不同盐结皮光谱特征及其盐渍化信息预测研究

盐碱地是我国重要的后备耕地资源,及时、准确获取土壤盐渍化信息,对治理盐碱地、防止其进一步退化和促进农业可持续发展至关重要。以宁夏银北地区不同盐结皮土壤为研究对象,运用土壤学和地统计学方法,以土壤野外原位光谱数据和室内盐分指标测定数据为基本信息源,系统分析不同盐结皮光谱特征,确定对结皮层pH值、EC和盐分离子最敏感的土壤光谱反射率转换形式、波段和光谱盐分指数,进而建立并验证基于敏感盐分指数的盐分指标预测模型。结果表明:研究区白碱结皮光谱反射率在450～1050 nm最高,马尿碱结皮次之,黑油碱结皮最低。通过野外光谱反射率可以将研究区主要盐结皮类型进行分类。反射率平滑后再经过一阶微分、倒数对数一阶微分、连续统去除和连续统去除一阶微分转换后最大相关系数比只作平滑处理的反射率显著增大。与pH值、EC、CO_3~(2-)和Mg~(2+)相关性最强的转换方式是连续统去除一阶微分,与SO_4~(2-)、Ca~(2+)和K~+相关性最强的转换方式是倒数对数一阶微分,与HCO_3~-和Cl~-和Na~+相关性最强的转换方式是一阶微分。整体上连续统去除一阶微分与各盐分指标的相关性最强。整体来看,盐分敏感区域在蓝光450、470、485 nm附近、绿光501、575 nm附近、红光680 nm附近和近红外多个波段。与各盐分指标最强相关性盐分指数:pH值为盐分指数S1(Salinity index);Cl~-、K~+为盐分指数SI3(Salinity index 3);SO_4~(2-)、Mg~(2+)为盐分指数S2(Salinity index);EC、HCO_3~-及Na~+为盐分指数S3(Salinity Index);CO_3~(2-)、Ca~(2+)为盐结皮指数SCI(Soil curst index)。除土壤CO_3~(2-)外,利用敏感盐分指数可以准确预测土壤结皮层pH值、EC和其他盐分离子,其中对Na~+的拟合度最大。该研究可以为银北地区不同盐结皮土壤分类及盐渍化信息的准确预测提供科学依据。     

基于高光谱的黑土区土壤重金属含量估测

以黑龙江省讷河市采集的80份黑土样品和高光谱实测数据为数据源,对黑土中铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)重金属元素的光谱反射率及其特征变化进行研究,分析了光谱反射率、光谱反射率一阶微分变换、光谱反射率连续统去除变换、光谱反射率连续统去除一阶微分变换与元素铜、锌、锰含量的相关性,并利用相关系数法提取敏感波段。利用核主成分分析(Kernel principal component analysis,KPCA)方法对高光谱敏感波段数据进行降维及特征提取,将特征信息作为极限学习机(Extreme learning machine,ELM)模型建模的样本数据,构建KPCA-ELM估测模型,进行黑土重金属含量的定量估算。结果表明:KPCA具有较强的非线性特征提取能力,可以有效地选择最佳变量集合,KPCA-ELM模型预测土壤元素含量效果理想,3种重金属元素含量估测的决定系数均达到0.6以上,其中,锌元素预测精度最高,决定系数和均方根误差分别为0.805和3.275 mg/kg,比特征提取前模型预测精度优化了14.0%和18.5%,说明构建的KPCA-ELM模型是一种快速可行的重金属含量高光谱估测方法。     

基于FOD-ML的干旱区土壤有机质含量估算

为探究基于分数阶微分(fractional order derivative, FOD)预处理的光谱反射率与土壤表层有机质含量之间的响应机制,以新疆乌鲁木齐县安宁渠镇土壤冠层光谱为数据源,采用G-L分数阶微分方法对高光谱数据进行0～2.0阶次(间隔0.2)预处理,并利用任意波段组合算法,计算基于分数阶微分预处理光谱的比值光谱指数、归一化光谱指数和差值光谱指数,通过竞争性自适应重加权(CARS)算法筛选土壤有机质含量的敏感波段及光谱指数等,与3种机器学习(machine learning, ML)算法(ANN、KNN和SVM)相结合,构建基于分数阶微分和机器学习方法的土壤有机质含量估算模型,并进行模型验证。结果表明：基于0～2.0阶次的两波段光谱指数与土壤有机质含量之间均呈现极显著相关,基于原数据和0.2阶预处理的NDVI和RVI相关性系数r超过0.80。该研究基于0.2阶NDVI指数的K近邻算法模拟土壤有机质含量能力表现最佳,估算模型精度分别为决定系数(R²)为0.73,均方根误差(RMSE)为2.11 g/kg,相对分析误差(RPD)为2.23。为遥感技术提供理...     

基于光谱FOD与优化指数的银川平原土壤有机质含量反演

土壤有机质（SOM）是土壤肥力的重要组成部分,是作物生长的主要养分来源。为探究分数阶微分（FOD）联合优化光谱指数对低肥力地区SOM的反演效果,以银川平原为研究对象,对野外土壤高光谱反射率原始数据进行0~2阶FOD处理（间隔0.2阶）,构建优化光谱指数DI/RDI、DI/NDI、NDI/RDI、RDI/NDI、DI/GDI和RI/GDI,分析各指数与土壤有机质含量间的二维相关性,筛选出最佳优化光谱指数,并建立基于支持向量机（SVM）的SOM含量反演模型。结果表明：银川平原SOM含量整体偏低,其中93.05%处于四级到六级水平。土壤野外原始光谱反射率吸收特征差异明显,在1400、1900nm处有明显吸收峰。随着分数阶的不断增加,光谱反射率不断趋近于0。土壤DI/NDI、DI/GDI、RI/GDI、NDI/RDI和RDI/NDI在0~2阶最大相关系数绝对值（MACC）均小于0.80,DI/RDI在0.2~2.0阶范围内的MACC为0.9965~0.9986,其敏感波段主要集中在1450~1750nm和2100~2400nm之间。基于0.2阶微分处理的DI/RDI-SVM模型对SOM的反演精度最佳,建模决定系数R2c和验证决定系数R2p分别为0.98和0.99,相对分析误差（RPD）为4.31。研究结果可为低肥力地区的SOM含量快速、准确反演及制图提供科学依据。     

北京地区粘壤土全氮含量的光谱预测模型

为实现快速准确地测量土壤的全氮含量,以北京地区粘壤土为样本,对其进行化学测量和光谱分析。利用波长为350~2 500 nm的光谱数据与实际测得的全氮含量进行相关性分析,选取相关性最大的特征波段构建土壤全氮含量的估算模型。将原光谱反射率和吸光度分别进行一阶微分、二阶微分变换,力求建立精准优化的土壤全氮含量预测模型。结果表明:反射率和吸光度与土壤全氮含量的相关性低,无法用于构建土壤全氮含量预测模型。在其他变换形式中,反射率二阶微分和吸光度二阶微分与土壤全氮含量的相关性最显著,相关系数的绝对值最大分别为0.868和0.846。相关性最大的特征波段为425~527 nm、819 nm、1 390~1 391 nm和2 200~2 219 nm。采用一元线性回归和多元逐步回归建立预测模型,最终得到土壤全氮含量最优估算模型以吸光度二阶微分为自变量的多元逐步回归模型,说明光谱结合多元逐步回归法预测土壤全氮含量的方法是可行的。最优模型决定系数R2为0.829,统计量F为86.377,均方根误差RMSE为0.104。该模型可用于预测北京地区粘壤土的土壤全氮含量。     

基于连续统去除法的冬小麦叶片全氮含量估算

以陕西省关中地区冬小麦小区试验为基础,获取不同生育期冬小麦的冠层高光谱数据,提取其连续统去除光谱和7类吸收特征参数,对比原始冠层光谱和连续统去除光谱对叶片氮含量的响应,分析连续统去除光谱吸收特征参数对叶片氮含量的估算能力。结果表明:连续统去除光谱在721~727 nm波段与叶片氮含量呈极显著负相关,相关系数为-0.851;吸收特征参数增强了对叶片氮含量的估算能力,400~550 nm波段吸收特征参数与叶片氮含量的相关性弱于550~770 nm波段;叶片氮含量与550~770 nm和400~770 nm的吸收峰总面积、吸收峰左面积以及吸收峰右面积呈显著正相关,与面积归一化最大吸收深度呈显著负相关,且相关系数绝对值均在0.8以上;550~770 nm波段的吸收峰总面积建立的叶片氮含量指数估算模型精度最高,R2达到0.82,模型检验结果稳定,可用来定量估算冬小麦叶片氮素含量水平。     

基于CWT-sCARS的东北旱作农田土壤有机质高光谱反演

精准高效获取不同类型土壤的有机质含量,对促进东北土壤退化防治和耕地质量提升有重要意义.本研究以东北旱作农田典型土壤类型为研究对象,采集了黑土、黑钙土、潮土和棕壤共118个土壤样品,采用倒数对数、一阶微分、连续统去除和连续小波变换分别对其光谱曲线进行预处理.通过稳定性竞争自适应重加权采样(sCARS)算法筛选敏感波段,并...     

基于分数阶微分和最优光谱指数的大豆叶面积指数估算

高光谱遥感技术可对作物生长状况进行无损、高效地监测，是推动现代精准农业发展的必要手段。以不同施氮水平与覆膜处理下的开花期大豆叶面积指数(Leaf area index, LAI)为研究对象，对原始开花期大豆高光谱反射率数据进行0～2阶微分变换处理(步长0.5),并筛选出各阶光谱指数中与开花期大豆LAI相关性最高的指数作为最优光谱指数进行输入，采用支持向量机(Support vector machine, SVM)、随机森林(Random forest, RF)、遗传算法优化的BP神经网络(BP neural network optimized by genetic algorithm, GA-BP)3种机器学习方法构建大豆LAI预测模型。结果表明：0～2阶光谱指数与大豆LAI相关系数平均值分别为0.616、0.657、0.666、0.669、0.658,相比于原始与整数阶高光谱反射率，分数阶微分变换处理后的高光谱反射率构建的光谱指数与开花期大豆LAI具有更强的相关性；相关系数平均值最高的1.5阶微分处理最优光谱指数波长组合分别为：TVI(687 nm, 754 nm)、DI(687 n...     

竹叶片氮含量高光谱估测方法对比研究

为实现快速无损检测竹叶片氮含量,采用波长范围为350~2500nm的地物光谱仪获取竹叶片光谱数据,以金镶玉竹叶片为样本,对其进行高光谱分析。将高光谱原始反射率及其一阶微分、对数一阶微分和二阶微分值,与化学法测量的竹叶片氮含量值进行了相关性分析,分别获得了不同微分变化下的特征波段;基于微分变换后的高光谱反射率数据,分别采用二元线性回归、多元逐步回归、偏最小二乘回归和基于主成分分析的BP神经网络方法,建立了4种金镶玉竹叶片的氮含量高光谱估测模型。对比4种估测模型的校验结果表明,在光谱反射率的对数一阶微分变换下,采用拓扑结构为6-10-1的基于主成分分析的BP神经网络估测模型,校验环节决定系数为0.838,均方根误差RMSE为0.0452,具备较好的竹叶片氮含量估测效果。     

基于无人机高光谱分数阶微分的马铃薯地上生物量估算

以马铃薯为研究对象,利用无人机得到现蕾期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期的高光谱数据,实测了地上生物量（Above ground biomass,AGB）数据。首先,利用成像高光谱影像提取每个生育期马铃薯冠层高光谱反射率数据;然后,利用分数阶微分计算高光谱0~2阶微分（间隔0.2）,将各阶微分下的光谱数据与地上生物量进行相关性分析,挑选出相关系数绝对值较大的前9个微分波段;最后,利用多元线性回归（Multiple linear regression,MLR）、随机森林（Random forest,RF）和人工神经网络（Artificial neural network,ANN）3种方法构建基于分数阶微分光谱的整体、不同品种、不同密度和不同施肥下的马铃薯AGB估算模型,并进行了对比。结果表明：各生育期相关系数绝对值最大值出现的阶数不同,现蕾期为0.8阶微分（470nm）;块茎形成期为1.8阶微分（710nm）;块茎增长期和淀粉积累期为1.6阶微分（718、722、766nm）;成熟期为1.0阶微分（622nm）。相较于整数阶微分,高光谱分数阶微分与AGB的相关性更高,分数阶微分可以提高马铃薯AGB的估算精度。分析了不同生育期整体、不同品种、不同密度和不同施肥下的马铃薯AGB估算模型,3种方法中以9个微分波段为因变量的AGB估算在块茎增长期表现效果最好,利用MLR方法得到的模型精度最高、稳定性最强,其次为RF模型,ANN模型表现效果最差。不同生育期利用3种方法构建的AGB估算模型精度由大到小依次为块茎增长期、块茎形成期、淀粉积累期、现蕾期、成熟期。     

渭-库绿洲土壤剖面盐分分布特征及驱动因子分析

[目的]监测渭-库绿洲土壤盐渍化的空间分布特征,探究驱动因子作用机理,对当地因地制宜进行土壤盐渍化调控。[方法]采用决策树、克里金插值和灰色关联度分析研究了渭-库绿洲土壤盐渍化的剖面分布特征,着重分析了样本点海拔、植被覆盖度、地下水位、TW( I 地形湿度指数)、地下水矿化度5个驱动因子对土壤盐渍化的影响。[结果]①研究区表层土壤(0~10 cm)属于重度盐渍化土壤,10~20、20~40、40~60 cm各深度剖面土壤属于中度盐渍化土壤。土壤EC1:5有强的空间变异性,其分布格局受灌溉等人为驱动因素的影响较大。②绿洲内部(即耕作区)表层土壤属于非盐渍化区域,绿洲东部10~20、20~40、40~60cm土层有轻、中度的盐渍化现象。绿洲内部表层以下土壤盐分高于表层,绿洲存在潜在的盐渍化风险。耕作区外围绿洲-荒漠交错带区域各剖面层均属于盐渍化区域,随着剖面深度的增加,盐渍化程度在不断减弱。③样本点海拔、植被覆盖度、地下水位、TWI、地下水矿化度与土壤EC1:5的灰色关联度大小次序为:0~10 cm土层:地下水矿化度>TWI>样本点的海拔>植被覆盖度>地下水位;10~20、20~40 cm土层:地下水矿化度>样本点的海拔>TWI>植被覆盖度>地下水位。[结论]渭-库绿洲土壤盐渍化主要分布在绿洲-荒漠交错带区域,土壤盐分表聚强烈,地下水矿化度是造成该研究区土壤盐渍化问题的首要原因。     

基于Landsat 8的节水改造背景下盐渍化土壤含盐量反演

为探明沈乌灌域节水改造后因渠道衬砌、引排水量减少引起的土壤含盐量时空分布特征及变化规律,采用区域土壤信息定点监测,结合经典统计学、空间插值以及机器学习建模反演等技术手段,利用Landsat 8卫星获取光谱数据,通过对实测土壤含盐量、光谱指数及波段反射率进行处理,运用Adaboost回归、BP神经网络回归、梯度提升树回归、KNN回归、决策树回归、随机森林回归方法构建了沈乌灌域土壤含盐量空间反演模型。采用最优反演模型对沈乌灌域土壤含盐量空间分布特征进行了遥感反演。结果表明： 通过全变量单一回归法筛选出相关系数大于0.55的9个光谱因子,使用SPSS PRO软件构建6种机器学习反演模型,对比6种反演模型精度,验证集决定系数R2由大到小依次为随机森林回归、梯度提升树回归、Adaboost回归、KNN回归、决策树回归、BP神经网络回归。其中随机森林回归模型的拟合精度最佳,训练集与验证集的决定系数R2分别为0.834和0.86,说明随机森林回归模型的反演效果较好。反演结果表明：节水改造后非盐渍土面积增加391.7km2,占灌域总面积的21%,中度盐渍土面积、重度盐渍土面积、盐土面积分别减少95.61、63.37、45.7km2,分别占灌域总面积的5%、3%、2%。综上所述,节水改造工程完成后,沈乌灌域土壤盐渍化程度减轻,作物生长安全区面积增加,但由于渠道衬砌以及引排水量减少,土壤盐分淋洗效果减弱,土壤盐分在灌域内部运移,整体土壤环境得到改善,局部地区出现盐分聚集。     

基于电磁感应技术的区域三维土壤盐分空间变异研究

以孔雀河流域典型地带为研究区域,利用电磁感应式大地电导率快速测定技术探测获得表观土壤电导率数据,构建了基于电磁感应技术的区域尺度剖面分层土壤盐分精确解译模型,精准解译出研究区剖面土壤盐分含量信息,并以此为数据源采用三维普通克里格法解析并评估了研究区土壤盐分三维空间分布特征。研究表明,不同测量位数据的综合应用能够表征剖面土壤盐分信息,构建出的剖面分层土壤盐分解译模型具有较好的精度;研究区不同区位土壤盐分三维分布呈现明显差异;研究区土壤主体属中度以上盐渍化,局部地带属于重度以上盐渍化土壤,需采取有效治理措施对土壤盐渍化进行可靠防控。     

膜下滴灌不同盐度土壤棉田水盐运移规律研究

通过对棉田整个生育期的土壤盐分和土壤水分测定,研究不同盐度土壤膜下滴灌棉田不同土层水分和盐分变化及其对棉花生长的影响。结果表明,盐分在0～20cm土层降幅较大;40～80cm土层为膜下滴灌棉田盐分积聚区。整个生育期2种土壤盐分在前期(现蕾期)快速下降,后期有所增加,中度土壤和轻度土壤的各层平均含盐量都有着极显著的差异。中度和轻度盐渍化土壤在棉花整个生育期内平均土壤含水率变化无显著差异。中度盐渍化和轻度盐渍化棉田的单株干物质积累量在生长前期差异显著,后期不显著。     

盐碱地滴灌对新疆杨生长及土壤盐分分布影响

通过田间试验研究高垄覆膜滴灌模式下不同土壤基质势对盐碱地新疆杨生长以及土壤盐分分布的影响。试验设5个水平的土壤基质势处理：-5kPa（S1）,-10kPa（S2）,-15kPa（S3）,-20kPa（S4）,-25kPa（S5）,每个处理重复3次,按随机区组布置。试验结果表明,2009年生育末期,根系周围土体中的盐分比...     

盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响试验及数值模拟研究

【目的】探究盐分对季节性冻融土壤蒸发的影响规律。【方法】在内蒙古河套灌区开展了B1和B2二组不同含盐量下(B1:7.80 g/kg;B2:41.16 g/kg)的野外土柱蒸发试验,建立了考虑盐分影响(该影响由盐分阻抗和土壤表面阻抗体现)的冻融土壤蒸发数值模拟模型。采用土柱试验结果对模型进行了率定验证,并与SHAW模型进行了对比分析。在此基础上,应用该模型对9种不同含盐量(S1—S9:0、2.5、5、7.5、10、15、20、35、50 g/kg)下的冻融土壤蒸发进行了模拟。【结果】土壤含盐量不同导致的土壤蒸发强度差异显著,特别是在土壤冻结初期和融通期,土壤含盐量较低的B1土柱蒸发强度分别约是B2土柱的1.5倍和1.8倍;与SHAW模型相比,考虑盐分影响的冻融土壤蒸发模型能准确反映受盐分影响的冻融土壤蒸发过程,更适用于受盐渍化影响的季节性冻土区;冻融土壤蒸发量随含盐量增加呈现出先增后减的变化趋势,在含盐量为S6时,土壤蒸发量最大,为136.3 mm;相比无盐土S1,S2—S6的土壤蒸发分别增加了1.09%、13.68%、56.22%、73.73%和86.46%,而对比S6,S7—S9的土壤蒸发分别减少了10.20%、26.34%和42.55%。【结论】盐分对季节性冻融土壤蒸发影响显著,其作用为先促进后抑制,考虑盐分影响的冻融土壤蒸发模型可以提升盐渍农田蒸发的模拟精度。     

冲水洗盐对滨海盐碱地盐分变化的影响

【目的】改良盐碱地。【方法】通过引水冲刷的方法,研究盐碱地盐分因子的时空变化,采用常规理化分析方法对样点土壤的盐碱度进行分析,并比较土壤的阴阳离子和生态离子之间的相关性。【结果】随着冲洗的次数增多,土壤中SAR从11.87 mmol/L降到3.02 mmol/L,pH值(从8.47降到8.25,夏季盐碱因子量最低,而秋季为返盐期盐碱因子小幅增加;盐度量随着月份的增加而增加,10月份最大为8.30‰;EC和TDC呈先减小后增加的趋势,分别从982.67μS/cm到1 037.67μS/cm和491.33 mg/L到523.67 mg/L;上、中、下层土在不同月份间有差异。本试验盐碱离子主要是Na+、CL-构成,表现为CL->Na+>Mg2+>SO42->Ca2+>HCO3->K+>CO32-,SAR与Na+极显著正相关。【结论】减少土壤中Na+量对治理盐碱地具有极大的作用。     

基于地物高光谱和无人机多光谱的黄河三角洲土壤盐分机器学习反演模型

土壤盐渍化是限制黄河三角洲地区农业经济发展的重要因素,进一步阻碍了农业生产。为了探索无人机影像在地表无植被覆盖条件下的土壤盐分含量反演状况,以黄河三角洲典型区域为研究区,获取地物高光谱和无人机多光谱两种数据源与样点土壤盐分含量,通过优选敏感光谱参量,使用偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLSR）和随机森林（Random Forest,RF）两种机器学习算法建立土壤盐分含量反演模型,实现研究区的土壤盐分含量反演。结果表明：（1）高光谱1972 nm波段与土壤盐分含量间的敏感性最高,相关系数为-0.31。（2）两种不同数据源优化后的RF模型均优于PLSR,且稳定性更好。（3）基于地物高光谱的RF模型（R² =0.54,RMSEv＝3.30 g/kg）优于基于无人机多光谱的RF模型（R² =0.54,验证RMSRv＝3.35 g/kg）。（4）结合无人机影像采用多光谱RF模型对研究区耕地的土壤盐分含量进行反演,研究区总体以轻、中度盐渍化土壤为主,对作物的耕种具有一定程度的限制。本研究构建并对比了两种不同源数据的黄河三角洲土壤盐分反演模型,并结合各自数据源的优势进行优化,探索了地表无植被覆盖情况下的土壤盐分含量反演方法,对更精准反演土地盐渍化程度提供了参考。     

南疆干旱地区土壤盐分空间变异特征研究——以库尔勒三十一团为例

【目的】探明南疆干旱区土壤盐分空间分布特征和变异特征以及产生土壤盐分空间变异特征的原因。【方法】以库尔勒地区三十一团为例,采集该地区代表性的土壤样品,测试、分析了土壤样品不同土层的含盐量指标。【结果】①5个土层土壤含盐量均小于3 g/kg,均属于非盐化土;②5个土层土壤盐分的变异系数均属于中等变异性,其中0～20、40～60和80～100 cm接近于强变异性;③0～20 cm土层土壤盐分的半变异函数符合球状模型,20～40 cm土层土壤盐分的半变异函数符合指数模型,40～60、60～80和80～100 cm土层土壤盐分的半变异函数符合高斯模型;④研究区域土壤含盐量主要集中在1～3 g/kg之间,并且含盐量在2～3 g/kg土壤面积最大。【结论】研究区域土壤含盐量空间分布差异较大,各层土壤存在不同程度的盐渍化现象;土层的高盐分区主要集中分布在南北方向靠近沙漠、远离水库和地势较为低洼区域;垂直方向上,各层土壤含盐量差异不大。     

天津经济技术开发区绿地土壤盐分动态变化特征

【目的】掌握天津经济技术开发区土壤盐分的动态变化及分布情况,保证城市绿地的可持续性。【方法】通过长期定位监测,分析了研究区2007―2014年的土壤含盐量及pH值。【结果】研究区土壤含盐量整体上均呈逐年降低趋势,截至2014年3月研究区0～80 cm各层次土壤含盐量均在0.11%～0.14%之间,已经达到了滨海地区绿化种植土壤标准对土壤含盐量要求;土壤pH值整体随时间呈波动减小趋势,土壤pH值整体下降了0.33;研究区绿地土壤含盐量分布不均,但随着时间变化,研究区土壤总体的盐分水平分布的均一性有所提高,研究区土壤pH值分布较为均一。【结论】"暗管排盐"措施对天津经济技术开发区的绿地土壤盐分调控效果良好,但仍要加强对绿地土壤水盐动态的监测,减少土壤次生盐渍化的发生。