指數(shù)(RVI)、反映植被覆蓋度變化的插值植被指數(shù)(DVI)、反映植被狀態(tài)的歸一化植被指數(shù)(NDVI)、用于干旱監(jiān)測(cè)的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)等多種指標(biāo),通過(guò)多個(gè)植被指數(shù)協(xié)同,運(yùn)用定量化的方法,構(gòu)建耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)體系。方琳娜等[63]從SPOT多光譜影像中提取RVI、NDVI、DVI等3個(gè)指標(biāo),以反映植被覆蓋率、土壤肥力、土壤水分情況,結(jié)合土地利用、地形等信息,進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)。有學(xué)者利用MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù),選取坡度、光溫生產(chǎn)潛力、NDVI、TVDI和單位產(chǎn)量作為耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),根據(jù)專(zhuān)家評(píng)估法賦予指標(biāo)權(quán)重,采用P-S-R框架模型對(duì)山東省耕地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[64]。
Were[65]利用土壤樣點(diǎn)、氣溫、降水、地形和遙感數(shù)據(jù)估算土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量,同時(shí)比較了支持向量回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)森林模型的反演精度差異。歐陽(yáng)玲[66]以土壤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、Landsat TM 和Landsat 8 影像、MODIS 數(shù)據(jù)等作為數(shù)據(jù)來(lái)源,建立基于SVM 算法的反演模型,將GIS 空間分析技術(shù)應(yīng)用于松嫩平原南部地區(qū)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)。姚赫男等[67]從Landsat TM影像和DEM中提取耕地質(zhì)量信息,以坡度和土壤退化指數(shù)2 個(gè)指標(biāo)代表耕地生產(chǎn)壓力,以土地質(zhì)量指數(shù)和土壤水分指數(shù)為耕地狀態(tài)的代表,以土地利用程度代表社會(huì)響應(yīng)指數(shù),利用空間加權(quán)求和進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)。張新樂(lè)等[68]利用Landsat 8 影像、Sentinel-2A 影像以及SPOT-6 影像獲取以像元為單元的田塊尺度的耕地質(zhì)量信息,采用主成分分析法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,進(jìn)行田塊尺度耕地質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià),提高耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的時(shí)效性和時(shí)空分辨率。彭一平等[69]從生產(chǎn)壓力、耕地狀態(tài)、社會(huì)行為3 個(gè)角度構(gòu)建了耕地質(zhì)量指標(biāo)體系,利用中國(guó)自主高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)及耕地質(zhì)量分布的分析,并結(jié)合實(shí)地考察驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。
綜合利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)、實(shí)地采樣、統(tǒng)計(jì)文本等數(shù)據(jù),選取地形特征、土壤性狀、土壤重金屬含量、田間基礎(chǔ)設(shè)施、生物多樣性、植被指數(shù)等6 類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo),利用遙感反演建模法獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容。遙感反演建模是對(duì)遙感數(shù)據(jù)的像元進(jìn)行描述,采用不同的預(yù)測(cè)模型提取耕地質(zhì)量指標(biāo)的方法。利用植被指數(shù)協(xié)同評(píng)價(jià)和主成分分析相結(jié)合的方法,建立耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型,在此基礎(chǔ)上確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,對(duì)研究區(qū)耕地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。將研究區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)作為訓(xùn)練樣本,利用決策樹(shù)和隨機(jī)森林2 種機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立土壤觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,克服原有參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法的缺陷,進(jìn)行數(shù)字土壤制圖。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法將氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)、高分辨率遙感數(shù)據(jù)、實(shí)地采樣數(shù)據(jù)整合,預(yù)測(cè)研究區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)空間分布,對(duì)耕地質(zhì)量結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證?;诟叻直媛蔬b感的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)流程圖見(jiàn)圖1。
圖1 基于高分辨率遙感的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)流程圖
基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn),以解決現(xiàn)有耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)面積小、時(shí)間周期短等信息采集中的問(wèn)題。為完善構(gòu)建基于高分辨率遙感的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,可開(kāi)展以下方向的研究:(1)通過(guò)對(duì)高分辨率遙感圖像的空間信息提取、多光譜和高光譜信息的綜合利用,獲得大面積的耕地質(zhì)量信息,從而突破以往僅憑借采樣點(diǎn)插值進(jìn)行的面域耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的遙感監(jiān)測(cè),可以監(jiān)測(cè)耕地質(zhì)量的變化情況并對(duì)未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。(2)遙感數(shù)據(jù)的成像質(zhì)量容易受到噪聲、光照、云霧等外在因素的影響,綜合利用高光譜、多光譜、可見(jiàn)光-近紅外等數(shù)據(jù),結(jié)合不同時(shí)相的高分辨率遙感影像對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證,以達(dá)到耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)更高的精度。(3)通過(guò)將遙感數(shù)據(jù)與地面?zhèn)鞲衅?、?shí)地調(diào)查、網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)相結(jié)合,建立一個(gè)全面的耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù),使耕地質(zhì)量的評(píng)價(jià)工作更加立體化、實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化。