粗面岩质火山碎屑物发育土壤有机质含量的高光谱特征与建模

利用ASD Field Spec 4便携式快速扫描分光辐射光谱仪,对采自吉林省长白山地区粗面岩质火山碎屑物发育的土壤进行光谱反射率测定,分析其光谱特征;对土壤原始光谱反射率进行一阶微分、二阶微分、倒数的微分、倒数的对数的一阶微分和倒数的对数的二阶微分等五种数学处理,并应用多元逐步回归分析建立土壤有机质含量的高光谱预测模型。研究表明:土壤有机质含量与原始光谱反射率在565~675 nm波段内呈显著负相关;一阶微分光谱在415 nm、445~605 nm波段内与土壤有机质含量呈极显著负相关,在705~985 nm、1015~1265 nm波段内呈极显著正相关,在865 nm波段处相关系数达到极大值0.87;建立的土壤有机质多元逐步线性回归预测模型中,以一阶微分模型为最优,R2为0.954,可用于粗面岩质火山碎屑物发育土壤有机质含量的快速测定。     

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。     

辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量高光谱预测模型的构建

  目的  建立辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量的高光谱预测模型,以便快速获取土壤样品的有机质含量。  方法  对省域内黄土状母质发育土壤进行了样品采集,获取样品有机质含量和高光谱数据;选择原始光谱及其一阶微分、二阶微分、倒数对数、倒数对数一阶微分、倒数对数二阶微分6种光谱变换数据作为自变量,与土壤有机质含量进行相关分析,选取特征波段,分别建立多元逐步线性回归（SMLR）、偏最小二乘回归（PLSR）和主成分回归（PCR）3种土壤有机质高光谱线性预测模型,并进行了支持向量机（SVM）方法的非线性模型拟合。  结果  土壤有机质含量与其光谱反射率呈负相关关系,对光谱进行不同的数学变换,可以提高土壤有机质含量与光谱反射率的相关性,其中一阶微分和二阶微分的提升效果最佳;相同光谱数据在不同模型中建模精度存在显著差异,以原始光谱反射率一阶微分为自变量的PLSR模型精度最高,建模集和验证集的决定系数（R2）分别为0.958和0.976;3种线性方法建立的最佳预测模型的检验精度为:PLSR > SMLR > PCR。  结论  PLSR模型是辽宁省黄土状母质发育土壤有机质含量的最佳高光谱预测模型,且基于特征波段的建模效果优于全波段;SVM非线性模型的预测精度较低。     

塔里木盆地北缘荒漠土壤有机质含量的高光谱估测

土壤有机质含量的多少是衡量土壤肥力的重要指标,了解土壤有机质的状况及动态变化,为指导干旱区绿洲农业生产及生态环境保护提供科学依据。基于在塔里木盆地北缘绿洲-荒漠过渡带采集的80个土壤样品,测定有机质含量和光谱反射率。在原始反射率R的基础上,进行光谱反射率的一阶微分R′、倒数对数lg(1/R)、倒数对数的一阶微分[lg(1/R)]′以及去除包络线C(R)处理,并将处理后的光谱数据与土壤有机质进行相关性分析,从而选取568、578、803、806、845、955 nm等敏感波段构建土壤有机质含量的估测模型。结果表明:(1)土壤有机质与土壤反射率呈负相关,有机质含量越高反射率越低。(2)光谱变换处理可有效提升光谱对土壤有机质含量的敏感性,其相关系数最高可达0.654(P<0.001)。(3)比较多元线性逐步回归、偏最小二乘回归和反向传播神经网络(BPNN)3种建模方法发现,反向传播神经网络模型精度较高,稳定性更好,且以倒数对数的一阶微分[lg(1/R)]′为自变量的模型最优,决定系数为0.864,均方根误差为1.86,这表明[lg(1/R)]′-BPNN模型相较于其它模型可以更为准确地预测荒漠区土壤有机质含量。     

土壤有机质高光谱遥感和地统计定量预测

通过两种不同的尺度进行了土壤有机质含量的预测,在全县范围（大尺度）内运用地统计方法进行最优无偏内插估计,得到全县土壤有机质含量的空间分布格局。在小尺度高光谱Hyperion影像范围内,确定623.6 nm处反射率倒数之对数的一阶微分与564.4 nm处反射率倒数之对数的一阶微分的比值为土壤有机质的敏感变量,运用多元统计分析方法,确立各土壤有机质高光谱定量最佳反演模型,并把该模型应用于高光谱影像进行有机质含量定量填图,取得了很好的预测效果（R2=0.8684）。同时为了进行客观比较,基于同一尺度,利用30个样点进行地统计空间插值定量预测,比较两种预测结果,通过分析得出由于地统计学受到样点的数目、分布和间距情况以及内蕴假设的影响,其预测效果不如高光谱遥感反演模型。     

褐潮土的光谱特性及用土壤反射率估算有机质含量的研究

本文通过ASDFR便携式光谱仪对132个风干土壤样品的光谱反射率进行了实验室测定。根据土样光谱反射率变化,获得了褐潮土土壤剖面的不同诊断层反射光谱特征。结果表明,在400～1200nm范围之间,土壤有机质含量与土壤光谱反射率有较好的相关性。利用导数光谱方法建立了预测土壤有机质含量的方程,提出了预测北京地区褐潮土有机质光谱的最佳波段。在波长447nm处采用反射率和A值(反射率倒数的对数)所建立的预测方程的预测精度较高。采用反射率的一阶微分建立的预测方程的最佳波段在516nm处。而A值一阶微分光谱在615nm处相关性最好。作为一项参考指标用光谱分析法评价土壤中有机质含量,以期对精准农业中土壤养分或肥力的预测具有一定的指导作用。     

土壤全氮的无人机高光谱响应特征及估测模型构建

为更好地体现出光谱与土壤全氮（soil totalnitrogen,STN）含量之间的响应关系,实现以高光谱快速估测土壤全氮含量,该研究以无人机搭载高光谱传感器获取农田土壤高光谱影像,提取光谱反射率并进行数学变换,基于灰色关联度和皮尔逊相关系数提取各光谱中土壤全氮含量的敏感波段,基于敏感波段采用偏最小二乘回归（partialleastsquares regression,PLSR）、岭回归（ridge regression,RR）和随机森林（random forest,RF）构建土壤全氮的高光谱反演模型,筛选出最优模型并对研究区土壤全氮含量进行反演制图。结果表明：1）反射率的倒数光谱中的敏感波段（996～1 003 nm）集中在近红外长波范围内,反射率的一阶微分（first derivative of reflectance,FDR）光谱中的敏感波段（398～459、469和472～1 003 nm）和反射率对数的一阶微分光谱中的敏感波段（398～459、463～973和978～1 003 nm）在可见光和近红外范围内都有分布,反射率的一阶微分光谱中的敏感波段（615～625、632和...     

基于高光谱的北京铁矿区土壤重金属镍元素含量反演研究

运用高光谱数据对北京典型铁矿区土壤重金属镍含量进行建模反演,探索高光谱遥感技术在土壤重金属污染快速监测上应用的可行性。使用便携式地物光谱仪采集研究区土壤样本光谱反射率数据,光谱反射率数据经多种数学变换后,经逐步回归方法筛选最佳特征波段,利用多元线性回归（SLR）和偏最小二乘回归（PLSR）方法建立模型以光谱反射数据对土壤重金属镍元素含量进行反演。基于光谱二阶微分的多元线性回归模型（SD-MLR）的稳定性和精度最高（R2 = 0.842,RMSE = 4.474）,能够良好地预测研究区土壤镍元素含量。光谱数据数学变换能够有效提高其与土壤镍元素含量间的相关性。不同的光谱变换形式建立模型的预测能力和精度有如下关系,光谱二阶微分 > 光谱倒数对数一阶微分 > 光谱一阶微分 > 光谱倒数对数 > 光谱连续统去除 > 原始光谱。采用光谱二阶微分建立多元线性回归模型为研究区土壤镍元素含量反演的最佳模型,可为土壤重金属污染快速监测提供技术参考。     

西河流域不同海拔区土壤有效钾的高光谱反演

为探究不同海拔条件对土壤有效钾含量高光谱反演的影响以及筛选效果最好的光谱指标。采集118个土壤样本后进行其室内理化分析、光谱测量与处理等一系列工作,在土壤原始光谱(R)处理的基础上提取了反射率倒数一阶微分((1/R)')、反射率倒数的对数一阶微分((log(1/R))')和反射率对数的倒数一阶微分((1/(log R))')三种光谱变换指标,分析土壤原始光谱和三种变换后的光谱指标与不同海拔区土壤有效钾含量的相关性,并运用偏最小二乘回归法(PLSR)建立不同海拔条件下土壤有效钾的高光谱预测模型。结果表明:(1)比较土壤原始光谱和三种变换后的光谱指标,基于(log(1/R))'变换结果构建的PLSR模型在土壤有效钾的反演效果最好,其决定系数(R2)最高,为0.89,均方根误差(RMSE)为12.45 mg kg-1;(2)相比全区域而言,依据海拔分区所建立的模型能够更好的预测土壤有效钾的含量。该结果对今后地形复杂区域土壤养分的光谱预测具有一定的指导作用。     

基于HJ卫星的棉田土壤有机质空间分布格局反演

以北疆绿洲区棉田表层土壤为研究对象,利用国产HJ-1A/1B卫星CCD多光谱数据对裸土有机质空间分布格局进行研究。通过分析多光谱数据不同波段的光谱反射率及其变换形式与实地采样得到的土壤有机质含量的相关性,探寻适合绿洲区棉田表层土壤有机质含量快速反演的敏感波段及参数,并针对不同参数分别建立一元线性、二次、三次、对数、倒数、幂函数、生长型、S型回归模型,以及多元回归模型;对生成的模型进行综合对比分析,获取北疆绿洲区棉田表层土壤有机质含量的最佳反演模型,从而实现整个研究区土壤有机质空间格局的遥感反演。结果表明:HJ卫星多光谱数据4个波段的反射率均与土壤有机质含量存在显著的相关性,第3波段的倒数与土壤有机质含量相关性最为显著;且以第3波段光谱反射率作为因变量得到的三次线性回归模型对土壤有机质含量进行反演的效果最佳;通过空间布局反演得到研究区土壤有机质空间分布整体呈现南北两端有机质含量较高,中部有机质含量较低的格局。该研究表明虽然与黑土有机质含量具有差别,但是遥感技术仍能够作为绿洲区土壤有机质含量空间布局反演的方法,为遥感技术在土壤参数监测中更好的发挥作用提供理论支持,同时也为新疆棉田生产管理和农田可持续利用提供科学依据。     

黑土土壤中全氮含量的高光谱预测分析

为实现快速、准确估测土壤氮素含量水平,推动土壤信息化管理进程,该研究利用ASD2500高光谱仪在室内条件下测定了风干土壤样品的可见—近红外光谱。结果表明,通过不同的变换,光谱反射率对数的一阶导数与土壤全氮含量相关性得到增强,以400～600 nm波段范围内相关性最好。该文确定了以反射率对数的一阶导数光谱预测黑土全氮（TN）含量的最佳回归模型,模型所用的波段为可见光波段的556 nm、近红外的1 642和2 491 nm。同时,也确定了利用由可见光波段550和450 nm组成的归一化光谱指数预测黑土TN含量的最佳预测模型。模型通过验证达到较好的效果：利用反射率对数的一阶导数、归一化光谱指数对土壤TN的预测R2分别为0.863、0.829,均方根误差RMSE分别为0.122、0.152。     

干旱区典型绿洲土壤有机质的反演及影响因素研究

为了大面积、高精度地反演土壤有机质含量,为农业可持续发展提供数据支撑。以新疆渭干河-库车河三角洲绿洲为研究区,采用波段平均法将实测高光谱窄波段拟合为Landsat 8 OLI遥感影像的宽波段,建立土壤有机质含量的估算模型,并将最优估算模型应用到经过波段校正的Landsat 8OLI遥感影像中。结果表明:(1)反射率进行倒数、对数、平方、一阶微分等数学变换后与有机质含量的相关性显著提高;(2)土壤有机质的高光谱估算模型拟合度较高,最优估算模型的决定系数R2为0.852,采用比值法对多光谱波段反射率进行校正,校正后的遥感影像反演结果得到了较大提高,检验样本的决定系数R2从0.711提升至0.849。从反演结果来看,将高光谱估算模型应用到经过订正的多光谱影像,土壤有机质反演模型的精度得到了大幅度提高,运用此方法可以实现高精度的土壤有机质区域化反演。(3)有机质的分布受土地利用类型、土壤颗粒组成、土壤质地的影响,其中土壤质地对有机质的空间分布影响最为显著。     

基于不同变换形式的干旱区土壤盐分高光谱特征反演

对干旱区土壤盐渍化的高光谱特征进行研究,分析并阐明高光谱精度的影响因子及变换形式,这对定量测定土壤盐碱程度具有重要意义。以陕西定边地区盐碱土壤为研究对象,通过分析区域土样的高光谱数据和室内测定的电导率与全盐含量数据,研究了同一耕作、施肥和灌溉措施下土壤电导率和全盐量的关系,并比较了电导率和全盐量两者的相关关系,分析两者与不同光谱指标(光谱反射率、反射率倒数、反射率对数、反射率一阶微分及反射率对数一阶微分)的相关性以及二者高光谱反演的精度。结果表明:(1)电导率(x)与含盐量(y)之间存在正相关关系且R~2=0.96,达到显著水平;(2)电导率与光谱反射率之间的相关性要优于全盐量,在土壤盐渍化的敏感波段表现尤为突出,遴选敏感光谱波段为350~1 000nm;(3)以电导率构建的偏最小二乘回归模型的决定系数和均方根差优于全盐量。研究表明该区域的土壤高光谱信息对土壤电导率的响应较全盐量敏感,以电导率为监测指标的高光谱反演精度明显要高于全盐量。该结果可为提高上壤盐渍化高光谱监测精度提供科学支撑。     

基于高光谱的鲁西北平原土壤有效磷含量快速检测研究

土壤有效磷含量是农田土地评价的指标, 也是农作物施肥的基本指标, 快速准确测量土壤有效磷含量是土壤信息化管理和资源评价的前提条件。高光谱技术的发展为快速有效监测土壤有效磷含量提供了新的途径。本文对466个样点的土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量进行了测定, 通过聚类分析和方差分析选取48个有机质、碱解氮、速效钾含量相近而有效磷差别较大的样点作为研究样点, 采用美国ASD Fieldspec3光谱仪, 对不同有效磷含量的土壤样本高光谱反射率进行测量, 并对反射率进行倒数、对数、平方根、对数的倒数、倒数的对数的变换及其各自相应的一阶导数变换, 将每个土样测定的有效磷含量值与350~ 2 500 nm光谱范围的反射率数据及反射率的9种变换形式逐一逐波段地进行单相关分析, 筛选出对有效磷敏感的光谱波段。将所选取的显著相关波段反射率或变换形式作为自变量, 与土壤中有效磷含量进行一元线性回归方程拟合, 对所建立的回归方程进行优选和检验。研究得出: 采用相关分析方法得出土壤有效磷含量的敏感波段为711 nm, 利用一元线性回归方法, 基于该波段的估算模型为最佳估算有效磷含量模型, 该模型的拟合优度R²达0.822 1, 验证决定系数R²达0.959 1。由此说明, 利用单个敏感波段建立土壤有效磷的反演模型, 可作为快速测量土壤有效磷含量的一种简单而可靠的方法。     

分数阶微分在盐渍土高光谱数据预处理中的应用

光谱微分技术在高光谱数据处理中应用广泛,为研究分数阶微分对光谱反射率与盐渍土含盐量之间相关系数的影响,细化相关系数变化趋势,该文选取新疆塔里木南缘于田绿洲盐渍土为研究对象,以土壤样本含盐量和反射率高光谱数据为数据源,利用Grünwald-Letnikov分数阶微分公式编程计算光谱反射率以及对应的均方根、倒数、对数、对数倒数、倒数对数变换的0～2阶微分（间隔0.2阶）,对比分析每种变换各阶微分与土壤含盐量相关系数曲线的变化趋势以及微分处理对单波段相关系数的影响。结果表明：经微分处理,通过相关系数0.01显著性检验水平的波段数量明显增加（0.6阶＞1阶＞2阶＞0阶）,随着阶数增加,呈现先增后减的趋势,且均在分数阶0.6处达到最多。在0.6阶处,光谱反射率及5种数学变换通过相关系数0.01显著性检验的波段数量按照从大到小为：倒数对数变换=对数变换＞均方根变换＞倒数变换＞光谱反射率＞对数倒数变换。对于波段2444、2423、2142、2005 nm,微分算法能够大幅提升与含盐量之间的相关性,相关系数绝对值取最大值对应的阶数均为分数阶。从局部到整体,分数阶微分提升相关性的效果明显优于整数阶微分。该研究结果为分数阶微分在高光谱技术监测土壤盐渍化现象中的应用提供参考依据。     

基于高光谱特征的土壤有机质含量估测研究

在室内条件下,利用ASD2500高光谱仪测定了潮土和水稻土自然风干土壤样品的光谱。通过系统分析两种不同类型土壤的高光谱特征差异及其有机质含量的敏感波段区位,建立了土壤有机质含量的光谱估测模型。结果表明,具有相同有机质含量的两种类型土壤整体光谱变化趋势无明显差别,但反射率表现出明显差异,一阶导数变换能较好地显现谱图中的肩峰。潮土和水稻土有机质的敏感波段集中在相同区域,原始反射率在685 nm处相关性最高,而一阶导数光谱在554 nm处相关性最高。通过对整体样本的多元逐步回归分析,筛选出两种土壤有机质相同的敏感波段为800 nm、1 398 nm和546 nm。进一步以一阶导数为自变量,基于1 400nm和554 nm两个波段构建了土壤有机质差值指数SOMDI及估测模型,即Y=4.19 12.85×(R_FD554 R_FD1 400)。利用独立的样本对建立的光谱模型进行了检验,预测决定系数均达0.79以上。上述结果表明,利用高光谱技术可实现土壤有机质的快速监测与诊断。     

荒漠土壤有机质含量高光谱估算模型

为解决荒漠土壤有机质含量高光谱估算存在的困难,提高土壤有机质含量估算的精准性,该文对准噶尔盆地东部荒漠土壤进行采样、化验分析和光谱测量、处理,分析土壤光谱与有机质含量的相关性,确定敏感光谱波段,建立荒漠土壤有机质含量多种高光谱估算模型,旨在通过模型精度的比较,确定最优模型。结果表明：反射率、倒数对数光谱与荒漠土壤有机质含量相关性低,而经过一阶微分、二阶微分变换后,相关系数有所提高,部分波段的相关系数通过0.01显著水平的检验,可以用来荒漠土壤有机质含量的估算;一元线性回归建立的估算模型的精度低,不适用荒漠土壤有机质含量高光谱的估算。荒漠土壤有机质多元逐步回归模型的二阶微分、倒数对数二阶微分修正决定系数得到了较大提高,分别提高了0.22和0.31,均方根误差下降了0.66和0.80,建模精度高于一元线性回归模型。荒漠土壤有机质一阶微分、二阶微分光谱的最小偏二乘回归模型的决定系数比其多元逐步回归模型提高了0.07、0.04,一阶微分、二阶微分均方根误差都下降了0.11,二阶微分偏最小二乘法回归模型是该研究所建12个模型的最优估算模型。在多元逐步、偏最小二乘回归模型中,最优估算模型是二阶微分模型,因而用偏最小二乘法回归估算荒漠土壤有机质含量是个可行的方法。该研究的成果为荒漠土壤有机质高光谱遥感分析提供了支撑,实现荒漠土壤有机质监测的时效性、准确性,为区域生态环境的修复提供依据。     

基于分数阶微分预处理高光谱数据的荒漠土壤有机碳含量估算

对光谱数据进行预处理是提升高光谱建模精度十分必要和有效的途径。为了研究分数阶微分预处理方法在高光谱数据估算荒漠土壤有机碳含量中的应用,该研究以艾比湖流域为研究靶区,利用2015年5月采集的103个表层土壤样本的实测有机碳数据和室内测定的高光谱数据,以0.2阶为步长对原始光谱反射率及对应的倒数变换、对数变换、对数倒数变换、均方根变换的0-2阶微分进行分数阶运算预处理并研究其与土壤有机碳含量相关性,基于通过0.01显著性检验的特征波段对土壤有机碳含量进行偏最小二乘回归建模并进行精度分析。结果表明：1）分数阶微分预处理可以细化土壤有机碳及其光谱反射率相关性的变化趋势;2）各阶微分预处理后的相关系数通过显著性检验波段的数量均呈现先增后减的趋势,但波段数量最多的对应阶数并不统一;3）对数变换的1.6阶微分所建立的模型为最优模型,该模型的RMSEC=2.433 g/kg,R2c=0.786,RMSEP=2.263 g/kg,R2p=0.825,RPD=2.392。说明了分数阶预处理过后的模型精度和稳健性较整数阶微分有了大幅提升,并且运用在高光谱反演土壤有机碳含量上是可行的。     

东北平原不同类型土壤有机质含量高光谱反演模型同质性研究

土壤有机质含量是反映土壤肥力的重要特征,利用高光谱技术对耕层土壤有机质（OM）含量进行定量化反演可为土壤信息化管理和精准施肥提供重要的依据。本文利用ASD FR 2500高光谱仪在室内条件下测定了风干土壤样品的可见近红外光谱,分析了东北平原不同土壤类型土壤光谱反射率曲线形状变化及土壤有机质含量的光谱反演模型,结果表明,根据土壤光谱反射率曲线变化特点可以初步将东北平原的几种土壤类型划分为三类,其主要区别在于460～1350nm范围内曲线斜率变化的差异。通过相关分析进一步确定了土壤有机质敏感波段为650～750nm,建立了不同土壤类型的有机质含量回归预测模型,并且对不同模型的回归系数和截距进行了方差同质性检验。结果显示,黑土和黑钙土、黑土和暗棕壤的模型没有显著差异,即可以分别构建同质性模型来简化有机质的预测,但是预测精度有所降低。     

黑土有机质含量高光谱模型研究

通过对黑龙江省典型黑土区土壤样品高光谱反射率的室内测定,研究了典型黑土可见光/近红外波段光谱反射特性;利用多元统计分析方法,以土壤光谱反射数据及其数学变换数据作为自变量,以黑土有机质含量对数变换数据作为因变量,建立黑土有机质含量高光谱预测模型,并对模型的稳定性和预测能力进行检验。结果表明:(1)620~810nm波段范围是黑土有机质的主要光谱响应区域,最大响应值在710nm附近;(2)对光谱数据进行归一化处理可以部分消除不同土样测试过程中存在的噪声;(3)模型及其检验的决定系数R2都在0.9以上,模型的总均方根差RMSE均小于2.1,模型具有很好的稳定性和预测能力,可以用于黑土有机质含量的快速测定;(4)归一化一阶微分模型为最优预测模型。