衛星遙感在黑土地品質監測中的應用

文 | 王建華 李志忠 戴慧敏 帥琴 劉國棟 劉德長,5 陳霄燕 趙君 馬維峰,

1.中國科學院空天信息創新研究院

2.中國地質調查局西安地質調查中心 / 中國地質調查局西部綠色發展研究院

3.中國地質調查局沈陽地質調查中心

4.中國地質大學（武漢）

5.核工業北京地質研究院

一、 前言

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，黑土土壤有機質含量更高、養分供給能力更強，是我國主要糧食產區，其耕地質量的優劣直接影響我國糧食安全問題。然而，黑土資源在過度開發和自然因素作用下，土壤質量退化現象已十分嚴重。為了實現土地資源的高效管理，精準掌握有機質、全氮、全磷、全鉀等土壤養分的重要指標，快速、準確地實現土壤養分的定量化監測，科學開展土壤環境質量監測和評估及黑土保護等具有重要的現實意義。

土壤是一個在時間和空間上存在連續變異的綜合體，衛星遙感技術具有高空間和高光譜分辨率，能夠實時、準確獲取豐富的區域地表光譜信息，在土地質量監測中具有無可比擬的優勢。

應用衛星遙感技術進行黑土地土壤質量生態監測在技術上具有可行性，在實踐中也取得了較好的成果。

二、 衛星遙感在黑土監測中的作用

高光譜遙感又稱成像光譜遙感，是將成像技術和光譜技術相結合的多維信息獲取技術。高光譜遙感數據中包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息，具有重要的綜合應用價值。高光譜影像的光譜分辨率一般優于10nm，可以探測出富含不同物質的土壤光譜差異，在土壤組分含量的研究中具有一定優勢，這一優勢使高光譜遙感逐漸成為獲取土壤特性定量化數據的一種有效手段，并呈現出巨大的應用潛力。由于在特定光譜域以高光譜分辨率同時獲得連續的地物光譜圖像，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過程分析及地表物理化學參數的反演。因此，高光譜遙感廣泛應用于土地質量和農作物生長狀態反演、制圖和評價等方面。

高光譜遙感數據在黑土地中的應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、土地適宜性和生產力綜合評價、土壤類型劃分和制圖、植被生物物理生物化學參數反演等方面。在農業上，廣泛應用于植被指數、植被葉面積指數、光合作用有效輻射估算、葉綠素、葉黃素等植物生化參數分析、植被生物量和作物單產估算、作物病蟲害監測等。光譜遙感科學在黑土地監測中的意義包括：

（1）實現黑土地天空地一體化集成調查

以光譜遙感技術為基礎，構建黑土地天空地集成遙感調查技術體系。通過研究黑土的光譜特征、遙感影像區域參數特征、植被覆蓋及土地利用變化及程度、土壤地球化學背景特征、土壤侵蝕特征等，確定黑土分布邊界、范圍、時空變化，評估黑土質量狀況及變化，并預測變化趨勢，從而實現黑土地區域土地資源實時、快速調查。

（2）建立黑土地監察體系，掌握黑土地動態變化

以光譜遙感科學為基礎，結合地球化學及其他輔助方法提取得到的信息，建成涵蓋寒地黑土、農田生態系統、草原生態系統、礦區及過渡區不同生態系統的黑土地關鍵帶觀測基地。利用遙感監測、區域調查及關鍵帶觀測基地工作成果等，建立覆蓋全球主要黑土地區碳排放數據庫，構建黑土地天空地一體化調查監測系統，以監測黑土關鍵帶的地球生態過程、黑土關鍵帶土壤質量及其全球變化以及農業生產響應，為碳循環研究提供基礎數據，對黑土關鍵帶中碳循環及其與全球氣候變化和人類活動的關系進行研究。

（3）預測黑土變化趨勢，為黑土地生態修復打下理論基礎

通過對黑土地長期遙感調查和監測，詳細研究黑土中能量及碳、氮等養分元素循環，建立一種多學科集成模型系統來表達不同圈層間能量、水和溶質的相互作用及循環系統與氣候變化、人類活動的關系，并預測黑土變化趨勢，提出黑土修復建議，為黑土地修復工作的開展打下堅實基礎。

三、 遙感黑土監測的技術流程

目前黑土地光譜遙感調查與監測已經形成了天空地一體化調查體系，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測和地面調查數據三個方面的立體監測技術。

1.航空高光譜反演

以工作區內典型土地樣本和農作物樣品的實測光譜數據及地球化學測試數據作為切入點，研究樣品實測光譜數據與土地質量/農作物生長狀態之間的關系，構建土地質量和農作物生長狀態的遙感反演評價模型。在此基礎上，拓展到基于航空高光譜遙感數據的土地質量和農作物生長狀態反演、制圖及評價。基本技術流程及方法主要包括航空高光譜數據獲取、航空高光譜數據預處理、野外數據采集及處理、地球化學采樣與分析、土地質量參數遙感反演方法、農作物生長狀態的遙感反演方法、地面溫度反演方法、土地質量評價方法8個方面。

2.中分辨尺度衛星遙感監測流程

中分衛星遙感調查總體技術路線包括：工作區背景調研、文獻調研、衛星遙感數據和DEM數據獲取、遙感數據處理（包括衛星遙感數據的檢查、大氣校正、正射處理、數據融合、投影轉換、數據裁切、數據配準、質量檢查和成果整理等工作）、典型區域野外調查、黑土覆蓋信息提取、水土流失強度信息提取、鹽堿地信息提取、沖溝信息提取、專題圖制作等內容。

3.高分辨尺度衛星遙感監測流程

高分衛星遙感調查基本技術路線包括：資料收集、高分辨率遙感影像與DEM等輔助信息獲取、遙感影像預處理（主要包括輻射校正、正射校正、影像配準、影像融合及鑲嵌等步驟）、實測作物光譜數據和土壤采集樣本數據獲取及處理、作物種植結構建模與提取、農作物長勢監測模型建立、農作物估產、土地質量評價、野外地面調查等（圖1）。

圖1 高分衛星遙感調查技術流程圖

四、 衛星遙感黑土監測應用

1.衛星多光譜遙感技術在黑土監測中的應用

在土壤信息提取方面，程彬等人（2011）通過在大范圍黑土區采集少量土壤樣品，進行土壤有機質測定，并研究在ASTER遙感影像中典型黑土的光譜反射特性，建立黑土有機質含量多元線性回歸模型，實現了對大范圍黑土有機質含量的快速估測。馬馳（2016）以美國陸地衛星（Landsat-8）OLI 遙感影像為數據源，研究了吉林北部黑土區的土壤有機質反演技術，表明其 4、5、6 波段光譜倒數與土壤有機質含量具有較高的相關系數。

在土地利用類型變換監測方面，吳娟（2017）以黑龍江省五常市2005年、2010年、2015年三期Landsat TM遙感影像為主要數據，輔助于DEM和其他數據，參照五常市土地分類體系和地物類型解譯標準以及遙感影像光譜及紋理分析結果，應用CA-Markov模型完成了未來土地利用預測模擬研究。

在土壤質量等級評價方面，楊鳳海等人（2018）采用Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI影像，基于遙感反演的植被指數、裸土指數、濕度指數和地表溫度指標，經過主成分分析構建遙感生態指數，對黑龍江省拜泉縣1985—2015年的水土流失情況進行了動態監測，分析區域生態環境狀況的空間分布及變化，為地方政府準確掌握研究區生態變化態勢，進一步保護好生態環境提供科學的依據。李鎮等（2019）基于美國快鳥（QuickBird）、地球眼（GeoEye-1）衛星和世界觀測（Worldview-2）衛星影像，將多光譜數據和全色波段數據按主成份分析法融合，以線性內插法重采樣，再進行正射校正，最后得到分辨率為 0.61 m 和 0.5m 的真彩色圖像，用于侵蝕溝溝緣線提取。

Haoxuan Yang等人（2020）以東北松嫩平原的明水縣為研究區，利用美國航天飛機遙感測繪使命（STRM）DEM、遺留土壤數據和1984—2018年（4—5月為研究區土壤裸露期）20幅Landsat裸地影像，利用極大似然法分類，建立了基于高時間數據的數字土壤制圖模型。研究結果為類似光譜曲線的黑土區土壤類型制圖提供參考，為黑土區耕地保護、監測和可持續利用提供技術支持。

2.天空地一體化調查方法在黑土監測中的應用

天空地一體化的核心內容是整合天基、空基和地基等不同觀測手段，聚合分析多源多維異構時空大數據，彌補單一手段觀測尺度或維度的不足，實現不同手段和信息的協同和互補，服務應急和決策。

在黑龍江省海倫市長發鎮開展的衛星遙感、航空高光譜、地面土壤地球化學調查的“星空地”調查中，以不同時序的衛星遙感數據提取農作物長勢，航空高光譜提取土壤陽離子交換量、質地以及土壤全氮、全磷、有機質等指標；采取權重賦值法評價海倫市長發鎮土地質量狀況；通過地面土壤地球化學采樣調查評價長發鎮土地質量地球化學狀況；以“星空地”調查與監測獲取的物理、化學與農作物長勢指標評價土地質量狀況，通過對比評價顯示，兩者在扎音河流域河漫灘區土地質量等級狀況上差異明顯。

理論和實踐都已表明，衛星遙感技術特別是高光譜遙感技術可以對黑土地土壤品質進行有效監測；基于光譜遙感技術構建的黑土地天空地一體化集成調查體系則聚多元時空數據于一體，成為黑土地利用調查、土壤質量評估以及土壤變化趨勢預測的有效手段。