一种基于航空高光谱的黑土地质量综合评价方法

一、基本信息

1.申请号：CN202011620822.1。

2.发明人：戴慧敏、赵宁博、高铁、赵英俊、秦凯。

3.专利权人：中国地质调查局沈阳地质调查中心。

4.授权时间：审中。

5.技术领域：本发明属于土壤质量评价技术领域，具体涉及一种基于航空高光谱的黑土地质量综合评价方法。

二、发明内容

本发明的目的是提供一种基于航空高光谱的黑土地质量综合评价方法，能够快速地在景观尺度上对黑土地质量进行全面综合的评价。

本发明的有益技术效果如下。

1.本发明基于航空高光谱技术开展土壤质量评价，发挥了航空高光谱技术时效性强、数据全覆盖的优势，相比传统地球化学调查工作周期长、空间精度受限的劣势具有明显的进步性；

2.本发明利用了多种航空高光谱传感器，覆盖了可见光-近红外和热红外波段，发挥各类传感器的优势，提取了多种类型的土壤养分和环境指标，保障了评价结果的综合性。

具体实施方式。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其他所有实施例，均在本发明保护的范围内。

本发明提供了一种基于航空高光谱的黑土地质量综合评价方法，该方法包括以下步骤。

步骤1：获取航空高光谱数据。

步骤1.1，在研究区开展航空高光谱数据采集，传感器类型为CASI/SASI/TASI 航空高光谱传感器，覆盖可见光、近红外和热红外波段；

步骤1.2，对步骤1.1 得到的所有航空高光谱数据进行辐射校正和几何校正，利用FLAASH 大气辐射传输模型对CASI/SASI数据进行大气校正，获得反射率数据；

步骤1.3，利用MODTRAN 大气辐射传输模型对TASI 热红外数据进行大气校正后进行温度与发射率的分离，分别获得温度数据与发射率数据。

步骤2：在步骤1 获取航空高光谱数据在地面开展土壤取样的同时，在地面开展土壤取样获取地面数据。

样品分析项目包括有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、硒、砷、铬、镉、汞、铅。

步骤3：根据步骤1 和步骤2 得到的数据对土壤质量指标进行高光谱反演。

步骤3.1，将步骤2 中采样点各项指标的分析数据作为因变量，步骤1 中处理获得的CASI/SASI反射率数据作为自变量，利用偏最小二乘法建立各指标的反演模型，获得相应的反演数据；

步骤3.2，然后利用步骤1 中获得的TASI 发射率数据提取土壤盐碱化和沙化信息。

步骤3.2 中提取方法是利用ENVI 软件中的“沙漏模型”，根据矿物的光谱吸收特征进行信息提取，其中根据硫酸盐矿物在8.8 μm 处的吸收峰提取盐碱化信息，根据二氧化硅在8.6 ～9.7 μm 处的强吸收带和8 ～8.6 μm 处的弱吸收带提取沙化信息。

步骤4：利用层次分析法建立评价体系，获得各项评价体系指标的权重。

评价体系指标分为两大类，分别是土壤养分指标（有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、硒）和土壤环境指标（砷、铬、镉、汞、铅、盐碱化、沙化）。

步骤5：综合评分计算土壤质量。

步骤5 利用研究区的地块作为评价单元，将矢量格式的地块数据与评价指标的反演栅格数据进行空间连接，以地块为单元进行栅格数据的算数平均值统计，采用单个地块内反演数据的均值来代表该地块的指标含量，依次进行每项指标的统计计算，然后基于各项指标的评分标准进行打分，将每项指标的评分结果与步骤4 中得到的对应权重进行相乘，最后将各指标的计算结果求和后作为研究区土壤质量的综合评分。

每项指标的评价等级分为五级，其中养分指标（有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、硒）的评价标准参照《土地质量地球化学评价规范（DZ/T 0295-2016）》，环境指标中砷、铬、镉、汞、铅的评价标准参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618-2018）》，而盐碱化、沙化的评价等级按照光谱匹配指数（20%、40%、60%、80%、100%）划分为极弱、较弱、中等、较强、极强5 个等级。

步骤6：将步骤5 得到的土壤质量综合评分结果可视化。

将步骤5 得到的土壤质量综合评分按照质量由高到低分为5 个等级，分别是一级（≥0.8 ～1 分）、二级（≥0.6 ～0.8 分）、三级（≥0.4 ～0.6 分）、四级（≥0.2 ～0.4 分）、五级（≥0 ～0.2 分），以实际地块为单元进行土壤质量综合评价结果的等级划分与成图，即可获得研究区土壤综合质量的空间分布结果。

三、背景技术

我国东北的黑土区是世界四大黑土区之一，土壤肥沃，有机质丰富，使得东北地区成为我国重要的粮食生产基地。但是，近年来由于人类活动的影响，黑土地资源的保护利用面临着巨大压力，例如农业生产使黑土地的土层变薄，工业活动增加了土壤重金属污染的风险等。因此，为了科学地利用和保护黑土地，黑土地的质量评价工作变得尤为重要。目前，黑土地的质量评价主要依靠地球化学调查，按照设定的比例尺进行取样和分析，比例尺以1 ∶25 万为主，少部分地区开展了1 ∶5 万调查。目前的调查主要是大范围区域上的调查，获取土壤质量的宏观分布特征，空间精度不高。同时调查工作的周期较长，时效性受到制约。随着农业生产规划和污染治理等工作越来越精细化，对重点地区土壤质量评价的空间精度和时效性提出了更高的要求。在此背景下，利用航空高光谱遥感技术来开展工作是一种合适的途径，因为航空高光谱具有高空间分辨率和高光谱分辨率的优势。但是，目前航空高光谱技术在土壤质量评价领域尚无过多的经验积累。

因此，需要提供一种基于航空高光谱的黑土地质量综合评价方法，以解决现有技术存在的问题。

发明人简介：戴慧敏，女，1979 年生，中共党员，博士，中国地质调查局沈阳地质调查中心教授级高级工程师。主要从事地球化学与生态地质调查工作。邮箱：daihuimin78@126.com。