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《吉林大学》 2016年
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典型黑土区土壤有机质含量反演研究

吴嵩  
【摘要】:随社会经疥迅速发展,持续增长的人口与有限的资源之间的矛盾日益加深。中国作为一个发展中人口大国,人地矛盾更是一个大问题,而保护耕地资源是党中央国务院一直以来严格执行的战略性决策。对于耕地保护的含义,应该从两方面进行解释,一方面是从数量上坚守耕地的红线,另一方面是保持耕地的质量不下降。现阶段,国家和地方一系列强有力的耕地保护政策的出台并实施,已经使我国耕地成果实现了在数量上的动态平衡,而对耕地质量上的保护是现阶段我国国土资源部门的重点工作。清楚的掌握耕地质量状况,能够有效地避免出现“占优补劣”的情况,从而真正实现耕地的占补平衡,即数量与质量同时达到平衡。同时,对耕地质量状况的有效掌握能够在土地相关政策的制定上有所侧重,也能够为基本农田的划定提供科学依据。目前,国内外众多学者已经将研究的重点从对耕地数量上的动态变化研究转移到了对耕地质量的监测研究上。松辽平原黑土区是处于我国东北地区的世界三大黑土带之一,主要分布于我国黑龙江、吉林两省,少量分布于内蒙古自治区和辽宁省北部地区。黑土区作为我国主要粮食产区,其耕地质量的优劣直接影响到我国的粮食安全问题。然而经过百余年的开垦,黑土资源在过度开发和自然因素的作用下,土壤质量退化现象已经十分严重,有研究表明,典型黑区内土壤有机质含量在近百年的时间里已经下降了近70%,很多典型黑土区域的土壤已经失去了黑土的特征,即部分典型黑土区黑土土壤的有机质含量已经下降到2%以下,虽然研究亦表明东北典型黑土区的有机质含量正处于一个稳定时期,但是对整个区域的土壤有机质含量监测是黑土保护的一项重要工作。随着遥感与计算机技术日新月异的发展,空间信息技术已经进入到各行各业。土壤遥感也成为了土壤科学新的研究方向。日渐成熟的多、高光谱成像技术,使广大土壤科学研究人员不再受传统土壤调查方法的时间和空间的限制,令室内快速、高效对其研究区域的土壤理化信息的提取和分析得以实现。土壤遥感是以土壤光谱反射特征为物理基础的一项新兴技术。大量的研究已经表明,土壤的物理和化学性质与土壤的光谱反射率特征存在显著的关系。土壤有机质含量多少是反映土壤肥力的重要指标,也是衡量黑土质量高低的标准。本文进行了野外土壤样品的收集工作,在土壤有机质含量与相关土壤组成成分测试结果的基础上,结合多源多时相遥感影像数据,建立典型黑土区土壤有机质含量与遥感影像中光谱反射率之间的关系模型,从而达到区域尺度的黑土有机质含量反演估算,并在时间上对研究区域内近十年来土壤有机质含量的动态变化进行监测。本研究主要获得以下研究成果:1.从采样点土壤光谱特征研究入手,对野外土壤样点实测光谱信息与其在遥感影像数据中的光谱特征进行研究,总结出黑土土壤在Landsat-8 OLI数据中的光谱特征规律。通过对比分析,认为Landsat-8 OLI对土壤有机质含量敏感的波段为2波段(0.525-0.600μm)、3波段(0.630-0.680μm)和4波段(0.845-0.885μm)。这些光谱的特征控制点对土壤有机质进行分析识别具有重要意义。2.研究中针对06年采样的不足,通过对土壤采样点土壤水分含量的实测分析,得出影像中水分含量对土壤反射率的影响。将黑土土壤反射光谱值进行数学变换,尝试利用反射光谱的数学变化形式去除土壤水分含量对其的影响,发现在高光谱研究中常用的土壤反射率微分技术同样适用于Landsat-8 OLI数据中的光谱值。结合样点的水分含量实测数据以及水分含量与单波段相关性分析的结果,在土壤反射光谱进行一阶微分处理前后,土壤水分含量与各波段的相关性从高度相关变为低度相关,认为土壤水分影响得到了部分去除。3.由于多光谱影像的空间分辨率较大,其光谱特性是多方面综合作用的结果,所以利用土壤在影像中的光谱反射率值进行土壤有机质反演并不是一个简单的线性问题。支持向量机回归算法与传统线性回归算法做出比较之后,提出了基于支持向量机的土壤有机质含量反演模型,并将该模型的核函数进行了改进,从模型的评价上来看,改进后的回归模型提高了土壤有机质含量的反演精度,反演的效率也得到了提升。4.将模型应用于Landsat-8 OLI遥感影像中,反演出整个典型黑土区的土壤有机质含量。在对反演结果进行分类之前,先对研究区进行了遥感解译,将解译结果与反演相结合,把得到的研究区内“纯”黑土土壤有机质含量分为5类,并且将典型黑土区内耕地土壤有机质含量空间分布趋势现状直观地显示出来。通过分类结果对比,发现黑土有机质含量分布规律呈现北部地区的有机质含量高于南部地区的有机质含量的趋势。出现这一规律的原因在于一方面低维度地区的长期低温抑制了微生物的活性,使其分解土壤有机物的能力有所下降,另一方面是各个地区对于土地开垦年限与开发程度不同,种植的作物种类也不一样,所以呈现出这种分布规律。5.研究中基于2006年野外采样数据,采用与Landsat-8 OLI影像相同的研究方法,对Landsat TM数据中样点的光谱特征做出分析,并与OLI数据进行对比,利用TM数据将2006年典型黑土区进行解译和土壤有机质含量进行反演分类,并将分类结果与2014年对比。通过比较发现,近10年来,典型黑土区有机质总体含量变化不大,只是在局部区域略有变化;从反演的有机质含量值来看,大部分土壤有机质含量还是趋于缓慢下降的,从而也证明了典型黑土区正处于一个相对稳定的状态。6.本文尝试对黑土土壤成分进行定量化研究,并且将成果运用于土地整理项目补充耕地质量等别评定中,将项目区中的补充耕地进行了耕地质量的等别评定,评定结果与周边原有耕地等别结果没有出入,表明利用Landsat-8 OLI数据对东北典型黑土区内的耕地质量相关的评定是可行的,研究成果具有一定有应用性。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S153.621

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