孫丹峰：光譜端元下的“孿生”地表與耕地質量監測方案
2024-12-19 中國質量萬里行 點擊：次
為深入貫徹落實中央農村工作會議精神和中央一號文件要求，助力區域鄉村振興和高質量發展，日前，首屆息縣鄉村振興學術交流會在河南省信陽市息縣成功召開。大會由中國農業大學主辦，本次會議主題為“耕地保護與鄉村振興”，聚焦現代農業產業發展、耕地保護及鄉村振興等核心議題，探討鄉村振興的新機遇與新路徑。中國農業大學土地科學與技術學院孫丹峰教授以“數字‘孿生’與耕地質量”為主題，通過數字經濟與“孿生”空間、區域耕地與狀態空間具體講解了數字經濟時代下，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空間，建立耕地質量診斷與監測模型。
孫丹峰教授在會上作主題報告
孫丹峰指出，國務院印發《數字中國建設整體布局規劃》，旨在通過做強數字經濟、發展數字政務、打造數字文化、構建數字社會和建設數字生態文明，全面賦能經濟社會發展，同時確保數字技術創新和安全。因此地球觀測產業正迅速發展，預計其經濟價值將從2023年的2660億美元增長至2030年的超過7000億美元。低空經濟業態也展現出巨大潛力，中國在這一領域的應用已成熟，如農林植保無人機和電力巡線無人機等，對經濟發展和社會保障貢獻顯著。
孫丹峰認為，當前數字經濟的發展不僅依賴于一系列衛星族群保障觀測數據，還需要“孿生”出決策和管理知識的提升實現產業效益的可持續增長，需要針對不同應用領域和場景持續開展“孿生”空間知識體系研發。目前挑戰是：如何在一種統一和結構化的“孿生”空間支撐下開展眾多數字經濟案例的中間抽象研究，為不同領域專家提供統一和一致的詞匯表，產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。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“數量、質量、生態”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”農場，協同耕地保護、資源有效利用與綠色發展轉型，已成為大勢所趨。現在國內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劃分，該產品被稱為“狀態圖”來組織作物、土壤、管理狀態的互動變化關系。
據悉，目前美國通過土壤調查地理數據庫的土壤地圖單元，也就是土壤類型，為繪制狀態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字空間建模框架，利用機器學習算法來繪制生態立地狀態空間。但多數機器學習算法本質上是復雜的，產生“黑盒”模型，難以理解狀態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一和結構化的“孿生”地表進展，以及服務區域耕地質量監測的情況。
一是區域耕地質量監測簡要。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物候特征、年際長時序變化檢測地表類型和功能演替規律假設。
二是區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序列耕地利用強度。構建了一個典型物候地表形態覆被指數（LCI）表征地塊的生態、管理響應特征；利用地表溫度年內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，快速量化耕地系統活力。
四是區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）等生產力退化問題以及判斷耕地健康的增長、衰減趨勢。
五是狀態空間表征。在遙感標準光譜端元空間（SVD）統一對比實現耕地系統關鍵特征量化，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，規范立地屬性和狀態表征變量的遙感反演，采用土壤碳存量作為狀態響應變量，通過狀態空間的科學建立，可減少有限時間長度對診斷和識別耕地質量多穩態和暫時態能力的不足。
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