遥感技术获取耕地质量评价指标的研究进展分析

刘兴童

（三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 741000）

耕地作为保障粮食安全的主要根基，是解决我国“三农”问题的关键。目前我国依然处于人多地少的状态，对耕地的保护和利用面临很多挑战。我国总体耕地质量水平并不高，中低产田占全国耕地面积的2/3以上，部分地区土壤退化十分严重，东北的黑土地有机质含量也明显下降，北方土壤的干旱盐碱化问题十分突出，南方的红黄壤土壤酸化造成耕地退化等问题，都严重影响了耕地质量[1-2]。因此，要科学地应用遥感技术对土地进行深入观测，确保对土地资源的精细化调查。

1 耕地质量的主要概念

1.1 耕地生产力

耕地生产力是耕地质量的重要评判标准，而针对耕地生产力的研究需要关注土壤肥力，包括氮、速效钾、速效磷、有机质、pH值、阳离子交换量等多种指标。在评价耕地生产力的过程中，需要进行实证研究，充分考虑土体构型、理化性状、养分状况以及农田基本状况，并筛选出剖面结构土壤厚度、土壤pH值、速效钾、速效磷等相关指标，在规范土壤种植的基础上，根据地下水埋深、土壤侵蚀程度、碱化度、植被缺苗率等指标进行分析。充分考量土壤物理性状、化学性状及周边生态环境，再结合劳动力投入量、农业机械化水平、水利化程度、化学化程度、耕地现有生产力以及耕地现有人口承载量等社会经济要素进行全面判断。

1.2 土壤环境质量评价

对土壤环境质量的研究，以往多是基于单个指标、单点的土壤环境质量评价，随着相关技术标准的出台，很多研究也趋向于多指标综合分析[3-4]。例如，在评价农田耕地土壤环境质量时可以选取As、Hg、Cu、Pb、Cd、Cr、DDT、BHC等指标，并且补充太阳辐射量、降水量、气象灾害等气象指数，充分考察杂草、土壤、动物、微生物等的生物多样性。在土壤肥力状况、重金属污染以及立地条件等方面对土壤环境质量进行综合评价，由单指标、单点采样转变为多指标、大样本采样，全面立体化地对土壤肥力、立地条件和重金属污染情况进行实地考察。

1.3 土壤健康质量评价

土壤健康质量评价主要集中在土地健康和土壤健康两方面。土地健康是指土地维持自身正常代谢的基本状态，土地自身恢复能力可以有效缓解外界对土地生态系统产生的不良冲击，包括土壤质量下降、表土风化、水土流失、植被减少、土壤酸化以及盐碱化等问题。根据联合国开发计划署以及世界经济合作与发展组织提出的分析框架，结合土地系统特点构建健康评价模型，主要包括目标层、准则层和指标层，综合构建土地系统健康评价指标体系。土壤健康主要是指土壤在生态系统边界内维持生物生产力、改善环境质量、促进动植物健康生长的能力。土壤健康指标的选择，必须满足灵敏度高、使用范围广、测量方法切实可行等要求。一些生物学家通过对土壤重金属污染及健康状况进行分析，还可以增加土壤微生物活性、功能性。通过考察土壤全氮、有机碳、有机氮以及微生物量碳、氮等指标，进一步提高土壤健康质量评价的标准。

2 基于遥感的耕地指标体系构建和技术流程

在遥感信息获取的过程中，需要结合历史积累数据库、文献资料、实地调研数据等多种资源。遥感技术不仅可以对地形条件中的田面坡度和坡向等关键指标进行快速提取，同时也能够实现大面积快速无损地获取各类信息[5-6]。在常规的地质调研中，无论是定点观测现场调查，还是原地采样，为了获取要点数据，需要耗费大量人力和时间，而且很难从表面上获取指标监测信息，必须引入新的信息技术，提高土壤质量调查的整体水平。目前，遥感数据种类比较多，例如按照电磁波光谱段分，可以分为多光谱、高光谱、热红外以及微波雷达等数据；按照传感器的工作方式分，可以分为主动遥感和被动遥感；按照信息获取尺度分，可以分为近地面原位、车载、航空航天遥感数据，不同的尺度对耕地质量评判的影响因素也各不相同。利用无人机、航空飞机等飞行设备，可以搭载相应的传感器，通过卫星遥感传感器提供亚米级到千米级的遥感数据信息。根据遥感的耕地质量评价信息标准，不仅可以总结耕地质量评价的基本需求，而且还可以对现有的数据信息进行快速收集和整理，实现科学布设样点，快速获取“天空地”遥感以及非遥感协同数据。根据不同的工作需求，对遥感及非遥感数据进行预处理，最后确保遥感分类信息能够被快速提取。

遥感分类的研究包括目视解译和大数据人工智能的信息提取。近年来随着深度学习在遥感领域的广泛应用，卷积神经网络、深入信念网络、自动编码器等应用更加广泛，可以确保对影像特征的快速提取，保障信息处理能力。而遥感数据定量在建模的同时也需要对各种数据进行平滑处理、微分变换以及小波变换等，从而提高数据处理能力[7-8]。我国卫星遥感数据技术已经形成低中高分辨率等多种类型的卫星体系，其中静止轨道卫星能够对地面进行全天候的监测，分辨率达50 m以上，还能够对地表植被水体进行实时记录；中等分辨率卫星体系可以连续几天甚至十几天对所在区域进行全面观测，解决资源普查以及地表要素的观测和反演问题；高分辨率卫星体系能够对地表对象进行大范围的调查，对地表要素进行观测，时间长达十几天。卫星遥感技术覆盖面广、时效性强，与地面监测网站数据接入能够提高科学监测洪涝灾害的水平。对于紧急的突发事件，可以快速进行处理。

3 耕地评价指标的遥感识别技术

3.1 对土壤本底质量的研究

在对土壤本底质量的研究中，通过光谱特征分析可以为耕地质量的信息化监测提供丰富多样的实验数据，尤其是针对土壤有机质、水分、颗粒组成与光谱反射率之间关系的研究，不仅总结了土壤理化特性与反射率的关系，而且建立了定量估计模型。由于土壤反射光谱数据获取存在一定的差异性，而不同研究的定量遥感结果区域化特点十分明显，所以根据不同的定量遥感研究结果，可以获得明显的区域特点，但缺乏共享性。

3.2 在土壤污染中的应用

环境污染问题主要是因为废水、废气以及废弃物不当排放和堆放而导致的，而通过遥感技术可以快速获取土壤质量信息，也可以对河湖水系进行监测。因人类活动引起的生态环境污染问题十分普遍，通过遥感定量监测技术能够对土壤中的Cd、Zn以及有机质含量进行判断。通过可见光近红外反射光谱和偏最小二乘回归法对土壤中重金属元素的含量进行预测，也能构建农田土壤的As、Hg、Pb、Fe含量与反射光谱的对应关系，从而提高光谱遥感技术定量监测的可行性。利用偏最小二乘回归法对土壤中Pb、Cd、Hg等重金属元素含量进行模拟分析，从而判断土壤的重金属污染程度。

3.3 耕地立地条件的识别

随着高分辨率遥感技术的快速发展，获取耕地信息的方法，应用更加广泛。例如根据不同的对象分类，可以对耕地、交通运输用地、河流、建筑用地、农田水利用地、农田防护林地等不同数据信息进行快速提取，而且采用尺度分割获得不同层次的地类信息，精度十分高。在耕地质量建设管理中需要以农田道路、灌排沟渠以及农田林网等线状地物为主，快速准确地对线状地物进行识别[9-10]。利用高分辨率遥感影像技术，通过断点连接高低双长度阈值过滤，获取精度高于50%的道路沟渠线状工程地物信息，有效解决微小弯曲和被遮蔽沟渠等问题，确保沟渠信息获取精确度达到91.46%。在我国灌溉技术快速发展的同时，基于遥感技术的灌溉能力评价也快速发展。根据气象站点数据信息计算出年度有效灌溉量以及灌溉需求量，将二者的比值作为灌溉保障能力的评价指标，同时利用遥感数据信息对农田防护林特征进行快速提取，利用数学形态学以及面向对象法获取农田防护林的矢量结果，从而对土地整理区农用井的识别准确率达到88%以上。

3.4 在耕地质量综合评价中的应用

遥感技术对耕地质量评价指标的研究尚处于初级阶段，单纯以遥感影像为主，通过将各类植被指数与非遥感数据相结合，可以快速获取相关因子。例如，利用多光谱影像快速提取NDVI、DVI、RVI等指标，充分反映土壤肥力状况、水分状况、土壤退化状况等信息，并结合坡度信息、土地利用程度，构建评价指标体系。在应用遥感技术对耕地质量进行识别的过程中，可以利用多光谱遥感影像，快速获取土壤有机质、地形坡度、表层土壤质地、灌溉保证率以及排水条件等相关指标。

3.5 遥感技术可识别

在遥感技术可识别中主要包括坡度、坡向、地形部位等相关指标，利用坡度、坡向数据可以对耕地地形进行准确评价，从而满足作物生长的需求。在坡度、坡向评价时，高程点或等高线差值法的成本较低，操作简单，但数据源受限制比较大；激光雷达算法能够满足坡面尺度高精度地形数据，但是目前尚处于初级阶段。对于地形部位的评价主要通过实地调研、地形地貌图来确定，根据遥感数据获取地形部位的信息，需要利用DNA计算，结合半自动化信息提取，包含地形因子提取法、特征要素分析法、波谱分析法、纹理分析法等。由于地貌形态比较复杂，对于数字化地形部位的分析集中于定性或半定量阶段，目前尚未实现大范围推广。

4 遥感技术获取耕地质量评价指标的未来发展方向

4.1 深入挖掘不同尺度遥感数据的特征

在耕地质量指标评价中，地形部位、土壤属性指标、田间利用状况等数据信息已经得到全面发展，但是土地覆被分类、土壤含水量、表面粗糙程度等不够均匀，致使地面、航空、航天不同尺度的遥感数据观测还存在较大的尺度效应。要想充分利用不同尺度遥感数据的优势，必须对耕地质量指标进行准确判断、深入研究，确保地表样本布局合理。遥感数据、遥感产品尺度转化合理，充分运用“天空地”一体化数字遥感监测网络，从而获得真实的监测结果。

4.2 加强耕地质量评价的自动化提取

我国幅员辽阔，耕地覆盖面积广，存在显著的空间差异。在获取遥感数据信息的过程中，要尽可能地根据不同指标的空间分布规律和时间演变规律进行判断。因此，在新时期要充分将大数据、云计算、物联网等技术和遥感信息化、自动化技术相结合，针对不同区域、不同时间、不同地表覆盖、不同土壤类型的遥感信息影响规律持续学习，得到充分的演化机理和知识经验库，从而满足信息指标的自动化提取要求。

4.3 建设耕地质量评价的遥感大数据平台

在当前农业和国土资源快速发展的背景下，我国已构建了“天空地”一体化数字遥感监测网络，但是没有在耕地质量评价中形成工程化平台。所以要高度重视基于遥感的耕地质量监测评价技术的研究，确保工程化遥感数据信息的快速获取。

5 结语

耕地质量评价指标已经不再局限于耕地地力评价以及耕地潜在生产力评价，而是在原有的基础之上拓宽发展领域。因此，在新时期要充分提高遥感理论技术方法的普适性，确定更具有真实意义的耕地质量评价指标，形成快速、大面积的工程化指标信息的获取思路，要充分开展遥感获取土壤生物指标的研究，增强土壤微生物的监测效果。未来，高分辨率数据与高光谱数据的有机结合，能够为耕地质量评价提供真实的支持。