21年，他們搶救性收集了我國自上世紀80年代以來的大比例尺土壤調(diào)查圖件和資料，并利用人工智能、人機交互等創(chuàng)新性技術(shù)進行時空整合，創(chuàng)建了我國全域高精度數(shù)字土壤。這些工作如果完全依靠人工流程，數(shù)百年時間也難以完成。
4月6日，由中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所（以下簡稱資劃所）牽頭、聯(lián)合12家專業(yè)科研院所共同完成的中國高精度數(shù)字土壤，宣布通過科技成果評價。
TB級數(shù)量、100米精度、40年跨度
“數(shù)字土壤”就是數(shù)字化的土壤，它利用地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)方法，模擬和重現(xiàn)土壤類型、土壤養(yǎng)分等土壤性狀的空間分布特征。高精度數(shù)字土壤能直觀、精細展現(xiàn)土壤資源與質(zhì)量狀況，為農(nóng)業(yè)、環(huán)境和科學研究提供重要信息。
1999年以來，中國高精度數(shù)字土壤的工作得到了6個國家項目的支持。
在中國農(nóng)學會組織的成果評價會上，專家組一致認為，該項研究成果達到國際領先水平。資劃所研究員張維理介紹，這是因為“中國國土面積大，分區(qū)類型多，氣候類型多，土壤類型多。我們在大數(shù)據(jù)時空整合和表達中要解決各種類型問題，很多都是其他面積小的國家可能碰不到的。問題解決得多了，技術(shù)水平自然就領先了”。
張維理介紹，項目建成的中國高精度數(shù)字土壤與五萬分之一土壤圖籍，是我國迄今最完整和精細的土壤資源與質(zhì)量科學記載。其數(shù)據(jù)量達到TB級別，覆蓋我國全域；達到100米精度，而網(wǎng)格尺寸100米的土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)可直接供農(nóng)民進行農(nóng)田管理；涵蓋九大圖層多要素，全面反映土壤質(zhì)量；時間跨度達到40年，可反映土壤質(zhì)量變化。
“與上世紀80年代相比，我國30厘米以內(nèi)農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量增加了9.18%。”張維理說，這得益于我國農(nóng)作物產(chǎn)量大幅增加，土壤中的根系殘留物隨之增加，土壤生產(chǎn)力上升。未來20~30年，隨著秸稈還田、退耕還林等措施的持續(xù)推進，土壤有機物含量還會繼續(xù)增加。
資劃所研究員李兆君介紹，除了土壤有機質(zhì)含量，高精度數(shù)字土壤還能提供多項土壤資源與質(zhì)量理化性狀，其中，土壤穩(wěn)定性性狀時效性達上千年，可長久使用；而土壤快變化性狀為了解土壤與環(huán)境質(zhì)量演變提供了依據(jù)。
此外，高精度數(shù)字土壤可用于耕地保護與農(nóng)田管理、農(nóng)田培肥與修復、農(nóng)業(yè)保險、流轉(zhuǎn)土地的價值評估、適種作物評價、食品安全管理、農(nóng)田氮磷流失控制、土壤污染防治與修復、水土流失防治與減災等方面。
張維理介紹，采取邊建設、邊應用方式，該項成果自2003年向各行業(yè)共享和開放以來，已被我國60余家專業(yè)科研機構(gòu)應用于耕地質(zhì)量演變、流域氮磷流失量估算、環(huán)境容量測算、溫室氣體減排、醫(yī)藥、水利、林業(yè)、測繪等方面的科學研究。全國31個省份的農(nóng)業(yè)、環(huán)境、自然資源管理部門將其用于實施耕地保護與地力提升、面源污染防治、土地整治、測土配方施肥、基本農(nóng)田建設等國家工程，取得了巨大社會效益和經(jīng)濟效益。
首創(chuàng)土壤大數(shù)據(jù)方法
“我們總的數(shù)據(jù)產(chǎn)品達到TB級，對異源數(shù)據(jù)分析的工作量是海量的。”張維理告訴《中國科學報》。
高精度數(shù)字土壤被國際土壤學界列為現(xiàn)代土壤學研究的重中之重。它需要將大區(qū)域范圍不同來源的調(diào)查數(shù)據(jù)進行時空整合和表達，不僅數(shù)字化工程量浩大，更需要解決一系列科學和技術(shù)層面難題。受到方法制約，各國相關(guān)進展緩慢。
從上世紀80年代開始，我國完成了一系列土壤調(diào)查和大比例尺土壤調(diào)查圖件及資料。“但限于當時技術(shù)手段，各地完成的紙質(zhì)手繪圖件份數(shù)稀少，一個縣也就是2~3份，經(jīng)過40年的存放，紙質(zhì)圖件和資料狀況不佳。對它們的搶救性收集刻不容緩。”李兆君說。
張維理說，對不同地區(qū)、時期的調(diào)查資料進行時空整合還面臨一系列科學問題和技術(shù)困難。例如，“南方土壤測有效磷的方法和北方不一樣，表達也不一樣。如何整合要在科學層面和技術(shù)上同時拿出解決辦法”。
他們首創(chuàng)的土壤大數(shù)據(jù)方法的核心是，將數(shù)據(jù)科學、自動控制與人工智能設計原理引入土壤學研究領域，以層級化流程設計實現(xiàn)土壤科學需求，以自動化、人機交互式的數(shù)據(jù)流程替代人工流程，以并行于大數(shù)據(jù)流程的質(zhì)量監(jiān)控設計實現(xiàn)土壤科學家對全流程的掌控和人工干預。
李兆君說，這個方法的核心是人工智能和人機互動，需要土壤科學家以科學層面的設計來帶動數(shù)據(jù)分析規(guī)則的設計，讓機器學會規(guī)則后，代替人工去完成大數(shù)據(jù)的處理工作。
資劃所副研究員徐愛國舉例說，人的視覺可分辨的顏色只有100多種，而土壤類型有2萬多種。要想在地圖上通過不同顏色來區(qū)別不同的土壤類型，沒有那么多顏色怎么辦？通過機器學習的辦法，在地圖的不同幅面，讓土壤類型既可以人工識別，又保持其自身的穩(wěn)性。“要是手工干這個工作，半個月能配出一幅圖就不錯了。”人工智能技術(shù)大大加快了速度，20秒即可完成一幅。
目前，他們已研發(fā)約200多個人工智能模塊，置于大數(shù)據(jù)分析的流程線上。而科學家只需要在人機互動的入口、出口、中間控制點進行管控，節(jié)省了大量人力和時間。
“盡管我們啟動比很多國家都晚，但大數(shù)據(jù)方法讓我們比較高效地完成了土壤大數(shù)據(jù)時空整合和表達。”張維理說。
未來應用廣闊
“未來會有更多、更好的土壤大數(shù)據(jù)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品進入農(nóng)業(yè)、環(huán)境多個行業(yè)與人們社會生活中。”張維理說，例如，將高精度數(shù)字土壤加載到耕地機械、施肥機械和灌溉機械芯片中，可實現(xiàn)精確施肥、耕作與灌溉；利用土壤時空大數(shù)據(jù)，對重點農(nóng)區(qū)和流域?qū)崿F(xiàn)分區(qū)、分類、量化管理，能在減少農(nóng)用化學品投入量的同時，增加作物產(chǎn)量，保障食品安全。
她認為，對社會和民生真正發(fā)揮作用的應用技術(shù)研究，不僅需要理論上的突破，更需要有經(jīng)驗的科研人員在一線進行長期和大量的試驗和測試，需要長期堅持。
未來，有幾項應用已經(jīng)進入了他們的視野。
利用高精度土壤時空大數(shù)據(jù)，可以進行土壤質(zhì)量變化趨勢播報。實際上，針對我國大區(qū)的宏觀土壤預報已經(jīng)實現(xiàn)了，包括哪個區(qū)域會進一步酸化，哪個區(qū)域土壤流失會更嚴重，哪個區(qū)域氮磷鉀養(yǎng)分非均衡化問題更嚴重等。“但落到具體地塊的微觀播報對農(nóng)民更有用、更有意義。由于土壤理化性狀變化沒有那么快，即使對變化快的有效養(yǎng)分而言，每幾年進行一次播報就夠了。”張維理說。
徐愛國介紹，此外，基于土壤高精度時空數(shù)據(jù)、人工智能設計的互動施肥技術(shù)也是他們的目標。如何利用數(shù)字土壤開發(fā)過硬的技術(shù)和產(chǎn)品，讓農(nóng)民既可增產(chǎn)、增收，又能有效減少農(nóng)用化學品投入量？該研究團隊已有具體想法和技術(shù)儲備。
“一項受農(nóng)民歡迎的技術(shù)一定要讓農(nóng)民增產(chǎn)、增收，這類技術(shù)的研發(fā)也一定非一日之功，而我們需要更多有經(jīng)驗的科研人員長期投入這類研究。”張維理說。
“農(nóng)業(yè)的實際問題很多，中國是一個人口大國和農(nóng)業(yè)大國，我們應該拿出有特色的農(nóng)業(yè)新技術(shù)產(chǎn)品。”張維理說。
