东北典型黑土区表层土壤有机质含量高光谱反演研究

选择东北典型黑土区——德惠市、扶余市和双城市为研究区,利用便携式地物光谱仪获取土壤光谱数据,基于原始光谱值及一阶微分、倒数的对数、连续统去除变换,分别建立了黑土有机质含量的多元线性逐步回归模型、偏最小二乘回归模型和BP神经网络模型。结果表明:高光谱与土壤有机质含量在多个波段相关性较好,其中有机质与反射率一阶微分处理的相关性最好,在光谱584 nm处其相关性最强(r=-0.60,n=81)。光谱一阶微分处理数据在三种建模方法中的预测及验证精度均高于原始光谱值、倒数的对数和连续统去除变换,因此一阶微分为最佳光谱变换形式。偏最小二乘回归分析的预测效果整体优于多元线性逐步回归分析和BP神经网络分析,光谱一阶微分处理的偏最小二乘回归模型呈现出最佳预测效果,决定系数为0.71、均方根误差为2.29 g kg~(-1)(n=53)。     

不同利用方式下土壤有机质和全磷的可见近红外高光谱反演

以太湖流域直湖港小流域稻田、桃园和菜地的土壤样本为研究对象,研究了不同光谱建模方法和土地利用方式对土壤有机质和全磷高光谱反演的影响。结果表明:(1)偏最小二乘回归分析(Partial least squarer egression,PLSR)模型的建模和预测精度较高且稳定;人工神经网络中广义回归神经网络(Generalized regression neural network,GRNN)网络预测精度较高但易出现过拟合现象,反向传播神经网络(Back propagation neural network,BPNN)网络比较稳健但精度略低;偏最小二乘与人工神经网络相结合则可综合两者优点,改善复杂样本下的预测精度。(2)土壤有机质的光谱反演结果优于全磷。3种土地利用方式中,稻田的预测效果总体优于桃园和菜地。在当前研究区域内土地利用方式对土壤有机质光谱反演影响不大,但对全磷反演影响较大。今后利用光谱对土壤全磷反演时需分土地利用方式对模型进行校准。     

黑土养分含量的航空高光谱遥感预测

为监测黑龙江省黑土典型区土壤的养分元素含量,综合利用统计理论与光谱分析方法,研究建三江农场黑土土壤的3类养分含量与土壤光谱之间的关系,建立土壤全氮、有效磷、速效钾含量高光谱反演模型,实现土壤养分元素含量定量预测。对黑土土壤航空高光谱数据进行处理,应用偏最小二乘回归（PLSR）和BP神经网络方法分别建立土壤养分元素含量的高光谱定量反演模型,结果表明：全氮PLSR和BP神经网络预测模型的RPIQ值（样本观测值第三和第一四分位数之差与均方根误差的比值）分别为2.42和2.80;有效磷PLSR和BP神经网络模预测型的RPIQ值分别为0.83和1.67;速效钾PLSR和BP神经网络模型的RPIQ值分别为2.00和2.33。试验证明土壤全氮和速效钾的光谱定量预测模型具备较好的精度和预测能力。但有效磷的预测效果不是特别理想,仅可达到近似定量预测的要求;全氮、有效磷和速效钾的预测精度,BP神经网络建模相比偏最小二乘建模有更好的精度和预测能力,预测精度分别提高6.5%、10.1%和6.6%。     

灌溉水中悬浮固体对土壤水分入渗性能的影响

为监测黑龙江省黑土典型区土壤的养分元素含量,综合利用统计理论与光谱分析方法,研究建三江农场黑土土壤的3类养分含量与土壤光谱之间的关系,建立土壤全氮、有效磷、速效钾含量高光谱反演模型,实现土壤养分元素含量定量预测。对黑土土壤航空高光谱数据进行处理,应用偏最小二乘回归（PLSR）和BP神经网络方法分别建立土壤养分元素含量的高光谱定量反演模型,结果表明：全氮PLSR和BP神经网络预测模型的RPIQ值（样本观测值第三和第一四分位数之差与均方根误差的比值）分别为2.42和2.80;有效磷PLSR和BP神经网络模预测型的RPIQ值分别为0.83和1.67;速效钾PLSR和BP神经网络模型的RPIQ值分别为2.00和2.33。试验证明土壤全氮和速效钾的光谱定量预测模型具备较好的精度和预测能力。但有效磷的预测效果不是特别理想,仅可达到近似定量预测的要求;BP神经网络建模相比偏最小二乘建模有更好的精度和预测能力,预测精度分别提高6.5%、10.1%和6.6%。     

基于PLSR-BP复合模型的红壤有机质含量反演研究

对红壤地区土壤有机质进行快速预测,以满足智慧农业与精准施肥的需要。以江西省奉新县北部为研究区域,采用1 km×1 km标准格网划分研究区进行采样,共得到红壤样本248个。对土壤光谱进行了包含分数阶导数在内的3种数学变换方法,将经过P=0.01显著性检验的波段用于模型的构建,选用偏最小二乘回归(PLSR)和BP神经网络建立土壤有机质含量预测模型。结果表明:当对红壤光谱数据进行1.5阶导数变换后再使用PLSR-BP复合模型对土壤有机质含量进行预测时的结果为最优,训练集R~2=0.89,RMSE=4.68g·kg~(-1),验证集R~2=0.87,RMSE=5.55g·kg~(-1),RPD=2.75。1.5阶导数对红壤光谱数据的变换能够更好地突出与有机质相关的特征信息,有助于其含量预测。PLSR-BP复合模型预测精度优于单一模型,能够较好地预测红壤有机质含量,为精准农业快速监测红壤有机质含量提供了新的途径。     

煤炭矿区耕地土壤有机质无人机高光谱遥感估测

为监测煤炭矿区不同沉陷阶段耕地土壤质量状况,实现矿区土地复垦和耕地质量保护,以山西省长治王庄煤矿周边3种处于不同沉陷阶段的耕地为例,使用无人机搭载高光谱相机进行影像获取,并在研究区内进行土壤样品采集及室内光谱测定。通过对光谱反射率进行倒数、一阶微分、二阶微分、多元散射校正4种不同形式的变换,分析转换后的光谱反射率和实测有机质含量的相关性,筛选出相关系数较高的敏感波段。利用多元线性回归（Multiple Linear Regression,MLR）、偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLSR）和BP神经网络（BP Neural Network,BPNN）3种模型对有机质含量建立预测模型,并对模型预测结果进行精度评价,选用较优模型代入无人机高光谱影像进行有机质含量填图,得到耕地范围内的土壤有机质分布情况,并对处于不同沉陷阶段的耕地土壤有机质空间分布差异及其驱动因子进行分析讨论。结果表明：1）采煤沉陷区耕地土壤有机质含量与经过多元散射校正变换的光谱曲线相关性最高,敏感波段为463.75～492.45 nm,870.79～932.58 nm处,最大相关系数为0.63。2）经过多元散射校正处理的光谱曲线运用偏最小二乘回归模型和BP神经网络模型预测有机质含量精度要明显高于多元线性回归模型,预测精度分别达到0.863和0.884,可以用于有机质含量的估测。3）采煤沉陷区耕地土壤有机质分布情况表现为煤炭开采未扰动区耕地土壤有机质分布较为均一,均值为26.94 g/kg,总体上处于中上等水平;煤炭开采扰动稳沉区耕地土壤有机质高低值分化明显,整体分布呈现较大空间分异性;煤炭开采扰动区介于二者之间。矿区有机质含量大小关系为煤炭开采未扰动区耕地>煤炭开采扰动区耕地>煤炭开采扰动稳沉区耕地。     

基于高光谱的复垦农田土壤有机质含量估测

为了快速准确估算矿区复垦土地土壤有机质含量,以永城矿区复垦农田为例,在土样有机质含量测定和高光谱数据测量的基础上,对土壤高光谱数据进行多种预处理并与有机质实测含量进行相关性分析,利用相关系数进行P=0.01水平显著检验,确定敏感波段,建立一元线性回归、多元逐步回归和偏最小二乘回归等多种有机质含量与高光谱估测模型。结果表明:经过数学变换的土壤光谱反射率与土壤有机质含量相关性显著提高,复垦区土壤光谱经过多元散射校正和一元微分处理并利用偏最小二乘回归模型建模预测效果最好。当前较少有研究对矿区复垦农田土壤有机质进行高光谱估测,本研究成果可为有效利用高光谱遥感技术,快速、有效地测定复垦农田土壤有机质含量提供技术支撑。     

豫西南小流域侵蚀产沙模型研究

为研究豫西南小流域降雨侵蚀产沙规律,充分利用偏最小二乘回归模型和人工神经网络模型的优点,结合降雨过程中的9个因子,建立了偏最小二乘神经网络耦合产沙预报模型。结果表明,偏最小二乘回归与人工神经网络耦合模型用于小流域侵蚀产沙的预测预报精度较高,计算方便快捷。     

赣南脐橙园土壤全磷和全钾近红外光谱检测

为建立一种能够同时快速检测土壤全磷和全钾的定量估计模型,该文采用近红外漫反射技术对赣南脐橙果园的土壤进行研究,对56个土样风干、过筛,然后进行光谱采集和化学分析。光谱经过Savitzky-Golay平滑后再用一阶微分变换的方法进行预处理,分别应用偏最小二乘回归（partial least square regress PLS）、主成分回归（principal component regression PCR）和最小二乘支持向量机（least squares support vector machine LS-SVM）3种方法,在4 000～7 500 cm-1波数范围内,建立赣南脐橙果园土壤全磷和全钾快速定量检测模型。结果发现在建立土壤全磷模型时,PLS和PCR的预测模型效果均不理想,但LS-SVM建立的模型较为理想, 其预测相关系数（correlation coefficient of prediction RP）为0.884,预测集均方根误差（the root mean square error of prediction RMSEP）为0.341,预测相对分析误差（residual predictive deviation RPD）为2.59。在建立土壤全钾模型时,PLS、PCR和LS-SVM 建立3种模型效果均理想,其中以LS-SVM模型最理想,其预测相关系数（RP）为0.971,预测集均方根误差（RMSEP）为0.714,预测相对分析误差（RPD）为5.12。研究表明,采用LS-SVM建立的土壤全磷和全钾模型对实现土壤全磷和全钾含量快速检测具有可行性。     

黄绵土钾含量高光谱估算模型研究

为了研究可见/近红外光谱法估算渭北旱塬区黄绵土钾含量的可行性,以陕西省乾县试验田采集的120个土壤样品为研究对象,在室内进行土壤全钾、速效钾含量及反射光谱数据测量的基础上,应用多元线性回归(MLR)和偏最小二乘回归(PLSR)方法建立土壤钾含量的估算模型,并用独立样本进行验证。结果表明,以土壤光谱反射率一阶微分(DSSR)为自变量建立的多元线性回归模型(MLR)能进行土壤全钾含量准确估算。以波段深度一阶微分(DBD)为自变量建立的PLSR模型,验证集的决定系数(R2pre)大于0.90,预测均方根误差(RMSEpre)等于0.054,预测相对分析误差(RPDpre)等于3.310,是估算土壤全钾含量的最优模型;而以DSSR为自变量建立的PLSR模型,RPDpre值为1.619和1.572,是估算土壤速效钾含量的最优模型。本研究表明可见/近红外光谱结合多元线性回归和偏最小二乘回归方法能对渭北旱塬区黄绵土全钾含量进行快速、准确估算,但对速效钾含量仅能进行粗略估算。     

基于热红外发射率光谱的土壤盐分预测模型的建立与验证

该研究尝试性地分析盐渍化土壤热红外发射率光谱特征,并建立土壤盐分高光谱预测模型,旨在为遥感传感器识别土壤盐分信息奠定基础。首先,采用FTIR（Fourier transform infrared spectrometer）温度与发射率分离处理软件进行土壤温度和发射率的分离。运用高斯滤波平滑法对研究区野外测的土壤样品热红外发射率光谱数据进行滤波去噪处理。其次,对不同土壤含盐量热红外发射率光谱数据进行特征分析;然后在原始热红外发射率光谱数据的基础上进行4种形式的数学变换,分析热红外发射率光谱数据的变换处理形式与土壤含盐量之间的定量相关性。最后,使用多元回归方法建立预测模型并进行精度评价。结果表明：经过数据变换处理后,发射率光谱差异性有所提高;以平方根变换后的热红外光谱数据建立的预测模型效果较好,R2达到0.82。该研究将热红外遥感独特的发射率光谱特性应用于土壤盐渍化的实际科学问题中,为定量地分析盐渍土热红外发射率光谱信息提供参考。     

基于高光谱数据的土壤全氮含量估测模型对比研究

构建基于高光谱数据的土壤全氮含量估测模型,为快速、准确监测农田土壤全氮含量,判断作物生长发育情况和评价土地质量提供新的技术和方法.以新疆南疆地区主要类型土壤为研究对象,于室内测定土壤全氮含量和光谱反射率数据,利用偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机回归(SVM)、随机森林回归(RF)与光谱反射率(R)及其4种数学变换...     

亚热带小流域土壤氮磷分布及其环境效应

土壤氮磷积累是引起农业面源污染的主要原因。为探讨土壤氮磷含量的分布状况及其对环境的影响,选取位于长沙县金井镇的小流域为研究区域,以表层土壤(0-20cm)为采样对象,按不同的土地利用方式共采集样品1 118个。以土地利用类型为分析单元,分析说明了土壤全氮、全磷的分布特征及其环境效应。结果表明:土壤全氮和全磷含量的平均值分别为1.66,0.54g/kg,变异系数分别为34.9%和46.3%,均属于中等变异。菜地土壤全氮含量主要分布在1.8～2.4g/kg区间,旱地和水田为1.2～1.8g/kg,林地和茶园为0.6～1.2g/kg;菜地土壤全磷含量主要分布在大于1.0g/kg区间,旱地为0.6～0.8g/kg,水田为0.4～0.6g/kg,林地和茶园为0.2～0.4g/kg。结合地下水氮磷含量分析表明,土壤氮素含量与地下水铵态氮含量增加有关,对地下水水质产生影响,其中水田的影响尤为突出;土壤磷素的淋失可能具有季节性差异,还有待进一步验证。     

基于冠层光谱的锦橙叶片磷素营养监测研究

以盆栽蓬安100号锦橙施肥调控试验为基础,利用田间冠层光谱信息探索建立植株磷素营养监测技术与方法。通过采集蓬安100号锦橙95个单株样本的冠层光谱信息和室内检测分析叶片磷含量,随机选取76个作为建模样本,19个为检验样本,运用多种光谱预处理方法和偏最小二乘法(Partial least square method,PLS)及内部交叉验证方法建立校正模型与模型检验。结果表明,经多种光谱预处理方法的建模结果比较,冠层原始反射光谱经二阶求导和SNV处理后建立的蓬安100号锦橙叶片磷含量冠层光谱监测模型预测能力和稳健性最佳,其主成分数4个,能表达全波段63%的信息;校正模型相关系数为0.90,偏差Bias=2.45E-10,且RMSEC和RMSEP均最小。模型检验预测的决定系数R2=0.85。因此,利用二阶导数及标准归一化(Standard normal variate transformation,SNV)预处理的田间冠层光谱信息快速无损监测蓬安100号锦橙叶片磷含量具有一定的可行性。     

滇池流域磷矿山区优势植物叶片与土壤养分生态化学计量特征

为了研究滇池流域磷矿山区不同生活型优势植物叶片和土壤的养分含量及其计量比特征,选取流域内磷矿退化山区内4种常见优势植物(马桑、云南松、蔗茅和紫茎泽兰)作为研究对象,分析植物叶片及土壤的C、N、P含量。结果表明:云南松影响下的土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量最高,分别为22.42 g/kg、1.85 g/kg、140.78 mg/kg、1 048.89 mg/kg,全磷含量最低,为2.51 g/kg;云南松叶片C含量为492.86 g/kg,显著高于其他植物,而N、P含量分别为11.22和2.78 g/kg,显著低于其他植物;土壤N含量与叶片C含量显著正相关,而与叶片N︰P比显著负相关。研究结果表明:磷矿山地土壤C、N养分是限制植物生长的主要限制因子;在土壤C、N养分相对匮乏的立地条件下,云南松和蔗茅叶片能够固定更多的C,而马桑叶片能够固定较多的N。因此,结合不同生活型植物的属性特征及该区域内群落的演替特征,建议磷矿山区废弃地的生态恢复可以构建蔗茅和马桑为主的植物群落,随后种植云南松形成针叶林以增加土壤C含量,并在恢复后期种植固N阔叶树种形成针阔混交林,以达到全面改善土壤养分、保持水土并控制土壤P素流失的目的。     

基于EPO算法去除水分影响的土壤有机质高光谱估算

野外进行土壤有机质的光谱快速预测时需考虑土壤含水量的影响。在室内设计人工加湿实验分别获取9个土壤含水量梯度(0~32%,间隔4%)的土壤光谱数据,分析土壤含水量变化对光谱的影响,再利用外部参数正交化法(external parameter orthogonalization,EPO)进行湿土光谱校正,并结合偏最小二乘回归和支持向量机回归分别建立土壤有机质预测模型。结果表明,土壤光谱反射率随着土壤含水量的增加呈非线性降低趋势,偏最小二乘回归模型的预测偏差比为1.16,模型不可用;经EPO算法校正后,各土壤含水量梯度之间的光谱差异性降低,能实现土壤有机质在不同土壤含水量梯度的有效估算,偏最小二乘回归和支持向量机回归模型的预测偏差比分别提高至1.76和2.15。研究结果可为田间快速预测土壤有机质提供必要参考。     

陕西武功县猕猴桃园土壤养分调查与评价

测定陕西武功县猕猴桃园土壤养分含量,评价土壤肥力状况,为指导果园科学施肥提供参考依据。本研究采集研究区10个代表性果园表层土壤样品,对其pH、有机质以及速效氮、磷、钾含量进行测定,结合相关分级标准,分析果园土壤肥力状况。结果表明:武功县猕猴桃园土壤pH在7.52～8.54,平均为8.16,属于弱碱性土壤;土壤有机质含量在10.78～26.73 g/kg,平均为18.43 g/kg,达到中量水平的土壤样品仅占25.1%,整体表现缺乏;土壤速效氮含量在47.60～254.16 mg/kg,平均为138.69 mg/kg,64.7%的土壤样品速效氮含量超过120 mg/kg,仅有8.0%的土壤样品速效氮含量缺乏;土壤有效磷含量在11.01～292.10 mg/kg,平均为59.22 mg/kg,达到丰富及以上水平的土壤样品占90.3%;土壤速效钾含量在32.81～458.20 mg/kg,平均为190.92 mg/kg,丰富、中量、缺乏的土壤样品分别占57.3%、28.2%、14.5%。研究区土壤pH、土壤有机质空间变异相对较小,土壤速效氮、磷、钾含量比较丰富,但空间分布不均衡。建议在今后土壤及施肥管理中,采取综合措施,适度降低土壤pH,以满足猕猴桃生长所需的土壤酸碱环境;加强有机肥的投入,逐年提高土壤有机质含量;控制氮、磷、钾化肥的施用,提高肥料利用率。     

沼液对成都平原地区土壤氮、磷、钾含量及其平衡的影响

为探讨在成都平原地区冲积性水稻土上施用沼液后土壤氮磷钾元素含量的变化及养分平衡的状况,实现沼液资源化利用的绿色发展。采用田间试验,设置10个沼液施用量梯度,并以清水与常规化肥为对照。研究施用不同量沼液对土壤氮、磷、钾等养分含量的影响,并对田间各养分平衡状况进行综合分析。结果表明:当沼液施用量在108.0～126.0 t/hm~2时土壤全氮、碱解氮、全钾及速效钾含量较高,为1.35～1.42 g/kg、63.31～65.34 mg/kg、12.90～13.26 g/kg、45.45～59.25 mg/kg。随着沼液施用量的增加,土壤全磷含量(0.92～1.10 g/kg)变化不明显,而速效磷含量(8.49～18.85 mg/kg)较清水对照相比降低11.0%～59.9%。沼液处理组土壤氮、磷、钾元素的平衡范围为-25.61～66.68,-7.99～-15.34,-81.33～-145.82 kg/hm~2。当沼液施用量大于108.0 t/hm~2时,氮素能基本维持平衡。随沼液施用量增加,磷素亏损得到缓解,而钾素亏损加剧。施用适量沼液能提高土壤氮钾元素含量,但单施沼液难以满足土壤磷钾元素的平衡。因此,在实际生产过程中沼液施用量应控制在108.0～144.0 t/hm~2,并与10～15 kg/hm~2磷肥、115～120 kg/hm~2钾肥配合施用才能达到理想的效果。