一種基于航空高光譜的黑土地質量綜合評價方法

一、基本信息

1.申請號：CN202011620822.1。

2.發明人：戴慧敏、趙寧博、高鐵、趙英俊、秦凱。

3.專利權人：中國地質調查局沈陽地質調查中心。

4.授權時間：審中。

5.技術領域：本發明屬于土壤質量評價技術領域，具體涉及一種基于航空高光譜的黑土地質量綜合評價方法。

二、發明內容

本發明的目的是提供一種基于航空高光譜的黑土地質量綜合評價方法，能夠快速地在景觀尺度上對黑土地質量進行全面綜合的評價。

本發明的有益技術效果如下。

1.本發明基于航空高光譜技術開展土壤質量評價，發揮了航空高光譜技術時效性強、數據全覆蓋的優勢，相比傳統地球化學調查工作周期長、空間精度受限的劣勢具有明顯的進步性；

2.本發明利用了多種航空高光譜傳感器，覆蓋了可見光-近紅外和熱紅外波段，發揮各類傳感器的優勢，提取了多種類型的土壤養分和環境指標，保障了評價結果的綜合性。

具體實施方式。

為了使本領域的技術人員更好地理解本發明，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。顯而易見的，下面所述的實施例僅僅是本發明實施例中的一部分，而不是全部?；诒景l明記載的實施例，本領域技術人員在不付出創造性勞動的情況下得到的其他所有實施例，均在本發明保護的范圍內。

本發明提供了一種基于航空高光譜的黑土地質量綜合評價方法，該方法包括以下步驟。

步驟1：獲取航空高光譜數據。

步驟1.1，在研究區開展航空高光譜數據采集，傳感器類型為CASI/SASI/TASI 航空高光譜傳感器，覆蓋可見光、近紅外和熱紅外波段；

步驟1.2，對步驟1.1 得到的所有航空高光譜數據進行輻射校正和幾何校正，利用FLAASH 大氣輻射傳輸模型對CASI/SASI數據進行大氣校正，獲得反射率數據；

步驟1.3，利用MODTRAN 大氣輻射傳輸模型對TASI 熱紅外數據進行大氣校正后進行溫度與發射率的分離，分別獲得溫度數據與發射率數據。

步驟2：在步驟1 獲取航空高光譜數據在地面開展土壤取樣的同時，在地面開展土壤取樣獲取地面數據。

樣品分析項目包括有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、硒、砷、鉻、鎘、汞、鉛。

步驟3：根據步驟1 和步驟2 得到的數據對土壤質量指標進行高光譜反演。

步驟3.1，將步驟2 中采樣點各項指標的分析數據作為因變量，步驟1 中處理獲得的CASI/SASI反射率數據作為自變量，利用偏最小二乘法建立各指標的反演模型，獲得相應的反演數據；

步驟3.2，然后利用步驟1 中獲得的TASI 發射率數據提取土壤鹽堿化和沙化信息。

步驟3.2 中提取方法是利用ENVI 軟件中的“沙漏模型”，根據礦物的光譜吸收特征進行信息提取，其中根據硫酸鹽礦物在8.8 μm 處的吸收峰提取鹽堿化信息，根據二氧化硅在8.6 ～9.7 μm 處的強吸收帶和8 ～8.6 μm 處的弱吸收帶提取沙化信息。

步驟4：利用層次分析法建立評價體系，獲得各項評價體系指標的權重。

評價體系指標分為兩大類，分別是土壤養分指標（有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、硒）和土壤環境指標（砷、鉻、鎘、汞、鉛、鹽堿化、沙化）。

步驟5：綜合評分計算土壤質量。

步驟5 利用研究區的地塊作為評價單元，將矢量格式的地塊數據與評價指標的反演柵格數據進行空間連接，以地塊為單元進行柵格數據的算數平均值統計，采用單個地塊內反演數據的均值來代表該地塊的指標含量，依次進行每項指標的統計計算，然后基于各項指標的評分標準進行打分，將每項指標的評分結果與步驟4 中得到的對應權重進行相乘，最后將各指標的計算結果求和后作為研究區土壤質量的綜合評分。

每項指標的評價等級分為五級，其中養分指標（有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、硒）的評價標準參照《土地質量地球化學評價規范（DZ/T 0295-2016）》，環境指標中砷、鉻、鎘、汞、鉛的評價標準參照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（GB 15618-2018）》，而鹽堿化、沙化的評價等級按照光譜匹配指數（20%、40%、60%、80%、100%）劃分為極弱、較弱、中等、較強、極強5 個等級。

步驟6：將步驟5 得到的土壤質量綜合評分結果可視化。

將步驟5 得到的土壤質量綜合評分按照質量由高到低分為5 個等級，分別是一級（≥0.8 ～1 分）、二級（≥0.6 ～0.8 分）、三級（≥0.4 ～0.6 分）、四級（≥0.2 ～0.4 分）、五級（≥0 ～0.2 分），以實際地塊為單元進行土壤質量綜合評價結果的等級劃分與成圖，即可獲得研究區土壤綜合質量的空間分布結果。

三、背景技術

我國東北的黑土區是世界四大黑土區之一，土壤肥沃，有機質豐富，使得東北地區成為我國重要的糧食生產基地。但是，近年來由于人類活動的影響，黑土地資源的保護利用面臨著巨大壓力，例如農業生產使黑土地的土層變薄，工業活動增加了土壤重金屬污染的風險等。因此，為了科學地利用和保護黑土地，黑土地的質量評價工作變得尤為重要。目前，黑土地的質量評價主要依靠地球化學調查，按照設定的比例尺進行取樣和分析，比例尺以1 ∶25 萬為主，少部分地區開展了1 ∶5 萬調查。目前的調查主要是大范圍區域上的調查，獲取土壤質量的宏觀分布特征，空間精度不高。同時調查工作的周期較長，時效性受到制約。隨著農業生產規劃和污染治理等工作越來越精細化，對重點地區土壤質量評價的空間精度和時效性提出了更高的要求。在此背景下，利用航空高光譜遙感技術來開展工作是一種合適的途徑，因為航空高光譜具有高空間分辨率和高光譜分辨率的優勢。但是，目前航空高光譜技術在土壤質量評價領域尚無過多的經驗積累。

因此，需要提供一種基于航空高光譜的黑土地質量綜合評價方法，以解決現有技術存在的問題。

發明人簡介：戴慧敏，女，1979 年生，中共黨員，博士，中國地質調查局沈陽地質調查中心教授級高級工程師。主要從事地球化學與生態地質調查工作。郵箱：daihuimin78@126.com。