高光谱技术结合CARS算法预测土壤水分含量

高光谱技术已成为预测土壤含水量(soil moisture content,SMC)的重要方法,但因土壤高光谱中包含了大量冗余信息和无效信息,不仅导致SMC的高光谱估算模型复杂度高,而且影响了模型的预测精度。因此,该研究在室内设计SMC梯度试验,测定土壤高光谱反射率,经Savitzky-Golay平滑(Savitzky-Golay smoothing,SG)和连续统去除(continuum removal,CR)预处理后,基于竞争适应重加权采样(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)方法分别优选出土壤在全部SMC的水分敏感波长变量,确定适用于土壤在全部SMC的共性波长变量,以其为优选变量集,采用偏最小二乘(partial least squares regression,PLSR)回归方法建立模型并进行验证。结果表明,SG和CR预处理后的光谱曲线在450、1 400、1 900、2 200 nm附近吸收峰的形状特征凸显;基于CARS方法对土壤在不同SMC的光谱曲线进行变量优选后,得出优选变量集为443~449、1 408~1 456、1 916~1 943、2 209~2 225 nm;CARS-PLSR模型性能优于全波段PLSR模型,模型预测R2、均方根误差、相对分析误差分别为0.983、0.0144、8.36,不仅提升了预测精度和预测能力,而且降低了变量维度和模型复杂度。该文通过优选土壤水分的敏感波段,有效提高了SMC预测模型的鲁棒性,为快速准确评估农田墒情提供了新途径,为开发田间SMC测定传感器提供了理论依据。     

基于连续小波变换的潮土有机质含量高光谱估算

土壤有机质含量快速估算对于土壤肥力评价、土壤信息化管理和精准施肥具有重要意义。该文通过对北京顺义地区64个土壤样品高光谱曲线进行连续小波变换,估算了该地区潮土有机质质量分数,并与4种常用光谱变换方法进行了比较。结果表明,潮土具有与其他类型土壤类似的光谱曲线,经过去包络线处理后,在可见与近红波段都出现了明显吸收峰;采用连续小波变换方法所确定的潮土有机质估算的敏感波段为1194、486和866nm,对应小波分解尺度为2,3和4;利用小波能量系数与有机质质量分数所构建的多元线性回归模型的决定系数R2为0.67,模型实测值与预测值的检验精度R2为0.75,RMSE为0.21;而采用4种常用光谱变换方法建立的潮土有机质估测模型的R2最高只有0.09,说明连续小波变换方法更适合于潮土有机质质量分数估测。Kringing插值分析表明,应在顺义地区东南部增加取样点,以提高模型估算精度。该研究可为潮土土壤肥力的快速测定提供参考。     

小波包-局部最相关算法提高土壤有机碳含量高光谱预测精度

高光谱遥感可以实现水稻土排水期有机碳含量的快速预测,但土壤反射率受多种噪声的影响,有机碳光谱信号探测受阻,预测模型性能低下,如何在去除噪声的同时最大限度地保持有机碳光谱信号十分重要。以原状新鲜水稻土为研究对象,采用Bior1.3小波系对反射光谱进行1~7层小波包变换,通过相关分析确定最大分解层;将原始反射率至最大分解层以内的各层光谱相关系数组成相关系数集,采用局部最相关算法(local correlation maximization,LCM)构造土壤有机碳最优光谱;最后基于最优光谱建立有机碳含量偏最小二乘预测模型并进行分析。结果显示:1)随着小波包分解层数的增加,土壤反射率与有机碳含量的相关性不断增强,到第6层达到最高,确定为小波包最大分解层;2)基于LCM构造的最优光谱比未去噪光谱平滑,比小波包去噪光谱保留了更多光谱细节;3)未去噪光谱、小波包去噪光谱和LCM最优光谱有机碳预测模型的验证决定系数分别为0.693、0.727和0.781,均方根误差为1.952、1.840和1.679 g/kg,残留预测偏差为1.85、1.97和2.17。小波包-局部最相关算法在去噪同时有效保持了土壤有机碳光谱信号,可提高水稻土有机碳含量高光谱预测精度。     

用小波变换技术提高食醋近红外光谱分析的精度

以食醋的成分还原糖为例,探讨了利用小波变换原理分析近红外吸收光谱并提取有效信息的方法。结果表明：经变换后的光谱能更好地反映出与成分含量之间的相关关系。通过与使用食醋原始吸收光谱的多元回归分析方法比较,得出使用7个尺度变换后的小波系数与还原糖之间的相关关系最为显著,且三元回归分析的预测差值不确定度最小（为0.211）,比原始光谱降低0.058。小波变换方法提高了食醋近红外光谱的定量分析精度,从而为实现近红外光谱分析技术应用于食醋成分的在线检测提供参考。     

基于小波特征和冬小麦生理参数的土壤水分高光谱模型优化

土壤水分是影响作物生长的关键因子,在精准灌溉中估算土壤含水率有重要意义,结合作物生理参数与叶片光谱特性,能够在一定程度上增强土壤含水率遥感监测模型的稳定性。为了提高土壤含水率遥感监测模型在冬小麦多种物候期的适用性以及迁移能力,该研究通过连续小波变换增强光谱对叶片不同生化生理指标的响应后,通过变量投影重要性分析方法对冬小麦叶片含水率、叶绿素、叶面积指数敏感的光谱特征进行特征筛选,结合偏最小二乘回归构建土壤含水率模型,并与土壤含水率所选特征建立的监测模型在独立年份数据与不同传感器之间进行比较。结果表明,土壤含水率变化显著改变了冬小麦叶绿素以及叶面积,进而影响了小麦冠层光谱,小尺度小波变换可以增强冬小麦冠层光谱和土壤含水率的相关性（相关系数由0.46提升至0.61）。综合基于地面非成像数据集和机载成像数据集进行的模型验证结果,基于叶绿素所选小波特征在2021年高光谱非成像数据集和2022年机载成像数据集构建的土壤含水率监测模型表现最优,其中基于1尺度叶绿素小波特征构建的模型效果最好,其在独立非成像数据集验证中决定系数为0.541,均方根误差为2.42%,在成像数据集验证中决定系数为0.687,均方根误差为1.92%。因此,通过冬小麦叶片叶绿素与连续小波变换选取的光谱特征进行土壤含水率监测的适用性更强,可以进一步提高土壤含水率监测模型的准确性及稳定性。     

光谱变换方法对黑土养分含量高光谱遥感反演精度的影响

高光谱遥感反演黑土养分含量时,光谱变换方法对提取精度具有显著影响,为明确二者响应关系,提高反演精度和稳定度,该文以黑龙江建三江地区为研究区,引入航空高光谱成像系统CASI-1500,获取380～1 050 nm数据进行分析。均匀采样60个样品,化验获得其有机质、全氮、全磷和全钾含量数据,利用神经网络方法对有机质含量、支持向量机对氮、磷、钾含量进行建模。对比研究了重采样（RE）、对数倒数（LR）、一阶微分（FD）、包络线去除（CR）和多元散射校正（MSC）变换5种光谱变换后的提取精度。结果表明：MSC、MSC、LR和RE光谱变换方法分别应用到有机质、氮、磷和钾特征波段的组合运算中,得出黑土养分含量的空间分布精度相对最高,预测样本的决定系数分别为0.748、0.673、0.631和0.420。     

基于机器学习算法的湖滨绿洲土壤电导率高光谱估算模型

  目的  为湖滨绿洲土壤高光谱估算土壤电导率值提供方法支持,实现区域土壤盐分快速估测。  方法  利用实测的土壤电导率值与土壤高光谱数据联合分析,采用竞争自适应重加权采样（CARS）、连续投影算法（SPA）、遗传算法（GA）筛选土壤电导率的特征波段,并基于全波段及特征波段构建BP神经网络（BPNN）、支持向量机（SVM）、极限学习机（ELM）三种机器学习算法模型,引入偏最小二乘模型（PLSR）进行对照,比较其模型精度。  结果  研究区土壤电导率值变化范围0.02～17.22 mS cm?1,平均值为2.61 mS cm?1,变异系数为134.87%,呈现强变异性;CARS、SPA、GA算法筛选的特征波段将建模输入量分别压缩至全波段数量的0.87%、1.68%、0.70%,减少建模输入量,提升建模速率,变量方法的选择CARS > SPA > GA;三种机器学习算法模型均优于PLSR模型,决定系数（R2）平均增加20.57%,相对分析误差（RPD）平均增加17.84%,土壤电导率高光谱估算模型以CARS-SVM最优,训练集与验证集R2分别为0.76和0.75,RMSE分别为1.79 和1.68 mS cm?1,RPD分别为2.04和2.00。土层深度20 ~ 30 cm的土壤电导率高光谱估算模型精度最高,训练集与验证集R2分别为0.83和0.84,RMSE分别1.37和1.77 mS cm?1,RPD分别为2.41和2.50。  结论  基于CARS-SVM的土壤电导率高光谱估算模型精度高,估算能力最优,可以为湖滨绿洲土壤电导率估算提供科学参考。     

基于RF和连续小波变换的露天煤矿土壤锌含量高光谱遥感反演

露天煤矿周边存在潜在重金属污染隐患,快速获取土壤重金属空间分布是土壤污染评价、土地复垦与修复的前提。传统调查方法费时费力且易造成对环境的二次污染,高光谱遥感为土壤重金属反演提供了新的视角。该研究以某露天煤矿土壤锌（Zn）含量为研究对象,采集了111个原位表层（0～20 cm）土壤样品及反射光谱;对样品反射光谱进行Savitsky-Golay（SG）平滑、连续统去除（Continuum Removal,CR）和连续小波变换（Continuous Wavelet Transform,CWT）以降噪和增强;利用Boruta算法确定特征波段;采用偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLSR）和随机森林（Random Forest,RF）构建土壤Zn含量反演模型,使用留一交叉验证评估反演模型精度以确定最优反演模型;基于最优反演模型,利用空间插值方法绘制土壤Zn含量空间分布图。结果表明：1）CWT可有效降低光谱噪声,增强光谱响应。2）Boruta算法能消除光谱信息冗余,并能有效提取特征波段;特征波段的数目随CWT分解尺度和光谱测量条件变化。3）RF估算土壤Zn含量性能优于PLSR,且RF结合CWT具有较好的土壤Zn反演能力;最优野外原位光谱反演模型精度（建模集R2=0.92,验证集R2=0.54）低于实验室光谱反演模型（建模集R2=0.95,验证集R2=0.72）。4） 土壤Zn空间分布表现出显著的异质性,呈现高值集中于研究区西南部和东北部的特征。研究结果可为利用高光谱遥感开展露天矿区土壤重金属反演提供借鉴,为其他类似区域土壤污染评价、土地复垦与整治、土壤修复提供前提与依据。     

黑土土壤水分高光谱特征及反演模型

应用高光谱技术阐释土壤含水率光谱规律及对土壤含水率进行定量分析,为精准农业地表土壤水分的快速测定提供参考。该文以吉林省黑土土类中的黑土亚类土壤为研究对象,利用ASD FieldSpec FR便携式光谱仪在室内环境下对不同含水率的土壤样本进行光谱反射率测量和特征分析;通过对土壤样品高光谱反射率进行对数、倒数、一阶微分以及反射率倒数的一阶微分、反射率对数的一阶微分变换,运用统计分析中的相关系数计算进行了光谱反射率与土壤水分的相关分析,并提取了土壤光谱特征波段;采用逐步多元线性回归方法和指数模式分析法,进行了高光谱土壤含水率定量反演。研究结果表明,在低于田间持水率状况下,黑土土壤光谱反射率及其反射率一阶微分和反射率对数一阶微分变换的敏感波段主要集中在400～410、1 400～1 850和2 050～2 200 nm范围内,其中2 156 nm处与土壤水分相关系数最高,达0.89;在波长1 328、1 439、1 742和2 156 nm处,采用反射率对数一阶微分所建立的黑土土壤含水率预测方程的预测精度最好,决定系数为0.931。黑土土壤含水率高光谱反演模型的建立为土壤水分的快速测定提供了新的途径。     

基于光谱变换的高光谱指数土壤盐分反演模型优选

该文探索基于光谱变换建立光谱指数,进而建立土壤盐分反演模型的可行性。运用倒数、导数、对数等15种光谱变换对土壤含盐量进行反演,并利用原始光谱的波段反射率构造光谱指数对土壤盐分进行建模。在15种高光谱变换中,一阶微分R'和一阶对倒数(log1/R')变换下土壤盐分估算模型的精度较高。但总体而言,基于单一光谱变换和光谱指数的模型模拟精度均较低。采用光谱变换建立光谱指数,并进一步建立土壤盐分反演模型,结果表明,基于(log1/R')光谱变换构建归一化植被指数,然后建立的土壤盐分精度最高,经验证,其R2为0.89,均方根误差为3.34 g/kg,高于单一方法构建的模型,可为半干旱地区土壤盐分反演提供参考。     

结合高光谱信息的土壤有机碳密度地统计模型

传统线性回归模型在借助光谱信息进行土壤属性预测时,通常忽略了土壤自身所具有的空间异质性和依赖性,并且未考虑模型残差的空间结构。针对以上不足,该文以江汉平原232个土壤样本为研究对象,以土壤反射光谱为辅助变量,采用偏最小二乘回归、普通克里格、协同克里格以及回归克里格分别构建土壤有机碳密度预测模型,选取决定系数(R~2)、均方根误差、标准差与预测均方根误差比(ratio of performance to deviation,RPD)对模型预测精度进行对比评价。结果显示,结合高光谱信息,且同时考虑残差空间结构的回归克里格模型表现优于其他模型,预测决定系数R~2为0.617,RPD为1.614。鉴于土壤光谱信息同时还具有测定简单、省时、无损等优点,因此土壤光谱是土壤有机碳密度空间插值的理想辅助因子。     

含水量对黑土光谱特征影响的定量分析

Several studies have demonstrated that soil reflectance decreases with increasing soil moisture content, or increases when the soil moisture reaches a certain content; however, there are few analyses on the quantitative relationship between soil reflectance and its moisture, especially in the case of black soils in northeast China. A new moisture adjusting method was developed to obtain soil reflectance with a smaller moisture interval to describe the quantitative relationship between soil reflectance and moisture. For the soil samples with moisture contents ranging from air-dry to saturated, the changes in soil reflectance with soil moisture can be depicted using a cubic equation. Both moisture threshold (MT) and moisture inflexion (MI) of soil reflectance can also be determined by the equation. When the moisture range was smaller than MT, soil reflectance can be simulated with a linear model. However, for samples with different soil organic matter (OM), the parameters of the linear model varied regularly with the OM content. Based on their relationship, the soil moisture can be estimated from soil reflectance in the black soil region.     

基于试验反射光谱数据的土壤含水率遥感反演

土壤含水率是土壤水循环研究中不可或缺的参数,已广泛应用于土壤水分的监测。土壤光谱特性的研究是土壤含水率光学遥感定量反演的基础。该研究首先通过野外调查收集土样;然后,在实验室条件下制备不同水分梯度的土壤样品,并利用便携式地物光谱仪采集不同水分梯度土壤样品的反射光谱;最后,通过试验光谱数据分析建立一个基于指数函数的土壤含水率遥感反演模型,并对结果进行精度评价。结果表明,基于指数函数的土壤含水率反演模型可以较好的反演土壤水分特征,在640 nm处土壤含水率的估计值与真实值之间的决定系数为0.7062,RMSE为3.49%。相关研究为表层土壤含水量的遥感监测提供新方法和新思路。     

不同含水率下日光温室土壤温度变化规律的峰拟合法拟合

为了探讨中国西北寒冷干旱地区冬季日光温室内土壤含水率和温度变化规律,该文对内蒙古呼和浩特市日光温室内土壤温度和含水率进行了测试,并利用峰拟合法对不同含水率下的土壤温度进行了拟合。试验表明,在强蒸发条件下,随着土壤温度的升高,土壤非饱和导水率提高,从而将干湿发生面下方的液态水引入干湿发生面。峰拟合函数的最小拟合度为0.95907。通过计算得知,降低含水率能提高白天和夜间的土壤平均温度。验证估计Extreme函数得知,只要确定偏移y0、中心xc、宽度w、幅值A即可得土壤温度对时间的变化函数。该方法可以有效地减少测试点的数量,并把离散的数据点转化为连续函数从而进行微积分分析,提高检测效率。     

黑土土壤水分反射光谱特征定量分析与预测

选择单一土类黑土作为研究对象, 并准确调配其不同含水量,实验室测定土壤高光谱反射率,利用光谱分析与统计方法,定量描述了不同含水量黑土反射光谱特征,并建立了黑土含水量反射光谱预测模型,结果表明,随土壤含水量的增加,达到一定阈值（300 g kg-1）,反射率存在过饱和现象,但其倒数对数微分可以有效去除饱和问题;土壤反射率倒数对数微分对土壤含水量的响应表现出三个变化阶段,导致1 870 nm波段的倒数对数微分也表现为非线性变化,需要利用分段函数进行土壤含水量的光谱精确速测。     

基于遗传算法的土壤墒情传感器优化布局策略

针对用于节水灌溉的土壤墒情传感器布局问题,该文提出一种结合了基于全局优化遗传算法和改进的加权圆集布局理论的人机交互优化布局策略。该策略综合考虑了传感器覆盖精度、重叠限制等约束条件。通过在人机交互中引入专家知识和在遗传算法中采用十进制编码,策略易于与其它算法和附加参数协作以进行升级或移植于其它的应用场合。在给定传感器成本的仿真实验中,该文算法比四边形方案节约成本17.5%,比六边形方案节约成本34.0%。     

有机肥料BGA激活剂对日光温室内土壤含水率的影响

探讨了日光温室中施用有机肥料BGA激活剂后土壤水分动态规律,试验结果表明BGA激活剂作为一种有机肥料对于保持土壤水分有着明显的作用,施加BGA的土壤含水率要比对照处理高出17.7%;施加BGA后通过水分运移,在根系分布密集的20～60 cm之间的土壤含水率较高,其中20～40 cm的土壤含水率增加26%,40～60 cm的土壤含水率增加28%;试验研究发现,当BGA的施加标准为150 g/株,作物根系土层含水率增加最多.BGA作为一种有机肥料,为发展节水农业提供了一种新的途径.