Sentinel-2影像结合空间关联随机森林模型反演裸土期耕地土壤全氮含量

为快速准确地获取区域内土壤全氮的含量信息和空间分布特征。选取山东省济南市章丘区刁镇为研究区，系统采集64个土壤样品并获取同期Sentinel-2(哨兵2号)影像数据，进一步利用皮尔逊相关分析法选择土壤全氮的敏感光谱参量作为自变量，测试得到的土壤全氮含量为因变量，分别建立基于随机森林和空间关联随机森林算法的反演模型，完成区域尺度的土壤全氮含量的遥感反演和数字制图。结果表明：哨兵2号影像的多光谱波段与土壤全氮含量相关性较低，通过波段间比值变换能够显著增强土壤全氮含量对光谱信号的响应能力，光谱指数b₆/b₁₁、b_8a/b₁₂、b₈/b₉、b_8a/b₉和(b₉-b₁₁)/(b₉+b₁₁)对土壤的全氮含量信息最为敏感；空间关联随机森林模型的反演精度指标R²和RMSE分别为0.90和0.11,相对比随机森林模型精度分...     

煤矿区农田土壤重金属的空间分布及污染评价

为深入认识宿州煤矿区土壤重金属的空间分布及污染状况,选择朱仙庄和桃园两矿,在其附近农田采集土壤样品106份,通过实验测试与分析,探讨了矿区土壤重金属元素的赋存含量及空间分布特征,并利用富集因子和潜在生态风险评价法对其污染现状进行了评估。结果发现:重金属元素Pb、Zn、Cr和Cd的平均含量分别为22.72、54.76、66.84、0.336 mg·kg~(-1),除Cd明显超出安徽省土壤背景含量外,其余三种元素均低于背景值;矿区土壤重金属元素含量的空间分布差异明显,各元素的含量高值主要集中在堆积场和塌陷塘附近农田,这是由于煤矸石中微量元素的长期淋溶输出,以及矿区地表水汇集过程中重金属元素不断向地势较低的塌陷塘附近农田土壤迁移所致;富集因子和潜在生态风险评价结果表明,Cd是煤矿区土壤的主要污染元素,其富集因子指数EF和潜在生态危害系数Er分别为3.81和103.84,属中度污染和极强生态风险等级,而Pb、Zn和Cr均为轻微生态风险水平。     

龙口市北部平原土壤重金属空间分布特征分析

以龙口市北部平原农田为试验区,野外采集63个农田土壤样本,基于实验室测定的样本重金属含量数据,利用空间插值分析方法,分析了试验区土壤重金属的空间分布特征。结果表明,6种重金属均有不同程度的富集现象,土壤重金属平均值表现为MnZnCrPbAsHg;Pb、Cr和Mn3种元素污染最为明显。普通克里金空间插值结果显示,研究区域内土壤中As和Cr元素的高值区域均位于其东北部;Hg元素最高值位于东北部和中部;Pb含量高值区域位于研究区东北部和西南部;Zn元素空间分异差异不大;Mn含量的最高值位于研究区西北部,并表现为向东南部逐渐递减。     

基于不同建模方法的土壤pH值无人机遥感影像反演

土壤pH值是土壤形成过程和熟化陪肥过程的一个指标。为了实现对农田土壤酸碱度状况的量化判别,提高模型预测精度,以江苏省南京市江宁区淳化街道农田土壤pH值为研究对象,采用棋盘式布点法选取60个点位进行土壤pH值测定,采用无人机搭载多光谱传感器获取土壤光谱信息,分别建立多元逐步线性回归（MLSR）、BP神经网络（BPNN）、LASSO回归模型,并采用R²、RMSE、VIF指标评价3种模型精度。结果表明,LASSO回归方法较其他回归方法在多光谱与土壤pH值反演中表现较好,R²=0.618,RMSE=0.430,可以平衡MLSR的共线性问题以及BPNN样本容量较少、验证集精度较差等问题。采用LASSO回归模型进行反演及分类制图,发现研究区内92.6%的土壤呈中性,以期为无人机多光谱反演土壤pH值提供理论参考。     

基于RF和MLR的土壤重金属影响因素分析及生物有效性预测

为探究影响土壤中重金属累积和生物有效性的因素,以桂北地区某铅锌矿流域为研究对象,综合运用单因子指数法、风险评价编码法(RAC)、多元线性回归模型(MLR)和随机森林模型(RF)进行土壤重金属(Pb、Zn、Cu和Cr)累积影响因素分析及生物有效性预测。结果表明：研究区Cr含量无超标且空间分布相对均匀(变异系数为0.51);Cu、Pb和Zn的含量均值(分别为52.58、280.31 mg·kg^-1和654.71 mg·kg^-1)均大于广西西江流域土壤重金属背景值,在思的河山前和地下河入口处全量和生物有效性均较大,对土壤生态环境具有一定风险;对于重金属全量分布和生物有效态的影响因素,阳离子交换量(CEC)、黏粒(Clay)、土壤有机质(SOM)和铁铝氧化物对Cr影响较大,SOM、Clay、pH和铁铝氧化物对Cu影响较大,pH、电导率(EC)和Clay对Pb影响较大,CEC、pH、土壤质地和铁铝氧化物对Zn影响较大;生物有效性预测结果显示RF和MLR均可较好地预测土壤重金属的全量与次生相,其中RF预测的R²区间为0.44～0.9...     

袁州区土壤硒与重金属含量空间关联及其影响因素分析

【目的】探究土壤中Se元素和重金属元素的空间关联及其影响因素。【方法】以袁州区为研究区域，采集162份表层土壤样品，利用地累积指数法对土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr污染程度进行评价，采用双变量莫兰指数分析Se和重金属空间相关性，并基于地理探测器，选择土壤性质、距离、NDVI、地形等10种因子为自变量，以双变量局部莫兰指数为因变量，探究土壤Se与重金属含量的空间关联及其影响因素。【结果】(1)研究区土壤样品中Se含量的平均值为0.5,整体处于富硒水平。重金属含量平均值与江西省土壤背景值比值从大到小依次为Cd、Hg、Cr、Pb、As,比值分别为4.20、1.88、1.59、1.29、1.16倍；As、Pb总体处于无污染状态，Hg、Cr整体处于轻度污染状态，Cd整体处于中度污染状态，各重金属含量平均值除Cd外均低于土壤污染风险筛选值；(2)Se与5种重金属的空间聚类情况存在显著差异，其中，Se与Cd、Hg、Cr 3种重金属存在较强的空间相关性；(3)通过因子探测发现，全氮(TN)、速效钾(AK)、pH、有机质(SOM)、距水源距离和距铁路距离对Se元素与重金属元素空间聚类情况的解释力最显...     

基于HYDRUS-2D的土壤水力特征参数反演及其时空变异性研究

为研究田间尺度灌溉条件下土壤水力特征参数的时空变异性，基于甘肃省武威市石羊河试验站葡萄园内土壤含水率数据，采用HYDRUS-2D模型反演估计不同生育期不同深度的土壤水力特征参数，评估反演参数的土壤含水率模拟效果，分析其时空变异性。结果表明：田间尺度下采用反演参数模拟不同深度土壤含水率的变化的效果优于同种情况下Rosetta模型预测参数的模拟效果；反演参数在果实膨大期和转色期的模拟效果好于其它生育期，反演的拟合优度R²值由Rosetta模型的0.4～0.5提高到了0.7～0.8,均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE值由Rosetta模型的0.04～0.05 cm³/cm³和0.03～0.04 cm³/cm³分别降低到了0.03～0.04 cm³/cm³和0.02～0.03 cm³/cm³;此外，反演出的土壤水力学特征参数只适用于参与反演过程类似条件下的模拟，应用于有明显差异的情景时，模拟精度...     

基于地统计的矿业城市土壤重金属污染研究——以徐州市为例

以江苏省徐州市泉山区、云龙区、鼓楼区、九里区4个城区的表层土壤为研究对象,对该城区土壤重金属富集与污染状况进行分析与评价.结果表明,该城区表层土壤5种重金属(Cd、Cu、Zn、Pb、Cr)含量均略高于中国土壤元素背景值,土壤中Cd富集程度较高,污染较严重;Cu、Zn、Pb、Cr富集程度较低,污染程度较轻.另外,在GIS环境下利用空间数据插值方法对该城区土壤重金属的空间分布特征研究发现,土壤重金属含量、富集分布状况与城区的交通活动和工业活动等密切相关.     

云南省螳螂川沿线土壤—作物系统重金属的空间分布及其迁移规律

对螳螂川流域农田土壤-作物进行网格法布点采集,原子吸收分光光度法测定元素含量,分析重金属的空间分布及在农田作物系统中的富集效应,为该区农作物安全生产提供依据。结果表明,螳螂川流域土壤中Cu和Cd含量的变异系数为0.55和0.68,属强变异程度;土壤Cd含量平均达到4.27mg/kg,作物对土壤中重金属的富集系数顺序为Cr>Cd、Zn>Pb。并且油菜中Cd、Cr、Cu和蚕豆中Cu与土壤中的背景值存在极显著的相关性;土壤中Zn-Cd、Zn-Pb、Cr-Cu之间也存在极显著相关性,从土壤重金属结构和空间分布来看,五种重金属Cd、Cr、Pb、Cu、Zn的浓度梯度与周围的企业有关,说明螳螂川流域土壤重金属污染受人为干扰较严重,研究结果对合理规划工业区的农作物类型,降低土壤重金属污染风险有重要意义。     

不同菌草品种叶片叶绿素含量的光谱特征参数模型研究

【目的】建立各种品种菌草叶片叶绿素光谱模型为快速无损地评估菌草健康状态提供理论依据。【方法】利用多光谱相机拍摄光谱信息，使用RGB和HSV两种颜色空间系统进行NDSI、RSI植被指数指标的建立，并采用4种回归算法进行叶绿素相对含量即SPAD值和光谱信息建模，选出合适菌草的模型。【结果】不同品种的菌草SPAD值差异不显著，主要是健康和干枯叶片的差异。叶片SPAD值和光谱反射值具有良好的相关性，RGB颜色系统红波段是最相关的波段，相关性达到-0.79。试验证明红波段的变化在健康叶片和干枯叶片之间更敏感。2种颜色系统综合评价，建模精度及稳定由高到低依次为：包含5个通道的RGB颜色系统，HSV颜色系统，仅包含R、G、B 3个通道的颜色系统。4种反演方法中，反演效果最好依次为随机森林机器学习方法、支持向量机机器学习和逐步线性回归方法、一元线性统计方法。预测SPAD值拟合效果最好的是RGB-NDSI-RF类型，其拟合数R²为0.95、RMSE为3.04、MRE为0.19，验证R²为0.75、RMSE为8.26、MRE为0.76。【结论】机器学习方法尤其是...     

水茄根对土壤重金属吸收富集特征的研究

测定了水茄主要分布区的药材及其生境土壤中8种重金属元素(As、Cd、Cr、Cu、Hg 、Ni、Pb、Zn),分析比较了各种重金属元素在不同地区水茄和生境土壤中的分布规律及不同地区水茄对重金属元素的吸收富集能力.研究结果表明:不同地区水茄根和土壤中重金属元素含量存在着显著差异,不同地区水茄对元素的富集系数差异显著,水茄对不同重金属元素的富集系数也存在着显著差异,对Cu的富集能力最大.     

基于多源遥感数据的黄河三角洲人工刺槐林生物量估算

利用哨兵影像、数字地形数据及森林实地样方调查数据,分别构建K-近邻(KNN)模型、随机森林(RF)模型、极值梯度增强(XGBboost)模型、Stacking模型,实现对黄河三角洲人工刺槐(Robinia pseudoacacia)林生物量的估算。结果表明,相较于K-近邻模型、随机森林模型、极值梯度增强模型,集成学习Stacking模型明显提高了生物量估测的精度(R²=0.61、RMSE=13.42 t/hm²)。     

樱桃种植区土壤及樱桃重金属富集状况研究

为研究西北干旱樱桃种植区樱桃重金属富集状况及其与土壤重金属含量之间的关系,采用内梅罗指数法和富集系数法对土壤及樱桃重金属富集状况进行评价。结果表明:以《土壤环境质量标准》作为评价标准,发现樱桃种植区土壤未受到严重的重金属污染;从土壤重金属空间分布格局来看,种植区东北部土壤重金属污染较西南部污染严重;樱桃各部位(叶片、果皮、果肉)中Cd、Cu、Pb、Zn、Cr等5种重金属元素的含量差异较大,叶片和果皮中Pb、Cr、Cd超标,果肉中Pb、Cd超标;樱桃不同部位的重金属富集量存在较大的差异,总体趋势为叶片果皮果肉;不同重金属元素被樱桃同一器官吸收富集的能力存在较大的差异,在叶片部位重金属元素富集能力大小依次为CdCuPbZnCr,在果皮部位重金属元素富集能力大小依次为CdCuZnPbCr,在果肉部位重金属元素富集能力大小依次为CdCuPb=ZnCr;Cd在樱桃叶片、果皮、果肉的富集系数均为最大,具有较强的潜在生态风险。     

联合光学和合成孔径雷达数据的太平湖森林地上生物量反演研究

光学和合成孔径雷达（SAR）多源传感器数据融合对提高森林地上生物量（AGB）提取精度具有重要意义。以太平湖森林为研究对象,以Sentinel-1 SAR数据和Sentinel-2光学数据为数据源,利用随机森林回归算法系统性地评估光学和SAR数据对AGB反演的互补优势和策略选择。采用Sentinel-2光学数据的AGB反演精度（R²=0.63,RMSE=37.05 mg/hm²,sMAPE=0.56）优于采用Sentinel-1 SAR数据的AGB反演精度（R²=0.37,RMSE=52.25 mg/hm²,sMAPE=0.65）,联合两者数据的AGB估算精度最高（R²=0.69,RMSE=34.17 mg/hm²,sMAPE=0.55）;基于不同策略构建的AGB估计模型当中,植被指数（RVI、NDVI和红边相关的NDVIre）和纹理变量（NDVIre_Mea）的重要性高于光谱波段和后向散射系数。联合Sentinel-1和Sentinel-2数据的光谱波段、植被指数、纹理信息和后向散射系数,能够有效的缓和遥感信息饱和性问题和提高AGB反演精度。     

基于多时相光学和雷达遥感的太平湖生态保护区森林地上生物量反演

【目的】探究光学和雷达卫星遥感对亚热带森林生物量的反演潜力。【方法】利用不同季节时间序列的合成孔径雷达(Senitinel-1)和光学数据(Sentinel-2),对太平湖生态保护区森林地上生物量进行反演。基于后向散射系数、光谱波段、植被指数和生物物理参数,采用回归随机森林算法探究Sentinel-1和Sentinel-2在地上生物量制图中的精度,探究对亚热带森林地上生物量制图的最佳影像采集时期,评估光学和雷达遥感特征参数对提高地上生物量估计精度的贡献。【结果】Sentinel-2对研究区森林地上生物量的估计精度[决定系数(R²)=0.68,均方根误差(E_RMS)=37.69 Mg·hm^-2]要优于Sentinel-1 (R²=0.47,E_RMS=49.11 Mg·hm^-2),但两者联合产生了最佳结果 (R²=0.78,E_RMS=31.56 Mg·hm^-2)。生长季(6和9月)的光学数据和旱...     

基于RF-XGBoost的土壤镉污染影响因子及空间分布研究

为降低土壤重金属研究中人工采样成本,宏观掌握大尺度研究区内土壤重金属污染的空间分布特征,本研究以贵阳市、遵义市和毕节市为研究区,以镉(Cadmium,Cd)元素为研究对象,提出利用随机森林(Random Forest,RF)分析评估影响因子的贡献率,并根据贡献率进行影响因子筛选后构建极端梯度提升(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)模型,即RF-XGBoost模型,用以预测研究区内土壤Cd污染的空间分布特征。结果表明：研究区内土壤Cd含量平均值仅比贵州省背景值高出0.02 mg·kg^-1,污染程度较低,变异系数为125.37%,属于强变异;研究区内对土壤Cd污染贡献率最高的影响因子为土壤侵蚀程度、高程和年平均气温,贡献率分别为0.100、0.088和0.084,说明在大尺度研究区中自然环境对土壤Cd富集影响最大;RF-XGBoost模型的精度和稳定性高于RF和XGBoost模型,准确率提升了0.039 3,Kappa系数分别提升了0.059 2、0.091 4,F1＿score分别提升了0.250 4、0.270 1;研究区内土壤C...     

城郊人工梭梭林对土壤重金属污染修复潜力研究

选取城郊梭梭防护林为研究对象，采集梭梭茎枝、根、凋落物及根际土壤样品，通过测定(Cd、Hg、Pb、Zn、Mn、Ni、As、Cu、Cr)9种重金属元素含量，采用多元统计对土壤重金属来源进行初步分析，量化梭梭各器官修复潜力，并根据生物量方程估算梭梭单位面积及单位空间重金属累积量，进而评价梭梭对各元素富集效能。结果表明，9种元素均低于土壤风险筛选值，除Mn、Ni、Pb含量低于新疆土壤环境背景值外，其余元素均不同程度超出背景值，其中Hg元素是背景值的4倍，表明研究区土壤产生不同程度重金属累计现象，Mn、Cr、As、Hg、Cd污染可能不同程度受燃煤、金属冶炼等因素影响，Pb、Ni可能来源于交通污染源以及成土母质双重影响，Cu可能与区域垃圾、秸秆焚烧有关。梭梭各器官表现出对Mn、Cd、Hg良好的富集能力，对Ni、Zn、Cr、Cu具备一定的修复潜力，对Pb、As表现出低修复潜力；单株梭梭对重金属元素累计总量大小顺序为Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>As>Hg,地上部分对各重金属元素累积量均明显大于地下部分。梭梭对重金属污染治理具备较强的修复潜...     

Worldview-2不同波段纹理特征对森林蓄积量估算精度影响

为检测高分辨率遥感影像不同波段纹理特征对于森林蓄积量估算精度的影响,以湖北省荆门市京山县太子山林场马尾松纯林为对象,基于灰度共生矩阵的方法分别提取高分辨率遥感影像Worldview-2 红光、绿光、蓝光、近红外波段和全色波段的纹理特征,利用随机森林算法,分别建立野外样地蓄积量与纹理参数的模型。结果表明,全色波段对马尾松森林的精度最高（R²=0.86,RMSE=47.37 m³·hm^-2）,其次是绿色波段（R²=0.85,RMSE=50.82 m³·hm^-2）和近红外波段（R²=0.85,RMSE=46.85 m³·hm^-2）,蓝色波段（R²=0.68,RMSE=60.72 m³·hm^-2）和红色波段（R²=0.69,RMSE=56.27 m³·hm^-2）的精度最低;窗口大小对模型精度影响较小,全色波段的R²取值在0.82~0.86,RMSE取值在47.66~51.99 m³·hm^-2,多光谱波段的R²取值在0.88~0.89;蓝色和红色波段的非相似度（DIS）的估算模型精度相对较高,绿色波段的对比度（CON）（R²=0.87,RMSE=46.21 m³·hm^-2）估算精度最高,红色波段的非相似度（R²=0.68,RMSE=58.30 m³·hm^-2）估算精度较高,近红外波段的角二阶矩阵（ASM）（R²=0.68,RMSE=60.30 m³·hm^-2）精度最高,全色波段的对比度、相关性、熵、变化量模型精度较高,R2为0.85。利用高分辨率遥感影像纹理特征估算森林参数时需综合考虑不同波段的纹理特征对模型的贡献。     

焦作煤矿区成熟作物中重金属Pb·Cr·Zn·Cu富集特征研究

[目的]探明焦作煤矿区成熟作物的重金属的富集特征。[方法]采用扇形布点法在焦作煤矿周边农田区采集土壤和小麦、玉米等样品,测定土壤和作物中的Cu、Zn、Pb和Cr4种重金属元素含量。[结果]土壤中Zn、Pb和Cu已开始富集,但Cr无富集,甚至亏损。成熟玉米籽粒和茎叶的重金属元素富集顺序分别为：Zn〉Cu〉Cr〉Pb和Cu〉Pb〉Zn〉Cr;成熟小麦籽粒、茎叶和根部的富集顺序分别为：Zn〉Cu〉Cr≈Pb,Cu〉Pb〉Zn〉Cr和Zn〉Pb〉Cu〉Cr。Pb和Cu在玉米不同部位分布顺序为：茎叶〉籽粒;Cr和Zn在玉米中分布为：籽粒〉茎叶。Pb在小麦不同部位含量分布为：根部〉茎叶〉籽粒;Cr和Cu在小麦中分布为：根部〉籽粒≈茎叶;Zn在小麦中分布为：根部〉籽粒〉茎叶。[结论]作物对于重金属的累积因作物和重金属类型的不同而异。     

晋西北风沙区植物功能性状对人工柠条林生产力的影响

【目的】探究晋西北风沙区人工柠条林(Caragana korshinskii)功能性状对生产力的影响，揭示人工柠条林生态功能退化机制，以期为该区植被管理及生态安全的可持续性提供理论指导。【方法】利用一般回归模型和随机森林回归模型探讨植物功能性状对不同林龄人工柠条林生产力的影响。【结果】(1)随着林龄的增加，人工柠条林的生产力和地上生物量呈先增加后降低趋势，18年后出现退化现象；(2)人工柠条林茎叶比(R²=0.277,P=0.000)、基径(R²=0.404,P=0.000)、分枝数(R²=0.269,P=0.000)、株高(R²=0.395,P=0.000)、纵截面积(R²=0.211,P=0.001)、叶面积(R²=0.314,P=0.000)、叶片碳含量(R²=0.284,P=0.000)、叶干重(R²=0.233,P=0.001)、枝干重(R²=0.211,P=0.001)均与生产力...