高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)技術(shù)規(guī)范

CH/TXXXX-XXXX

高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件確立了高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)的總體要求和監(jiān)測流程，并規(guī)定了資料收集與整理、

數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理、土壤樣品采集與有機(jī)質(zhì)測定、模型構(gòu)建與模型應(yīng)用、精度驗證、成果整理與資料歸

檔等內(nèi)容。

本文件適用于空間分辨率不低于30m、包含可見光至短波紅外譜段范圍高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的耕地

土壤有機(jī)質(zhì)監(jiān)測。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T30115—2013衛(wèi)星遙感影像植被指數(shù)產(chǎn)品規(guī)范

GB/T414751：25000～1：500000土壤養(yǎng)分圖用色與圖例規(guī)范

CH/T3019—20181：250001：50000光學(xué)遙感測繪衛(wèi)星影像產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范

NY/T1121.1—2006土壤檢測第1部分：土壤樣品的采集、處理和貯存

NY/T1121.6—2006土壤檢測第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測定

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

高光譜衛(wèi)星遙感hyperspectralsatelliteremotesensing

在電磁波譜的可見光、近紅外等波段范圍內(nèi)，以人造地球衛(wèi)星作為遙感平臺，利用高光譜分辨率影

像進(jìn)行地物目標(biāo)分析的技術(shù)。

3.2

耕地cultivatedland

種植農(nóng)作物的土地。

3.3

土壤有機(jī)質(zhì)soilorganicmatter

土壤中形成的和外加入的所有動植物殘體不同階段的各種分解產(chǎn)物和合成產(chǎn)物的總稱，包括高度腐

解的腐殖物質(zhì)、解剖結(jié)構(gòu)尚可辨認(rèn)的有機(jī)殘體和各種微生物體。

[來源：GB/T33469—2016，3.9]

4縮略語

下列縮略語適用于本文件。

CGCS2000：2000國家大地坐標(biāo)系(ChinaGeodeticCoordinateSystem2000)

CST：中國國家標(biāo)準(zhǔn)時間(ChinaStandardTime)

5總體要求

5.1空間參考

5.1.1坐標(biāo)系應(yīng)采用CGCS2000。必要時，可采用經(jīng)批準(zhǔn)的其他坐標(biāo)系。

5.1.2高程基準(zhǔn)宜采用1985國家高程基準(zhǔn)。若無法實現(xiàn)，可采用數(shù)據(jù)源的高程基準(zhǔn)或已公開的其他高

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程基準(zhǔn)。

5.2時間系統(tǒng)

采用CST。

5.3監(jiān)測時間

應(yīng)根據(jù)農(nóng)作物物候期、當(dāng)?shù)剞r(nóng)事等因素，選擇最佳的遙感監(jiān)測時間。一般應(yīng)選擇耕地翻耕后實施水

肥措施前或作物收割后，土壤裸露且狀態(tài)較為穩(wěn)定的時間段。

6總體流程

高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)的流程主要包括資料收集與整理、遙感數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理、土壤樣

品采集與有機(jī)質(zhì)測定、模型構(gòu)建與模型應(yīng)用、成果整理等，高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)技術(shù)流程見

圖1。

圖1高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)技術(shù)流程

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7資料收集與整理

7.1資料收集

資料收集時間上宜從新到老，比例尺應(yīng)從大到小。應(yīng)收集以下資料：

a)土壤類型分布圖、土壤類型數(shù)據(jù)庫、土壤類型調(diào)查數(shù)據(jù)等土壤類型資料；

b)通過遙感解譯、野外調(diào)查等方式獲取的土地利用、地表覆蓋或耕地分布資料；

c)區(qū)域內(nèi)長期定位觀測站點的土壤調(diào)查數(shù)據(jù)及圖件等土壤參量分布資料；

d)數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)；

e)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。

7.2資料整理

資料整理要求如下：

a）查看收集資料的數(shù)據(jù)時相、數(shù)據(jù)來源、空間參考、比例尺、成果精度等，比較各類資料的地理

分布特性及監(jiān)測區(qū)覆蓋情況，評估資料的準(zhǔn)確性和可靠性；

b）紙介質(zhì)圖件資料應(yīng)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)或矢量數(shù)據(jù)，具有不同量綱的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，各種

資料應(yīng)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系上。如有必要應(yīng)對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，以匹配遙感數(shù)據(jù)分辨率；

c）對收集的資料進(jìn)行分析，明確區(qū)域內(nèi)土壤類型、土地利用/土地覆蓋現(xiàn)狀、耕地分布情況以及

土壤質(zhì)地、肥力狀況，確定土壤有機(jī)質(zhì)的空間分異情況。

8數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

8.1遙感數(shù)據(jù)選擇

遙感數(shù)據(jù)選擇應(yīng)符合下列要求：

a)遙感數(shù)據(jù)具有可見光波段、近紅外波段、短波紅外波段；

b)遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率應(yīng)不低于30m，光譜分辨率為（5-20）nm；

c)遙感數(shù)據(jù)云覆蓋面積總和應(yīng)不超過影像覆蓋面積的15%；

d)遙感數(shù)據(jù)全部或部分覆蓋監(jiān)測區(qū)內(nèi)耕地；

e)遙感數(shù)據(jù)圖面應(yīng)清晰，無數(shù)據(jù)丟失，無明顯條紋、點狀或塊狀噪聲，無嚴(yán)重輻射和幾何畸變。

8.2遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

8.2.1輻射定標(biāo)

對選擇的遙感數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行輻射定標(biāo)，將量化數(shù)字灰度值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)視場表觀輻亮度值，得到輻亮度

數(shù)據(jù)。輻射定標(biāo)按照GB/T30115-2013中7.3的規(guī)定執(zhí)行。

8.2.2大氣校正

為消除或減弱遙感數(shù)據(jù)獲取時因大氣傳輸中的吸收或散射作用引起的輻射畸變，應(yīng)對輻射定標(biāo)得到

的輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，得到地表反射率數(shù)據(jù)。大氣校正按照GB/T30115-2013中7.7的規(guī)定執(zhí)行。

8.2.3幾何糾正

應(yīng)對地表反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正以消除幾何畸變帶來的誤差。幾何糾正包括幾何精糾正與正射糾

正，幾何精糾正應(yīng)按照CH/T3019—2018中8.5的規(guī)定執(zhí)行，正射糾正應(yīng)按照CH/T3019—2018中9.5的規(guī)

定執(zhí)行，處理得到幾何糾正后的地表反射率數(shù)據(jù)。

幾何精度應(yīng)符合CH/T3019—2018中4.5的規(guī)定。

8.3裸土分布信息提取

8.3.1提取方法

8.3.1.1裸土指數(shù)計算

利用8.2.3幾何糾正后的地表反射率數(shù)據(jù)，按照公式（1）計算裸土指數(shù)。

（1）

式中：?1+???+?

??=?1+?+?+?

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——裸土指數(shù)；

S1——短波紅外波段（一般為1500nm～1700nm或2100nm～2300nm）；

??——紅波段（600nm～700nm）；

——近紅外波段（700nm～1000nm）；

?——藍(lán)波段（400nm～500nm）。

8.3.1?.2裸土像元提取

按?照下列步驟提取裸土像元：

a)統(tǒng)計耕地范圍內(nèi)像元在裸土指數(shù)中的數(shù)值，并繪制頻率分布直方圖；

b)確定裸土像元與非裸土像元的劃分閾值，宜采用最大類間方差法確定閾值，具體方法見附錄A；

c)將裸土指數(shù)中大于閾值的像元判定為裸土像元，賦值為1，其他像元（包括非耕地像元）判定

為非裸土像元，賦值為0，生成裸土提取結(jié)果；

d)在提取的裸土像元中隨機(jī)生成不少于100個像元作為驗證集，以目視判讀結(jié)果作為真值，按照

公式（2）計算裸土提取精度。

（2）

式中：??

?=??+??

——裸土提取精度；

TP——驗證集中目視判讀為裸土的像元數(shù)；

?——驗證集中目視判讀為非裸土的像元數(shù)。

8.3.2技術(shù)要求

??

裸土分布信息提取應(yīng)符合下列要求：

a)裸土提取結(jié)果應(yīng)以柵格二值化形式存儲；

b)裸土提取精度應(yīng)不低于90%。

9土壤樣品采集與有機(jī)質(zhì)測定

9.1樣點布設(shè)

樣點布設(shè)要求和方法如下：

a)樣點布設(shè)應(yīng)能反映區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性，應(yīng)覆蓋不同有機(jī)質(zhì)含量等級的地塊序列；

b)樣點布設(shè)宜采用歷史土壤有機(jī)質(zhì)空間分布數(shù)據(jù)輔助分層抽樣方式，將土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)值范圍劃分

為（5～8）級，每級應(yīng)布設(shè)不少于5個樣點，如果監(jiān)測區(qū)域無歷史土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)，應(yīng)結(jié)合土

壤類型和/或土地利用信息分層布設(shè)土壤樣點；

c)樣點應(yīng)布設(shè)在地塊中心位置，樣點周邊（3×3）個像元范圍內(nèi)的土壤類型、耕地利用類型、農(nóng)

田管理措施應(yīng)一致；

d)在遠(yuǎn)郊區(qū)，樣點布設(shè)應(yīng)選擇代表區(qū)域內(nèi)主要土壤類型、土地利用類型和地理地貌的地塊；

e)在近郊區(qū)，樣點布設(shè)應(yīng)選擇在種植面積相對較大的糧食作物、蔬菜基地以及特色農(nóng)產(chǎn)品種植的

代表性地塊；

f)樣點應(yīng)遠(yuǎn)離城市垃圾堆放點、工業(yè)及生活排污口、交通、餐飲、住宅、溝渠、糞坑、墳?zāi)沟任?/p>

染源影響顯著的地區(qū)300m以上，并避免在水土流失嚴(yán)重或表土被破壞處布設(shè)樣點。

9.2樣品采集

9.2.1樣品采集要求

樣品采集要求如下：

a)樣品采集前，應(yīng)準(zhǔn)備好采樣工具、工作底圖和采樣記錄表等，樣品采樣記錄表示例見附錄B；

b)樣品采集時間宜在高光譜遙感數(shù)據(jù)拍攝日期前后10日內(nèi)完成，樣品采集與遙感數(shù)據(jù)拍攝時土壤

表面狀況未發(fā)生明顯變化；

c)每個樣點的土壤樣品應(yīng)為混合樣，即樣點所在一定半徑范圍內(nèi)若干子樣經(jīng)均勻混合后的土壤樣

品，混合樣的半徑范圍應(yīng)小于高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的一半，每個混合樣由（3～5）

個子樣組成；

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d)子樣宜采用“X”形布點法、“S”形布點法、梅花形布點法或棋盤形布點法，每個子樣采集深

度為（5～20）cm耕作層土壤，采土部位應(yīng)一致；

e)土壤樣品應(yīng)裝入塑料密封袋內(nèi)并外套布袋，寫好便簽、做好采樣記錄，標(biāo)簽與采樣記錄應(yīng)按照

NY/T1121.1—2006中2.2f)的規(guī)定執(zhí)行。

9.2.2樣品采集方法

樣品采集方法應(yīng)按照NY/T1121.1—2006中2.2c)～e)的規(guī)定執(zhí)行。

9.3樣品處理

樣品處理應(yīng)按照NY/T1121.1—2006中3.2的規(guī)定執(zhí)行。

9.4樣品有機(jī)質(zhì)測定

樣品有機(jī)質(zhì)測定應(yīng)按照NY/T1121.6—2006的規(guī)定執(zhí)行。

10模型構(gòu)建與模型應(yīng)用

10.1模型構(gòu)建

10.1.1數(shù)據(jù)集建立

應(yīng)根據(jù)土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量數(shù)值分布情況，采用分層隨機(jī)方法劃分訓(xùn)練集與驗證集，訓(xùn)練集與驗證

集的樣品比例應(yīng)在2:1至3:1的范圍內(nèi)。訓(xùn)練集用于光譜特征選擇與反演模型構(gòu)建，驗證集用于精度驗證。

10.1.2光譜特征選擇

光譜特征選擇包括光譜特征計算和土壤有機(jī)質(zhì)敏感特征篩選：

a)利用8.2.3幾何糾正后的地表反射率數(shù)據(jù)，根據(jù)訓(xùn)練集中樣品坐標(biāo)信息提取樣品對應(yīng)的像元反

射率光譜，計算光譜特征。常用的光譜特征包括光譜斜率、光譜吸收位置、光譜吸收深度、光

譜吸收寬度等參量化光譜特征，以及經(jīng)過數(shù)學(xué)變換后的光譜，如倒數(shù)光譜、對數(shù)光譜、導(dǎo)數(shù)光

譜、積分光譜等，常用的光譜特征計算方法見附錄C；

b)土壤有機(jī)質(zhì)敏感特征篩選宜采用基于相關(guān)分析的特征選擇方法，按照公式（3）計算訓(xùn)練集中

樣品的各光譜特征與有機(jī)質(zhì)含量間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，大于0.4可通過篩選。

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?=1?????