孫丹峰：光譜端元下的“孿生”地表與耕地質量監(jiān)測方案
2024-12-19 中國質量萬里行 點擊：次
為深入貫徹落實中央農(nóng)村工作會議精神和中央一號文件要求，助力區(qū)域鄉(xiāng)村振興和高質量發(fā)展，日前，首屆息縣鄉(xiāng)村振興學術交流會在河南省信陽市息縣成功召開。大會由中國農(nóng)業(yè)大學主辦，本次會議主題為“耕地保護與鄉(xiāng)村振興”，聚焦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、耕地保護及鄉(xiāng)村振興等核心議題，探討鄉(xiāng)村振興的新機遇與新路徑。中國農(nóng)業(yè)大學土地科學與技術學院孫丹峰教授以“數(shù)字‘孿生’與耕地質量”為主題，通過數(shù)字經(jīng)濟與“孿生”空間、區(qū)域耕地與狀態(tài)空間具體講解了數(shù)字經(jīng)濟時代下，如何通過光譜端元下的“孿生”地表量化表征耕地利用特征與狀態(tài)空間，建立耕地質量診斷與監(jiān)測模型。
孫丹峰教授在會上作主題報告
孫丹峰指出，國務院印發(fā)《數(shù)字中國建設整體布局規(guī)劃》，旨在通過做強數(shù)字經(jīng)濟、發(fā)展數(shù)字政務、打造數(shù)字文化、構建數(shù)字社會和建設數(shù)字生態(tài)文明，全面賦能經(jīng)濟社會發(fā)展，同時確保數(shù)字技術創(chuàng)新和安全。因此地球觀測產(chǎn)業(yè)正迅速發(fā)展，預計其經(jīng)濟價值將從2023年的2660億美元增長至2030年的超過7000億美元。低空經(jīng)濟業(yè)態(tài)也展現(xiàn)出巨大潛力，中國在這一領域的應用已成熟，如農(nóng)林植保無人機和電力巡線無人機等，對經(jīng)濟發(fā)展和社會保障貢獻顯著。
孫丹峰認為，當前數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展不僅依賴于一系列衛(wèi)星族群保障觀測數(shù)據(jù)，還需要“孿生”出決策和管理知識的提升實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)效益的可持續(xù)增長，需要針對不同應用領域和場景持續(xù)開展“孿生”空間知識體系研發(fā)。目前挑戰(zhàn)是：如何在一種統(tǒng)一和結構化的“孿生”空間支撐下開展眾多數(shù)字經(jīng)濟案例的中間抽象研究，為不同領域專家提供統(tǒng)一和一致的詞匯表，產(chǎn)生決策和管理知識的共同理解、理論和一致的表征方法。
耕地是糧食安全的根基，面臨保護和利用的挑戰(zhàn)。習近平總書記親自部署、多次強調要落實最嚴格的耕地保護制度。我國相繼出臺《糧食安全保障法》《黑土地保護法》，推進耕地的“數(shù)量、質量、生態(tài)”三位一體保護。孫丹峰認為，在新時代“誰來種地”“如何種地”、如何通過“孿生”技術推動智慧耕地與“無人”農(nóng)場，協(xié)同耕地保護、資源有效利用與綠色發(fā)展轉型，已成為大勢所趨。現(xiàn)在國內(nèi)外的科學界和管理部門也開始集中描述一組土地單元的當前狀態(tài)劃分，該產(chǎn)品被稱為“狀態(tài)圖”來組織作物、土壤、管理狀態(tài)的互動變化關系。
據(jù)悉，目前美國通過土壤調查地理數(shù)據(jù)庫的土壤地圖單元，也就是土壤類型，為繪制狀態(tài)空間提供了一個模板，但這一地圖單元建立在有限的實驗和野外調查上，存在大量不一致的概念、指標和觀測。美國也開始探索可擴展的數(shù)字空間建模框架，利用機器學習算法來繪制生態(tài)立地狀態(tài)空間。但多數(shù)機器學習算法本質上是復雜的，產(chǎn)生“黑盒”模型，難以理解狀態(tài)空間是否是立地條件、處理后自然要素或管理的差異效應，無法有效支撐管理決策。
孫丹峰從五個方面介紹了團隊在構建統(tǒng)一和結構化的“孿生”地表進展，以及服務區(qū)域耕地質量監(jiān)測的情況。
一是區(qū)域耕地質量監(jiān)測簡要。團隊從2015年開始聚焦寬波段遙感地表端元空間研究，構建從自然景觀到城市景觀（土壤-植被-不透水面）的直觀邏輯一般模型，在一個可對比的等邊三角形里通過端元要素特征組合-實例化不同覆蓋的形態(tài)結構、性狀分布，通過在不同物候，自然干擾和人類管理下端元空間年內(nèi)物候特征、年際長時序變化檢測地表類型和功能演替規(guī)律假設。
二是區(qū)域耕地利用類型精細分類。在華北、東北平原端元空間耕地分類基礎上，采用兩年的綠色植被端元組分物候知識開展種植模式識別。
三是地表端元空間年內(nèi)序列耕地利用強度。構建了一個典型物候地表形態(tài)覆被指數(shù)（LCI）表征地塊的生態(tài)、管理響應特征；利用地表溫度年內(nèi)時間序列構建地表溫度差異響應面（VPI），表征耕地溫度調控差異，快速量化耕地系統(tǒng)活力。
四是區(qū)域耕地利用年際演化特征。模擬作物GV年際軌跡，通過趨勢和實際曲線差異檢測利用過度或效率降低（投入和管理不足）等生產(chǎn)力退化問題以及判斷耕地健康的增長、衰減趨勢。
五是狀態(tài)空間表征。在遙感標準光譜端元空間（SVD）統(tǒng)一對比實現(xiàn)耕地系統(tǒng)關鍵特征量化，從作物-種植類型精細分類、土地利用強度、土壤結構健康和活力指數(shù)，規(guī)范立地屬性和狀態(tài)表征變量的遙感反演，采用土壤碳存量作為狀態(tài)響應變量，通過狀態(tài)空間的科學建立，可減少有限時間長度對診斷和識別耕地質量多穩(wěn)態(tài)和暫時態(tài)能力的不足。
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