用地质量调查与监测研究进展

1、1用地质量调查与监测研究进展朱德海、郧文聚、张超、杨建宇杨永侠、张晓东等2 健康状况 农用地质量实际产能农用地自然质量指数等农用地自然质量指数等 产能潜力（气候）-水文、地形、 土 壤、农田基本建设等条件限制下的产能。农用地利用指数等农用地利用指数等 利用方式限制下的产能。农用地经济指数等农用地经济指数等 投入产出效率限制下的产能。 地球化学调查 3提 纲 农用地等别年度变化调查与动态监测农用地等别年度变化调查与动态监测 在农用地分等成果、分等成果补充完善基础上，遵从农用地分等规程，在农用地分等成果、分等成果补充完善基础上，遵从农用地分等规程，以公益性行业项目为推力，研究实现等别（产能）的年度

2、变化的调查以公益性行业项目为推力，研究实现等别（产能）的年度变化的调查方法和工具。方法和工具。 下一次全面更新的前期基础研究下一次全面更新的前期基础研究 影响产能的新要素、新调查手段下分等方法的改进、不同调查期分影响产能的新要素、新调查手段下分等方法的改进、不同调查期分等结果可比性及衔接等研究和设想。等结果可比性及衔接等研究和设想。 绿色产能绿色产能 绿色产能绿色产能=产能评价产能评价+健康评价；如何整合分等成果和地化调查成果健康评价；如何整合分等成果和地化调查成果4系统需求分析系统需求分析一、农用地等别年度变化调查与动态监测一、农用地等别年度变化调查与动态监测1、年度等别突变变化调查、年度等

3、别突变变化调查 1）耕地等级变化信息野外调查采集系统）耕地等级变化信息野外调查采集系统 (占、补、调、毁等占、补、调、毁等 ）5数据接口设计数据接口设计耕地等级变化监测信息管理系统/数据库导出调查内容数据数据格式：xml/shp/dbf.数据内容：调查点空间位置；调查点空间位置；调查点历史数据；调查点历史数据；指标区信息；指标区信息；指标信息；指标信息；作物评分体系；作物评分体系；评分方法与相关参数；评分方法与相关参数；空间参考图形空间参考图形. . 耕地等级变化监测信息管理系统/数据库导入方式：usb线文件传输移动智能设备文件管理系统解析导出调查结果数据数据格式：excel数据内容：调查点指

4、标录入数据；调查点指标录入数据；评分结果；评分结果；导入方式：usb线文件传输PC端文件管理系统读取录入界面动态生成调查数据管理6功能模块设计功能模块设计动态生成动态生成自然质量自然质量状况数据状况数据录入界面，录入界面，支持数据支持数据录入、修录入、修改、保存、改、保存、查看查看动态生成动态生成利用经营利用经营状况数据状况数据录入界面，录入界面，支持数据支持数据录入、修录入、修改、保存、改、保存、查看查看为外业工作提为外业工作提供基于位置的供基于位置的服务，以增强服务，以增强外业决策能力。外业决策能力。包括空间定位、包括空间定位、调查点分布与调查点分布与属性查询、导属性查询、导航、空间测量航

5、、空间测量根据录入数据根据录入数据计算不同样本计算不同样本点自然质量等点自然质量等指数指数实现与耕实现与耕地等级变地等级变化监测信化监测信息管理系息管理系统间的数统间的数据传输据传输系统基本管理模块，系统基本管理模块，包括网络设置、数据包括网络设置、数据库设置的基本系统功库设置的基本系统功能能7l系统管理已初步完成，支持采集系统基本设置；系统管理已初步完成，支持采集系统基本设置；系统完成情况演示系统完成情况演示8l地图服务模块已初步完成，为采集工作提供可视的空间参考。地图服务模块已初步完成，为采集工作提供可视的空间参考。系统完成情况演示系统完成情况演示9l自然质量状况调查模块已初步完成，实现了

6、调查录入界面的动态生成，自然质量状况调查模块已初步完成，实现了调查录入界面的动态生成，支持工作人员实现调查点数据的录入、修改和保存。支持工作人员实现调查点数据的录入、修改和保存。系统完成情况演示系统完成情况演示10l利用经营状况调查模块已初步完成，实现样点利用经营指标数据采集。利用经营状况调查模块已初步完成，实现样点利用经营指标数据采集。系统完成情况演示系统完成情况演示112）耕地等级变化评定、信息管理、汇总分析与发布系统）耕地等级变化评定、信息管理、汇总分析与发布系统野外采集系统交换数据耕地等级监测基础数据管理子系统耕地等级监测基础数据管理子系统耕地等级监测成果发布子系统耕地等级监测成果发布

7、子系统县级省级、国家级国家级省级、国家级12系统间的数据交换系统间的数据交换13耕地等级变化监测基础数据管理子系统耕地等级变化监测基础数据管理子系统14基础数据管理基础数据管理耕作制度管理供省级国家级用户使用，提供用户对县级行政区的耕作制度的浏览、管理、编辑和删除操作功能光温/气候生产潜力管理供省级国家级用户使用，提供用户对县级行政区的光温/气候生产潜力的浏览、编辑操作。推荐监测因素管理主要管理国家推荐的13个因素，用户可修改因素名称、类别及标准字段名称导出县级参数文件主要是对已制定好的分等所需的基础参数后，按县以ACCESS数据库的形式导出数据导入省级区划文件主要为了划分三级指标区应用，三级

8、指标区的划分最小单位为乡镇，所以需设置乡镇代码字段和乡镇名称字段15划分三级指标区划分三级指标区用户可添加或删除三级区，并指定哪些乡镇属于该三级区16三级区参数设置三级区参数设置设置耕作制度及作物产量比系数设置指标体系及打分规则17耕地等级评定子系统耕地等级评定子系统l功能描述：对突变区域、耕地等级渐变区域、县功能描述：对突变区域、耕地等级渐变区域、县域更新（县内所有地块）三部分工作分别进行等域更新（县内所有地块）三部分工作分别进行等级评定，并提供与野外调查系统数据接口和其他级评定，并提供与野外调查系统数据接口和其他数据源接口。数据源接口。18参数设置参数设置l用于设置分等基础用于设置分等基础

9、参数，即由基础数参数，即由基础数据管理系统提供的据管理系统提供的ACCESSACCESS数据库中的数据库中的各参数各参数19突变区域耕地等级评定突变区域耕地等级评定l用于突变区域耕地等级的评价用于突变区域耕地等级的评价检验评价数据字段命名是否符合标准，检验各字段属性值是否在规定范围内20监测样点耕地等级评定监测样点耕地等级评定21耕地等级监测数据汇总及分析子系统耕地等级监测数据汇总及分析子系统l该系统正在开发中，其主要包含两大功能，第一该系统正在开发中，其主要包含两大功能，第一为汇总，第二为监测分析为汇总，第二为监测分析l汇总模块：完成省级汇总及省级等指数向国家级汇总模块：完成省级汇总及省级等

10、指数向国家级等指数的转换以及国家级汇总等指数的转换以及国家级汇总l监测分析模块：针对县级成果和省级成果做分析，监测分析模块：针对县级成果和省级成果做分析，完成相关统计功能及空间布局分析功能，完成多完成相关统计功能及空间布局分析功能，完成多期数据对比分析功能期数据对比分析功能22耕地等级监测数据汇总及分析子系统耕地等级监测数据汇总及分析子系统l该系统正在开发中，其主要包含两大功能，第一该系统正在开发中，其主要包含两大功能，第一为汇总，第二为监测分析为汇总，第二为监测分析l汇总模块：完成省级汇总及省级等指数向国家级汇总模块：完成省级汇总及省级等指数向国家级等指数的转换以及国家级汇总等指数的转换以及

11、国家级汇总l监测分析模块：针对县级成果和省级成果做分析，监测分析模块：针对县级成果和省级成果做分析，完成相关统计功能及空间布局分析功能，完成多完成相关统计功能及空间布局分析功能，完成多期数据对比分析功能期数据对比分析功能23汇总模块汇总模块l目前初步完成了省级汇总，仍在改进，国家级汇总目前初步完成了省级汇总，仍在改进，国家级汇总暂未实现暂未实现24监测分析模块监测分析模块l目前完成的功能有对耕地等级监测成果数据进行目前完成的功能有对耕地等级监测成果数据进行各种统计分析和格局指数计算。各种统计分析和格局指数计算。25耕地等级监测成果发布子系统耕地等级监测成果发布子系统l该系统刚进入研发期，现已完

12、成系统的初步功能设计阶该系统刚进入研发期，现已完成系统的初步功能设计阶段，主要为了实现耕地分等成果及监测分析成果的发布段，主要为了实现耕地分等成果及监测分析成果的发布功能：用户管理、图片浏览、查询、下载、数据审核、数据上传、成果清单、公共下载1、用户管理：分县级用户、省级用户，国家级用户和管理员用户，不同用户权限不同2、图片及表格数据浏览：主要针对分等成果图片、汇总成果图片和空间变化分析图片进行浏览3、查询与浏览：根据不同条件进行查询4、下载：根据用户权限设置下载数据5、数据审核：上级用户审核下级用户上传的数据，审核通过后进行发布6、数据上传：根据用户不用上传不同数据7、成果清单：查看本县或本

13、省都有哪些数据8、公共下载：主要放一些政策、标准类文件供用户下载参考9、新闻发布：相关新闻的发布 10、科研进展：相关科研进展发布26耕地等级监测成果发布子系统耕地等级监测成果发布子系统l该系统初步设计四类用户，用户权限分别如图所该系统初步设计四类用户，用户权限分别如图所示：示：27 近期工作： 耕地等级变化信息野外调查采集系统、耕地等级监测耕地等级变化信息野外调查采集系统、耕地等级监测基础数据管理子、系统耕地等级评定子系统在基础数据管理子、系统耕地等级评定子系统在15个县示范个县示范应用。应用。 耕地等级监测数据汇总及分析子系统、耕地等级监测耕地等级监测数据汇总及分析子系统、耕地等级监测成果

14、发布子系统完善、研发和示范应用。成果发布子系统完善、研发和示范应用。 能够实现能够实现(占、补、调、毁等占、补、调、毁等)突变的等别和突变的等别和产能变化的及时调查与上报汇交。产能变化的及时调查与上报汇交。28系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学2、农用地正常使用中的渐变变化监测、农用地正常使用中的渐变变化监测1 1）监测点空间布局的优化算法及其高效实现方法）监测点空间布局的优化算法及其高效实现方法基于Kriging估计方差MSE（Mean Square Error）的县域耕地质量监测布样方法考虑各样点间的变异情况和耕地质量的空间分布结构特征考虑到要

15、通过样点数据插值得出未抽样处的值流程： 确定监测网有效性测度(研究区估值方差最小化MSE) 布设基础监测网(样点数与MSE合适的规则格网) 布设全局监测网(调整格网内无样点分布的情况) 优化增密采样网络(在MSE较大的泰森多边形中增密) 统计推断总体均值29系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学30系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学大兴区布点结果大兴区布点结果空间自相关性分析n1i2x-xn1iiYYMSE5182块耕地成果数据中每块真实值Kriging插值后的估计值实际均值估计均值相对误差自然等指数238

16、4.162385.760.07%布设48个样点构建估计方差31系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学实验结果对比分析基于基于KrigingKriging估计方差的布样方法：估计方差的布样方法：MSE=MSE=11238.3211238.32简单随机抽样简单随机抽样: : 多次试验，最小多次试验，最小MSE= 13171.69MSE= 13171.6911238.3211238.32实验次数MSE实验次数MSE113423.811113171.69214775.301215108.00315999.141315345.55414154.641416037

17、.21513180.201514811.47613759.861614000.15713222.511714467.08814419.241814091.05914595.111913274.751018165.412015200.25同简单随机抽样对比：同简单随机抽样对比：32系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学实验结果对比分析基于基于KrigingKriging估计方差的布样方法：估计方差的布样方法：MSE=MSE=11238.3211238.32分层抽样分层抽样: :按自然等别（按自然等别（11141114等）划分为四层等）划分为四层总样点数总

18、样点数4848，每层样点数按下列公式分配：，每层样点数按下列公式分配：同分层抽样对比：同分层抽样对比：NNWSShhhhhhhhhnCW CWn，h层自然等指数真实标准差h层中一个样点的布设费用层11等12等13等14等标准差19.3726.5749.1619.49样点数713253实验次数MSE115107.4213990.6316501.5417101.2514936.5617697.4718089.5815171.6916482.31014722.61114791.11214441.21314660.61414697.31516422.41618546.01717209.31814002

19、.31916447.92016319.2最小最小MSE=13990.611238.32MSE=13990.611238.3233实验结果对比分析同单纯格网布设对比同单纯格网布设对比：l基于基于KrigingKriging估计方差的布样方法：估计方差的布样方法： MSE=MSE=11238.3211238.32单纯格网单纯格网4848个个样点的样点的 精度低于本文方法精度低于本文方法基本上单纯格网的基本上单纯格网的样点样点大于大于100100，精度才高于本精度才高于本文方法文方法，但，但样点太多，抽样点太多，抽样成本太高样成本太高格网大小 点数MSE 格网大小 点数MSE450034 17077

20、.832006712913.5440034 15527.031007414568.0430036 13763.530006912693.5420037 13995.129007412402.4410031 15932.528008211072.840003913130.127008812288.0390048 13930.626009410338.6380048 14675.4250010812510.737005112413.1240010211123.3360053 13258.8230012610857.5350059 13288.6220014110602.5340049 12336.

21、421001549505.5330049 13635.9200016110046.4系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学系统功能涉及到的关键算法和业务方法要科学342）监测点的信息采集和等别评定在前面）监测点的信息采集和等别评定在前面“耕地等级变化信耕地等级变化信息野外调查采集系统息野外调查采集系统”和耕地等级评定子系统和耕地等级评定子系统”已经包括。已经包括。3）调查点）调查点区域的转化区域的转化-等别和产能的变化等别和产能的变化正在进行正在进行；3、数据综合、数据综合（近期）（近期）突变和渐变变化的综合（数据融合）突变和渐变变化的综合（数据融合）-整个农用地等别的整个农用地等别的变化变

22、化-产能的变化产能的变化-数量汇总分析数量汇总分析-15个县全国耕个县全国耕地等别和产能变化白皮书。地等别和产能变化白皮书。如果推广到全国即可实现如果推广到全国即可实现-每年发布全国耕地等别和产能每年发布全国耕地等别和产能变化白皮书。变化白皮书。着手着手县、市、省、国家成果图汇总方法研究（索引的方法、县、市、省、国家成果图汇总方法研究（索引的方法、成果图自动缩编方法、网格法）的研究。成果图自动缩编方法、网格法）的研究。351）面向对象高分辨率遥感农田设施识别与分值计算面向对象农田设施识别基本流程面向对象农田设施识别基本流程4、调查工具和装备的研发、调查工具和装备的研发 降低调查工作强度、提高工

23、作效率降低调查工作强度、提高工作效率36面向对象高分辨率遥感农田设施识别分割结果图提取结果图37l田间道路通达度计算实例田间道路通达度计算实例道路编号道路直达田块数量1234511121314152324252627312146193867746131716723合计362农用地总图斑数量476田间道路通达度362/4760.838l田块大小实例评价单评价单元元人民滩人民滩村村小乾村小乾村小虹桥小虹桥村村新滩村新滩村晨兴村晨兴村李典忖李典忖沙头村沙头村沿江村沿江村有新村有新村 陈祠村陈祠村田块大田块大小均值小均值（m2）4919.665610.255113.064909.634146.0443

24、80.935124.546462.953911.993975.4739道路网密度评价单元名称评价单元名称道路总长度（千米）道路总长度（千米）行政区面积（公顷）行政区面积（公顷）道路网密度道路网密度人民滩村人民滩村20.810.0003756662.67小乾村小乾村13.250.0004728278.48小虹桥村小虹桥村24.620.0005445461.80新滩村新滩村11.260.0003631725.32晨星村晨星村9.430.000322655.90李典忖李典忖14.950.0005427786.50沙头村沙头村12.670.0005423679.74沿江村沿江村4.730.000114

25、3271.79育新村育新村27.270.0004956184.32陈祠村陈祠村12.970.0003359744.1240l灌水区密度实例评价单元名称灌水渠总长度（千米）评价单元面积（公顷）灌水渠密度人民滩村16.090.0003743827.97小乾村20.260.0004743241.49小虹桥村30.380.0005456101.75新滩村32.130.0003690530.64晨星村23.870.0003275085.84李典忖41.130.0005476461.62沙头村36.710.0005468620.17沿江村4.930.0001145112.68育新村39.360.00049

26、81097.18陈祠村17.600.0003353930.3941灌水渠覆盖度：参照田间道路通达度定义，指农田中灌水渠直接到达田块数占总田块数的比例。42灌水渠覆盖度计算实例灌水区编号灌水渠直接经过田块数量123456789544351434624173819合计335农用地图斑总数476灌水渠覆盖度335/4760.6432 2）固定监测点传感器及无线网络）固定监测点传感器及无线网络 选择比较成熟简单的进行探索（土壤含水量和土壤温度传感器）44传感器传感器45无线网无线网462013年工作：年工作：订购观测支架在样地布设无线传感器网络实施监测和传输数据与耕地质量等级监测管理系统对接47 其它

27、与耕地质量密切的指标进行传感器实验，如其它与耕地质量密切的指标进行传感器实验，如盐碱度等。盐碱度等。 土壤质地层次构型、土层厚度、障碍层等的自动土壤质地层次构型、土层厚度、障碍层等的自动检测装备（雷达、太赫兹等新技术）。检测装备（雷达、太赫兹等新技术）。 基于光谱技术的有机质含量快速测量装备；基于光谱技术的有机质含量快速测量装备； 地形坡度等激光设备；地形坡度等激光设备； 测量值与分等因素值的转换或替换测量值与分等因素值的转换或替换3 3）今后研究计划）今后研究计划48二、下一次全面更新的前期基础研究二、下一次全面更新的前期基础研究1、农用地空间格局与农地规模、农用地空间格局与农地规模（连片性

28、、破碎问题）（连片性、破碎问题） 农用地利用指数等农用地利用指数等 利用方式限制下的产能。 农用地经济指数等农用地经济指数等 投入产出效率限制下的产能。城镇化城镇化-农村劳动人口减少农村劳动人口减少人力成本上升人力成本上升-劳动生产率低的土地劳动生产率低的土地-不能规模化经营的不能规模化经营的-荒芜！产能？荒芜！产能？今年的一号文件今年的一号文件-适度规模化！适度规模化！因此，农用地的空间格局应成为重要的影响等别和产能的因素，因此，农用地的空间格局应成为重要的影响等别和产能的因素， 现状：现状：-千疮百孔的土地！ 度量方法问题；重构方法问题（如何改变，像欧洲）；多尺度问题（县、市、省和国家级目

29、标和限制因素）。49三级网格划分三级网格划分农田空间格局评价农田空间格局评价基本农田保护区空间定位基本农田保护区空间定位土地整治难度系数土地整治难度系数测算及未来整治方测算及未来整治方向分析向分析A、基于网格化的度量方法、基于网格化的度量方法50网格划分与编码网格划分与编码51525分网格531 1分网格分网格543030秒网格秒网格55多源数据与网格数据转换多源数据与网格数据转换基于点的内插方法基于点的内插方法简单面域加权法简单面域加权法最大化保留法最大化保留法随机方法随机方法矢量数据无损网格化方法研究矢量数据无损网格化方法研究 56农田空间格局评价农田空间格局评价表表1 农业生产空间格局合

30、理性评价指标农业生产空间格局合理性评价指标影响因子分影响因子分层层影响因子影响因子指标类型指标类型通达性通达性Accessibility 地块到主干线的距离地块到主干线的距离 因子因子地块到村庄的距离地块到村庄的距离因子因子城镇辐射影响城镇辐射影响因子因子形状规整程形状规整程度度Shape 平均面积周长比（平均面积周长比（MPAR）因子因子平均形状指数（平均形状指数（MSI）因子因子面积加权平均地块形状指数（面积加权平均地块形状指数（AWMSI）因子因子平均地块分维数（平均地块分维数（MPFD）因子因子集中连片程集中连片程度度Connectivity 农田面积比例（农田面积比例（AR）因子因子

31、地块总数（地块总数（NP）因子因子平均农田地块面积（平均农田地块面积（MPS）因子因子最大农田地块面积比例（最大农田地块面积比例（LPI）因子因子农田地块面积标准差指数（农田地块面积标准差指数（PSSD）因子因子空间连片面积、连片形状指数空间连片面积、连片形状指数因子因子57农田空间格局合理性指数农田空间格局合理性指数农田空间格局合理性指数计算公式为：农田空间格局合理性指数计算公式为：式中：式中：FSPRI（Farmland Spatial Pattern Reasonable Index）是农）是农田空间格局合理性指数，田空间格局合理性指数，Wi是第是第i个评价指标的权重，个评价指标的权重，

32、ai是评价指标的归一化值是评价指标的归一化值。FSPRI值在值在01间变化，当间变化，当FSPRI值为值为1时，表示农田空间格局处于最佳状时，表示农田空间格局处于最佳状态、有利于提高农业生产效率，态、有利于提高农业生产效率，FSPRI值为值为0表示农田空间格局最不合理、难表示农田空间格局最不合理、难以进行农业规模化生产。以进行农业规模化生产。niiiWaFSPRI1)(农田空间格局合理性指数分级农田空间格局合理性指数分级分级分级很好很好好好中等中等差差很差很差指数指数FSPRI0.I0.7 70.6FSPRI I0.70.70.5FSPRI I0.60.60.4FSPRI I0.50.5FSP

33、RI I0.40.458B、重构方法、重构方法-整治难度和优先度整治难度和优先度说明：土地综合整治难度系数反应的是评说明：土地综合整治难度系数反应的是评价单元的优先次序，应选择难度系数小价单元的优先次序，应选择难度系数小的单元优先整治。的单元优先整治。西部丘陵区相比扬州市其他地区，地势较高并且起伏较大，田块较为细碎，中低等耕地比例大。田块零碎，田间基础实施较为薄弱，而这一地区河流众多，河网密布，中低等耕地比例大于该区其他评价单元。耕地利用等较高、地势平坦、田块比该区其他评价单元规整。59C、多尺度问题研究、多尺度问题研究乡镇级10m2792个连片区域60数据实验市级50m144个连片区域61省

34、级280m20个连片区域研究计划：搭建数据平台、深入研究、研究成果在管理中应用等。622、星地一体化新的调查方法探索星地一体化新的调查方法探索 遥感为主，结合标准样地数据，调查为辅，用不同作物的累积生物量反演产能 背景：背景：国产卫星的大发展-高空间、高光谱和高时间分辨率（静止卫星）等。 条件：条件：标准样地的指标要扩展。 遥感作物分类、遥感数据与样地数据同化、累积生物量反演产能、与分等结果对照分析并改进 核心思想：相对值比绝对值更重要！相对值比绝对值更重要！ 63 1 1）农作物类型识别）农作物类型识别基于多时相遥感农作物识别基于多时相遥感农作物识别（1）样本数据获取）样本数据获取 小麦、玉米、花生、白薯、棉花等作物点坐标，光谱信息以及物候资料收集（2）利用关键生育期）利用关键生育期HJ卫星影像进行主要农作物识别卫星影像进行主要农作物识别分析样本点在关键生育期影像中的多时相光谱特征，结合各类作物物候变化差异，确定分类规则利用ENVI软件根据分类规则建立决策树，对研究区内耕地区域进行主要农作物识别（3）利用）利用NDVI时序宏影像进行其余混淆作物识别时序宏影像进行其余混淆作物识别以土地利用图及高分辨率影像为基础获得的耕地区域专题图作为分割依据，将宏影像进行地块分割，利用NDVI宏影像对研究区内混淆作物样本