历史长河中，土壤与人类文明息息相关。如五色土是华夏传统文化的典型符号，数千年来被赋予无限美好的寓意。在很多人看来，土壤司空见惯，然而就像空气、水和阳光一样，土壤作为“地球的皮肤”，在维系人类生存方面发挥着至关重要的作用。通过图形反映土壤类型、组合及其分布规律性，为改良土壤、自然区划、农业活动、环境保护、国土整治等工作提供了至关重要的数据。
土壤的覆盖面广袤无垠，研究者使用采样的手段来捕捉它发出的各种“信号”。随着遥感、GIS、机器学习等新技术的蓬勃发展，人们得到的“信号”也越来越丰富——如今，土壤的肥力、酸碱度、含水量等各项属性都能通过数字土壤制图监测与推演。2022第十届“高校GIS创新人物”南京大学杨琳教授长期致力于关键地表要素时空模拟及其驱动分析研究，提出了代表性空间采样技术，创新了土壤-环境关系知识提取方法，构建了自然和人为协同土壤推理模型，实现了高精度、低成本的数字土壤制图。《GIS时代》特邀专访杨琳老师，请她带我们揭开数字土壤制图的神秘面纱，聆听地理信息科研与教学领域的中国声音。
南京大学杨琳教授
一、用数字技术为土壤做精细“体检”
GIS时代：请您介绍一下数字土壤制图。和传统土壤制图相比，数字土壤制图具备哪些优点？在数字土壤制图方面，当前我国有哪些创新成果？
杨琳：数字土壤制图是为了克服传统土壤制图存在的一些局限性所提出的一种新的土壤制图范式。在土壤-景观模型理论基础的支持下，以空间分析和数学方法为技术手段，通过地理信息系统、全球定位系统、遥感技术等现代信息技术方法构建土壤和成土环境之间的关系，从而推测土壤的类型、属性以及在全空间栅格上的分布等规律。
与传统土壤制图相比，数字土壤制图的优势主要体现在：一是土壤和环境的关系构建方面。过去的土壤专家需要利用脑海中的知识通过手工勾绘的方式构建模型，这对专家提出了很高要求，在手工勾绘的过程中，人的肉眼有时难以识别某些定量要素的指标。而现在我们可以将土壤与环境的关系定量化，对它进行全空间推测，这种定量化、全局化能够保证科研工作者在进行关系推演时保持一致性。
二是表达能力的提升。传统土壤制图是用多边形进行勾勒的，而现在采用的方式是全空间栅格制图，这在某种程度上可以提高图形的表达能力。此外，传统土壤制图由于技术发展等因素在数据上也有限制，随着当下对地观测、遥感等技术的发展，能够使用的环境要素越来越丰富，目前很多研究都在围绕如何寻找能够体现土壤空间差异的环境要素这方面进行。
中国具有辽阔的疆域和世界上最为复杂多样的土壤景观。近20年来，我们国家在数字土壤制图领域的采样、环境因子、土壤和环境关系的模型构建以及数据产品如制图精度、不确定性的度量等几个方面做了大量的工作，也取得了不错的进展，起到了非常重要的带头作用。早在2020年，我国就成为了全球疆域较大国家中较早完成高分辨率高精度数字土壤制图的国家之一。
GIS时代：采样是获取土壤样点数据进行土壤制图的重要环节，但土壤属性非常多样化，对此，您和团队是如何优化采样方法的?
杨琳:采样是地理学的一个经典问题，采样调查的目标一般是获取一些有代表性的点，从而捕捉研究目标的整体特征。对于制图而言，我们想用更少的样点获取精度更高的目标要素空间分布信息。过去土壤调查用的采样方法多是分层随机规则采样，这种方式可以更好地覆盖到整个地理空间，但后来人们发现随机采样反而无法捕捉研究目标的典型特征，开始用环境因子辅助采样设计。
基于这样的背景，我们团队建立了一套多等级代表性采样方法，通过对地理要素的协同环境因子进行聚类分析，模拟地理要素空间分布的不同等级变化特征，确定样点代表性等级，以此设计具有先后采集顺序样点采集方案。这种方法在大尺度区域的研究中非常重要，因为通过它采集的样点更具代表性，而大尺度的研究目标采样资源往往是有限的。
方法提出之后，我们发现不同的士壤属性在地理空间中的变化类型和模式具有不同的规律。基于此，在上述方法的基础上，我们又创建了一套多目标优化采样方法，它能够同时兼顾地理空间和环境因子属性空间覆盖，可设计较少量的典型样点以获得多个十壤属性的高精度土壤图，为面向多土壤属性的资源调查提供高效的采样策略。该方法获得了大家的认可，被国内外同行广泛采用，并受到美国农作物、土壤及环境科学联盟报道。
GIS时代：数字土壤制图可以应用于哪些领域? 第三次全国土壤普查于去年启动，数字十壤制图在其中发挥什么作用? 数字土壤制图如何实现大面积区域的高精度土壤制图?
杨琳:数字土壤制图可以应用于精准农业领域，通过将数据加载到相关农机系统的芯片中，实现精细化的灌溉、播种、施肥和田间管理等各项农业活动，对重点农区和流域实现分区、分类、量化管理，在减少农用化学品投入的同时，增加作物产量，提高农民收入让百姓餐桌上的食品更安全。此外，数字土壤制图还可用于碳中和关键参数测算、农业保险、流转土地的价值评估、土壤污染防治与修复、水土流失防治与减灾等方面。如2009年启动的“全球数字化土壤制图计划”，希望通过绘制数字化的世界土壤图，提供地球面临一系列重要问题的信息，如粮食生产保障、气候变化和水资源利用所需的关键信息，让人们可以了解土壤的复杂性和动态特性。该计划在世界各个地区都设有节点，其中非洲节点帮助非洲农民生产更多的粮食，解决饥饿和贫困问题，并提供减缓气候变化所需的土壤含碳数据，这也是数字土壤制图的意义所在，而亚洲节点就在我们中国.
2022年2月，国务院启动第三次全国土壤普查，计划利用四年时间实现对全国耕地、园地、林地、草地等土壤的“全面体检”。而第二次土壤普查至今已近40年，这40年是我国农业快速发展时期，工业化和城市化的迅猛发展改变了土壤资源利用方式、规模和强度以及土壤的生态功能。通过数字土壤制图可以获取高精度士壤属性分布信息，如土壤酸碱度(pH值) 、土壤阳离子交换量 (CEC) 、大量元素(氲、磷、钾) 等，从而实现对土壤资源数量、质量和健康变化状况的全面了解和实时把控，总结土壤资源管理和利用的成功经验，打造全国“数字土壤”一张图的土壤数据库。我们目前也参与了北京、江苏等地一些试点县的工作。
我国幅员辽阔，要想实现大面积区域的高精度数字土壤制图，首先要获取具有代表性的样点，它的空间位置和数量需要能够代表该区域的变化特征；第二是环境要素的影响，大家常做的是五大成土要素（气候、地形、生物、母质和时间）研究，再加上人为活动要素。我和团队在这方面也开展了一些探索性的创新工作，比如可以通过遥感技术观察到植被生长阶段长时序的特征，从而间接体现农业活动的情况；第三是土壤与环境关系模型的构建。一个大的区域需要使用全局模型、局域模型还是集成模型？实现大面积区域的高精度数字土壤制图也可以从这里做区分。此外，可以考虑把过程模型和机器学习模型进行融合提高精度。
二、适应AI新浪潮的人才培养模式
GIS时代：南京大学GIS学科底蕴深厚，南大地理系是国内实施“制图自动化”专业教学的第一家，为我国当时的计算机制图培养了大量人才。当前，南京大学地理信息学科人才培养重点在哪里？建设成果如何？
杨琳：南京大学的地理信息科学专业是国家首批一流本科专业建设点，也是江苏省的品牌专业，优势方向集中在国土安全、智慧城市、数字制图、生态文明建设等方面。近年来，学科在教学、科研和社会服务方面都取得了很大成绩。
首先，地理与海洋科学学院师资力量强大，有院士、国家杰青、长江学者等著名学者教授，在国内率先编著出版《现代地图学理论》《计算机地图制图》《地理信息系统概论》及《GIS设计与实现》等方面的教材与论著。其次，课程质量有保证，学科要求学生掌握扎实的地理学、数学以及计算机科学知识，结合时代发展与国家需求开设了地理计算、智能计算、时空大数据等新的课程。
再次，实践教学也是地理学教学的重要组成部分。2015年学校成立了国家级虚拟仿真实验教学示范中心——南京大学地球系统科学虚拟仿真实验教学中心，学院的庐山地理学综合实习基地也是国家地理学基础科学人才培养重点建设野外教学基地，这几年我们把三维制图、遥感制图等内容也融入其中，还结合空间分析做了一些特色产品。比如去年和学校的定点帮扶对象云南双柏县合作了基于茶产业可持续发展的生态资源优势转化路径研究，在这里，书本上学到的知识投入实践，学生的编程技术和分析能力都得到了很大的提升。此外，我们鼓励学生多参加比赛，例如大学生挑战杯、GIS领域的专业赛事等。这个过程中，学生通过实操以及和指导老师的高频交流，能够快速地加强自身学习和实践能力。
杨琳教授带领学生进行野外实践
最后，南大地海学院还有一个特色就是专业个性化定制，每一个学生都有学业导师，我们会关注学生从入学到毕业的整个教育过程，实现个性化训练和个性化教学，比如指导学生参加大学生创业创新大赛，让学生更早接触到科研工作，指导学生的生产实习、本科毕业论文等，有效提高学生的综合素质、创新精神和实践能力。
GIS时代：目前各项技术更新迭代迅速，比如来势汹汹的ChatGPT，您认为在这样的背景下，自然地理及地理信息科学专业人才培养正在面临哪些机遇和挑战？
杨琳：前几年Alpha Go击败柯洁的相关新闻引起了非常大的轰动，没想到几年之后我们又被ChatGPT震撼，Al确实已经进入到我们生活的方方面面中。计算机行业的发展日新月异，又与地信行业关联密切，其前沿成果、未来发展方向都是地信行业需要特别关注的，因此我们需要理性地看待这个问题。
一方面，AI的快速发展为我们带来了新的研究点。实际上数字土壤制图已经利用机器学习进行土壤分类或建立关系推理，近年我们团队开始使用深度学习制图，这也属于Al的一部分。对于我们在行业内部的人来讲，更多会关注到地理信息技术方法和AI的交叉融合。另一方面，ChatGPT有擅长的工作，也有不擅长的部分，我们可以利用它为学习工作服务。比如一段代码学生不会编写，但可以让ChatGPT帮忙，它还可以在网上搜集到大量的资料提供帮助。
当然挑战也是有的，随着Al的不断进步，各项新技术更新迭代的速度也在变快。现在已经不是学好课本上的知识就够用二十年的时代了，这也督促我们要不断提高迎接新知识、新数据、新方法的学习能力。
GIS时代：下个月，即将有一大批新生迈入大学校门，请给广大GIS学子一些学习和就业建议。
杨琳：对于即将入学的本科生，一方面要打好基础，认真学习专业知识。像南京大学等高校和科研院所，所总结出的课堂知识都经过了千锤百炼，含金量十足。可能若干年之后某个节点学生会发现，当年你学到的知识帮助你解决了工作上的难题。
另一方面新生应该学会不断试错，大学阶段是允许试错的，假如不去尝试，可能很难发现自己的兴趣点，我始终认为兴趣点是走得长远的重要动力。尤其在科研工作中，有学生接触到人生中第一个课题就充满兴趣，并持续不断地发展下去，但大多数人都不可能如此幸运，建议大家和老师多沟通，多尝试，接触更多可能性和更广阔的领域。在这些基础上，新生还要具备学习能力，收集数据和信息，整理归纳成完整的知识体系，大家需要锻炼这方面的能力。
相较研究生而言，本科生往往更加迷茫，很多孩子对自己的未来举旗不定。我的建议还是要多尝试，你们可以和已经在某个行业工作的师兄师姐交流，了解他们做这个行业时的状态；也可以和老师多交流，因为老师就业多年，有大量的案例可以作为方向参考。不过每个人都是独立的个体，大家要根据自己的兴趣爱好，去找到真正适合自己且意愿较强的工作。我一向鼓励我的学生有梦想就去追求，这样才有实现的可能，多去尝试，总能找到属于自己的方向。
三、在科研领域发出属于中国的声音
GIS时代：从您自身的经历感觉这些年我国地理信息行业有怎样的变化与发展？是否在国际学术界发出了“中国声音”？
杨琳：我从个人的感受聊一聊这个话题。2003年读硕士时，老师问我想读什么专业，我想选择地理信息系统，在那个年代，地信是大家心目中新兴的专业。今天在南大，地信仍然是一个热门专业，其认知度也在不断提升中。地信行业的发展非常迅速，在我读书时，很多人会认为现在学的内容可能就是之后一辈子的工作，但近十年变得不同了。科研工作者可以深耕某个领域，但需要拓展新的发展方向和应用点，随时会有面向于国家战略需求的新问题出现。
在过去的20多年中，我国地理信息行业的影响力在显著提升。2007年我尚在读书时参加过计量土壤学（Pedometrics)专业委员会举办的一个会议，发现参会者大都是欧洲、美国、澳大利亚的一些学者。但现在，中国人的声量越来越大了。比如很多国内学者担任了国际土壤科学联合会（IUSS）土壤计量学会、土壤光谱学会、土壤分类学会等分会主席，我本人也曾担任IUSS土壤计量学会的副主席，有很多同行都是该分委会的咨询顾问等，一些学生也在承担着会刊的编辑工作，还有同行在FAO（联合国粮食及农业组织）工作。
这是一个外化的体现，其背后实际上是我国工作成果的内核，我们过去在土壤制图方面取得的创新成果被世界的同行们看到并认可，从而使我们能够在这个领域发挥更重要的作用，担任更重要的角色。
南京大学导师团队带领本科生进行加拿大国际科考
GIS时代：在推动我国测绘地理信息产业快速发展的过程中，女性科技人才贡献了不可或缺的力量。作为其中的杰出代表，您认为我国女性科技人才如何更好地进行职业发展？
杨琳：2021年7月，科技部等13个部门联合印发了《关于支持女性科技人才在科技创新中发挥更大作用的若干措施》，明确指出“在‘十四五’和今后相当长时期内，要坚持性别平等、机会平等，为女性科技人才成长进步、施展才华、发挥作用创造更好环境，努力造就一批具有世界影响力的顶尖女性科技人才”。有数据显示，截至2023年，全球超过33%的科研工作者为女性，中国女性科技人才约4000多万，占比超四成。一直以来，女性科技工作者面临的问题其实就是老生常谈的“家庭和工作之间如何平衡”，人的精力是有限的，但每个人都有工作、有家庭，所以其实大家都要学着去平衡两者之间的关系。对于我而言，保持良好的工作习惯，拒绝拖延症，做好时间管理是关键。例如每天的工作都尽量在当天完成；学生有问题可以在线上随时和我沟通，我看到之后会立即回复，通过提高工作效率和专注力平衡两者之间的关系。
同时，今天的女性科技工作者可以更加勇敢，一方面坚持实现自己的科学梦想，另一方面发挥其在可持续发展、社会责任、社会公平等方面的关注度，主动引导数字科技朝着更好的方向进步，推动科技为全人类的幸福和发展服务，在数字经济时代为科技发展注入女性力量和温度。
GIS时代：作为上届论坛“高校GIS创新人物”的获得者，您希望通过论坛这个平台和其他院校的老师做哪些方面的交流？对论坛在未来的创新与突破有何建议？
杨琳：高校GIS论坛在地信行业中非常有号召力，今年已经是第十一届了，金秋九月的兰州，相信又将是一场盛会。作为科研工作者，我会比较期待能够在论坛中看到前辈们、同行们分享的思想理论，这也为我提供了更开阔的格局和视角，是一次很好的学习机会。同时，论坛为年轻一代的工作者提供了一个沟通交流的平台，让大家有机会一起探索新的合作点，当前产学研的协同创新发展是非常有必要的。同时希望未来可以考虑给学生多一些展示与实践的机会。希望论坛可以越办越好，继续为促进中国地理信息产业发展发挥更大的作用。
杨琳教授获论坛“高校GIS创新人物”奖项
人物介绍
杨琳：南京大学地理与海洋科学学院教授（博导），主要从事地表要素时空模拟及其驱动研究。
创建了高精度、低成本的土壤采样与制图方法， 探索了自然和人为对土壤碳和植被时空分布的影响作用。所创建的方法被国内外同行广泛采用，并受到美国农作物、土壤及环境科学联盟报道。发表学术论文98篇，在Science Advances、IJGIS、INT J APPL EARTH OBS、ISPRS-J、Geoderma、Soil & Tillage Research、Environmental Research Letters、Environmental Pollution等著名期刊发表一作/通作SCI论文 40 篇。主持国家自然科学基金青年项目1项、面上项目2项、重点项目-课题2项，主持国家863主题项目子课题1项等。
2014年当选国际土壤科学联合会土壤计量学会副主席，现任国际土壤计量学会评奖委员会委员、中国自然资源学会资源制图专委会副主任委员。任一区SCI期刊Geoderma 编委（2019-）、《地理科学》编委（2021-）和 Frontier in Soil Science, the Pedometrics section 期刊副主编（2022-），任全球数字土壤制图计划东亚节点技术专家、第三次全国土壤普查技术指导专家等。曾获全国高校GIS教学成果特等奖、江苏省高校微课教学比赛二等奖、中国地理学会学术年会青年优秀论文奖、《土壤学报》年度优秀论文奖、测绘地理信息创新巾帼人物等。
（来源：News快报）
