WOFOST模型与遥感数据同化的土壤速效养分反演

土壤速效养分是作物生长的必要条件,合理控制土壤速效养分含量对粮食增产、农民增收以及环境保护都有重要意义。随着现代农业技术的发展,可以通过变量施肥将土壤速效养分含量控制在最佳状态,这也对土壤养分的获取精度提出了更高的要求。当前的主要土壤速效养分遥感监测方法在监测精度、稳定性、成本控制和可推广性依然存在一定不足,甚至限制对变量施肥的指导作用。本文针对传统土壤速效养分估算方法的不足,提出了利用作物模型与时间序列遥感数据相结合实现耕层土壤速效养分反演的新思路,该思路以养分缺失引起的作物长势参数的变化为切入点,在数据同化算法设计和养分模块优化改造的基础上,利用作物长势参数遥感监测结果与模型模拟结果的差异设计了土壤速效养分反演算法,实现速效养分含量信息的有效获取。设计地面观测实验并利用地面观测数据对反演精度进行评价,结果表明该方法可以对土壤中的速效养分进行实时、高精度的稳定反演,3种主要的速效养分速效氮、有效磷和速效钾的R2分别达到了0.68、0.74和0.52,平均相对误差分别为7.45%、6.17%和9.97%。     

土壤钾含量高光谱定量反演研究

为了更快捷准确地进行土壤钾(K)含量的预测,基于土壤高光谱数据和化学元素分析数据,研究土壤光谱与土壤钾含量之间的定量关系.在对土壤原始光谱进行处理分析基础上,提取反射率(R)、反射率倒数的对数(log(1/R))、反射率一阶微分(R')和波段深度(BD)4种光谱指标,运用偏最小二乘回归方法建立相应的预测模型,并对模型进行检验.结果表明,波段深度是估算土壤钾含量最好的光谱指标,其建模精度超过0.85,均方根误差不超过0.1;全波段高光谱分辨率反射光谱具有快速有效估算土壤钾含量的潜力.     

耕层土壤有机质高光谱间接估测模型

针对光学遥感技术只能获取表层土壤光谱信息而无法直接估测耕层土壤有机质含量的问题,探索建立基于表层土壤高光谱信息的耕层土壤有机质间接估测模型。以山东省济南市章丘区采集的76个表层、耕层土壤样本数据为基础,首先分析原始光谱反射率的光谱特征;然后利用反射率的一阶微分、平方根的一阶微分和对数倒数的一阶微分等方法对原始光谱反射率进行变换,并根据极大相关性原则选取估测因子;最后根据表层土壤有机质含量与耕层有机质含量间的内在关系,建立耕层土壤有机质含量的间接估测模型。结果表明,以557、1 621、2 107和2 316 nm波段对数倒数的一阶微分变换值和864 nm波段反射率平方根倒数一阶微分的变换值为估测因子,使用二次函数关系模型对耕层土壤有机质含量间接估测的精度最高,其决定系数R~2为0.784,平均相对误差为10.7%。研究表明,利用表层土壤高光谱信息间接估测耕层有机质含量可行有效。     

土壤有机质含量区间值高光谱估测

考虑影响因素的复杂性,提出土壤有机质含量区间值高光谱估测的思想。根据在陕西省横山县采集的84个土壤样本数据,采用14种光谱反射率变换方法及因子互乘变换筛选反演因子,采用模糊识别方法进行土壤有机质含量估测。结果表明,原始光谱反射率(R)及其平方(R2)、平方根(R1/2)、倒数(1/R)、自然对数(ln R)的一阶微分、二阶微分及其互乘变换与有机质含量的相关性明显增强,模型优化系数可调节类别判别的准确度,12个检验样本的准确度为91.67%。这表明提出的土壤有机质含量区间值高光谱估测模型是有效的。     

采煤拉张裂隙区土壤有机质高光谱反演

煤炭开采产生的拉张裂隙破坏土壤结构,影响土壤质量。利用高光谱技术对裂隙区土壤的重要成分进行监测,对精确恢复裂隙区土壤质量及改善农业产量具有重要意义。本文首先在淮北朱庄煤矿采煤拉张裂隙区采集了90组土壤样品,并在室内测定了土壤样本光谱;然后将反射率值与测定的有机质含量进行相关分析,选取对有机质敏感的特征波段;最后利用偏最小二乘、BP神经网络进行建模,并评价各模型的精度。研究表明,本文反演效果较理想,比较所建模型精度,一阶微分与偏最小二乘模型(FDPLSR)建模效果最佳。FD-PLSR模型建模集和验证集的R²分别为0.876 1、0.845 9,RMSE分别为0.497 2、0.680 6。该研究可为采煤拉张裂隙区土壤有机质含量监测提供一定的技术支持。     

土壤有机质光谱特征研究

对在宜兴市和横山县采集的174个土样400nm～2500nm波段的光谱曲线进行了研究。为了有效去除背景噪声对目标光谱的影响，并将非线性关系线性化，首先对土壤光谱进行了14种变换，然后运用光谱微分技术、逐步回归分析等方法研究了土壤光谱反射特性与土壤有机质之间的关系。结果表明，反射率对数的一阶微分这一变换形式对土壤有机质含量最为敏感。建立了相应的回归预测模型，模型方程判定系数达到0．885，较好地利用土壤光谱反射特性预测了土壤有机质的含量。     

农业资源遥感监测网点县建立

农业部为全面了解掌握各地农业发展状况，今年在各省设置农业资源卫星遥感监测网点，利用卫星遥感拍照技术，结合地理信息系统和全球定位系统，及时、准确地收集分析各地土壤有机质、水分含量和农作物产量、病虫害发生等有关数据信息，以促进各地农业可持续发展，加快传统农业向现代农业迈进的步伐。     

基于电磁感应的干旱区土壤盐渍化定量遥感研究

以南疆典型干旱区Landsat 7 ETM+遥感图像为数据源,利用决策树分类法提取农业用地,并对农业用地进行移动式电磁感应调查(简称磁感调查)和光谱特征提取,同时分析磁感数据和图像光谱特征与土壤盐分含量的相关性,从而建立土壤盐分的定量反演模型。研究结果表明:土地利用类型决策树的分类精度达到93.75%,Kappa系数达0.915 4;经多元逐步回归分析,磁感调查获得的土壤盐分含量与差值植被指数(DVI)、ETM+图像第二波段像元值(B2)以及比值植被指数(RVI)间具有显著相关性,由此建立的遥感反演模型可用于土壤盐分含量的定量反演。经89个样点检验,基于磁感调查的土壤盐分遥感反演精度虽低于基于磁感调查的地统计空间分析的精度,但遥感定量反演值与磁感调查实测值仍具有良好的相关性,而且精度较高,因此利用本文方法进行土壤盐渍化大面积监测是快速有效的途径。     

2021年夏季中国大陆涝渍灾害时空分布分析

涝渍害是中国除干旱以外对农作物影响最严重的气象灾害,涝渍害的发生和发展对人民的生命和财产安全以及农作物的生长发育产生巨大的影响。2021年7月至8月间,中国北方多地降水达到历史观测极值,而相应时期地面的涝渍害发生和发展状况及其时空特征并未得到有效研究。因此,本研究首先利用中国大陆土壤水分站点日数据和被动微波遥感卫星SMAP反演土壤水分日产品获取中国高精度表层土壤湿度数据（0—10 cm）;随后,结合田间持水量数据计算土壤表层相对含水量。在此基础上,以连续10 d土壤相对含水量大于等于90%为标准,分析中国大陆2021年7月1日—8月25日的涝渍害时空分布情况。结果表明：（1）融合后的土壤水分产品较原始的SMAP微波土壤水分产品精度具有明显的提高;（2）中国东北地区水稻田种植区的土壤相对含水量大于等于90%的最长持续天数均为56 d,土壤的水分长期处于饱和状态,说明了本文方法能够较为准确的反应出土壤涝渍害的情况;（3）中国东北及华北地区受灾较为严重,其中黑龙江的西部和河北、河南、山东发生的涝渍面积最大。中国大陆耕地部分受涝渍灾害区域占到总耕地面积的1/2左右,重灾区面积为1.940×10⁵ km²;（4）黑龙江的西部及河北、河南、山东等地较往年降水偏多,这与涝渍害受灾区基本吻合。     

土壤重金属铬含量高光谱灰色关联度估测

快速、准确地测定土壤重金属含量,对防治土壤重金属污染、改善土壤环境和保障食品安全有着重要意义。以山东省烟台市采集的70个土壤样本为基础,首先分析土壤重金属铬含量的分组光谱特性;然后利用6种变换方法对土壤光谱反射率进行变换,根据极大相关性原则选取反演因子;最后利用灰色关联度模型初步估测铬含量,并对估测结果进行修正,采用决定系数和平均相对误差评价模型的有效性。结果表明,土壤光谱反射率随铬含量的升高而降低,二者呈负相关性;利用灰色关联度模式识别方法对重金属铬含量进行估测后的决定系数为R~2=0.656,平均相对误差为16.590%,而利用灰色关联度修正模型对估测值进行修正后,决定系数为R~2=0.912,平均相对误差为6.632%。研究表明,利用灰色关联度修正模型定量估侧土壤重金属铬含量有效。     

海孜煤矿煤矸石充填复垦技术研究

以海孜煤矿为例,针对长期开采造成的大面积塌陷区,以及煤矸石利用率低,大量压占土地现象严重等问题,根据因地制宜的原则,对选定的四个项目区进行煤矸石充填复垦工程.工程结束后,将恢复建筑用地30.55hm2,耕地367.44hm2,同时消耗煤矸石3153t,既解决了土地利用紧张的问题,又有利用保护环境,防治环境污染,具有显著...     

三维激光扫描技术在煤矸石山复垦中的应用

针对煤矸石山复垦过程中可能出现的各种量化问题,以某矿一座小型煤矸石山为例,利用三维激光扫描仪进行扫描测量,并用相关软件对点云进行一系列处理,解决了复垦过程中未知的土石方量、覆土量和植被量问题。同时对文中方法进行精度对比及分析。实验证明,把三维激光扫描技术应用于煤矸石山复垦中,不仅加快了复垦工作的进度,还大大节省了时间和人力成本。     

废弃砖瓦窑厂土地复垦及其生态学原理

废弃砖瓦窑厂土地复垦技术包括工程复垦和生物复垦,在具体实施复垦方案时,要遵循生态学原理。工程复垦阶段,除了使被破坏土地恢复到可供利用的物理状态,还要考虑改善生态环境和生物多样性;生物复垦阶段,要按照生物与环境协同进化原理、生态结构稳定性与功能协调性等原理,采用施肥法、绿肥法、微生物法、管理法恢复土壤肥力与生物生产能力。淮安市淮安区范集镇大花村在废弃砖瓦窑厂土地复垦项目中,依据生态学理论,因地制宜,采取适宜的方案进行土地复垦,实现了生态环境的良性循环及土地资源的可持续利用。     

利用ASAR图像监测土壤含水量和小麦覆盖度

以高级合成孔径雷达（ASAR）影像数据和地面实测数据为基础，分析了裸土、低覆盖（覆盖度为0．2左右）冬小麦麦地的后向散射与土壤含水量、地表粗糙度及小麦覆盖度之间的关系，探讨了裸土和冬小麦麦地土壤含水量及小麦覆盖度的反演方法。分析结果表明：①裸土后向散射系数受地表粗糙度和土壤质地的综合影响较大，裸土的后向散射和土壤含水量正相关关系未达显著，反演裸土土壤含水量必须考虑这两个因素的影响。②冬小麦麦地两种极化后向散射对土壤含水量和小麦覆盖度的敏感性差异明显。由于小麦植株与土壤的水平同极化后向散射差异较大，水平极化后向散射系数和小麦覆盖度及土壤含水量相关性达到显著；冬小麦麦地的垂直同极化后向散射对土壤含水量较敏感，垂直极化后向散射系数和土壤含水量的相关性达到显著，但与小麦覆盖度的相关性相对较低。据此，利用冬小麦麦地的两个同极化后向散射系数，建立了后向散射系数与土壤含水量和小麦覆盖度之间的关系模型，实现了小麦覆盖度和冬小麦覆盖下的土壤含水量反演。验证结果表明：土壤含水量和小麦覆盖度反演结果与地面调查和测量结果一致。     

基于ArcGIS空间建模的矿区土地复垦费用计算

土地复垦总投资与复垦工程量联系紧密,土地复垦工程量计算准确与否直接影响了复垦总投资。本文以计算山西省平定县某煤矿损毁土地复垦费用为例,利用ArcGIS平台建立空间模型,编写VBA代码,可迅速准确地计算出矿区损毁土地的复垦工程量、复垦费用。实现了快速统计权属单位、图斑编号对应的损毁地块的复垦工程量、复垦费用,并可通过GIS软件查询。实例表明计算相同地类的复垦工程量、复垦费用时,依损毁地类为单位建立的计算模型可以被多次、重复利用,能够有效避免使用Excel表格计算时出现的人为误差、工作效率低等问题。     

垦区与农区耕地配置模式对比研究

以富锦市为研究区域,运用地理信息系统、土地资源学、土地利用规划学的知识,并结合景观生态学的相关知识,对该区域垦区与农区的耕地配置模式进行对比分析,着重从垦殖率、耕地内部数量结构、空间分布特征、斑块特征、居民点等方面探讨二者耕地配置模式的异同。结果表明:农区垦殖率为81.94%,高于垦区的70.64%;农区的水田、旱地面积相差悬殊,旱地面积接近于水田的7倍;农区、垦区水旱混合区分别占耕地总面积的13.28%和36.15%;农区水田斑块为10.81ha,小于垦区的21.38ha。最后为土地整治项目提出了一些参考建议,旨在促进农业现代化发展。     

ArcGIS在淮南上窑粉煤灰复垦地数据库建设中的应用

探讨利用ArcGIS软件进行淮南上窑粉煤灰复垦地数据库的建设,着重对复垦地区土地数据的专业化处理和建库流程等一系列问题进行了研究,有助于提高对该地区土地复垦信息管理的集中性和科学性,对实际的农业生产实践具重要的作用。     

动态矿区DEM生成方法及其在土地复垦中的应用研究

首先根据我国矿区土地复垦工作中存在的不足,通过研究提出"动态土地复垦"的概念,并确定了动态土地复垦方案制定的数据基础——动态矿区数字高程模型。动态矿区数字高程模型应该包含煤矿生产对地表的累积影响结果数据和地表的原始地形信息,开采沉陷预计结果可以提供前者,地面测量可以提供后者,经过数据处理可以按时间间隔生成描述塌陷区的一系列数字高程模型(DEM)(准动态),然后运用DEM的空间分析技术提取塌陷区在不同时间段的土地破坏类型、范围和位置数据,并根据这些数据进行动态土地复垦方案决策数据的提取,经实例验证该方法可行。     

基于极限综合评价法的土地复垦适宜性评价研究与实践

土地复垦适宜性评价是开展土地复垦的基础性工作,而不同评价方法的选取将影响土地复垦适宜性评价结果的准确性和客观性,进而影响土地复垦的决策工作。作者对现有的极限条件法、指数和法、可拓法、模糊综合评价法和人工神经网络评价法等适宜性评价方法进行了对比分析,并在此基础上,提出了一种新的极限综合评价法,并将该方法应用于鹤壁市第八煤矿的土地复垦工作中,取得了良好的效果。该方法比传统的评价方法有更好的适用性,且操作简单,得出的评价结果更加科学。     

基于地面光谱的海涂土壤开发程度评价研究——以浙江省上虞市海涂围垦区为例

过去 30年间 ,浙江沿海滩涂地不断地被围垦成农用地。为了科学地掌握海涂土壤的变化规律 ,讨论了地面光谱评价海涂土壤开发程度的可行性。以浙江省上虞市北部海涂围垦区作为研究区域 ,根据围垦历史时间的不同 ,将研究区划分成 4个子区域。借助GPS定位 ,样区内大致间隔 1km进行混合采样。分别在实验室内测定土壤理化性质和土壤光谱反射率。理化性质分析结果表明海涂土壤有机质含量低 ,电导率和含砂量高 ,并且随着围垦时间的增长呈现出规律性的变化。 9个吸收波段与土壤电导率、阳离子交换量和机械组成的Person相关分析表明 ,海涂土壤砂粒、粉粒含量与各波段相关性显著。依据不同围垦历史 ,对所有土样进行分组 ,并进行逐步判别分析。判别结果表明 ,处于不同围垦区并具有不同改良程度的土样 ,其光谱数据具有很好的类可分性。对原始样点数据回代到Fisher辨别函数可以获得 86 8%的判别精度 ,而对 2 8个待判土样代入判别函数可获 89 3%的判别精度。从地面光谱研究结果可见 ,相比于常规的野外耗时调查 ,星载或机载遥感探测器有可能作为大范围快速评价盐碱土开发程度的有效潜在工具