基于差异化光谱指数的盐渍土水分含量预测1——以滨海盐土为例

以滨海盐土为研究对象,通过添加不同浓度的盐溶液并模拟蒸发过程,获取不同含水、含盐量的土壤样品,并测定土壤光谱和土壤含水量,分别运用光谱指数法和偏最小二乘回归法(PLSR)对土壤含水量进行预测。结果表明:由2 027 nm和1 878 nm构建的土壤水分差异化光谱指数(NDMI2027,1878)是预测土壤水分的最优指数,且适用于任何等级的盐渍化土壤,其建模集和验证集的预测结果均优于PLSR方法,验证集R2达0.99,RMSE仅为21.84 g/kg,可比较准确地预测盐渍化土壤的含水量。     

基于光谱吸收特征的土壤含水量预测模型研究

为了定量分析土壤含水量与反射光谱特征之间关系,并为土壤含水量速测提供理论依据。以黑土作为研究对象,测定实验室光谱反射率,利用去包络线方法提取反射光谱特征指标,建立土壤水分含量高光谱预测模型。结果表明:黑土含水量与1 420 nm、1 920 nm附近吸收谷的主要光谱特征(吸收谷深度、宽度、面积)呈显著正相关;1 920 nm附近吸收谷可作为黑土土壤水分的特征吸收谷,由其光谱特征参数预测黑土含水量;以1 920 nm附近吸收谷面积为自变量建立的一元线性回归模型预测精度高,输入量少,可以作为土壤含水量速测仪器研制的理论依据。     

基于光谱相似性匹配的土壤有机碳估算

全球土壤光谱库的建立,为利用可见-近红外光谱预测土壤属性提供了参考集,如何从光谱库中挑选合适的建模集以实现对局部地区土壤有机碳的高精度预测,是一个值得研究的问题。本研究基于欧氏距离、马氏距离和光谱角三种光谱相似性指数,探索利用全球光谱库预测局部地区土壤有机碳的有效策略,并比较了不同光谱相似性指数、不同建模集数量及不同建模方法对预测精度的影响。研究表明:(1)三种相似性算法较全局模型均极大提升了预测精度,其中光谱角预测精度稍高,最佳预测精度为R~2=0.75,RPD=1.73;(2)建模数量对建模精度有较大影响,三种算法的最佳建模集数量范围在本研究中约为400～500(0.71R~20.75,1.56RPD1.73);(3)针对光谱角算法,建模集数量较少(50)时,赋值预测精度较高(R~20.6,RPD1.4);建模集数量较多(50)时,PLSR建模预测精度较高(R~20.6,RPD1.4)。     

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。     

基于可见–近红外光谱的水稻土全磷反演研究

采用PLSR偏最小二乘法回归结合留一法交叉验证,利用长期定位试验田以及直湖港小流域面上的水稻土土壤样本建立最优模型,研究了不同光谱预处理方式对水稻土全磷可见-近红外高光谱反演精度的影响,探索水稻土全磷光谱反演的可行性;并结合简单相关系数法以及PLSR模型回归系数法分析了水稻土全磷光谱反演的重要波段。结果表明,光谱预处理方法对土壤全磷反演精度的影响不大;基于PLSR建立的水稻土全磷光谱反演模型的校正决定系数达0.85,交叉验证决定系数为0.70,RPD为1.8,有较好的模型精度;440~740 nm为土壤全磷光谱反演的重要波段。利用PLSR对水稻土全磷进行光谱预测是可行的。     

宁夏银北地区盐碱化土壤水分光谱特征及模型拟合精度分析

[目的]通过分析宁夏银北地区盐碱化土壤水分光谱特征及模型拟合精度,为及时了解该区地表水分状况进而实施田间精准灌溉提供科学依据。[方法]以宁夏银北地区重度盐渍土壤为研究对象,对土壤原始光谱反射率(raw spectral reflectance,R)进行多种数学变换,运用逐步回归(stepwise regression, SR)和灰色关联度(grey correlation degree, GCD)筛选敏感波段,然后采用多元线性回归(multiple linear regression, MLR)、偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)和支持向量机(support vector machine, SVM)进行土壤含水量(soil moisture content, SMC)模型拟合精度计算。[结果](1)SMC较低时,随SMC增加土壤反射率逐渐下降,当SMC超过26.34%后,土壤反射率随水分增加而增大,在近红外波段反射率变化幅度整体大于可见光波段;经连续统去除(continuum removed,CR)处理光谱特征曲线在1 460 nm和1 950 nm处出现明显水分吸收带。(2)不同反射率转换方式计算出的MLR,PLSR和SVM模型拟合精度不同,SVM模型的整体拟合能力优于MLR和PLSR模型,除反射率倒数(Reciprocal reflectance, RR)变换建立的GCD-SVM模型外,其余SVM模型R■和R■介于0.943 7～0.999 5,模型的整体拟合精度很高。(3)在SVM模型中,基于对数一阶微分(first derivative of logarithmic reflectance, FLR)变换计算的GCD-SVM模型决定系数最高(R■和R■分别为0.987 4, 0.999 5),为重度盐渍化地区SMC的最佳拟合模型。[结论] SVM模型为供试土壤水分拟合的最佳模型,能够准确获取研究区重度盐渍化土壤水分状况。     

基于Landsat 8数据的荒漠土壤水分遥感反演

[目的]分析荒漠土壤水分变化特征,为南疆干旱区荒漠土壤水分遥感监测提供理论依据和方法支持。[方法]以Landsat 8数据构建干旱地区荒漠土壤水分建模指示因子,通过优选的26个光谱指数、地表温度(Ts)和地形数据(DEM)为建模因子,分别以偏最小二乘(PLSR)、支持向量机(SVM)和随机森林(RF)3种方法构建土壤水分反演模型,对模型进行验证和对比,选取最优模型反演空台里克土壤水分空间分布。[结果]①TVDI,NR,GLI等26个优选的光谱指数中,Ts和DEM与土壤水分均达极显著相关,可作为南疆干旱区荒漠土壤水分遥感建模的指示因子;②对比3种模型,RF模型建模集和预测集的R²分别为0.93,0.91,预测集RPD为3.90,各评价指标均为最高,PLSR模型精度次之,SVM模型精度最低;③以RF模型反演研究区表层土壤水分,在不同土地利用分类中土壤水分分布特征存在明显差异,特别在盐结皮区域的差异尤为突出。[结论]利用光谱指数、环境因子和地形数据构建的多因子、多指数综合的模型能较高精度地反演干旱区荒漠表层土壤水分,对研究该地区土地荒漠化和生态环境治理具有一定参考价值。     

基于WorldView-2影像的土壤含盐量反演模型

针对WorldView-2影像高空间分辨率评价其定量反演土壤含盐量的能力,以盐渍化现象较为明显的新疆克里雅河流域为研究对象,基于WorldView-2影像和实测高光谱数据,利用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)和BP人工神经网络(back propagation artificial neural networks,BP ANN)方法建立定量反演该流域土壤含盐量模型并做出研究区高空间分辨率土壤含盐量分布图。结果表明:1)利用实测高光谱数据和影像数据分别建立的2种模型中BP神经网络模型预测精度都高于PLSR模型,其中基于影像数据建立的6:8:1结构的3层BP神经网络模型决定系数R2、均方根误差RMSE、相对分析误差RPD分别为0.851、0.979、2.337,模型的稳定性和预测能力都优于PLSR模型(R2、RMSE、RPD分别为0.814、1.139、2.007)。2)利用WorldView-2影像提高了土壤含盐量制图的空间分辨率,归一化植被指数NDVI和比例植被指数RVI较有效降低了植被覆盖与土壤水分对预测精度的影响。该文建立的考虑植被覆盖与土壤水分定量反演土壤含盐量的模型不需要复杂的参数,一定程度上满足了干旱、半干旱地区的盐渍化监测需求,可以促进WorldView-2等高空间分辨率卫星在盐渍化监测中的进一步应用。     

土壤含水量对反射光谱法预测红壤土壤有机质的影响研究

研究土壤含水量对有机质预测的影响,可为野外红壤有机质快速测定提供理论依据。本文在实验室条件下测量了不同含水量红壤的可见光-近红外光谱反射率,运用偏最小二乘回归(PLSR)建立不同含水量的土壤有机质预测模型。结果显示,随土壤含水量的增加,有机质与一阶微分光谱的相关性先增加后下降,含水量为100～150 g/kg时相关系数最大。分380～2 400、380～1 300、1 300～2 400 nm三个波段建立不同含水量的有机质预测模型,模型预测精度均随土壤含水量增加而呈现先增加后下降的趋势。利用1 300～2 400 nm建立有机质预测模型可以有效避开氧化铁影响,建立的模型预测精度最高。本研究认为,当土壤含水量小于200 g/kg时,可以利用在室内控制条件下测定的土壤反射率,建立1 300～2 400 nm波段的PLSR模型,进行红壤土壤有机质含量预测。     

前表面荧光光谱法鉴别不同冷藏时间的大黄鱼鲜度

为研究前表面荧光光谱法在水产品品质评价方面的应用,利用前表面荧光对不同冷藏时间的大黄鱼肌肉进行扫描,对色氨酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的荧光光谱数据进行主成分分析(PCA)和Fisher线性判别分析(FLDA),并运用偏最小二乘回归(PLSR)建立了大黄鱼鱼肉荧光光谱数据和冷藏时间的预测模型。结果表明,用PCA方法提取色氨酸和NADH荧光光谱的有效信息,所建模型可区分不同冷藏时间(0~8 d)的大黄鱼样品,且色氨酸作为内源荧光探针的分析效果更好;用FLDA方法分析色氨酸和NADH荧光光谱,留一法(leave-one-out)交叉验证的判别正确率分别为100%和98%,对不同冷藏时间的大黄鱼区分效果优于PCA方法;PLSR模型中色氨酸和NADH荧光光谱的校正集和预测集的相关系数均大于0.9,交互验证均方根误差(RMSECV)分别约为1.13、0.41,校正集均方根误差(RMSEC)/预测集均方根误差(RMSEP)分别约为0.53、0.99,通过NADH荧光光谱建立的PLSR模型预测能力较好。前表面荧光光谱法结合化学计量学技术能够对不同冷藏时间的大黄鱼进行有效区分。本研究结果为前表面荧光光谱技术在大黄鱼冷藏保鲜中对冷藏时间的预测提供了一定的理论依据。     

干旱区典型盐碱土壤含盐量估算的最佳高光谱指数研究

盐碱土的表层土壤含盐量是土壤盐碱化程度分级的主要因素之一。对西北干旱区不同含盐量和含水率的典型盐碱土进行了分析,运用统计方法分析了5种高光谱指数与土壤含盐量的定量关系,并通过对比研究,确定了能提高盐碱土壤含盐量估算精度的最佳光谱指数及定量预测模型。结果表明,不同的指数所选择出的对土壤含盐量最敏感的波段基本都位于近红外(NIR)和短波红外波段(SWIR),说明盐类矿物在近红外和短波红外波段(VNIR-SWIR)区域会产生特有的光谱特征。所选定的最佳光谱ND指数结构简单,易于计算,且对土壤中的水分不敏感,该技术对于大面积土壤含盐量制图具有较广的应用前景。     

百里杜鹃景区马缨杜鹃林凋落物对土壤蒸发的影响

[目的]探究百里杜鹃景区马缨杜鹃林下凋落物覆盖对土壤蒸发的影响,为其林下水源涵养功能的发挥提供科学依据。[方法]根据土壤蒸发理论,采用自制微型蒸渗装置进行模拟试验,参照百里杜鹃林下凋落物现存状况,研究不同质量相同比例及相同质量不同比例的凋落物覆盖对土壤蒸发抑制的影响。[结果]不同分解程度凋落覆盖比例相同质量不同时,土壤水分蒸发量随凋落物的质量增大而减小;土壤水分蒸发量随着土壤含水率的下降呈递减关系,当含水率每下降0.5%时,60,30和15 g凋落物覆盖的土壤水分蒸发量分别依次减少了0.11,0.49和1.23 g。凋落物覆盖质量相同时,不同分解程度的凋落物对土壤水分蒸发抑制作用不同,表现为:未分解半分解已分解。[结论]凋落物覆盖量越多,对土壤蒸发的抑制作用越大;凋落物分解程度越低,对土壤蒸发的抑制作用越好。     

Dynamics of Soil Moisture and Salt Content After Infiltration of Saline Ice Meltwater in Saline-Sodic Soil Columns

Saline ice meltwater can be used for irrigation and leaching of salts in salt-affected soil regions.A laboratory experiment was conducted using soil columns to investigate the redistribution of soil moisture, salt and sodium adsorption ratio(SAR) in saline-sodic soil under the infiltration of saline ice meltwater.Soils were treated using saline water of three irrigation volumes(1 600, 2 400 and 3 200 mL) at four salinity levels.These four salinity levels included salt free(0 g L~(-1)), low salinity level(1.4 g L~(-1)), moderate salinity level(2.7 g L~(-1)) and high salinity level(4.1 g L~(-1)).The prepared saline water was frozen into ice, and then the ice was put on the surface of soil columns.After 96 h, the infiltration rate and soil moisture content of saline ice treatments were greater than those of salt-free ice treatments, increasing with the increase of ice salinity.Infiltration of saline ice meltwater increased soil moisture content in the upper layers for all treatments.Both salt contents and SAR values in the upper soil layers decreased in all saline ice treatments and were lower than those in salt-free ice treatment.However, this trend was reversed in the deeper(below 20 cm) soil layers.The highest desalting rate and lowest SAR were observed in high-salinity treatment under three irrigation volumes in the 0–15 cm soil layer,especially under irrigation volume of 2 400 mL.These results indicate that saline ice(0–20 cm) meltwater irrigation is beneficial to saline-sodic soil reclamation, and the best improvement effect would be achieved when using high-salinity ice under optimal irrigation volume.     

绿色保湿增肥块的土壤保湿效果研究

为了减少土壤水分蒸发和增加土壤养分含量,通过盆装试验,研究了绿色保湿增肥块的保湿效果。绿色保湿增肥块由有机秸秆与保水剂黏合压制而成,吸水后会迅速膨胀分解,在土壤中形成透气层,为植物根的生长提供有利的条件。试验结果表明:绿色保湿增肥块能够有效地减少土壤水分的蒸发,平均蒸发量处理Ⅰ为35.82 g/2d,处理Ⅱ为33.79 g/2d,分别比对照的37.59 g/2d减小了4.94%和11.25%;与对照相比,试验结束时处理Ⅰ和处理Ⅱ的土壤含水量分别提高了14.24%和30.63%。本试验中温度和空气湿度是影响土壤水分蒸发的主要因素,最大蒸发量为145 g/2d,最小蒸发量为0,变化较大。     

初始湿度对覆膜开孔蒸发水盐运移的影响

为了解初始含水率(湿度)变化对覆膜开孔蒸发的盐分与蒸发量的定量关系,通过不同湿度土壤的室内蒸发实验,研究了覆膜开孔率影响下土壤水分和盐分的运动特征.结果表明,初始含水率越大,不同覆膜条件下累积蒸发量越大,单位膜孔面积累积蒸发量(E_R)随开孔率增大而急剧减小.不同初始湿度的ER与覆膜开孔率的关系可用乘幂表示;表土返盐量随覆膜开孔率的增大而逐渐增加;不同含水率土壤的盐分浓度削面分布趋势一致,含水率越大,表层盐分浓度越大,含水率较小的土壤.盐分浓度在表层最大.在盐分含量最低点附近达到最小值,表层以下4-13cm的盐分浓度均小于初始值;不同覆膜开孔率条件下不同含水率土体剖面盐分浓度与垂直位置之间可用幂函数表示.研究表明,初始湿度对土壤水盐运动的影响存在定性特征,而覆膜开孔率对水盐运动的影响有定量关系可循.     

不同有机材料覆盖对土壤保水效果的影响

[目的]研究不同有机材料覆盖对土壤水分蒸发量、土壤含水量的影响,并筛选出保水效果最佳的材料。[方法]以木片、树皮及经过堆腐的园林废弃物为研究对象,进行模拟蒸发及桶装控制试验。[结果]不同粒径的园林废弃物覆盖均能降低土壤水分日蒸发量,日蒸发量从大到小依次为CK,3～5 cm粒径(M_3)、0～1 cm粒径(M_1)、1～3 cm粒径(M_2)。在连续蒸发14 d后,M_2,M_1,M_3和CK的土壤水分累积蒸发量分别为193.0,269.5,304.0和1 037.0 g,与CK相比,分别减少了81.4%,74.0%,70.7%;不同有机材料覆盖均能提高土壤含水量。除了雨季之外,不同土层土壤含水量从高到低依次表现为:木片覆盖(M_4)树皮覆盖(M_5)1～3 cm粒径园林废弃物覆盖(M_2)CK。土壤含水量的年变化整体呈现出双峰趋势,一年中4—5月含水量较低,6—8月含水量较高,不同土层土壤含水量的年变化趋势基本一致。M_4,M_5,M_2和CK的0—40 cm土层土壤年平均含水量分别为32.9%,30.3%,27.4%,26.8%。[结论]木片为保水效果最好的有机材料,其次是树皮和园林废弃物。     

咸水灌溉条件下干旱区盐渍土壤盐分变化研究

新疆盐渍化土地面积大,在盐渍化土壤上种植耐盐小麦,利用盐化水灌溉具有重要意义。试验采用随机定位、分季节取土样、室内化学分析土壤盐分含量的方法,研究土壤盐分时空变化,其结果为:当土壤盐分含量为5~12g/kg时,盐化水多次灌溉可使土壤盐分减少,尤其在夏季晒垡灌溉后,耕作层土壤盐分可显著降低;土壤盐分降低显著与否,与本身盐分含量无关;土壤盐分变化可涉及100cm深度,但变化达显著水平的仍然是表层。     

含水量、坡度和流量对土壤分离能力的影响

土壤分离过程为侵蚀产沙提供了物质准备,对其发生、发展的过程进行准确模拟具有重要的实践和理论意义。选取棕壤为研究对象,设计6个土壤含水量(3%,6%,9%,12%,15%,18%)、3个坡度(5°,10°,15°)和3个流量(8,12,16L/min),分析含水量、坡度和流量对土壤分离能力的影响。结果表明:(1)土壤分离能力均随含水量的增大呈下降趋势,且土壤分离能力间的差异随含水量的增大而减小,当含水量18%时,土壤分离能力几乎为0。土壤分离能力与含水量呈现二次多项式关系,在含水量3%时,土壤分离能力最高。(2)土壤分离能力在含水量6%,9%,12%,18%时均随坡度的增大而增大,并且与坡度呈二次多项式关系,在坡度15°时,土壤分离能力达到最大。(3)土壤分离能力在含水量3%~12%均随流量的增大而增大,并且与流量呈二次多项式关系,流量为16L/min时,土壤分离能力最大。(4)仅考虑两者对土壤分离能力的影响,误差的贡献率均为最高。若考虑三者的影响,坡度对土壤分离能力变异的贡献率最大(29.64%),其次为含水量(22.29%)和流量(19.72%),土壤分离能力的模拟精度分别由0.550,0.638,0.498显著提高到0.995。     

基于EPO-PLS回归模型的盐渍化土壤含水率高光谱反演

表层土壤含水率对于指导农业灌溉有重要的作用。研究表明,土壤光谱受到土壤水分和盐分的共同影响,但对于盐渍化地区的土壤含水率高光谱反演却很少涉及。该文通过对11组不同含盐量土壤室内蒸发过程连续监测,获取相关反射率光谱和水分、盐分的变化数据,利用外部参数正交化方法(external parameter orthogonalisation,EPO)预处理土壤光谱,滤除盐分(质量比0.1%~5.0%)的影响,建立经过EPO预处理后的偏最小二乘(partial least squares regression after EPO pre-processing,EPO-PLS)土壤水分预测模型。与偏最小二乘(partial least square model,PLS)模型相比,验证样本的决定系数R2和对分析误差RPD(residual predictive deviation)分别从0.722、1.976上升到0.898、3.145;均方根误差RMSE从5.087 g/(100 g)减少到3.237 g/(100 g)。通过EPO算法预处理后的模型性能提升显著,利用该方法能够有效的消除土壤盐分的影响,很好地实现盐渍化地区的水分含量估测。