基于高光谱特征的盐渍化土壤不同土层盐分离子含量预测

为了利用高光谱技术准确预测不同土层土壤盐渍化程度,该研究以宁夏银北地区不同层次土壤为研究对象,以土壤实测光谱数据和室内盐渍化指标测定数据为基本信息源,系统分析不同类型盐渍化土壤光谱特征,确定与土壤pH值、电导率(electricconductivity,EC)和可溶性盐分离子相关性最强的反射率转换方式,筛选0～5 cm和0～20 cm土层盐分指标敏感波段,然后建立并验证不同土层不同土壤盐分指标的预测模型。结果表明:研究区不同类型、不同盐渍化程度土壤光谱特征曲线变化趋势相似,盐土光谱反射率最高,轻度硫酸盐型土壤反射率最低。在所有盐分指标中,单波段反射率与0～5 cm土壤SO42-的相关性最强(相关系数为0.910 4);反射率与CO32-、HCO3-、Cl-含量相关性不显著。土壤单波段反射率与0～20 cm土层SO42-的平均相关系数比0～5 cm土层降低了0.232 2,但Cl-、K+、HCO3-和EC的相关系数都有所增大。反射率通过不同方式转换后,敏感波段与各盐分的相关性有不同程度的增强,尤其是一阶微分和连续统去除后一阶微分转换。在0～5 cm土层反射率经过平滑后一阶微分转换后与土壤pH值、SO42-、K+、Mg2+相关性最强;反射率经平滑后连续统去除一阶微分转换与土壤EC、CO32-、HCO3-、Cl-、Na+、Ca2+的相关性最强。0～20 cm土层中,平滑后连续统去除一阶微分与土壤pH值、Cl-相关性最强,平滑后倒数对数一阶微分与EC、HCO3-、SO42-、Na+、Ca2+的相关性最强,而平滑后一阶微分与CO32-、K+、Mg2+相关性最强。不同土层相同盐分指标敏感波段不同。利用偏最小二乘回归建立的预测模型中,0～5 cm和0～20 cm敏感波段对10个盐分指标预测平均决定系数分别为0.820 8和0.890 7,其中0～5 cm敏感波段对SO42-的预测模型决定系数达0.967 6。采用逐步回归与偏最小二乘回归相比模型引入敏感波段减少,但R2降低。验证结果表明模型对0～20 cm土层SO42-和CO32-的预测能力不及0～5 cm;但对其他8个盐分离子的预测能力明显高于0～5 cm。研究结果可以为该地区土壤的盐渍化信息预测及植物格局配置提供科学依据。     

基于光谱指数优选的土壤盐分定量光谱估测

[目的]探索基于光谱指数的盐渍土盐分估测的最佳技术路线,为研究区土壤盐分定量、快速遥感监测提供理论基础和技术参考。[方法]以山东省垦利县为研究区,野外采样,获取盐分及其主要离子(Cl-,Na+,Ca2+)含量及高光谱数据;然后采用2种思路:(1)先选取敏感波段,进而构建常见的5种光谱指数;(2)先任意两波段组合构建光谱指数,进而筛选敏感光谱指数。最后皆采用随机森林方法(random forest,RF)构建土壤盐分及其主要离子的光谱模型。[结果]基于筛选的敏感亮度指数(1 750,1 620nm)的RF模型精度最高,作为研究区土壤盐分的最佳估测模型,亮度指数作为最佳光谱指数;思路(2)明确的特征光谱范围涵盖思路(1)筛选的敏感波段,更有利于光谱特征分析;思路(2)建模的结果明显优于思路(1);确定最佳技术路线为:任意波段两两组合构建光谱指数后,利用相关分析筛选土壤盐分及其主要离子的敏感光谱指数,进而构建其RF模型。[结论]该技术路线适用于黄河三角洲地区土壤盐渍化信息的有效提取。     

盐渍化土壤光谱特征的区域异质性及盐分反演

该文通过分析中国新疆、浙江、吉林3个不同地区盐渍化土壤的高光谱特征,研究了盐渍化土壤高光谱特征的区域异质性,并对构建高精度的跨区域土壤盐分高光谱定量反演模型,应用25种数据处理方式来提高全局建模的精度,旨在提高具有光谱异质性土壤的盐分反演精度。结果表明:不同地区的盐渍化土壤,无论是反射率还是光谱曲线形态方面,均存在较明显的差异,但经过一阶微分处理后,光谱差异有所降低;对3个地区土壤盐分含量局部建模与全局建模的精度进行比较,在所选用的直线回归、主成分回归、多元线性回归、偏最小二乘回归4种建模方法中,全局建模精度均低于局部建模精度;不同地区盐渍化土壤的盐分敏感波段不一致,在所采用的25种数据处理方式中,SG3点一阶微分(savitzky golay)、SG5点一阶微分、SG7点一阶微分、线性基线校正+SG3点一阶微分、SG平滑+SG3点一阶微分、SG平滑+线性基线校正+SG3点一阶微分这6种数据处理方式对全局建模的建模精度有明显改善作用,模型的相对分析误差均达到2.0以上,其中以SG平滑+SG3点一阶微分为最佳,其决定系数、均方根误差、相对分析误差分别为0.80、0.43、2.23。研究结果为跨区域土壤盐渍化的航天高光谱遥感监测提供了一定的参考依据。     

基于野外高光谱的黄河三角洲滨海盐渍土盐分含量估测研究

为探索适合黄河三角洲滨海地区土壤盐分含量的快速准确估测方法,以黄河三角洲垦利县为研究区,采用野外原位土壤高光谱数据与室内实测土样盐分数据相结合的分析方法,进行土壤盐分估测研究。通过对土壤盐分高光谱反射率、一阶微分反射率与盐分含量进行相关性分析,筛选出土壤盐分敏感波段;通过波段组合构建并筛选出土壤盐分敏感光谱参量;通过对敏感波段进行主成分回归建模、多元逐步线性回归建模和运用光谱参量建模,筛选出最佳的估测模型。结果显示:一阶微分可放大样品间的光谱特征差异,提高了相关性;波段组合可消除部分背景因素影响,与盐分的相关性明显提高;利用敏感光谱参量构建的估测模型优于直接用敏感波段构建的模型,土壤盐分最佳估测模型为y=0.623-2003920.934*X507*X772+0.259*(X512+X1093)-469.717*X772/X512,R2为0.591,验证R2为0.556,RPD为1.624,RMSE为0.116,拟合度较好,稳定性较高。该研究为滨海区土壤盐分含量的野外高光谱估测提供了新的方法,同时为土壤盐分含量的高光谱定量研究提供理论和技术参考。     

基于高光谱遥感土壤有机质含量预测研究

高光谱遥感技术是土壤养分含量监测的一种先进手段,能及时、准确地监测滨海滩涂土壤养分的动态变化,对滨海湿地生态环境保护具有重要意义。以辽河三角洲滨海湿地滩涂为研究对象,在对地面高光谱数据与实验室样本理化性质分析的基础上,经过微分以及连续统去除法相关分析,分别建立了多元线性回归模型和偏最小二乘法(PLSR)模型,并对模型结果进行分析、比较。结果显示,连续统去除法能有效的提高有机质含量与光谱反射率之间相关性,基于此变换所建立的多元线性回归模型R2达到了0.7545,RMSE为1.2216;偏最小二乘模型R2达到了0.8792,RMSE为1.2299。所建模型具有预测土壤有机质含量的潜力,其中偏最小二乘法优于多元线性回归法。     

基于光谱变换的高光谱指数土壤盐分反演模型优选

该文探索基于光谱变换建立光谱指数,进而建立土壤盐分反演模型的可行性。运用倒数、导数、对数等15种光谱变换对土壤含盐量进行反演,并利用原始光谱的波段反射率构造光谱指数对土壤盐分进行建模。在15种高光谱变换中,一阶微分R'和一阶对倒数(log1/R')变换下土壤盐分估算模型的精度较高。但总体而言,基于单一光谱变换和光谱指数的模型模拟精度均较低。采用光谱变换建立光谱指数,并进一步建立土壤盐分反演模型,结果表明,基于(log1/R')光谱变换构建归一化植被指数,然后建立的土壤盐分精度最高,经验证,其R2为0.89,均方根误差为3.34 g/kg,高于单一方法构建的模型,可为半干旱地区土壤盐分反演提供参考。     

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

摘 要：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量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。     

基于不同光谱变换的土壤盐含量光谱特征分析

跟踪初生盐渍土壤的微生物修复实验,采用同步实测得土壤盐含量和光谱数据,详细分析了基于34种光谱变换,修复过程中盐渍土的光谱特征。对于选取的6种光谱变换,采用全波段(400~1650 nm)和分析获得的最佳敏感波段分别建立了土壤盐含量的光谱反演PLSR(partial least squares regression)模型。研究表明,光谱变换处理使土壤盐含量与平滑后的光谱反射数据的相关性明显增强,且最佳敏感波段范围进一步聚焦。本研究得到最佳光谱变换为导数变换,基于全波段的土壤盐含量预测模型以SGSD变换效果最好,与原始光谱相比,模型的r、RMSEP分别从0.537和1.928改善到0.823和1.256。而SGSD(Log R)是基于最佳波段所建立的盐含量预测模型的有效光谱变换方法,该研究为进一步实现盐渍土中盐含量快速定量分析提供了方法和数据参考。     

基于ANN技术和高光谱遥感的盐渍土盐分预测

土壤盐渍化是干旱、半干旱农业区主要的土地退化问题,及时、精准、动态地监测盐渍土盐分,对于治理、防治盐渍土和进行农业可持续发展至关重要。以松嫩平原西部长岭县为例,利用盐渍土高光谱数据构建盐渍土盐分遥感预测模型。电导法测得土壤盐量,用ASD高光谱仪野外采集高光谱数据,利用光谱导数变换选择能够表征盐渍土盐分信息的最佳波段,即550、720、760、820和940 nm。通过比较3层和4层72种不同神经网络结构,最终选择5-6-1 结构的3层神经网络预测盐渍土盐分（R2 = 0.895,RMSE = 0.089）。与传统回归相比（R2 = 0.81,RMSE = 0.25）,运用高光谱数据与人工神经网络方法相结合,能够提高盐渍土的预测精度,说明人工神经网络在构建光谱反射率与土壤参数关系研究中具有突出优势。     

基于野外VIS-NIR光谱的土壤盐分主要离子预测

为明确干旱区土壤盐分主要离子的特征光谱,建立精度高和稳定性好的盐渍土预测模型,以新疆阜康市为研究区域,采用网格法采集55个土壤样本,利用实测VIS-NIR光谱,选择多元线性回归(MLR)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)法构建土壤盐分主要离子含量反演模型,而后对反演精度进行检验。结果显示:(1)在0.01显著水平下,土壤盐分与Na⁺、Cl^–、Ca²⁺含量均呈显著相关,相关系数分别为0.978、0.814、0.645;(2)综合光谱响应和相关性分析确定土壤盐分主要离子的特征波段为459、537、1 381、1 386 nm,显著特征波段为459、537 nm;(3)3种模型拟合效果从高到低依次为RF>MLR>SVM,采用RF所建模型盐分主要离子(Na⁺、Cl^–、Ca²⁺)R²最高,RMSE最小,RPD最大,分别为2.11、2.03、1.80,为最优预测模型。通过选取土壤主要离子显著特征波段,进而采用RF法构建其估测模型...     

基于光谱分析的土壤游离铁预测研究

土壤游离铁含量的高低可作为土壤系统分类中判断土壤类型的诊断指标,同时也对土壤风化程度具有指示作用,并在一定程度上反映了土壤的成土环境。本研究调查了安徽宣城的91个土壤剖面,共398个土壤样品,采集了样品在350~2500 nm波段的漫反射光谱数据,并对游离铁含量进行化学分析。光谱数据包括反射率(R)、反射率一阶导数(FDR)和吸收度(Log(1/R))3种形式。本文采用偏最小二乘回归算法(PLSR)和反向神经网络(BPNN)建模预测游离铁含量,并分析不同形式光谱数据的建模预测效果。结果表明:当存在游离铁20 g/kg的样本时,传统建模方法不能准确预测游离铁含量(R20.6,RPD1.5),相对R和Log(1/R)两种光谱数据,以FDR作为自变量建模预测游离铁含量的效果最差。     

基于土壤光谱特征的宁夏银北地区盐碱地盐分预测研究

对宁夏回族自治区银北地区盐碱地野外土壤表层光谱反射率和土壤全盐及盐分进行定量分析,筛选出各土壤盐分指标的敏感波段,然后采用全回归和逐步回归的方法建立各盐分的预测模型。结果表明：表层土壤高光谱反射率r,及其平滑去嗓处理后的值R,lg(R)与全盐含量呈极显著正相关关系,1/R,lg(1/R)与全盐呈极显著负相关关系,(R)'和〔lg(1/R)〕'在特定单波段处表现较佳;土壤表层光谱反射率与CO₃^2-的相关性最强,其次是SO₄^2-;土壤光谱反射率与Na⁺的相关性在各种变换方法下均较强,其次为Mg²⁺,与Ca²⁺的相关性最弱。基于R的逐步回归方程为全盐含量预测的最佳模型;基于土壤光谱反射率拟合土壤CO₃^2-的准确度略高于对土壤HCO₃^-;敏感波段估测土壤SO₄^2-含量的决定系数明显高于其他阴离子;采用〔lg(1/R)〕'逐步回归得到的方程拟合土壤Na⁺,K⁺和Mg²⁺含量相对于其他变换方式效果更理想。预测模型中对土壤全盐和Na+的模型精度较高,预测能力强;光谱对土壤SO₄^2-和Mg²⁺的预测能力也较强;对土壤Cl^-和Ca²⁺的预测稳定性、预测能力和精度都较差。     

不同覆砂厚度对土壤水盐运移影响的实验研究

采用室内土柱模拟试验,研究了不同覆砂厚度条件下土壤潜水蒸发及蒸发后盐分(EC)分布特征,并就覆砂厚度对土壤水盐运移的影响进行了分析。结果表明:覆砂厚度对潜水蒸发的抑制率有显著效果,且抑制率随覆砂厚度的增加而升高,如当覆砂厚度1.7 cm时抑制率达到83%,当覆砂增加到3.6 cm和5.7 cm时,抑制率分别为95%和97%;土壤表层覆砂具有显著的抑盐效应,通过覆砂明显的减轻了土壤盐分向上运移和表聚,如当覆砂厚度1.7 cm时,表层盐分抑制率达到83%,当覆砂厚度为3.6 cm与5.7 cm时,盐分抑制率则分别上升到96%和97%。本试验表明,土壤表层覆砂是一种防止土壤水分蒸发,提高土壤保水能力和抑制土壤盐分表聚的有效方法,覆砂厚度达到3.6 cm是一种在新疆北疆绿洲合理覆砂厚度。     

不同含盐量土壤盐分对蒸发的影响试验研究

土壤地表蒸发是一个复杂的过程,它的正常进行受到诸多因素的影响,其中土壤盐分是蒸发的主要影响因素之一。以内蒙古河套灌区永联试验站含盐土壤为例,通过室内试验盐分含量分别为0.2%、0.6%、1.0%、5.0%的土壤水分、盐分的变化以及对蒸发的影响进行了分析。试验结果表明:实验进行的初始阶段土壤剖面中含水率变化是比较显著,地下水补给对土壤蒸发的影响较大,实验持续到第15天之后随着土壤含水率的稳定变化,土壤蒸发量慢慢下降,这个时间段土壤水分迁移主要被土壤盐分控制。实验开始的前一段时间土壤水分对盐分的影响不太明显,实验持续到15天之后,尤其是,土壤表层形成盐壳之后,土壤水分对含盐量的影响以及盐分对水分的相应反馈比较明显。同一个时间来看,盐分含量高的土壤水分比较低。不同盐分含量的土壤中随着含盐量的增加,土壤蒸发速率减小。通过分析可知土壤含盐量与蒸发量具有很好的相关性,盐分越高,相关性越好。     

基于实时含水率数据的土壤墒情动态建模及预测

实时准确地预测墒情是进行灌溉预报,实现农田水分精准化管理,提高水分利用效率的重要措施。基于根区（0−60cm土层）水量平衡原理,利用泰勒级数对根区下界面水分通量和作物蒸腾量进行了线性化处理,并以实时根区平均土壤含水率为自变量构建了动态的土壤墒情预测模型。采用天津市武清区西吕村无线土壤墒情监测系统（包含3个监测点）实时监测数据（地表下30cm和60cm处的土壤含水率）,分别选取5d、10d、15d和20d作为建模系列长度进行回归分析,确定模型参数,对10d和15d两种预见期进行了土壤墒情预测精度分析。结果表明：（1）实时预测模型拟合程度较好,三种建模系列长度条件下的确定性系数均达到0.80以上（样本数均大于550）;（2）15d建模系列长度下相对误差最小;（3）15d建模系列长度、15d预见期、10%相对误差界限值条件下,3个监测点的墒情预测合格率分别达到98%、100%和89%。由此可见,研究提出的实时墒情预测模型预测精度较高,便于建模分析,为土壤墒情的预测提供了新方法。     

土壤含盐量与土壤电导率及水分含量关系的试验研究

应用不同盐分含量土壤，进行了土壤电导率与土壤含盐量关系的试验研究，获得了不同含盐量土壤的电导率随水分含量变化的规律，并且建立了土壤含盐量与土壤电导率及水分含量的关系．本文所用方法简便可行，试验结果具有较高精度．本研究为较精确测定土壤含盐量及快　速进行较大规模盐渍土壤调查提供了一种较佳方法．     

基于Munsell颜色的土壤游离铁预测研究

土壤颜色和游离铁均是土壤系统分类中的指标,两者之间具有一定的关系,但迄今关于两者之间定量关系的报道甚少.以川中丘陵区典型土系为研究对象,通过定量分析其Munsell颜色与游离铁含量间的关系,尝试利用Munsell颜色建立的BP神经网络模型反演土壤游离铁含量,并与利用反射光谱模型反演的土壤游离铁含量进行比较.结果表明,M...     

基于双时相卫星遥感光谱指数估算土壤有机质含量

以黄淮海平原典型县——封丘县为研究区，探讨了在一年两熟、裸土时间窗口较短的区域中，基于两景影像波段组合构建的双时相光谱指数在有机质含量预测中的表现。研究共计采集117个代表性土样，以分析筛选出的裸土期(10月)内双时相(获取时间：2014年10月6日和2017年10月30日)高质量Landsat 8卫星影像作为数据源，构建了4种类型的光谱指数：比值光谱指数、差值光谱指数、归一化光谱指数以及优化光谱指数，并结合最小绝对收缩和选择算子变量筛选方法和支持向量机算法建立了有机质预测模型。留一交叉验证结果表明，与直接使用影像波段反射率或者基于单景影像构建的光谱指数(单时相光谱指数)相比，利用双时相光谱指数可以更好地利用时相信息优势，其有机质预测精度更高(R2=0.53,RMSE=2.01 g/kg)。而且，基于双时相光谱指数所构建的预测模型得到的有机质空间分布格局与真实值较为吻合。可见，本文提出的在黄淮海平原典型县域利用双时相光谱指数预测土壤有机质的方法，可以促进具有短裸土期特点区域的高分辨率土壤属性遥感预测与制图研究。     

土壤盐分空间分异研究方法及展望

系统地总结和探讨了土壤盐分空间分异的静态和动态研究方法、特点及其发展 ,展望了今后土壤盐分空间分异研究方法的发展方向 ,并从科研和应用的角度探讨了这些方法     

基于样本分级的土壤属性自适应回归拟合方法

精细土壤属性信息在诸多领域均具有广泛的应用,历来倍受关注。现有土壤属性预测方法具有适用性不强或需要大量人工经验和专家知识等缺点,限制了这些方法在实际应用中的推广。本文提出了一种土壤属性自适应预测方法,可分为4步:①对采样点进行分组处理;②利用回归模型构建各分组内土壤属性与主导环境因子之间的典型关系;③对分组方案进行自动优化;④利用各组对应的土壤–环境因子典型关系对研究区进行优化拟合预测。为了验证方法的有效性,本文在我国东北典型黑土区以土壤有机质含量为例进行了应用研究,结果表明:所提方法可对环境因子做出自动选择,并可通过优化拟合对土壤属性空间分布进行自适应预测,预测精度较高。本方法初步实现了土壤属性预测的自动化,具有较好的适用性。