基于可见/近红外光谱的黄河口区土壤盐分及其主要离子的定量分析

【目的】定量、准确地监测盐渍土,对其防治和农业可持续发展至关重要,论文旨在明确黄河口区土壤盐分及其主要离子的特征光谱,建立适用于该区域的土壤盐渍化定量分析模型,提高其定量分析的精度和稳定性。【方法】首先以山东省垦利县为研究区,于2014年10月5—9日野外采集代表性土样96个,对土样风干后,采用土壤化学分析方法室内分析盐分及其主要离子(Cl~-、Na~+、Ca~(2+))含量,并采用美国ASD Fieldspec 3光谱仪测定土样可见/近红外高光谱数据,对光谱反射率进行去噪、一阶导数变换等预处理;然后基于盐分及其主要离子不同含量的样本光谱分析盐分及其主要离子的光谱响应,在此基础上,对样本的土壤盐分及其主要离子含量与反射率的一阶导数光谱进行逐波段的相关分析,按照相关系数高且显著的原则,选取各自的敏感波段,再根据敏感波段的交叉情况选取集中波段为特征波段,进而选取特征波段中具有极值相关系数的波段作为显著特征波段,综合确定表征土壤盐分及其主要离子(Cl~-、Na~+、Ca~(2+))的特征光谱;最后分别采用多元线性回归(multiple linear regression,MLR)、支持向量机(support vector machine,SVM)和随机森林(random forest,RF)方法构建土壤盐分及其主要离子的定量高光谱分析模型。【结果】研究区土壤盐分及其主要离子(Cl~-、Na~+、Ca~(2+))含量的光谱曲线形状和走势整体一致;土壤盐分及其主要离子(Cl~-、Na~+、Ca~(2+))的光谱响应谱区为1 320—1 495、1 790—1 920、2 120—2 290 nm;基于相关分析的土壤盐分及其主要离子的敏感谱区为1 490—1 520、1 890—1 930nm;最后综合光谱响应及相关分析确定土壤盐分及其主要离子的特征波段为1 493、1 801、1 911和2 289 nm,显著特征波段为1 493和1 911 nm。模型结果显示基于2个显著特征波段反射率一阶导数的模型精度均与4个特征波段的模型精度相当,表明显著特征光谱作为盐分及其主要离子的特征光谱进行其定量分析的有效性。比较3种建模方法,RF模型的预测效果最好,SVM模型次之,而MLR模型精度最低;对于盐分、Cl~-和Na~+,3种方法构建的模型均可有效地用于其定量分析,精度较高且稳定,然而Ca~(2+)预测精度还有待提高。通过综合比较分析,基于显著特征波段(1 493和1 911 nm)反射率一阶导数构建的随机森林(RF)模型对盐分、Cl~-和Na~+均具有较好的估测精度和稳定性,也可用于Ca~(2+)的定量估测。【结论】基于光谱响应及相关分析综合确定盐分及其主要离子的显著特征光谱(1 493和1 911 nm反射率一阶导数),进而采用随机森林方法构建盐分及其主要离子的定量估测模型,适用于黄河口区土壤盐渍化信息的有效提取。     

黄河三角洲典型地区春季土壤水盐空间分异特征研究——以垦利县为例

黄河三角洲作为我国重要的后备土地资源区,土壤盐渍化问题突出,切实掌握土壤水盐状况及其空间规律是该区土壤盐渍化防控和土地资源高效利用的重要基础.本研究选择黄河三角洲垦利县,通过野外调查实测与室内化验分析获取土壤水盐含量数据,利用统计分析、GIS插值、缓冲区分析等方法,分析了研究区土壤水盐状况及其空间变异规律.结果显示:研究区总体盐分含量以中度为主,含盐量由表层至底层呈上升趋势,且各层土壤含盐量呈显着正相关性;含盐量较高的地区主要分布在县域东部滨海区,含盐量较低的地区主要分布在该县的西南部;土壤含盐量随着距离渤海渐远呈下降的趋势,含水量总体呈先下降后上升趋势;从黄河向两岸延伸,土壤含盐量均随距离黄河渐远呈上升的趋势,含水量呈先下降后上升趋势;土壤含盐量从大到小的不同植被类型依次为光板地>碱蓬>柽柳>马绊草>芦苇>茅草>水稻>棉花>小麦>玉米;土壤含盐量从大到小的不同地貌类型依次为洼地>微斜平地>缓岗>河滩高地.该研究基本摸清了研究区春季时相的土壤水盐状况及空间变异规律,为黄河三角洲土壤资源可持续利用提供了科学依据.     

辐照降解中草药中氨基甲酸酯和有机磷残留

为了对中草药中残留农药的去除提供新的方法和依据,本文研究了辐照剂量、含水量等不同因子对人参中氨基甲酸酯及有机磷农药去除率的影响,同时探讨了白茯苓等不同中草药基质中两类农药同一剂量辐照的去除效果。结果表明:电子束辐照可有效加速氨基甲酸酯和有机磷农药残留的降解;低剂量辐照下的农药降解不如高剂量的效果明显,农药辐照降解率随着辐照剂量的增大呈增加的趋势,并在4～10 kGy区间内有波动;在不同的中草药基质中,有机磷农药降解效果普遍优于氨基甲酸酯农药。     

黄河三角洲土壤含水量状况的高光谱估测与遥感反演

为探讨利用近地高光谱和遥感影像数据结合预测土壤含水量的可行方法,以黄河三角洲垦利县为研究区,采用中心波长反射率和波段平均反射率两种拟合方法,利用室外实测高光谱窄波段反射率数据模拟Land Sat8卫星宽波段反射率,进而通过组合,选取敏感光谱参量,应用多元逐步线性回归方法分别建立土壤含水量高光谱单一形式波段组合与多形式波段组合估测模型,并选取最优估测模型。采用线性混合像元分解处理遥感影像,同时采用比值均值订正方法对遥感影像反射率进行订正,在此基础上,将模型应用到经过订正的Land Sat8卫星影像,实现了对研究区土壤含水量的遥感反演。结果表明,最佳模型是基于波段平均反射率拟合方法建立的多形式波段组合估测模型。从反演结果看较为符合研究区土壤含水量的实际状况。     

土地利用/覆盖及其变化的土水资源效应研究

土地利用/覆盖及其变化的土水资源效应是LUCC环境效应研究的重点。在分析土水资源以及土地利用与土水资源之间相互关系的基础上,对国内外土地利用/覆盖变化及其对土壤质量和水资源影响的研究现状进行回顾,指出LUCC土壤效应的研究主要集中在土壤养分和土壤侵蚀两个方面,LUCC水效应侧重水质、水量方面。在此基础上,提出了土地利用/覆盖变化土水效应研究中存在的侧重单项因素影响研究、反馈机制研究较少、综合动态模拟不够、研究尺度单一等问题,阐明了研究内容的综合性、研究尺度的多样性、研究方法的定量性等未来研究的趋势方向。     

黄河三角洲典型生态脆弱区土壤退化遥感反演

黄河三角洲是典型的生态环境脆弱区,土壤质量不高,盐渍化状况普遍,快速准确掌握该区土壤退化状况,对退化土壤恢复重建、可持续利用具有重要意义。该研究选择黄河三角洲垦利县为研究区,以2008年实测数据为依据,通过建立土壤退化评价指标体系,以参评因素权重与隶属度值加权组合构建土壤退化综合指数,在GIS支持下对土壤退化进行了综合评价;采用与实测同时相的TM影像数据,结合不同程度退化土壤光谱特征、土壤退化综合指数与波段灰度值的相关性分析,筛选土壤退化敏感波段,进而构建土壤退化敏感光谱指数,并建立基于敏感光谱指数的土壤退化综合指数反演模型,最终筛选出拟合程度最高的指数模型作为研究区土壤退化的反演模型,对模型进行精度分析,并利用2008年遥感影像验证反演结果;将该反演模型应用于2011年和2013年的遥感影像,并对研究区2008-2013年的土壤退化状况及动态变化进行了分析。结果显示:基于土壤退化综合指数评价结果,研究区土壤退化程度从沿海到内陆呈现由高到低过渡的趋势;TM1、TM2、TM3波段为土壤退化敏感波段,基于此3个波段组合的土壤退化光谱指数构建的土壤退化遥感反演模型有较高的精度,R2为0.7182,其验证均方根误差、相对误差和决定系数分别为0.0241、3.66%和0.6724,反演结果与同年基于实测数据的综合评价结果相一致;研究区2008-2013年土壤退化状况总体变化不大,有逐渐改善趋势。     

黄河三角洲典型区域冬小麦播种面积变化与土壤盐分关系研究

【目的】将土壤盐分含量与冬小麦分布变化结合,分析两者之间的时空关系,旨在探索土壤盐碱化对冬小麦种植的影响,为冬小麦生产决策提供科学依据。【方法】以黄河三角洲垦利县为研究区,采用2003年4月、2008年4月和2013年3月三期ETM影像,通过分析典型地物光谱曲线生成决策树模型,提取冬小麦分布信息,将各时相冬小麦种植分布提取结果做空间叠加,分析了近10年来冬小麦面积与分布的变化规律;并结合实地土壤盐分调查分析数据,分析了冬小麦种植面积变化与土壤盐分的关系。一方面,将垦利县冬小麦分布图分别与相应时相的土壤含盐量分布图进行空间叠加分析,并对叠加图的属性进行统计,对比分析冬小麦分布与土壤含盐量分布的关系。另一方面,通过叠加2008和2013年土壤盐分含量分布图,将盐分变化分为盐分升高区和盐分降低区,将其与同时段的冬小麦种植范围变化图进行叠加,分析土壤盐分含量变化对冬小麦分布变化的影响。【结果】1)垦利县冬小麦的分布具有明显的空间特征,主要分布在垦利县域西南部和东北部黄河沿岸两个区域,与土壤低含盐量区具有一致的空间分布特征。2)垦利县冬小麦种植面积呈现2003 2008时段大幅减少和2008 2013时段的少许增加趋势。3)冬小麦种植范围变化与土壤盐分含量的相关性极高,冬小麦种植无变化区域土壤含盐量都集中在1.52.5 g/kg之间,冬小麦种植增加区域的土壤盐分含量集中在2 3 g/kg,而冬小麦种植减少区的土壤盐分含量都在3 g/kg以上,即超过3 g/kg的土壤含盐量已不再适合冬小麦的生长。4)2008 2013年垦利县冬小麦分布区域变化显著受到土壤含盐量的变化。在土壤含盐量降低的小麦区域中,冬小麦种植增加区和不变区的面积占98.07%,而在土壤含盐量升高的小麦区域中,冬小麦种植减少的面积占84.54%。【结论】冬小麦种植范围及其变化显著受到土壤盐分状况及其变化的影响,冬小麦种植减少区的土壤盐分含量都在3 g/kg以上,且随着土壤含盐量的升高冬小麦种植面积骤减,3 g/kg的土壤含盐量是适合冬小麦生长的上限,土壤含盐量调控是维持和扩大冬小麦种植范围的关键手段。     

OLI与HSI影像融合的土壤盐分反演模型

土壤盐渍化问题是黄河三角洲地区主要的土地退化问题,借助遥感技术快速、准确地掌握土壤盐渍化信息,对农业可持续发展具有重要意义。该文以黄河三角洲垦利县为研究区,利用超球体色彩空间变换算法,将环境一号卫星HSI高光谱影像与Landsat 8 OLI多光谱影像进行融合,选择土壤盐分的特征波段,结合土壤盐分的实测数据,建立统计分析模型(多元线性回归、偏最小二乘回归)和机器学习模型(BP神经网络、支持向量机和随机森林),对土壤盐分进行遥感反演。结果表明:OLI影像的统计分析模型和机器学习模型精度均较低,精度最高的随机森林模型相关系数仅为0.570;HSI影像的反演模型精度高于OLI,BP神经网络模型相关系数为0.607;融合影像反演模型精度明显高于HSI影像和OLI影像,土壤盐分含量的实测值与机器学习模型预测值具有良好的相关性,BP神经网络模型、支持向量机模型和随机森林模型的决定系数R~2分别达到0.966、0.821和0.926,模型反演精度较高。研究表明,多光谱和高光谱影像融合能显著提高土壤盐分遥感反演精度,机器学习模型的反演效果明显优于统计分析模型。研究结果对黄河三角洲典型地区的土壤盐分反演具有积极的理论和实践意义。     

基于相邻轨道图像的冬小麦面积提取及长势分析

冬小麦是我国北方主要农作物之一,及时掌握冬小麦面积信息及长势情况,能够快速地为农业生产管理者以及财政部门提供决策依据,有利于小麦增产、提高农民收入。本文以山东省滨州、东营市为研究区,通过主成分分析、监督及非监督分类结合的方法提取ETM+遥感影像的冬小麦信息,以SPSS聚类分析法估测滨州市冬小麦长势,用距离加权法构建相邻轨道图像的植被长势分级模型并估测东营市的冬小麦长势。结果显示:小麦提取平均精度约为93.79%,冬小麦分布呈现"西多东少,南多北少"的特征,一般小麦分布较多的地区长势也较好。基于重叠区距离加权法构建的植被长势分级模型,能够在一定程度上消除相邻轨道遥感图像的时间差异,实现大区域的植被长势分析。     

基于相邻轨道图像的冬小麦面积提取及长势分析

冬小麦是我国北方主要农作物之一，及时掌握冬小麦面积信息及长势情况,能够快速地为农业生产管理者以及财政部门提供决策依据，有利于小麦增产、提高农民收入。本文以山东省滨州、东营市为研究区，通过主成分分析、监督及非监督分类结合的方法提取ETM+遥感影像的冬小麦信息，以SPSS聚类分析法估测滨州市冬小麦长势，用距离加权法构建相邻轨道图像的植被长势分级模型并估测东营市的冬小麦长势。结果显示：小麦提取平均精度约为93.79%，冬小麦分布呈现“西多东少，南多北少”的特征，一般小麦分布较多的地区长势也较好。基于重叠区距离加权法构建的植被长势分级模型，能够在一定程度上消除相邻轨道遥感图像的时间差异，实现大区域的植被长势分析。