本文摘要：摘要：高分遙感技術(shù)是開展土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的重要手段，但目前應(yīng)用的整體效能和水平不高。本研究基于系統(tǒng)工程學(xué)原理和方法，主要從工程化知識(shí)庫構(gòu)建、工程化遙感信息提取算法、工程化綜合集成3個(gè)關(guān)鍵要素方面，提出了一種土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工程化
摘要：高分遙感技術(shù)是開展土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的重要手段，但目前應(yīng)用的整體效能和水平不高。本研究基于系統(tǒng)工程學(xué)原理和方法，主要從工程化知識(shí)庫構(gòu)建、工程化遙感信息提取算法、工程化綜合集成3個(gè)關(guān)鍵要素方面，提出了一種土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工程化模式，并選取陜西省橫山縣進(jìn)行了示范應(yīng)用實(shí)踐。結(jié)果表明：高分遙感工程化自動(dòng)總體分類精度87.58%，經(jīng)過工程化修正模式修正，分類精度達(dá)到95%，基于工程化應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)與基礎(chǔ)集成數(shù)據(jù)，整體監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作效率提升了2～3倍。該模式實(shí)現(xiàn)了土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)過程環(huán)節(jié)的系統(tǒng)化和協(xié)同化，有效提升了監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作的穩(wěn)定性和可靠性，為全覆蓋、多頻次推進(jìn)土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作提供有效的技術(shù)模式參考。
關(guān)鍵詞：土壤侵蝕;監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià);遙感;工程化模式
土壤侵蝕是中國乃至世界的重大環(huán)境問題。科學(xué)及時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)土壤侵蝕狀況是進(jìn)行水土保持綜合治理的重要基礎(chǔ)，對(duì)政府科學(xué)決策、規(guī)劃制定、治理成效評(píng)估等工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。遙感技術(shù)具有探測(cè)范圍廣、獲取信息快、信息含量大等優(yōu)勢(shì)，自20世紀(jì)70年代以來作為一種重要的技術(shù)手段，在土壤侵蝕普查以及水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等工作中廣泛應(yīng)用。隨著中國高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)等重大工程的實(shí)施，高分遙感數(shù)據(jù)成為主要的數(shù)據(jù)源在土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中普遍應(yīng)用。
同時(shí)，高分遙感技術(shù)應(yīng)用還存在一些問題亟待解決，高分遙感信息提取自動(dòng)化算法區(qū)域適用性差，遙感信息提取成果多期動(dòng)態(tài)誤差波動(dòng)性大，遙感信息提取與土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)的融合集成性差，整體應(yīng)用效率不高，不能滿足當(dāng)前監(jiān)測(cè)全覆蓋、多頻次工作需要。目前，高分遙感在土壤侵蝕應(yīng)用領(lǐng)域研究主要是面向?qū)ο?quot;剖、機(jī)器學(xué)習(xí)"刊、深度學(xué)習(xí)¨1等信息提取方法或算法研究，在高分遙感與監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)融合、工程化應(yīng)用、整體提升效率方面研究還是空白。筆者重點(diǎn)針對(duì)高分遙感應(yīng)用上述難點(diǎn)問題以及土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的現(xiàn)實(shí)需求，引入系統(tǒng)工程學(xué)原理與方法，將遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作作為一個(gè)整體來考慮，提出一種工程化應(yīng)用模式，以提升整體應(yīng)用效率和水平，滿足土壤侵蝕常態(tài)化、業(yè)務(wù)化和工程化應(yīng)用需要。
1模式的系統(tǒng)工程學(xué)闡釋
1.1工程化模式的內(nèi)涵
基于高分遙感技術(shù)開展土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，涉及高分遙感信息提取、其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、土壤侵蝕模型分析及其相應(yīng)的系統(tǒng)構(gòu)建、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境建設(shè)等多要素環(huán)節(jié)，其工程化模式構(gòu)建主要是基于系統(tǒng)工程學(xué)原理，將其作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體研究，系統(tǒng)梳理該系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)問題及邏輯關(guān)系，將高分遙感技術(shù)與土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)有機(jī)融合，按照整體化、規(guī)范化、流程化、定量化等原則和方法，合理構(gòu)建和配置系統(tǒng)相關(guān)組成要素，形成一套高效穩(wěn)定的工程化業(yè)務(wù)應(yīng)用模式。
1.2工程化模式的主要特性
從系統(tǒng)工程學(xué)的角度說，任何系統(tǒng)都有些基本的性質(zhì)和特性舊J。根據(jù)土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工程化模式的內(nèi)涵，該模式具有5方面特性：1)整體性，在遙感信息提取、土壤侵蝕分析評(píng)價(jià)整個(gè)過程中人為經(jīng)驗(yàn)參與、系統(tǒng)應(yīng)用、設(shè)備環(huán)境建設(shè)等需要保持整體的協(xié)調(diào)一致;2)穩(wěn)定性，遙感信息提取和業(yè)務(wù)分析評(píng)價(jià)等經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和方法保持相對(duì)穩(wěn)定，減少人為經(jīng)驗(yàn)差異帶來的誤差和不確定性，保持土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)成果的連續(xù)性和穩(wěn)定性;3)高效性，模式各環(huán)節(jié)的銜接轉(zhuǎn)換順暢、集成高效;4)量化性，可量化環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行定量化約束，使相應(yīng)環(huán)節(jié)量化、可控;5)實(shí)用性，模式各環(huán)節(jié)要素簡單實(shí)用、可操作性強(qiáng)。
2模式的總體框架
該模式主要包括工程化綜合知識(shí)庫、信息提取算法集、應(yīng)用集成3個(gè)核心要素：基于水土保持區(qū)劃和縣級(jí)行政區(qū)劃并行融合的空間管理框架體系，將業(yè)務(wù)與專家知識(shí)進(jìn)行規(guī)范和固化，構(gòu)建高分遙感樣本、遙感信息提取算法與參數(shù)、土壤侵蝕監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)參數(shù)等分類型分區(qū)域知識(shí)庫體系;針對(duì)不同的高分遙感信息提取目標(biāo)對(duì)象，分區(qū)域建立以模型與算法為核心的信息提取算法集，獲取針對(duì)相應(yīng)區(qū)域特點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定的算法控制參數(shù)，輔助專家知識(shí)與后處理軟件工具集，形成一套規(guī)范、固化、可重復(fù)應(yīng)用的高分遙感信息快速提取方法體系;以綜合知識(shí)庫構(gòu)建和信息提取算法集為核心，實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫和信息提取算法應(yīng)用軟件工具化，將土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)各環(huán)節(jié)作為整體，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)和基礎(chǔ)信息設(shè)施設(shè)備環(huán)境等相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)集成。這3個(gè)系統(tǒng)要素之間相互聯(lián)系、相互互動(dòng)、相互支撐、緊密融合，形成工程化應(yīng)用不可分割的有機(jī)整體。
3模式的構(gòu)建要素與實(shí)現(xiàn)路徑
3.1工程化綜合知識(shí)庫模式構(gòu)建
工程化綜合知識(shí)庫模式構(gòu)建采用美國學(xué)者霍爾(A.D.Hall)提出的系統(tǒng)工程方法論三維結(jié)構(gòu)體系p]，根據(jù)前文分析的工程化模式內(nèi)涵特性，梳理和抽象知識(shí)庫的業(yè)務(wù)對(duì)象及其知識(shí)類型，按照土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)組織管理需要，確定和形成綜合知識(shí)庫空間結(jié)構(gòu)體系。
3.1.1空間管理框架
考慮到縣級(jí)行政區(qū)劃通常作為中國水土保持行業(yè)管理單元，參照全國水土保持區(qū)劃與水土保持重點(diǎn)防治區(qū)劃，搭建以水土保持區(qū)劃(融合水土保持重點(diǎn)防治區(qū)劃)和縣級(jí)行政區(qū)劃相結(jié)合的“雙層融合構(gòu)架”知識(shí)庫框架，實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫對(duì)象及其知識(shí)的存儲(chǔ)、調(diào)用、檢索與更新。
3.1.2對(duì)象指標(biāo)框架
根據(jù)土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求與業(yè)務(wù)應(yīng)用流程，知識(shí)庫可劃分遙感類對(duì)象指標(biāo)和非遙感類對(duì)象指標(biāo)。遙感類對(duì)象指標(biāo)是指基于高分遙感影像進(jìn)行信息提取的土壤侵蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要包括土地利用類型、植被類型及植被覆蓋狀況和水土保持治理措施等。非遙感類對(duì)象指標(biāo)是指與土壤侵蝕評(píng)價(jià)緊密相關(guān)的非遙感手段獲取的對(duì)象指標(biāo)，主要包括坡度坡長、土壤類型及土壤可蝕性、侵蝕動(dòng)力和水土保持管理等指標(biāo)。
3.1.3知識(shí)內(nèi)容框架按照知識(shí)庫對(duì)象指標(biāo)的知識(shí)表現(xiàn)形式，知識(shí)內(nèi)容可分為樣本知識(shí)、方法知識(shí)、參數(shù)知識(shí)和模型知識(shí)等。樣本知識(shí)包括高分遙感影像、對(duì)象圖片、對(duì)象遙感特征、業(yè)務(wù)特征及分布規(guī)律知識(shí)等。方法知識(shí)主要包括各遙感類對(duì)象指標(biāo)遙感信息提取的算法、方法集，非遙感類對(duì)象指標(biāo)分析計(jì)算的算法方法等。參數(shù)知識(shí)包括對(duì)象指標(biāo)遙感信息提取或分析計(jì)算過程中研究和試驗(yàn)獲取的參數(shù)值或范圍。模型知識(shí)主要指各類土壤侵蝕分析評(píng)價(jià)模型。
3.2工程化遙感信息提取算法模式構(gòu)建在確定土壤侵蝕高分遙感指標(biāo)因子的分類體系的基礎(chǔ)上，確定信息識(shí)別提取的算法，綜合時(shí)間、難度、效率、精度等綜合效用，根據(jù)對(duì)象指標(biāo)的總體分布規(guī)律及內(nèi)在關(guān)系的認(rèn)知程度，綜合遙感和非遙感的決策函數(shù)，輔以專家知識(shí)和分類參數(shù)等手段，構(gòu)建合理的分層邏輯決策樹，對(duì)高分遙感圖像中的各個(gè)對(duì)象指標(biāo)進(jìn)行逐層的識(shí)別和歸類提取。工程化信息提取模式如圖3所示。
3.3工程化綜合集成模式構(gòu)建通過統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)構(gòu)架，將實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作的應(yīng)用功能軟件、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息設(shè)施等要素集成到相互連通、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的一體化集約化應(yīng)用。
3.3.1工程化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成模式為提高土壤侵蝕分析評(píng)價(jià)效率，滿足土壤侵蝕定期、不定期動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)需求，必須做好高分遙感及提取指標(biāo)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間的融合集成。融合集成方式主要基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的理念和方法，通過建立統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)體系，基于統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，按照集中式或分布式數(shù)據(jù)庫模式，實(shí)現(xiàn)多源多期次海量高分遙感數(shù)據(jù)之間、遙感數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間、過程數(shù)據(jù)與成果數(shù)據(jù)之間的有機(jī)集成，減少土壤侵蝕分析評(píng)價(jià)過程中各類數(shù)據(jù)資源之間匹配、轉(zhuǎn)換、銜接等處理時(shí)間，提升工程化應(yīng)用效率。
3.3.2工程化應(yīng)用功能集成模式土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)全環(huán)節(jié)、全流程的軟件工具化及功能集成是提高監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)分析效率，實(shí)現(xiàn)工程化推廣應(yīng)用的必要手段。應(yīng)用功能主要包括遙感數(shù)據(jù)管理、遙感數(shù)據(jù)處理、分析提取、土壤侵蝕模型分析評(píng)價(jià)以及知識(shí)庫管理系統(tǒng)等方面。集成方式主要有搭建式、配置式、插件式等，可采用1種或多種集成開發(fā)模式進(jìn)行靈活集成，滿足功能集成的靈活性、可擴(kuò)展性和易維護(hù)性，并為功能復(fù)用、調(diào)用和互操作提供有效手段。
3.3.3工程化基礎(chǔ)環(huán)境集成模式基礎(chǔ)環(huán)境集成主要包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)軟件處理工具平臺(tái)，例如遙感處理工具、GIS分析工具、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等，硬件環(huán)境平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)備份等設(shè)備以及數(shù)據(jù)交互和信息傳輸為依托的網(wǎng)絡(luò)綜合集成。基礎(chǔ)環(huán)境集成方式在傳統(tǒng)的集成方式基礎(chǔ)上，可根據(jù)實(shí)際條件，建立和部署到安全、隔離的“云”基礎(chǔ)設(shè)施之上，通過“云”模式的存儲(chǔ)計(jì)算實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的并行處理，提升基礎(chǔ)環(huán)境集成的效率和水平。
4模式的應(yīng)用案例分析
為驗(yàn)證本研究提出的模式的應(yīng)用效果，結(jié)合國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目、高分水利遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)等課題，利用課題建立的工程化應(yīng)用平臺(tái)和高分一號(hào)2m分辨率的夏季影像，選取陜西省橫山縣進(jìn)行了示范應(yīng)用實(shí)踐。橫山縣土地總面積4333km2，屬于典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，植被覆蓋以草原和灌木叢為主，分布少量林地和園地，水土流失強(qiáng)度大，水土保持治理措施主要以林草措施、梯田整地和淤地壩為主。
參照已經(jīng)建立的遙感知識(shí)庫，在研究區(qū)構(gòu)建了包括耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、水域、交通運(yùn)輸用地、其他用地等8個(gè)一級(jí)類，以及梯田、裸地、沙地、水土保持林、水土保持種草等12個(gè)二級(jí)類的分類體系。分析目標(biāo)地物的光譜屬性、形狀信息、紋理特征、空間位置等方面的特征，獲得不同分類目標(biāo)的算法及其特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建分類方案的比選模型，確定滿意的分類策略。
5結(jié)論與討論
筆者針對(duì)高分遙感技術(shù)在土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作的問題與不足，將整個(gè)工作環(huán)節(jié)作為一個(gè)系統(tǒng)工程進(jìn)行研究，構(gòu)建了一種土壤侵蝕高分遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工程化模式。該模式重點(diǎn)通過知識(shí)庫構(gòu)建、遙感信息提取算法、應(yīng)用集成3個(gè)環(huán)節(jié)要素的業(yè)務(wù)化工程化的梳理與構(gòu)建，來有效提升土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作的整體效率和水平。通過在陜西省橫山縣的示范應(yīng)用成效表明，該模式可滿足土壤侵蝕監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)效能提升的需要，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。該模式屬于一種綜合集成性模式，隨著模式應(yīng)用的不斷完善，以及高分遙感信息提取、大數(shù)據(jù)分析以及云計(jì)算等技術(shù)的深入發(fā)展，該模式應(yīng)用效能的提升會(huì)更加明顯。該模式可在全國開展的水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作中進(jìn)行試點(diǎn)推廣，進(jìn)而在全國土壤侵蝕普查和水土流失生態(tài)安全預(yù)警等領(lǐng)域中全面應(yīng)用。
6參考文獻(xiàn)
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土壤方向論文范文：內(nèi)蒙古黃土丘陵區(qū)土地利用與土壤肥力的關(guān)系
摘要：為了研究不同土地利用方式與土壤肥力和土地退化的關(guān)系，以內(nèi)蒙古黃土丘陵區(qū)為對(duì)象，選取耕地、草地、撂荒地、灌木林地和喬木林地5種土地利用類型的9個(gè)土壤理化指標(biāo)，計(jì)算了不同土地利用類型的土壤肥力綜合指數(shù)及土壤退化指數(shù)。
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