耕地生产能力遥感评价规范DB13／T 2972-2019.pdf

ICS 13.080 B 11 DB13 河北省地方标准 DB 13/T 29722019 耕地生产 能力遥感 评价规范 2019-04-28 发布 2019-04-29 0 2019-05-28 实施 河 北 省 市 场 监 督 管 理 局 发布 DB13/T 2972 2019 I 前 言 本标准 按照GB/T 1.1-2009 给出的 规则 起草。本标准 由 河 北省 农业 农村 厅提出。本标准 起草 单位：河 北省 农业技 术推 广总 站、北京 农业信 息技 术研 究中 心。本标准 主要 起草 人：顾晓 鹤、蔡 淑红、杨 贵军、宋 建新、赵春 江、龙慧 灵、杨小冬、许 宁、蒋 晓茹、李 伟国、冯 海宽、熊 红利、王航、刘 哲、王淼、单芳、杜 宜柯、李 佳、许春、邓光 远、单伟 东、毛娅楠。DB13/T 2972 2019 II 引 言 为客观 评价 耕地 生产 能力，加强 对 耕 地资 源管 护，快速获 取耕 地生 产能 力实 时动态 监测 信息，提高监测 工作 的科 学性、合 理性和 可操 作性，根据 中华人 民共 和国 土地 管理 法、有关 法律、法规、政策和技 术标 准，制订 耕 地生产 能力 遥感 评价 规范 地方 标准，为 河北 省县 域尺度 的 冬 小麦 夏玉 米 两熟地区 耕地 生产 能力 的遥 感评价 提供 技术 依据。DB13/T 2972 2019 1 耕 地生产 能力遥感 评价规 范 1 范围 本标准 规定 了耕 地养 分水 平、生 产管 理水 平遥 感监 测方法 及耕 地生 产能 力遥 感评价 技术 流程 和 要求。本标准 适用 于河 北省 县域 尺度的 冬小 麦 夏 玉米 两熟 区耕地 生产 能力 遥感 评价。本标准 不适 用于 山区 及盐 碱地耕 地生 产能 力的 遥 感 评价。2 规范性 引用 文件 下列文 件对 于本 文件 的应 用是必 不可 少的。凡 是注 日期的 引用 文件，仅 注日 期的版 本适 用于 本 文件。凡 是不 注日 期的 引用 文件，其最 新版 本（包括 所有的 修改 单）适用 于本 文件。GB/T 15968 2008 遥感 影像平 面图 制作 规范 3 术语和 定义 下列术 语和 定义 适用 于本 文件。3.1 耕地生 产能 力 farmland productivity 在当前 土壤 养分 水平 和生 产管理 水平 共同 作用 下耕 地能够 产出 的能 力。注:耕地养分是土壤的内在本质 属性，为农作物生长提供核心 养分；生产管理水平由品种、播种质量、水肥互作、耕地 制度等外在因素综合决定，在评价耕地生产管理水平时需排除气象因素的干扰。3.2 遥感评 价 remote sensing evaluation 基于评 价标 准，采用 遥感 技术对 评价 对象 的各 个方 面，按 照数 据处 理分 析流 程和模 型算 法进 行 量化测量 的过 程。4 基本要 求 4.1 数据要 求 4.1.1 卫星遥 感影 像 4.1.1.1 高光谱 影像 具备400 nm 900 nm 的波 段范围，光 谱分 辨率 低于5 nm，空间 分辨 率优 于100 m，时 相为 冬小 麦 夏玉米 轮 作的 耕地 裸露 期间，可用 往年 同时 期影 像替 代；DB13/T 2972 2019 2 4.1.1.2 多光谱 影像 具 备 红 光 波段640 nm 760 nm、近 红 外波 段810 nm 870 nm，空 间 分 辨率500 m以 内，时 相为10年时间 序列。4.1.1.3 影像质 量 清晰无 云，无传 感器 条带 噪声，几何 校正 精度 达到 半个像 元尺 寸以 内。4.1.2 土壤养 分样 本数 据 包括有 机质、全 氮、速效 钾、有 效磷 等指 标，样本 带有经 纬度 位置 信息，样 本数100 个 以上。4.1.3 单产实 测样 本 具备待 评价 区域 内当 季冬 小麦和 夏玉 米 单 产实 测样 本，样 本数20个 以上，相 对均匀 地分 布于 待 评价区内，带 有经 纬度 位置 信息。4.1.4 基础地 理数 据 具备国 家1:25 万 基础 地理 信息数 据，要素 包括 行政 边界、耕地 分布。4.2 软件要 求 具备不 同分 辨率 卫星 遥感 影像处 理的 专业 软件，具 有大气 校正、几 何纠 正、影像解 译、波段 运算、统计分 析等 功能。4.3 人员要 求 应具有 遥感 影像 获取、处 理、分 析、制图 等技 术能 力。5 评价方 法 5.1 耕地养 分水 平遥 感评 价方 法 采用高 光谱 影像 筛选 耕地 养分含 量的 敏感 波段 和变 换算法，基于 多元 线性 回归 法构建 耕地 有机 质、全氮、速效 钾、有效 磷的 遥感监 测模 型，进行 区域 耕地有 机质、全 氮、有效 磷、速 效钾 的空 间 制 图。5.2 耕地生 产管 理水 平遥 感评 价方法 在10年 长时 间序 列的 多光 谱遥感 影像 支持 下，开展 耕地作 物类 型遥 感分 类，构建基 于群 体长 势 的作物遥 感估 产模 型，基于 多年平 均产 量进 行耕 地生 产管理 水平 空间 制图。5.3 耕地生 产能 力遥 感综 合评 价方法 根据耕 地养 分水 平、生产 管理水 平对 耕地 生产 能力 的贡献 率确 定权 重，构建 耕地生 产能 力遥 感 综合评价 模型，实 现耕 地生 产能力 空间 制图。耕 地生 产能力 遥感 综合 评价 技术 流程见 附录A。6 耕地养 分水 平遥 感评 价 6.1 提取土 壤样 点的 高光 谱影 像反射 率 DB13/T 2972 2019 3 根据土 壤样 点的 经纬 度位 置，将 土壤 样点 与高 光谱 影像空 间叠 加分 析，提取 每个土 壤样 点的 光 谱反射率 信息。6.2 敏感波 段筛 选 对土壤 样点 所提 取的 高光 谱数据 进行 数学 变换，变 换形式 分别 是：反射 率、反射率 的倒 数、反 射率的对 数、反射 率对 数的 倒数、反射 率一 阶微 分、反射率 倒数 的一 阶微 分、反射率 对数 的一 阶微 分、反射率 对数 的倒 数的 一阶 微分。将土壤 样本 的4 种养 分含 量 分别与 光谱 反射 率及 其变 化形式 进行 逐波 段相 关性 分析，获 取每 个波 段与有机 质含 量的 相关 系数R，根据 相关 系数 的高 低筛 选有机 质、全氮、有 效磷、速效钾 的敏 感波 段及 最佳数学 变换 形式。6.3 构建耕 地养 分反 演模 型 从所有 土壤 样本 中随 机抽 取2/3 样本 量用 于建 模，对 耕地养 分指 标的 敏感 波段 及数学 变换 形式 进 行多元线 性回 归，分别 建立 耕地有 机质、全 氮、有效 磷、速 效钾 反演 模型。6.4 精度验 证 基于未 参与 建模 的1/3 土 壤 养分样 本进 行精 度验 证，按公式（1）和（2）计算 验 证样本 的决 定系 数（R2）、相 对均 方根 误差（RMSE）。（1）（2）式中：R2 样 本的 决定 系数；RMSE 相对 均方 根误 差；SNi 耕 地土 壤样 本的 养分实 测值，包 括有 机质、全氮、有 效磷、速 效钾；PSNi 耕 地土 壤样 本的 养分遥 感预 测值，包 括有 机质、全氮、有 效磷、速 效钾；n 测土 配方 数据 中的 土 壤样本 数。6.5 耕地养 分指 标空 间制 图 将高光 谱影 像敏 感波 段的 反射率 及数 学变 换的 图层 代入上 述反 演模 型，计算 得到评 价区 域的 耕 地有机质、全 氮、有效 磷、速效钾 的空 间分 布图。7 耕地生 产管 理水 平遥 感评 价 7.1 作物遥 感分 类 7.1.1 计算归 一化 植被 指数（NDVI）获取作 物生 长旺 盛期 的多 光谱影 像，冬 小麦 影像 的 时相为3月25 日至4月30 日（起 身期 至开 花期），夏玉米 影像 的时 相为7月20 日至8 月20 日（拔 节期 至吐 丝期），按公 式（3）计算 每景多 光谱 影像 的归 一化植被 指数（NDVI），形 成10年 时间 序列 的NDVI 影 像。DB13/T 2972 2019 4（3）式中：NDVI 归 一化 植被 指数；Rred 红光 波段 反射 率；Rnir 近红 外波 段反 射率。7.1.2 作物识 别 采用绿 度分 割法 提取 冬小 麦或 夏 玉米，以NDVI=0为 临界阈 值，当NDVI0 时提 取为冬 小麦（或 夏玉米），当NDVI 0时 识别 为 非小麦（或 夏玉 米）。7.2 遥感估 产模 型构 建 7.2.1 作物分 布 区NDVI 掩膜 以冬小 麦（或 夏 玉米）分 布图对 长时 间序 列NDVI 图 层进行 空间 掩膜，提 取冬 小麦（或 夏 玉米）分布范围 内的NDVI 数据 集。7.2.2 样本NDVI 提取 将当年 冬小 麦（或 夏 玉米）实测 单产 样本 与当 年NDVI 图像 进行 空间 叠加 分析，提取每 个样 本地 块对应的 各时 相NDVI值。7.2.3 多元线 性回 归 采用多 元线 性回 归方 法对 样本地 块的 当年 实测 单产 和当年 多时 相NDVI 值 构建 冬小麦（或 夏玉 米）单产遥 感评 价模 型，见公 式（4）。（4）式中：y 冬小 麦（或 夏 玉米）单产（千 克/亩）；xi 冬小 麦（或 夏 玉米）生长 全程 中某 一时 相的NDVI；ai 某一 时相NDVI 的回 归系数。7.2.4 精度评 价 采用单 产实 测样 本计 算估 产模型 的决 定系 数和RMSE 进行精 度评 价。7.2.5 单产空 间制 图 将当年 以及 历 史 各年 的NDVI 序列 图像 代入 上述 估产 模 型，逐 年计 算待 评价 区冬 小麦（或 夏 玉米）单产，得到 每年 冬小 麦（夏玉米）单 产空 间分 布图。7.2.6 生产管 理水 平评 价 将每年 的冬 小麦 和 夏 玉米 估产图 累加 求平 均，计算 每个像 元的 平均 粮食 单产，表征 该耕 地像 元 的生产管 理水 平。DB13/T 2972 2019 5 8 耕地生 产能 力综 合评 价 8.1 评价指 标权 重分 析 采用特 尔菲 法确 定各 个耕 地生产 能力 评价 因子 的权 重。特 尔菲 法确 定权 重的 过程为：组 织行 业 专家分别 对各 评价 因子 的权 重打分，评 价因 子包 括耕 地有机 质含 量、全氮 含量、速效 钾含 量、有效 磷 含量、耕 地生 产管 理水 平。对于各 项因 子的 权重，按 公式（5）计算 专家 打分 的 均值，按公 式（6）计算各因子 的方 差。11mj ijiEam（5）211()1mj ij jiaEm（6）式中：Ej 专家 对因 子j 打分 的 均值；因子j 的方 差；m 专家 人数；aij 第i 位专 家对 因子j 的评分 值。8.2 评价指 标归 一化 处理 对各个 指标 进行 归一 化处 理，见 公式（7），经归 一 化处理 后各 个指 标的 变化 范围都 为0，1。min max min()()Y X X X X（7）式中：Y 某个 指标 归一 化处 理后的 数值；X 各个 评价 指标 含量；Xmin 某个 指标 的最 小值；Xmax 某个 指标 的最 大值。8.3 耕地生 产能 力综 合评 价模 型构建 构建基 于多 源遥 感信 息的 耕地生 产能 力综 合评 价模 型，见 公式（8）：（8）式中：Q 耕地 的综 合生 产能 力；N 耕地 养分 水平；ai 各个 评价 指标 的权 重；N1 耕地 有机 质含 量；N2 耕地 全 氮 含量；N3 耕地 速效 钾含 量；N4 耕地 有效 磷含 量；P 耕地 生产 管理 水平，即长 时序 的冬 小麦 和 夏 玉米 单 产均 值。8.4 耕地生 产能 力分 级制 图 DB13/T 2972 2019 6 8.4.1 采用正 态（偏 正态）统计 理 论的双 阈值 划分 策略，统 计耕地 生产 能力 综合 评价 值的均 值(mean)和标准 差(SD)，以 mean-2 SD，mean 和 mean+2 SD 为耕 地生 产能 力的4 个 等级划 分阈 值，进行 评价区耕地 生产 能力 分级，并 按照 GB/T 15968 2008 制 图。8.4.2 耕地生 产能 力的 划分 以某 块耕地 的生 产能 力综 合评 价值 Qi 为 依据，具 体划 分 标准为：当Qi mean+2 SD 时，判 定为一 等；当mean Qi mean+2 SD 时，判 定为 二等；当mean-2 SD Qi mean 时，判 定为 三等；当Qi mean-2 SD 时，判 定为四 等。9 评价报 告 耕地生 产能 力遥 感综 合评 价结果 经过 专家 会商 形成 评价报 告，报告 应包 含如 下内容：报告题 目：XX 县耕 地生 产 能力遥 感综 合评 价；报告正 文：包括 具体 使用 数据、评价 流程、评 价步 骤、评 价结 果和 格局 分析；附表：该区 域分 乡镇 耕地 生产能 力综 合等 级的 评价 统计结 果；附图：该区 域耕 地生 产能 力综合 等级 空间 分布 图。DB13/T 2972 2019 7 A A 附 录 A（规范 性附 录）耕地生 产能 力遥 感综 合评 价技术 流程 耕地生 产能 力遥 感综 合评 价的技 术流 程见 图A.1。多 源 多 时 相 卫 星 影 像（高 光 谱、多 光 谱）有 机 质 全 氮 有 效 磷 速 效 钾基 于Dephi 的 权 重 分 析评 价 指 标 归 一 化 处 理基 于 多 源 多 时 相 卫 星 影 像 的 耕 地 生 产 能 力 综 合 评 估 模 型耕 地 生 产 能 力 综 合 评 价 空 间 制 图耕 地 生 产 能 力 空 间 格 局 分 析耕 地 养 分 含 量 光 谱 响 应 模 型基 于 长 时 序 单 产 水 平 的 耕地 生 产 管 理 水 平 评 价 模 型耕 地 生 产 管 理 水 平评 价 结 果耕 地 养 分 水 平 评 价 结 果 图A.1 耕地生 产能 力遥 感综 合评 价技术 流程 图 DB13/T 2972 2019 8 参 考 文 献 1 GB/T 15618 1995 土壤环 境质 量标 准 2 GB/T 33469 2016 耕地质 量等 级 3 HJ/T 166 2004 土 壤环境 监测 技术 规范 4 NY/T 395 2012 农 田土壤 环境 质量 监测 技术 规范 5 NY/T 1119-2012 耕 地质量 监测 技术 规程 6 SL 592 2012 水土 保持遥 感监 测技 术规 范 7 TD/T 1004 2003 农 用地分 等规 程 8 TD/T 1014 2007 第 二次全 国土 地调 查技 术规 程 _