孙丹峰：光谱端元下的“孪生”地表与耕地质量监测方案

2024-12-19   中国质量万里行   文字整理/杜吟   点击：次

　　为深入贯彻落实中央农村工作会议精神和中央一号文件要求，助力区域乡村振兴和高质量发展，日前，首届息县乡村振兴学术交流会在河南省信阳市息县成功召开。大会由中国农业大学主办，本次会议主题为“耕地保护与乡村振兴”，聚焦现代农业产业发展、耕地保护及乡村振兴等核心议题，探讨乡村振兴的新机遇与新路径。中国农业大学土地科学与技术学院孙丹峰教授以“数字‘孪生’与耕地质量”为主题，通过数字经济与“孪生”空间、区域耕地与状态空间具体讲解了数字经济时代下，如何通过光谱端元下的“孪生”地表量化表征耕地利用特征与状态空间，建立耕地质量诊断与监测模型。

孙丹峰教授在会上作主题报告

　　孙丹峰指出，国务院印发《数字中国建设整体布局规划》，旨在通过做强数字经济、发展数字政务、打造数字文化、构建数字社会和建设数字生态文明，全面赋能经济社会发展，同时确保数字技术创新和安全。因此地球观测产业正迅速发展，预计其经济价值将从2023年的2660亿美元增长至2030年的超过7000亿美元。低空经济业态也展现出巨大潜力，中国在这一领域的应用已成熟，如农林植保无人机和电力巡线无人机等，对经济发展和社会保障贡献显著。

　　孙丹峰认为，当前数字经济的发展不仅依赖于一系列卫星族群保障观测数据，还需要“孪生”出决策和管理知识的提升实现产业效益的可持续增长，需要针对不同应用领域和场景持续开展“孪生”空间知识体系研发。目前挑战是：如何在一种统一和结构化的“孪生”空间支撑下开展众多数字经济案例的中间抽象研究，为不同领域专家提供统一和一致的词汇表，产生决策和管理知识的共同理解、理论和一致的表征方法。

　　耕地是粮食安全的根基，面临保护和利用的挑战。习近平总书记亲自部署、多次强调要落实最严格的耕地保护制度。我国相继出台《粮食安全保障法》《黑土地保护法》，推进耕地的“数量、质量、生态”三位一体保护。孙丹峰认为，在新时代“谁来种地”“如何种地”、如何通过“孪生”技术推动智慧耕地与“无人”农场，协同耕地保护、资源有效利用与绿色发展转型，已成为大势所趋。现在国内外的科学界和管理部门也开始集中描述一组土地单元的当前状态划分，该产品被称为“状态图”来组织作物、土壤、管理状态的互动变化关系。

　　据悉，目前美国通过土壤调查地理数据库的土壤地图单元，也就是土壤类型，为绘制状态空间提供了一个模板，但这一地图单元建立在有限的实验和野外调查上，存在大量不一致的概念、指标和观测。美国也开始探索可扩展的数字空间建模框架，利用机器学习算法来绘制生态立地状态空间。但多数机器学习算法本质上是复杂的，产生“黑盒”模型，难以理解状态空间是否是立地条件、处理后自然要素或管理的差异效应，无法有效支撑管理决策。

　　孙丹峰从五个方面介绍了团队在构建统一和结构化的“孪生”地表进展，以及服务区域耕地质量监测的情况。

　　一是区域耕地质量监测简要。团队从2015年开始聚焦宽波段遥感地表端元空间研究，构建从自然景观到城市景观（土壤-植被-不透水面）的直观逻辑一般模型，在一个可对比的等边三角形里通过端元要素特征组合-实例化不同覆盖的形态结构、性状分布，通过在不同物候，自然干扰和人类管理下端元空间年内物候特征、年际长时序变化检测地表类型和功能演替规律假设。

　　二是区域耕地利用类型精细分类。在华北、东北平原端元空间耕地分类基础上，采用两年的绿色植被端元组分物候知识开展种植模式识别。

　　三是地表端元空间年内序列耕地利用强度。构建了一个典型物候地表形态覆被指数（LCI）表征地块的生态、管理响应特征；利用地表温度年内时间序列构建地表温度差异响应面（VPI），表征耕地温度调控差异，快速量化耕地系统活力。

　　四是区域耕地利用年际演化特征。模拟作物GV年际轨迹，通过趋势和实际曲线差异检测利用过度或效率降低（投入和管理不足）等生产力退化问题以及判断耕地健康的增长、衰减趋势。

　　五是状态空间表征。在遥感标准光谱端元空间（SVD）统一对比实现耕地系统关键特征量化，从作物-种植类型精细分类、土地利用强度、土壤结构健康和活力指数，规范立地属性和状态表征变量的遥感反演，采用土壤碳存量作为状态响应变量，通过状态空间的科学建立，可减少有限时间长度对诊断和识别耕地质量多稳态和暂时态能力的不足。

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