典型龟裂碱土光谱特征分析及碱化程度预测

以宁夏银北地区典型龟裂碱土为研究对象，表层土壤光谱反射率选择平滑、倒数等7种数据处理方式，采用全回归、逐步回归和偏最小二乘三种回归方法，分析龟裂碱土光谱特征，筛选对土壤pH值和ESP的敏感波段，建立龟裂碱土碱化信息的预测模型。结果表明：龟裂碱土的光谱反射曲线属于缓斜型；土壤表层反射率与土壤pH值和ESP在研究波段内均呈极显著正相关关系；反射率倒数对数的一阶微分和反射率的一阶微分在特征波段范围表现较好；反射率与土壤pH值的相关性优于与土壤ESP的相关性。从拟合度和选用敏感波段的多少整体考虑，采用偏最小二乘回归来拟合土壤pH值和ESP的方程最佳，拟合度分别达到0.93和0.8367。     

基于一阶微分变换方法的南方丘陵稻田土壤电阻率高光谱特性研究

通过对土壤电导率和光谱测定,分析了南方丘陵稻田土壤电阻率特征、原始光谱数据及重采样光谱数据特征。在光谱重采样基础上进一步构建光谱包络线去除变换、光谱反射率倒数(1/R)、对数[ln(1/R)]、平方根(R0.5)、一阶微分等单一或复合变换模型。通过横向、纵向综合比较分析不同模型的反射率与电阻率相关性分析的曲线差异,着重探讨了基于一阶微分的数据变换模型间土壤电阻率与光谱反射率间相关性强弱,结果表明:(1)基于一阶微分变换的模型可以对重叠混合光谱进行分解以便识别,扩大样品之间的光谱特征差异,发掘敏感波段的光谱吸收、反射特征;(2)综合反射率的平方根的一阶微分变换、反射率的倒数的对数及反射率对数的一阶微分等模型得出,在波段为382 nm处,土壤电阻率与光谱反射率间相关系数最高达0.788,在波段为555~560 nm,多个微分变换模型相关性系数在0.7以上,可为后续反演因子的确定及土壤电阻率高光谱估测回归模型的建立提供参考。     

基于偏最小二乘与随机森林的土壤盐含量反演研究

针对土默川平原地区的土壤盐分含量提出了偏最小二乘与随机森林相结合(RF-PLSR、PLSR-RF)对土壤盐分含量进行预测的回归反演模型.该研究共采集45份土壤样本,随机选取35份为建模集,10份为验证集.试验首先对采集到的高光谱土壤图像进行分割处理提取出土壤在400～1000 nm的原始反射光谱,其次对原始反射光谱进行4种光谱变换(一阶微分、多元散射校正的一阶微分、SG平滑去噪的一阶微分、对数的一阶微分),并与土壤的实测盐分量进行相关性分析(CA),利用相关系数选取敏感波段,最后建立偏最小二乘与随机森林结合的回归反演模型.结果表明,与偏最小二乘回归、随机森林回归单独建模相比,2种模型结合后的预测精度有明显的改善.光谱经过对数的一阶微分变换建立的PLSR-RF反演模型更为明显,其建模集决定系数Rc 2为0.852,均方根误差RMSEc为0.102 g/kg,相对分析误差RPDc为2.600,验证集决定系数Rv 2为0.941,均方根误差RMSEv为0.049 g/kg,相对分析误差RPDv为4.117.     

基于高光谱数据的北疆绿洲农田灰漠土有机质反演

为了探寻快速、准确估测土壤有机质含量的方法以推动精准农业化进程,以北疆绿洲农田灰漠土为研究对象,通过野外实地调查收集土壤样品,室内化学分析测得土壤样品有机质含量,暗室内利用SVC HR-768高光谱仪测定土壤样品光谱反射率。通过对土壤光谱反射率进行倒数、对数、一阶微分、倒数的一阶微分、对数的一阶微分变换,运用单相关分析法提取土壤光谱特征波段,采用多元逐步方法对土壤有机质含量定量反演,分析研究土壤有机质含量和室内土壤光谱的特征关系。结果表明,在波长567、1 697 nm和2 221 nm处,采用反射率对数的一阶微分建立的土壤有机质含量反演模型预测精度最高,模型决定系数达到0.82。北疆绿洲农田灰漠土土壤有机质含量高光谱反演模型的建立为土壤有机质的快速测定提供了新的途径。     

实验室模拟不同盐分土壤的高光谱特性

以托克托县采集的非盐渍土为研究对象,向其添加盐渍土中常见的易溶性钠盐,采用便携式地物光谱仪SVC HR-1024,测定不同盐分含量的土壤的光谱反射率,构建了土壤盐分与高光谱信息的偏最小二乘回归(PLSR)和多元线性逐步回归(MLSR)的土壤盐分反演模型.结果表明:(1)不同种类及含量的盐分对土壤的光谱曲线影响不同,经Na2 CO3、Na2 SO4和NaHCO3盐溶液处理的土壤光谱反射率随着土壤含盐量的增加而增加,NaCl溶液处理后的土壤反射率随着土壤含盐量的增加而递减,且各土样反射率均高于未经处理的土样.(2)4种土样原始光谱数据与SSC相关性从高到低依次为:NaCl、Na2 SO4、NaHCO3、Na2 CO3:经过数学变换后,4种土样最大相关系数分别为:R'-NaCl(-0.895)、(R)'-Na2CO3(-0.781)、R″-Na2SO4(0.767)、(lgR)'-Na2CO3(-0.874):各土样根据相关系数所选敏感波段不同.(3)建模效果最好的是NaCl土样的一阶微分处理的PLSR模型,决定系数(R2)和均方根误差分别为0.871和0.764;MLSR模型中效果最好的为经对数一阶微分处理后的NaHCO3模型,决定系数(R2)和均方根误差分别为0.824和0.846.经验证,PLSR模型更适宜进行土壤盐分反演.     

次生盐渍土高光谱特征研究

基于次生盐渍土修复过程中硝酸盐含量和同步实测光谱数据,针对原始光谱数据及其不同变换后7种光谱数据集,分别以相关系数极值和间隔偏最小二乘2种方法分析其最佳敏感波段范围。在此基础上,运用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)方法,分别基于全波段(400~1 650nm)和分析获得的最佳敏感波段建立了次生盐渍土壤NO-3含量的光谱反演模型。结果表明,采用2种方法提取的土壤最佳敏感波段,均集中在844.5和846.18nm;基于全波段与最佳敏感波段的土壤NO-3含量光谱反演模型,均以原始反射光谱经一阶微分处理的结果更为显著;其中,基于间隔偏最小二乘法提取的775~899和1 025~1 149nm为最佳敏感波段的预测模型,其决定系数R2p与标准差(root mean standard error of prediction,RMSEP)分别为0.962和0.057。该研究结果可为今后次生盐渍土中硝酸盐含量的快速无损检测提供重要的科学参考。     

南方丘陵稻田土壤全钾和速效钾高光谱特征与反演模型研究

以兴国县稻田土高光谱反射率为研究对象,对比分析了同一种光谱反射率变换形式下土壤全钾、速效钾与高光谱反射率的相关性,提取了全钾和速效钾的高光谱敏感波段,建立了基于反射光谱特征的南方丘陵稻田土全钾、速效钾高光谱反演模型.经分析可知,在355～620 nm波段,土壤全钾、速效钾含量与光谱反射率相关性同增同减,而在621～2 250 nm波段内,土壤全钾含量与光谱反射率相关性要大于土壤速效钾;通过分析兴国县稻田土全钾、速效钾含量与光谱反射率18种数学变换的相关系数,提取全钾的敏感波段为602、804 nm,速效钾的敏感波段为602、1 058、1 638、2 214 nm;采用偏最小二乘回归,利用高光谱指数构建的反演模型能较好地预测全钾、速效钾含量,模型建模的相关系数和验证系数都较高,基于速效钾含量建立的南方丘陵稻田土高光谱反演模型预测能力较好.     

基于高光谱的春小麦抽穗期叶绿素含量估算方法

对高光谱数据进行预处理是提升高光谱建模精度十分必要且有效的途径。利用高光谱技术分析春小麦作物光谱及其叶绿素含量的变化,对原始光谱反射率及对应的对数、倒数、平方根、对数倒数等4种数学变换及其一阶、二阶微分进行预处理运算,分析春小麦叶片叶绿素含量与预处理后的光谱数据相关性,基于选取的敏感波段对春小麦抽穗期叶绿素含量进行偏最小二乘回归法、BP神经网络2种方法建模并进行模型验证及比较。结果表明:对原始光谱数据数学变换的微分预处理可以明显提高春小麦叶片叶绿素含量与光谱反射率的相关性;通过显著性检验的敏感波段数量经一阶、二阶微分预处理呈现明显增加趋势,对应数学变换的波段数量有所不同;对数变换的二阶微分处理所建立的PLSR模型为最优模型,该模型精度参数为决定系数R■=0.93,校正均方根误差RMSE_c=2.53,预测决定系数R~2_p=0.91,预测均方根误差RMSE_p=2.41,相对分析误差RPD=3.20。说明数学变换的微分预处理过后的模型精度和稳健性有了大幅度的提升,并且运用在高光谱遥感反演春小麦抽穗期叶片叶绿素含量上是可行的。     

基于高光谱的山区耕地土壤有机质含量估测

以贵州省典型山区耕地土壤高光谱数据为研究对象,基于光谱变换法和机器学习原理构建贵州省山区耕地土壤有机质(SOM)含量估算模型。于2020年8月至2021年3月在贵州省13个县(区、市)采集了120个土壤样品,检测土壤可见光-近红外波段光谱信息,利用5种光谱数据变换(原始光谱、一阶微分、二阶微分、倒数对数的一阶微分、连续统去除)和4类模型(偏最小二乘回归、支持向量机、随机森林和BP神经网络)组合出不同土壤有机质含量的预测模型,按照3∶1选择训练样本和测试样本以估算山区SOM含量。结果表明,一阶微分数据变换与山区SOM含量的相关性较高,相关系数最高达到-0.635;反演模型中,基于一阶微分光谱变换构建的BP神经网络模型精度最高,训练集、测试集的决定系数(R²)分别为0.845、0.838,测试集均方根误差(RMSE)为3.452,相对分析误差(RPD)达到2.470,其次是RF、PLSR模型的RPD较高,SVM模型的RPD最低。光谱数据变换中一阶微分法能极大程度提取出山区耕地的SOM含量信息,BP神经网络模型是估算山区SOM含量的最优模型,本研究结果可为贵州省山区耕地...     

干旱区土壤含水量光谱特征分析与反演

[目的]建立土壤含水量遥感监测模型。[方法]选取陕西省横山县作为研究区,以野外原位光谱测量数据和实验室内测得的土壤含水量为基础,进行高光谱数据处理,分析土壤含水量的光谱特征;对实测土壤光谱反射率进行倒数、对数、均方根及其一阶导数微分等光谱变化换,计算高光谱指数,并与土壤样本含水量进行相关性分析,筛选对土壤含水量敏感的光谱特征波段,利用多元线性回归分析建立土壤含水量监测模型。[结果]随着土壤含水量的增加,土壤光谱反射率呈减小趋势。土壤含水量与光谱指数的特征波段呈良好的线性关系,所有模型均通过了0.01水平的显著性检验。模型精度验证表明,预测值与实测含水量相关系数较高,特别是反射率倒数一阶微分模型,在0.01显著性水平下,相关系数为0.886。[结论]该研究建立的土壤含水量遥感反演模型可行有效,通过了有效性检验,在一定程度上可以用来反演研究区土壤含水量。     

基于机载高光谱影像的南方水稻土有机质含量估算

水稻土中有机质光谱常常受到水分、秸秆等土壤背景的影响，为了减弱或去除非有机质组分对有机质光谱的影响，构建南方水稻土有机质估算模型。利用机载高光谱（GaiaSky Mini2 VN）作为数据源，对原始反射率进行单一和组合变换（去除包络线、倒数、对数、一阶微分、二阶微分单一变换和倒数一阶微分、对数一阶微分、倒数对数组合变换）提取一维特征光谱；通过对变化后光谱进行比值和归一化处理，提取二维特征光谱；构建基于特征光谱的线性（多元回归、偏最小二乘）和非线性（反向传播神经网络、支持向量机）有机质预测模型，监测南方水稻土有机质含量。结果表明：一维光谱变换能显著增强光谱对有机质响应的敏感度，二维光谱变换能充分挖掘光谱信息，增强有机质与光谱之间的内在联系，提高建模精度。非线性模型（BPNN、SVM）尤其是BPNN对土壤有机质拟合性好，建模精度高。基于原始反射率比值指数建立的BPNN模型建模精度达到0952，检验精度达到0889，建模效果最优。该结果适用于南方水稻土有机质监测，对机载高光谱在土壤有机质监测中的特征波段提取和建模方法选择具有重要借鉴意义，对现代农业发展管理提供新的思路。     

基于分数阶微分的博斯腾湖湖滨绿洲土壤电导率高光谱估算

【目的】探讨分数阶微分在高光谱估算湖滨带绿洲土壤电导率的可行性,实现土壤盐分的高精度监测.【方法】以博斯腾湖湖滨绿洲为研究区,引入分数阶微分对土壤高光谱反射率进行0～2阶微分处理,利用相关性检验和连续投影算法优选特征波段,构建土壤电导率的全波段和特征波段,以及利用连续投影算法优选的全波段和特征波段的4种偏最小二乘回归模型,依据决定系数、均方根误差优选土壤电导率的最佳估算模型.【结果】通过P=0.01显著性检验的特征波段,随着阶数的增加,土壤电导率的特征波段数从725增加至776再减少至498;相关系数值随着阶数的增加从0.48至0.68再减少至0.59.0～0.6阶的相关系数绝对值最大值对应的特征波段分布在581～744 nm, 0.8阶～2阶相关系数绝对值最大值对应的波段分布在近红外波段.利用连续投影算法筛选土壤电导率的全波段,其1.4阶微分的波段数量最多,达到6个;利用连续投影算法筛选土壤电导率的特征波段,其2阶微分的波段数量最多,达到3个.连续投影算筛选全波段的偏最小二乘回归模型为土壤电导率的最优模型,分数阶为1.6阶,波段分布在近红外波段,R_C~2=0.64,RMSE_C=3.06,R_V~2=0.83,RMSE_V=2.86.【结论】基于分数阶微分的高光谱估算模型具有较好的稳定性,模型估算的预测能力较好,可以为湖滨带绿洲土壤高光谱估算土壤电导率含量提供方法支持.     

土壤游离氧化铁高光谱特征与定量反演

【目的】建立基于可见-近红外光谱的土壤游离铁精确预测模型,简单、快速、经济地预测土壤游离铁,有助于研究土壤发生和分类。【方法】采集广西壮族自治区的铁铝土、富铁土、淋溶土和雏形土等82个旱地土壤剖面的B层土壤,进行室内土壤化学分析、光谱测定,分析不同光谱变换后的光谱反射率与土壤游离铁含量的相关性。基于特征波段利用偏最小二乘回归(PLSR)和逐步多元线性回归(SMLR)法建立土壤游离铁含量光谱预测模型,通过决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和相对预测偏差(PRD)确定最优模型。【结果】土壤光谱曲线分别在457、800和900 nm波段附近有明显的游离铁吸收和反射峰特征;土壤游离铁含量与原始光谱反射率呈负相关;原始光谱经过微分变换后,游离铁含量与光谱反射率相关性显著提高;基于400～580和760～1 300 nm特征波段和一阶微分光谱变换的SMLR模型预测精度最高,其验证集的R2和RPD分别为0.85和2.62,RMSE为8.41 g·kg~(-1)。【结论】将可见近红外光谱技术应用于土壤游离铁含量高效快速地预测具有良好的可行性。广西旱地土壤光谱反射率与土壤游离铁含量具有高度的相关性,应用逐步多元线性回归方法可以很好地建立土壤游离铁含量反演模型。     

利用叶片高光谱反射率预测棉花叶绿素含量

为提高棉花叶绿素含量预测的准确性,利用连续小波分析和传统光谱变换对棉花叶片原始光谱进行分解和变换,以特征小波系数和光谱特征波段为自变量,并利用单变量、逐步回归和偏最小二乘法建立反演棉花叶片叶绿素含量的数学模型。结果显示,不同的光谱处理方法使得棉花叶片叶绿素和光谱反射率的相关性都有不同程度的提升,对于传统光谱变换,倒数对数一阶微分lg(1/R′)对棉花叶片叶绿素相关性提高了0.41。结果表明,连续小波分析在信息降噪和挖掘特征信息方面优于传统光谱模型,建立的模型RPD>2,具有很好的稳定性,对样本数据都具很好的预测能力。     

基于SVR 和PLSR 的土壤有机质高光谱估测模型研究

【目的】探讨高光谱遥感数据不同预处理及不同估测算法下土壤有机质估测模型的优劣,为提高土壤有机质估测精度奠定基础。【方法】使用高光谱仪在室内条件下对土壤样品进行光谱测量,对光谱数据进行4种去噪处理(无去噪处理、Savitzky-Golay(S-G)平滑滤波去噪、小波包去噪以及S-G平滑与小波包结合去噪),然后对去噪后的光谱数据进行8种数据变换(原始光谱数据R、倒数1/R、对数log(R)、倒数对数log(1/R)、一阶导数R′、倒数一阶导数(1/R)′、对数一阶导数(log(R))′、倒数对数一阶导数(log(1/R))′),接着对变化后的光谱数据进行3种降维处理(无降维处理、敏感波段降维和主成分分析降维),最后运用支持向量回归法和偏最小二乘回归法分别建立SOM含量估测模型。【结果】研究中所涉及的各种数据预处理和估测算法中,小波包去噪、PCA降维、反射率倒数一阶导数(1/R)′光谱数据变换处理条件下,使用PLSR方法的估测模型精度最高、模型最稳定,可以较精确地估测吉林省伊通县SOM含量。【结论】合适的数据预处理,尤其是小波包去噪和PCA降维相结合,可有效改善光谱数据质量,提高SOM含量估测模型精度及稳定性。     

区域水稻田土壤-作物系统重金属污染高光谱遥感定量估测

为了探究动态、无损伤监测区域农田土壤重金属污染和借助土壤-作物系统机理定量反演土壤重金属含量的科学方法,从2018—2020年采集了江苏省宜兴市徐舍镇的22个水稻田样地共76个点的土壤样品,利用地面高光谱仪系统获取了水稻叶片光谱与水稻的生长系统等数据,在实验室测量了土壤中镉(Cd)、砷(As)含量等指标,将水稻叶片光谱进行平滑处理和7种形式的数学变换并进行Pearson相关性分析以筛选相关波段,通过遗传算法优化的偏最小二乘回归法构建了土壤Cd、As含量的估测模型。研究结果表明,估测土壤Cd、As含量的最佳模型均为倒数对数一阶微分光谱模型,r²分别为0.77和0.89,外部验证均方根误差(RMSEP)分别为0.058和0.297,相对分析误差(RPD)分别为2.09和2.97,具备近似定量估测土壤Cd含量的能力及定量估测土壤As含量的良好精度。通过地面实测数据验证,2个最佳估测模型预测精度分别达70%及80%以上;且光谱预处理技术可以去除原始反射率的冗余信息并减弱背景噪声,突出光谱信息;采用遗传算法先筛选特征波段再进行偏最小二乘回归建模,可提高模型的精度。研究可为实...     

基于地物光谱和Landsat8遥感影像的土壤铅含量反演研究

随着人类活动的影响,重金属污染逐渐成为土壤和环境研究的重点。采用遥感技术可以克服传统重金属监测过程中的缺点,做到快速、高效地反映重金属空间分布。本文以克拉玛依市某区域为研究区,利用SVC HR-768光谱仪和Landsat8影像对41块土壤样品进行地物光谱和波段反射率的获取,采用相关性分析和偏最小二乘回归的原理,建立地物光谱与Landsat8数据的土壤铅含量反演模型。结果表明,基于一阶微分变换的地物光谱能更好地反映光谱与重金属铅含量的相关性,建立的模型为最优预测模型;通过波段比值和波段差值方式建立的基于Landsat8波段反射率的反演模型精度较好,能粗略预测土壤重金属铅的含量,并且基于Landsat8影像反演的土壤铅含量空间分布符合土壤样点实测值的空间分布,为今后土壤环境监测土壤重金属含量提供数据支撑。     

基于高光谱的琯溪蜜柚叶片磷素含量估算模型研究

蜜柚叶片磷素(phosphorus,P)含量是准确诊断和定量评价生长状况的重要指标,为快速、无损、精确地估测磷素含量,需要建立蜜柚叶片磷素含量高光谱估算模型。基于蜜柚叶片高光谱数据和磷素含量实测数据,提取原始光谱及一阶微分光谱特征波段和光谱特征变量,构建单变量估算模型、偏最小二乘回归模型和BP神经网络回归模型,并确定蜜柚叶片磷素含量最佳估算模型。在350～1 050 nm波段,原始光谱和一阶微分光谱与叶片磷素含量在可见光范围内有多波段相关性显著,并出现多个极值。原始光谱敏感波长为549和718 nm,一阶微分的敏感波长为528、703和591 nm。在建立的回归模型中,选择决定系数较高的模型进行精度检验,其中BP神经网络模型的拟合R²(0.775 9)最大,偏最小二乘估算模型的拟合R²(0.749 9)次之。综合建模精度和模型检验精度,确定BP神经网络模型为蜜柚叶片磷含量的最佳估算模型,建模和验证的R²分别为0.71和0.775 9;其次为偏最小二乘估算模型,建模和验证的R²分别为0.64和0.74...     

基于表层土壤光谱的耕层土壤有机质间接估测

为解决遥感技术在监测耕层土壤有机质方面的应用问题,利用表层土壤光谱对耕层土壤有机质含量进行估测。以山东省济南市章丘区的表层、耕层各76个土壤样本为研究对象,首先对表层光谱数据进行小波变换去噪、剔除异常样本等处理,然后对处理后的光谱反射率进行一阶微分等10种数学变换,在对数倒数一阶微分和对数一阶微分变换后的反射率数据中选取43个与土壤有机质含量相关系数较高的波段,通过主成分分析以累计贡献率大于90%的标准选取5个主成分作为反演因子,利用BP神经网络(BPNN)、支持向量机回归(SVR)和多元线性回归(MLR)方法建立耕层土壤有机质含量间接估测模型。结果表明,耕层土壤与表层土壤有机质含量之间决定系数R~2达到0.839,显著性P0.01,存在着较强的相关性BPN估测模型的精度最优,决定系数R~2为0.845,平均相对误差为7.642%,RMSE分别为1.622g·kg~(-1)。研究表明,利用表层土壤光谱信息间接估测耕层有机质含量是可行有效的,为耕层土壤有机质的估测问题提供了一种新思路。     

基于宽波段数据定量反演土壤有机质含量的研究

定量分析了北京顺义、通州区土壤高光谱反射特征,利用资源三号、高分一号、高分二号传感器的光谱响应函数,结合高光谱数据生成相应宽波段模拟数据;将土壤光谱数据、拟合宽波段数据分别与实测土壤有机质含量开展相关性分析,提取并筛选敏感波段,利用偏最小二乘法建立基于高光谱数据的土壤有机质含量预测模型;依据宽波段模拟数据和实测土壤有机质含量的相关性,提取并筛选敏感波段,建立土壤有机质含量预测模型。结果表明,在基于土壤高光谱数据建立的土壤有机质含量预测模型中,以对数的一阶微分为最优,其R和RMSE分别为0.697和0.195,偏最小二乘法得到的反演土壤有机质含量的模型是可靠的;在基于模拟宽波段构建的土壤有机质含量估测模型中,以高分一号的拟合精度最高,R和RMSE分别为0.334和0.240;受室外不可控因素的影响,模拟宽波段数据在估测北方地区土壤有机质含量方面仍需进一步研究。