一種基于航空高光譜的黑土地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法

一、基本信息

1.申請(qǐng)?zhí)枺篊N202011620822.1。

2.發(fā)明人：戴慧敏、趙寧博、高鐵、趙英俊、秦凱。

3.專利權(quán)人：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心。

4.授權(quán)時(shí)間：審中。

5.技術(shù)領(lǐng)域：本發(fā)明屬于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于航空高光譜的黑土地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法。

二、發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于航空高光譜的黑土地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法，能夠快速地在景觀尺度上對(duì)黑土地質(zhì)量進(jìn)行全面綜合的評(píng)價(jià)。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下。

1.本發(fā)明基于航空高光譜技術(shù)開展土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，發(fā)揮了航空高光譜技術(shù)時(shí)效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)全覆蓋的優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)地球化學(xué)調(diào)查工作周期長(zhǎng)、空間精度受限的劣勢(shì)具有明顯的進(jìn)步性；

2.本發(fā)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(fā)揮各類傳感器的優(yōu)勢(shì)，提取了多種類型的土壤養(yǎng)分和環(huán)境指標(biāo)，保障了評(píng)價(jià)結(jié)果的綜合性。

具體實(shí)施方式。

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。顯而易見的，下面所述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明實(shí)施例中的一部分，而不是全部。基于本發(fā)明記載的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下得到的其他所有實(shí)施例，均在本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。

本發(fā)明提供了一種基于航空高光譜的黑土地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法，該方法包括以下步驟。

步驟1：獲取航空高光譜數(shù)據(jù)。

步驟1.1，在研究區(qū)開展航空高光譜數(shù)據(jù)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(duì)步驟1.1 得到的所有航空高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正和幾何校正，利用FLAASH 大氣輻射傳輸模型對(duì)CASI/SASI數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，獲得反射率數(shù)據(jù)；

步驟1.3，利用MODTRAN 大氣輻射傳輸模型對(duì)TASI 熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正后進(jìn)行溫度與發(fā)射率的分離，分別獲得溫度數(shù)據(jù)與發(fā)射率數(shù)據(jù)。

步驟2：在步驟1 獲取航空高光譜數(shù)據(jù)在地面開展土壤取樣的同時(shí)，在地面開展土壤取樣獲取地面數(shù)據(jù)。

樣品分析項(xiàng)目包括有機(jī)質(zhì)、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(jù)步驟1 和步驟2 得到的數(shù)據(jù)對(duì)土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行高光譜反演。

步驟3.1，將步驟2 中采樣點(diǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的分析數(shù)據(jù)作為因變量，步驟1 中處理獲得的CASI/SASI反射率數(shù)據(jù)作為自變量，利用偏最小二乘法建立各指標(biāo)的反演模型，獲得相應(yīng)的反演數(shù)據(jù)；

步驟3.2，然后利用步驟1 中獲得的TASI 發(fā)射率數(shù)據(jù)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(jù)礦物的光譜吸收特征進(jìn)行信息提取，其中根據(jù)硫酸鹽礦物在8.8 μm 處的吸收峰提取鹽堿化信息，根據(jù)二氧化硅在8.6 ～9.7 μm 處的強(qiáng)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(píng)價(jià)體系，獲得各項(xiàng)評(píng)價(jià)體系指標(biāo)的權(quán)重。

評(píng)價(jià)體系指標(biāo)分為兩大類，分別是土壤養(yǎng)分指標(biāo)（有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、硒）和土壤環(huán)境指標(biāo)（砷、鉻、鎘、汞、鉛、鹽堿化、沙化）。

步驟5：綜合評(píng)分計(jì)算土壤質(zhì)量。

步驟5 利用研究區(qū)的地塊作為評(píng)價(jià)單元，將矢量格式的地塊數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)的反演柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間連接，以地塊為單元進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值統(tǒng)計(jì)，采用單個(gè)地塊內(nèi)反演數(shù)據(jù)的均值來代表該地塊的指標(biāo)含量，依次進(jìn)行每項(xiàng)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，然后基于各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分，將每項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果與步驟4 中得到的對(duì)應(yīng)權(quán)重進(jìn)行相乘，最后將各指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果求和后作為研究區(qū)土壤質(zhì)量的綜合評(píng)分。

每項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)分為五級(jí)，其中養(yǎng)分指標(biāo)（有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、硒）的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范（DZ/T 0295-2016）》，環(huán)境指標(biāo)中砷、鉻、鎘、汞、鉛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《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)（GB 15618-2018）》，而鹽堿化、沙化的評(píng)價(jià)等級(jí)按照光譜匹配指數(shù)（20%、40%、60%、80%、100%）劃分為極弱、較弱、中等、較強(qiáng)、極強(qiáng)5 個(gè)等級(jí)。

步驟6：將步驟5 得到的土壤質(zhì)量綜合評(píng)分結(jié)果可視化。

將步驟5 得到的土壤質(zhì)量綜合評(píng)分按照質(zhì)量由高到低分為5 個(gè)等級(jí)，分別是一級(jí)（≥0.8 ～1 分）、二級(jí)（≥0.6 ～0.8 分）、三級(jí)（≥0.4 ～0.6 分）、四級(jí)（≥0.2 ～0.4 分）、五級(jí)（≥0 ～0.2 分），以實(shí)際地塊為單元進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)劃分與成圖，即可獲得研究區(qū)土壤綜合質(zhì)量的空間分布結(jié)果。

三、背景技術(shù)

我國(guó)東北的黑土區(qū)是世界四大黑土區(qū)之一，土壤肥沃，有機(jī)質(zhì)豐富，使得東北地區(qū)成為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。但是，近年來由于人類活動(dòng)的影響，黑土地資源的保護(hù)利用面臨著巨大壓力，例如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使黑土地的土層變薄，工業(yè)活動(dòng)增加了土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)等。因此，為了科學(xué)地利用和保護(hù)黑土地，黑土地的質(zhì)量評(píng)價(jià)工作變得尤為重要。目前，黑土地的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要依靠地球化學(xué)調(diào)查，按照設(shè)定的比例尺進(jìn)行取樣和分析，比例尺以1 ∶25 萬為主，少部分地區(qū)開展了1 ∶5 萬調(diào)查。目前的調(diào)查主要是大范圍區(qū)域上的調(diào)查，獲取土壤質(zhì)量的宏觀分布特征，空間精度不高。同時(shí)調(diào)查工作的周期較長(zhǎng)，時(shí)效性受到制約。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃和污染治理等工作越來越精細(xì)化，對(duì)重點(diǎn)地區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的空間精度和時(shí)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(shù)來開展工作是一種合適的途徑，因?yàn)楹娇崭吖庾V具有高空間分辨率和高光譜分辨率的優(yōu)勢(shì)。但是，目前航空高光譜技術(shù)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域尚無過多的經(jīng)驗(yàn)積累。

因此，需要提供一種基于航空高光譜的黑土地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

發(fā)明人簡(jiǎn)介：戴慧敏，女，1979 年生，中共黨員，博士，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心教授級(jí)高級(jí)工程師。主要從事地球化學(xué)與生態(tài)地質(zhì)調(diào)查工作。郵箱：daihuimin78@126.com。