覆膜对无人机多光谱遥感反演土壤含盐量精度的影响

快速、准确地获取农田土壤盐分含量对指导合理灌溉及盐渍土的治理有重要意义。该文以内蒙古河套灌区沙壕渠灌域内的覆膜耕地为研究对象,利用无人机多光谱相机获取研究区内5月和6月的多光谱遥感数据,并同步采集区域内表层土壤含盐量数据,研究覆膜对无人机多光谱遥感图像反演农田土壤盐分含量精度的影响。利用支持向量机(support vector machine,SVM)、反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)和极限学习机(extreme learning machine,ELM)3种机器学习方法,分别构建去膜前后基于原始光谱反射率和优选光谱指数的土壤含盐量估算模型。结果表明,去膜前后的各模型均可有效估测土壤盐分含量,但基于去膜处理后的数据构建的盐分含量估算模型精度较不去膜处理的有所提升,同时,基于光谱指数构建的盐分含量估算模型精度比基于光谱反射率构建的模型精度高;利用ELM构建的盐分含量估算模型在6月份预测效果最佳,其中基于光谱反射率和光谱指数的建模R2和RMSE分别为0.695、0.663和0.182、0.191,验证R2和RMSE分别为0.717、0.716和0.171、0.169。研究结果可为无人机多光谱遥感估算覆膜状态下的农田土壤盐分含量提供参考。     

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PLSR方法的青海茶卡-共和盆地土壤盐分高光谱遥感反演

摘要：对青海省茶卡地区盐渍土实地调查、采集土壤样品及土壤理化分析的基础上,于实验室测量土样光谱数据,通过PLSR(Partial Least Squares Regression)方法,充分地利用多个与土壤盐分相关的波段组合,综合所有波段信息来定量地估算土壤盐分含量,建立了PLSR土壤盐分反演模型。利用25个土壤样品建模的均方根误差RMSEC = 4.74 mg kg−1(R2 = 0.97),17个独立的检验样本的均方根误差RMSEV=5.72g kg-1(R2 = 0.92)。将模型用于Hyperion星载髙光谱数据进行土壤盐分含量空间分布估算研究,并综合地形及地下水的因素对土壤盐分含量空间分布信息的估算结果进行了评价,结果与实地调查及前人的文献较为一致。揭示了PLSR方法的有效性及Hyperion星载髙光谱数据进行土壤盐渍化探测、土壤盐分定量估算的潜力。     

基于高光谱的北京铁矿区土壤重金属镍元素含量反演研究

运用高光谱数据对北京典型铁矿区土壤重金属镍含量进行建模反演,探索高光谱遥感技术在土壤重金属污染快速监测上应用的可行性。使用便携式地物光谱仪采集研究区土壤样本光谱反射率数据,光谱反射率数据经多种数学变换后,经逐步回归方法筛选最佳特征波段,利用多元线性回归（SLR）和偏最小二乘回归（PLSR）方法建立模型以光谱反射数据对土壤重金属镍元素含量进行反演。基于光谱二阶微分的多元线性回归模型（SD-MLR）的稳定性和精度最高（R2 = 0.842,RMSE = 4.474）,能够良好地预测研究区土壤镍元素含量。光谱数据数学变换能够有效提高其与土壤镍元素含量间的相关性。不同的光谱变换形式建立模型的预测能力和精度有如下关系,光谱二阶微分 > 光谱倒数对数一阶微分 > 光谱一阶微分 > 光谱倒数对数 > 光谱连续统去除 > 原始光谱。采用光谱二阶微分建立多元线性回归模型为研究区土壤镍元素含量反演的最佳模型,可为土壤重金属污染快速监测提供技术参考。     

基于反射光谱与Landsat 8 OLI多光谱数据的艾比湖湿地土壤盐分估算

土壤盐渍化是农业生产中最关键的生态问题之一,是一种降低土壤质量,严重影响作物产出的缓慢土壤退化过程。因此,土壤盐分的监测及评估对干旱区的土地管理与恢复至关重要。选取艾比湖湿地为研究区,基于2016年干湿两季(5月/9月)的Landsat8 OLI遥感影像,147个土壤实测样点的电导率(Electrical Conductivity, EC)数据及其对应的室内反射光谱数据,通过光谱重采样技术,建立该研究区土壤EC的偏最小二乘(partial least-squares regression, PLSR)定量估算模型,并尝试对干湿两季的土壤盐渍化状况进行对比分析。结果表明:(1)艾比湖湿地土壤盐渍化较为严重,湿季土壤EC(23.90 mS·cm~(-1))高于干季(11.62 mS·cm~(-1));(2)基于重采样处理后的光谱数据及13个光谱指数所建立的PLSR模型具有较好的精度(R2=0.91,RMSE=6.48mS·cm~(-1),RPD=2.45),说明该模型可以有效地对区域尺度的土壤EC进行定量估算。(3)从2016年5月至9月,艾比湖湿地的中度和重度盐渍土面积增加,轻度盐渍土和盐土面积减少。本研究将两种不同分辨率的数据进行联合建模,既提升了传统光学遥感影像模型的精度,又将高光谱数据扩展至像元尺度上,为土壤盐分信息的遥感提取提供了科学参考。     

基于改进植被指数的黄河口区盐渍土盐分遥感反演

快速获取土壤盐分的含量、特征及空间分布信息是盐渍土治理、利用的客观需求。该文针对黄河三角洲盐渍土,以垦利县为例,基于Landsat 8 OLI多光谱影像,在传统植被指数的基础上引入短波红外波段进行扩展,提出了改进植被指数;然后基于改进前后对应的植被指数,分别采用多元逐步回归(multivariable linear regression,MLR)、反向传播神经网络(back propagation neural networks,BPNN)和支持向量机(support vector machine,SVM)方法构建土壤盐分含量的遥感反演模型,并进行模型验证、对比和优选;最后基于最佳模型进行研究区土壤盐分含量的空间分布反演和分析。结果显示:相对传统植被指数,扩展后植被指数可增强与土壤盐分的相关性,大幅降低指数间的多重共线性;采用上述3种方法建模,改进后模型的精度比改进前都有提高,验证集决定系数R2提高0.04~0.10,均方根误差RMSE降低0.13~0.73,相对分析误差RPD提高0.25~0.34,改进后模型RPD均大于2.0,普遍达到性能良好;对比3种建模方法,SVM建模精度最高,BPNN模型次之,MLR分析精度最低,最佳模型为基于改进植被指数的土壤盐分含量支持向量机反演模型,建模集R2和RMSE为0.75、3.48,验证集R2、RMSE和RPD为0.78、3.02和2.56,模型较为准确、可靠;基于该模型反演的研究区土壤盐分含量整体较高,盐渍化程度空间分布表现为自西南部农业生产区至东北沿海区域逐渐加重,与实地调查一致。研究表明基于Landsat 8 OLI多光谱影像,引入第7波段对植被指数进行改进,从而构建土壤盐分含量的支持向量机模型,可获得较好的土壤盐分空间分布反演结果。     

基于WorldView-2影像的土壤含盐量反演模型

针对WorldView-2影像高空间分辨率评价其定量反演土壤含盐量的能力,以盐渍化现象较为明显的新疆克里雅河流域为研究对象,基于WorldView-2影像和实测高光谱数据,利用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)和BP人工神经网络(back propagation artificial neural networks,BP ANN)方法建立定量反演该流域土壤含盐量模型并做出研究区高空间分辨率土壤含盐量分布图。结果表明:1)利用实测高光谱数据和影像数据分别建立的2种模型中BP神经网络模型预测精度都高于PLSR模型,其中基于影像数据建立的6:8:1结构的3层BP神经网络模型决定系数R2、均方根误差RMSE、相对分析误差RPD分别为0.851、0.979、2.337,模型的稳定性和预测能力都优于PLSR模型(R2、RMSE、RPD分别为0.814、1.139、2.007)。2)利用WorldView-2影像提高了土壤含盐量制图的空间分辨率,归一化植被指数NDVI和比例植被指数RVI较有效降低了植被覆盖与土壤水分对预测精度的影响。该文建立的考虑植被覆盖与土壤水分定量反演土壤含盐量的模型不需要复杂的参数,一定程度上满足了干旱、半干旱地区的盐渍化监测需求,可以促进WorldView-2等高空间分辨率卫星在盐渍化监测中的进一步应用。     

博斯腾湖湖滨绿洲土壤表层含盐量高光谱估算模型

以博斯腾湖湖滨绿洲为研究区,对土壤高光谱反射率R进行数学光谱变换,并计算其差值型、比值型、归一化型3种盐分指数,通过显著性检验优选特征波段,结合土壤表层盐分实验数据,构建基于地理加权回归模型的土壤表层盐分含量估算模型。研究结果表明:1)土壤表层盐分含量平均值为7.535 g·kg^-1,其光谱变换建模选取的特征波段集中在466~482、1669~1728、1979~2371 nm,其中对数倒数的一阶微分(1/lg R)′相关性较好,相关系数绝对值为0.672;2)构建3种盐分指数优选的特征波段集中在1700~1728、1992~2014、2375~2405 nm,建立的模型决定系数均大于0.870,光谱反射率R的决定系数仅为0.621;3)差值型盐分指数优选特征波段建立的地理加权回归模型为最优模型,建模集与检验集的决定系数R2分别为0.934和0.915,RMSE分别为1.186和0.917。     

苏北沿海滩涂地区土壤有机质含量的高光谱预测

基于反射高光谱快速、无损的检测优势,以苏北沿海滩涂地区不同成陆年代土壤作为光谱信息源,应用偏最小二乘回归（PLSR）方法,研究了原始反射光谱（REF）、微分光谱（FDR）、反射率倒数的对数（lg(1/R)）和波段深度（BD）对不同成陆年代土壤有机质含量的预测精度。结果表明,不同成陆年代土壤有机质含量预测的最佳光谱指标存在差异。REF是构建总体样本有机质含量PLSR预测模型的最佳光谱指标,均方根误差（RMSE）和相关系数（r）分别为2.7231和0.8701;FDR是预测成陆千年土壤样本有机质含量的最佳光谱指标,RMSE和r分别为2.0110和0.9436;BD所构建的成陆百年土壤有机质含量的PLSR预测模型为最优,RMSE和r分别为2.7051和0.8770。相关分析表明,可见光波段、以1 400 nm为中心及1 900～2 450 nm的红外波段是估算土壤有机质含量的最佳波段。     

基于高光谱数据的杨树叶片干物质含量的估算

将杨树叶片实测的理化数据和土壤背景光谱数据作为PROSPECT和PROSAIL模型的输入参数,输出杨树叶片高光谱数据模拟值,通过实测获得叶片尺度和冠层尺度干物质含量、等效水厚度以及高光谱数据,利用统计方法,分别对两种尺度杨树叶片干物质含量进行分析。结果表明:基于归一化指数计算方法,杨树叶片尺度和冠层尺度的最佳估算干物质含量的干物质含量归一化指数(NDMI)波段组合分别为1685,1704nm和1551,2143nm,使用偏最小二乘法分别对筛选波段组成的NDMI(1685,1704)指数和NDMI(1551,2143)指数构建叶片尺度干物质含量和冠层尺度干物质含量的估算模型,叶片尺度干物质含量估算模型精度为R2=0.663,RMSE=0.001g·cm-2,冠层尺度精度为R2=0.91,RMSE=16.7g·m-2。可见,高光谱技术对杨树叶片干物质含量的估算具有较高的精度,可为杨树叶片干物质含量的快速、无损估算提供参考依据。     

光谱指数用于EO-1 Hyperion 数据估算中国黄河三角洲地区土壤盐分

Soil salinization is one of the most common land degradation processes. In this study, spectral measurements of saline soil samples collected from the Yellow River Delta region of China were conducted in laboratory and hyperspectral data were acquired from an EO-1 Hyperion sensor to quantitatively map soil salinity in the region. A soil salinity spectral index (SSI) was constructed from continuum-removed reflectance (CR-reflectance) at 2052 and 2203 nm, to analyze the spectral absorption features of the salt-affected soils. There existed a strong correlation (r = 0.91) between the SSI and soil salt content (SSC). Then, a model for estimation of SSC with SSI was established using univariate regression and validation of the model yielded a root mean square error (RMSE) of 0.986 and an R² of 0.873. The model was applied to a Hyperion reflectance image on a pixel-by-pixel basis and the resulting quantitative salinity map was validated successfully with RMSE = 1.921 and R² = 0.627. These suggested that the satellite hyperspectral data had the potential for predicting SSC in a large area.     

基于高光谱的ASTER影像土壤盐分模型校正及验证

快速准确地获取土壤盐分信息是监测和治理土壤盐渍化现象的重要前提.该文以新疆维吾尔自治区典型盐渍化区域——艾比湖流域为研究区,analytical spectral devices(ASD)光谱仪采集的土壤高光谱数据和advanced space borne thermal emission and reflection radiometer(ASTER)影像为数据源,结合实测土壤盐分含量信息,对遥感定量反演土壤盐渍化现象进行研究.再经过光谱反射率数学变换后,结合相关性分析,利用多元回归方法分别建立基于重采样后的高光谱和影像光谱的土壤含盐量估算模型,对遥感影像光谱盐分估算模型进行校正,以提高遥感定量监测盐渍化土壤的精度.结果表明:ASTER影像光谱反射率二阶导数变换和ASD重采样光谱的对数的二阶导数变换所建立的盐分估算模型最佳,决定系数R2分别为0.59和0.82.经ASD重采样光谱模型校正后的ASTER影像光谱的盐分估算模型精度R2为0.91,有效地提高大尺度条件下土壤盐渍化反演精度.研究为大尺度土壤盐分定量遥感监测提供了一种有效方法.     

利用多源光谱信息反演宁夏银北地区干湿季土壤含盐量

土壤盐渍化是导致全球荒漠化和土壤退化的主要诱因之一。为确定高光谱和多光谱遥感反演干湿季土壤含盐量的最优模型,该研究以宁夏银北平罗县为例,以干季(4月)和湿季(10月)实测高光谱和Landsat 8 OLI多光谱以及干湿两季实测土壤含盐量为基础数据源,利用相关系数法、灰度关联法和逐步回归法筛选敏感光谱数据,分别采用偏最小二乘、支持向量机、岭回归、BP神经网络和地理加权回归建立干湿两季土壤含盐量反演模型。结果表明:1)银北地区土壤盐渍化较为严重,干湿季含盐量均表现为强度变异,且干季变异程度大于湿季;2)在不同土壤含盐量条件下,重采样后的高光谱波段反射率和影像波段反射率具有显著相关性;3)对比相关性分析、灰度关联和逐步回归三组变量筛选方法下各模型R2和RMSE,逐步回归组模型整体效果较好;4)5种土壤含盐量反演模型中地理加权回归模型精度较高,支持向量机算法和BP神经网络算法在基于不同变量组的模型中表现较为接近,岭回归表现最差,偏最小二乘回归模型出现了较严重的"过拟合"现象。局部模型在土壤含盐量反演方面更具优越性。干季以实测灰度关联组-地理加权回归模型效果最佳,其验证决定系数Rp2和相对分析误差RPD分别为0.94和4.49;湿季以影像相关系数组-地理加权回归模型反演效果最好,其验证决定系数Rp2和相对分析误差RPD分别为0.96和4.83。研究结果可为当地及同类地区土壤盐渍化的识别、防治提供理论依据。     

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。     

土壤有机质与水分反射光谱响应特征综合作用模拟

土壤有机质与水分均对土壤反射光谱特征有显著的影响,但其作用机理难以定量描述。通过对黑龙江省典型黑土区土壤野外高光谱反射率的测定,研究了该区土壤的光谱反射特征;利用BP神经网络方法,以土壤有机质与水分数据作为输入层,以土壤光谱反射率一阶微分作为输出层,建立黑土有机质与水分的高光谱预测模型,并对模型的稳定性和预测能力进行检验。结果表明:土壤有机质与土壤表层0~20 cm含水量之间具有显著的相关性,相关系数为0.59;1570 nm波段处的一阶微分为输出层的模型精度最高,RMES达到0.017,平均绝对误差为0.014,平均相对误差为0.110;模型检验结果表明建立的BP神经网络模型具有良好的稳定性;土壤有机质、含水量对土壤光谱反射率的综合作用得到较准确的描述,可以用于野外土壤有机质与水分的速测。     

Model-Based Integrated Methods for Quantitative Estimation of Soil Salinity from Hyperspectral Remote Sensing Data:A Case Study of Seffected South African Soils

Soil salinization is a land degradation process that leads to reduced agricultural yields. This study investigated the method that can best predict electrical conductivity (EC) in dry soils using individual bands, a normalized difference salinity index (NDSI), partial least squares regression (PLSR), and bagging PLSR. Soil spectral reflectance of dried, ground, and sieved soil samples containing varying amounts of EC was measured using an ASD FieldSpec spectrometer in a darkroom. Predictive models were computed using a training dataset. An independent validation dataset was used to validate the models. The results showed that good predictions could be made based on bagging PLSR using first derivative reflectance (validation R2 = 0.85), PLSR using untransformed reflectance (validation R2 = 0.70), NDSI (validation R2 = 0.65), and the untransformed individual band at 2257 nm (validation R2 = 0.60) predictive models. These suggested the potential of mapping soil salinity using airborne and/or satellite hyperspectral data during dry seasons.     

基于高光谱数据的盐荒地和耕地土壤盐分遥感反演优化

盐荒地作为研究区的"临时盐库"，其土壤盐分远高于研究区平均水平，因此探究不同土地利用类型土壤盐分的光谱响应差异以及对盐分遥感模型的影响，是实现不同土地类型土壤盐分反演值更加接近真实值的重要途径。该研究以河套灌区永济灌域为例，针对耕地和盐荒地土壤分别进行原位高光谱测定（FieldSpec 4 Hi-Res，ASD），对光谱数据进行多种光谱变换（基础数学变换、导数变换及光谱指数）后，分别基于特征波长和特征光谱指数构建单一土地类型盐分反演模型（耕地（Agricultural Land，AL）、盐荒地（Salinized Wasteland，SW））和整体盐分反演模型（耕地+盐荒地（Agricultural Land + Salinized Wasteland，AL+SW）），对比分析2种建模方式下的模型精度，提出区域土壤盐分遥感反演的最佳建模方式。结果表明：AL、SW和AL+SW中土壤样本数据的平均含盐量分别为5.09、13.42和7.09 g/kg，且在各等级盐分区间内，SW的光谱反射率均大于AL，其中轻度盐化土、中度盐化土和重度盐化土的光谱反射率平均差值分别为0.040、0.020和0.034；光谱变换和光谱指数均能有效改善不同土地类型中土壤盐分与光谱的相关性。相比基础变换（倒数、对数、根式等），导数变换不仅增大了敏感波长的范围，还使得特定波长处相关系数得到显著提升。不同土地类型中基于特征光谱指数的模型精度均高于基于特征波长的模型；单一土地类型盐渍化反演模型明显提高了区域土壤盐分的反演精度，单一土地类型盐渍化反演模型中（AL、SW模型）各变换下光谱指数模型平均R2相比整体模型（AL+SW模型）由0.50提高到了0.61，其中基础变换、一阶导数和二阶导数模型平均R2相比整体模型分别提高了0.06、0.11和0.17，同时，基于最优光谱指数的单一土地类型盐渍化反演模型平均R2相比整体模型由0.74提高到了0.92。因此，当区域中存在盐分相差较大的多种土地利用类型时，对不同土地利用类型单独构建土壤盐分反演模型能确保反演结果更接近实际情况。