孫丹峰：光譜端元下的“孿生”地表與耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)方案
2024-12-19 中國(guó)質(zhì)量萬里行 點(diǎn)擊：次
為深入貫徹落實(shí)中央農(nóng)村工作會(huì)議精神和中央一號(hào)文件要求，助力區(qū)域鄉(xiāng)村振興和高質(zhì)量發(fā)展，日前，首屆息縣鄉(xiāng)村振興學(xué)術(shù)交流會(huì)在河南省信陽市息縣成功召開。大會(huì)由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)主辦，本次會(huì)議主題為“耕地保護(hù)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(hù)及鄉(xiāng)村振興等核心議題，探討鄉(xiāng)村振興的新機(jī)遇與新路徑。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院孫丹峰教授以“數(shù)字‘孿生’與耕地質(zhì)量”為主題，通過數(shù)字經(jīng)濟(jì)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(jì)時(shí)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(zhì)量診斷與監(jiān)測(cè)模型。
孫丹峰教授在會(huì)上作主題報(bào)告
孫丹峰指出，國(guó)務(wù)院印發(fā)《數(shù)字中國(guó)建設(shè)整體布局規(guī)劃》，旨在通過做強(qiáng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、發(fā)展數(shù)字政務(wù)、打造數(shù)字文化、構(gòu)建數(shù)字社會(huì)和建設(shè)數(shù)字生態(tài)文明，全面賦能經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，同時(shí)確保數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新和安全。因此地球觀測(cè)產(chǎn)業(yè)正迅速發(fā)展，預(yù)計(jì)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值將從2023年的2660億美元增長(zhǎng)至2030年的超過7000億美元。低空經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)也展現(xiàn)出巨大潛力，中國(guó)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用已成熟，如農(nóng)林植保無人機(jī)和電力巡線無人機(jī)等，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)保障貢獻(xiàn)顯著。
孫丹峰認(rèn)為，當(dāng)前數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不僅依賴于一系列衛(wèi)星族群保障觀測(cè)數(shù)據(jù)，還需要“孿生”出決策和管理知識(shí)的提升實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)效益的可持續(xù)增長(zhǎng)，需要針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景持續(xù)開展“孿生”空間知識(shí)體系研發(fā)。目前挑戰(zhàn)是：如何在一種統(tǒng)一和結(jié)構(gòu)化的“孿生”空間支撐下開展眾多數(shù)字經(jīng)濟(jì)案例的中間抽象研究，為不同領(lǐng)域?qū)＜姨峁┙y(tǒng)一和一致的詞匯表，產(chǎn)生決策和管理知識(shí)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(hù)和利用的挑戰(zhàn)。習(xí)近平總書記親自部署、多次強(qiáng)調(diào)要落實(shí)最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度。我國(guó)相繼出臺(tái)《糧食安全保障法》《黑土地保護(hù)法》，推進(jìn)耕地的“數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)”三位一體保護(hù)。孫丹峰認(rèn)為，在新時(shí)代“誰來種地”“如何種地”、如何通過“孿生”技術(shù)推動(dòng)智慧耕地與“無人”農(nóng)場(chǎng)，協(xié)同耕地保護(hù)、資源有效利用與綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型，已成為大勢(shì)所趨。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的科學(xué)界和管理部門也開始集中描述一組土地單元的當(dāng)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(dòng)變化關(guān)系。
據(jù)悉，目前美國(guó)通過土壤調(diào)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(gè)模板，但這一地圖單元建立在有限的實(shí)驗(yàn)和野外調(diào)查上，存在大量不一致的概念、指標(biāo)和觀測(cè)。美國(guó)也開始探索可擴(kuò)展的數(shù)字空間建模框架，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來繪制生態(tài)立地狀態(tài)空間。但多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法本質(zhì)上是復(fù)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(yīng)，無法有效支撐管理決策。
孫丹峰從五個(gè)方面介紹了團(tuán)隊(duì)在構(gòu)建統(tǒng)一和結(jié)構(gòu)化的“孿生”地表進(jìn)展，以及服務(wù)區(qū)域耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)的情況。
一是區(qū)域耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)要。團(tuán)隊(duì)從2015年開始聚焦寬波段遙感地表端元空間研究，構(gòu)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(gè)可對(duì)比的等邊三角形里通過端元要素特征組合-實(shí)例化不同覆蓋的形態(tài)結(jié)構(gòu)、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(zhǎng)時(shí)序變化檢測(cè)地表類型和功能演替規(guī)律假設(shè)。
二是區(qū)域耕地利用類型精細(xì)分類。在華北、東北平原端元空間耕地分類基礎(chǔ)上，采用兩年的綠色植被端元組分物候知識(shí)開展種植模式識(shí)別。
三是地表端元空間年內(nèi)序列耕地利用強(qiáng)度。構(gòu)建了一個(gè)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(yīng)特征；利用地表溫度年內(nèi)時(shí)間序列構(gòu)建地表溫度差異響應(yīng)面（VPI），表征耕地溫度調(diào)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(shì)和實(shí)際曲線差異檢測(cè)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(zhǎng)、衰減趨勢(shì)。
五是狀態(tài)空間表征。在遙感標(biāo)準(zhǔn)光譜端元空間（SVD）統(tǒng)一對(duì)比實(shí)現(xiàn)耕地系統(tǒng)關(guān)鍵特征量化，從作物-種植類型精細(xì)分類、土地利用強(qiáng)度、土壤結(jié)構(gòu)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(yīng)變量，通過狀態(tài)空間的科學(xué)建立，可減少有限時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)診斷和識(shí)別耕地質(zhì)量多穩(wěn)態(tài)和暫時(shí)態(tài)能力的不足。
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