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。     

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。     

贵州南江3号烟叶全氮含量高光谱估算模型

为实现烟叶全氮含量快速无损检测,及时获取烤烟生长实时信息,以贵州喀斯特山区主栽品种南江3号为研究对象,利用地物高光谱仪采集烟叶高光谱,并测定其全氮含量,采用相关性和逐步回归方程分析全氮含量与原始光谱反射率、光谱反射率一阶微分、高光谱特征变量之间的关系。结果表明:全氮含量高光谱原始反射率的特征波长为702nm(r=—0.587),呈极显著负相关;光谱反射率一阶微分的特征波长为632nm(r=0.812),呈极显著正相关;绿峰与红谷比值Rg/Rr(r=—0.812)的相关系数较高;基于光谱反射率一阶微分的逐步回归方程对烟叶全氮含量的估测效果较好(R2=0.961,p0.01)。     

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。     

库尔勒香梨不同生育期叶片氮素光谱诊断研究

利用光谱仪(SVC HR-768)对树龄22年的库尔勒香梨叶片进行光谱反射率测定,采集并分析叶片全氮含量。采用逐步回归法分析库尔勒香梨叶片全氮含量与叶片原始光谱反射率、一阶微分光谱反射率的相关性,并建立叶片全氮含量估测模型。结果表明:不同生育期库尔勒香梨叶片光谱的敏感波段和敏感波长均有差异,依据敏感波长建立库尔勒香梨叶片全氮含量估测模型,并对其进行检验。确定基于光谱一阶微分模型Y=50.535X703-40.586可作为坐果期库尔勒香梨叶片全氮含量的最佳估测模型;基于原始光谱模型Y=0.856X769-29.233可作为膨大期库尔勒香梨叶片全氮含量的最佳估测模型;基于原始光谱模型Y=0.728X761-14.142可作为成熟期库尔勒香梨叶片全氮含量的最佳估测模型。不同生育期库尔勒香梨叶片全氮含量估测模型进行比较,坐果期估测模型的拟合效果更好,预测精度更高。     

基于高光谱的南疆盆地苹果光合有效辐射估算模型

【目的】通过将原始光谱数据经过不同的数据变换方式,分析其与苹果冠层PAR的相关关系,建立基于高光谱的南疆盆地苹果冠层PAR的估测模型,旨在为快速、精确、无损伤、大范围的适时、动态监测植被PAR提供有效途径。【方法】基于原始光谱数据的不同数据变换方式,采用相关性分析和逐步回归分析方法。【结果】不同数据变换后的冠层光谱反射率与苹果冠层PAR具有较好的相关性,微分变换后的相关性较原始相关性有所提升。所建模型经过精度评价发现,原始光谱数据经倒数一阶微分变换后估测模型拟合度最高,一阶微分、对数一阶微分次之。【结论】不同数据变换方式后的光谱数据与塔里木盆地苹果冠层PAR有一定的相关性,可以用微分、对数微分、倒数微分变换后的数据建立较理想的塔里木盆地苹果冠层PAR的估测模型。     

广西喀斯特地区土壤Ca含量高光谱反演研究

【目的】土壤是植物生长所需的必要因子,岩溶区高浓度的土壤Ca含量则影响着当地植物的生长发育。研究基于高光谱反演技术为岩溶区土壤Ca含量的快速测量提供参考。【方法】利用广西典型喀斯特区土壤为研究对象,开展土壤反射率光谱与室内理化分析同步测量。在土壤原始光谱反射率的基础上,进一步对土壤光谱进行一阶导数和包络线去除处理,并利用光谱指数法和主成分回归分析法进行土壤Ca的反演研究。【结果】岩溶区土壤钙含量与土壤光谱之间具有非常高的相关性,在600 nm和2 300 nm附近出现较高的峰值,且经过一阶导数和包络线去除处理后的土壤光谱反演效果要明显优于原始光谱。其中,一阶导数处理的指数模型RSI(607 nm,2 370 nm)的R2达到0.67,均方根误差为26.34,反演效果最好;包络线去除处理的NDSI(599 nm,601 nm)的R2为0.57,均方根误差为18.24;原始光谱的NDSI(603 nm,604 nm)的R2为0.57,均方根误差为27.94。主成分回归分析的R2为0.57,均方根误差11.92,也具备较好的反演能力。【结论】指数反演中RSI指数具有波段指示意义明确,反演精度高等优点,而主成分回归分析的精度高,分析快,但无法筛选敏感波段。该研究结果证明了高光谱手段反演岩溶区土壤Ca含量的可行性,并为快速获取岩溶区土壤Ca含量的相关研究提供了指导意义。     

基于高光谱的土壤有机质含量预测模型的建立与评价

 【目的】土壤有机质含量是反映土壤肥力的重要特征，利用高光谱技术对有机质（OM）含量进行定量化反演为土壤信息化管理和资源评价提供了重要的依据。【方法】利用ASD2500高光谱仪在室内条件下测定了风干土壤样品的可见—近红外光谱，分析了不同区域范围土壤光谱反射率曲线形状变化和土壤有机质含量的变化特点，并针对东北地区以黑土为主的土样光谱反射率不同变换形式与有机质含量进行了相关性分析。【结果】结果表明，有机质含量较高的黑土的光谱曲线与其它土壤类型的光谱曲线在形状上有很大差异，即在600～900 nm附近，以黑龙江土样为代表的东北黑土表现为直缓上升，而河南和山东的潮土则表现为曲陡上升。相关分析结果表明，土壤有机质含量与原始光谱反射率在545～830 nm呈显著负相关，其中在580～738 nm波段范围内达到极显著负相关。与一阶导数光谱相关性进一步增强，在481～598 nm呈现极显著负相关，而在816～932 nm和1 039～1 415 nm波段范围内具有极显著的正相关性。土壤有机质含量与部分波段处的吸收深度和反射峰高度也表现为不同程度的相关性。【结论】利用570～590 nm波段的一阶导数光谱和1 280 nm处反射峰高度P_Depth1280可以较好地预测东北主要土壤类型有机质含量。在此基础上建立了土壤有机质含量的高光谱反演模型并进行了验证。     

基于光谱分析不同温度下棉花叶片SPAD值含量估测

【目的】研究不同温度对棉花叶片SPAD值的影响,利用高光谱反演叶片SPAD值。【方法】以不同温度处理花铃期水培棉花叶片为材料,利用美国SVC-HR768光谱仪测定叶片光谱反射率和SPAD502叶绿素计测定叶片SPAD值,采用相关分析、线性回归等方法,分析叶片SPAD值与原始光谱、一阶微分光谱和高光谱参数数据之间的关系。【结果】随着温度的升高,叶片SPAD值和原始光谱反射率逐渐下降,叶片SPAD值与原始光谱、一阶微分光谱和高光谱参数数据均具有较好的相关性,通过相关系数、调整R2和平均相对误差最大优选原则综合比较,筛选建立的叶片SPAD值与原始光谱、一阶微分光谱和高光谱参数的较优估测模型,相关系数分别为0.81、0.857和0.833,调整R2分别0.747、0.844和0.824,平均相对误差分别为9.12%、5.78%和7.72%。【结论】一阶微分光谱671和683 nm组合波段构建的模型Y=50.487 X683-131.617 X671+36.777预测叶片SPAD值最为精确,高光谱参数次之,原始光谱最差,为利用高光谱遥感信息反演花铃期棉花叶片SPAD值提供理论依据。     

基于高光谱成像估测冬小麦不同生育时期水分状况

【目的】研究实时、快速估测冬小麦不同生育时期水分状况并构建模型,为冬小麦水分精准管理提供科学依据。【方法】以新疆典型滴灌冬小麦为研究对象,应用高光谱成像技术获取冬小麦冠层光谱信息,并对原始光谱反射率进行平滑和数据变换,利用一元线性回归(Simple linear regression,SLR)、主成分回归(Principal components regression,PCR)和偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)3种建模方法,对冬小麦冠层原始光谱及变换光谱分别构建植株水分含量估测模型。【结果】冬小麦冠层原始光谱反射率与植株水分含量相关性不高,对原始光谱反射率进行数据变换可以显著增强与水分含量的相关性和相关波段数,其中倒数一阶微分变换与冬小麦植株水分含量的相关系数最大,为-0.893 0,但不同变换最优相关系数所对应的波段位置并不固定。PLSR方法的模型精度最高,对数变换的PLSR模型估测精度最高,模型$R_{p}^{2}$、RMSE_p、RPD值分别为0.880 8、3.251 2%、2.934 3;冬小麦不同生育时期估测模型精度存在差异,拔节期、抽穗期估测模型精度较低,灌浆中期最高,其估测模型$R_{p}^{2}$、RMSE_p、RPD值分别为0.904 8、1.381 1%、3.454 7。【结论】利用高光谱成像技术对估测冬小麦植株水分含量是可行的,在灌浆中期的估测效果最佳。