土壤有机质高光谱估算模型研究进展

土壤有机质高光谱估算较传统土壤农化分析方法表现出极大优势,顺应了现代农业发展的迫切需要。国内外众多学者先后对土壤有机质高光谱估算模型进行了大量研究,估算模型由简单的一元线性模型逐渐发展为多元线性及非线性模型,常用的建模方法分为线性方法和非线性方法,重点分析了各种方法的适用性。通过总结分析前人研究,发现土壤有机质高光谱估算模型研究存在以下发展趋势:多种建模方法耦合使用增多;建模方法的复杂度逐渐增强;尝试消减外部环境因素对建模的影响;尝试将室内土壤有机质估算模型应用于野外实地研究。     

基于小波变换的近红外光谱预测土壤有机质

为了探索快速检测土壤有机质含量的方法,试验采用不同分解水平的Coiflet函数的小波(wavelet)分析方法,对山西关帝山土壤样品的近红外光谱信号进行了消噪处理,来快速获取土壤中有机质含量。结果表明:对有机质敏感波段的为450~600 nm,810~935 nm,1 030~1 315 nm,1 380~1 400 nm;有机质NIRS法与实验室标准法测定值之间的相关系数R2为0.9818;说明通过小波变换滤波,选择敏感波段,用偏最小二乘回归方法预测土壤有机质含量是可行的。     

基于可见/近红外漫反射光谱的土壤有机质含量估算方法研究

为研究不同土壤颗粒粒径对可见/近红外光谱分析技术在土壤有机质含量快速检测应用中的影响,获取粒径为0.169～2 mm和＜0.169 mm的2种土壤样本(各53个)的可见/近红外光谱(325～1075 nm),分别建立各自的主成分-反向传播神经网络(PCA-BPNN)、最小二乘-支持向量机(LS-SVM)和偏最小二乘法(PLS)土壤有机质含量检测模型.结果表明:当土壤粒径为0.169～2 mm时,所建立模型的土壤有机质含量预测相关系数r均在0.84以上,且预测均方根误差(RMSEP)都在0.20以下;而当土壤粒径＜0.169 mm时,所建立模型的预测相关系数r均不超过0.71.而RMSEP都在0.23以上;对于相同粒径的土壤,PLS模型对土壤有机质含量的预测效果优于LS-SVM和PCA-BPNN模型.说明不同土壤颗粒粒径会显著影响可见/近红外光谱对于土壤有机质含量的预测结果.     

黄土高原煤矿区复垦农田土壤有机质含量的高光谱预测

【目的】针对黄土高原丘陵地多、地形复杂、有机质含量低、采样困难以及因采煤活动引起大面积土地损毁等问题,在土地复垦与综合整治过程中,为快速定量监测与评估复垦农田土壤质量提供一种新的方法。【方法】以山西省襄垣县复垦农田土壤为研究对象,选取由北向南土地损毁中间条带状区域采集样品152个,进行室内土壤农化分析、光谱测定,运用ParLes 3.1软件对光谱曲线进行多元散射校正（multipication scatter correction,MSC）、基线偏移（baseline offset correction,BOC）和Savitzky-Golay filter平滑去噪预处理。对土壤原始光谱反射率（raw spectral reflectance,R）作一阶微分（first order differential reflectance,D（R））和倒数的对数变换（inverse-lg reflectance ,lg（1/R））,分析3种不同变换形式的光谱数据与土壤有机质含量的相关性,相关系数通过P=0.01水平显著性检验来确定显著性波段的范围。基于全波段（400-2400 nm）和显著性波段利用偏最小二乘回归（partial least squares regression,PLSR）分析方法建立该区域土壤有机质含量高光谱预测模型,通过模型精度评价指标：决定系数（coefficient of determination,R²）、均方根误差（root mean square error,RMSE）和相对预测偏差（residual prediction deviation,PRD）确定最优模型。【结果】通过P=0.01水平显著性检验的波段范围为：R的400-1 800、1880-2 400 nm;D（R）的420-790、1 020-1 040、2 150-2 200 nm;lg（1/R）的400-1 830、1 860-2 400 nm。光谱与有机质含量的相关系数绝对值最大的波段是R的800 nm;D（R）的600 nm;lg（1/R）的760 nm。进行D（R）变换,光谱曲线的吸收特征更加明显,相关系数在可见光（400-800 nm）波段范围内有所增加,其最大值由0.72提高到了0.82;基于显著性波段的PLSR建模效果优于全波段,其中lg（1/R）变换的预测精度为最佳,具有很好的预测能力,其校正模型的R²和RMSE分别为0.95、7.64,预测模型的R²、RMSE和RPD分别为0.85、3.00、2.56;基于全波段的R-PLSR和lg（1/R）-PLSR模型具有较好的预测能力,其预测模型的R²、RMSE和RPD分别为0.79、3.64、2.10和0.79、3.53、2.17,而D（R）-PLSR模型只能进行粗略估测,其预测模型的R²、RMSE和RPD分别为0.61、5.43、1.41。综合分析全波段和显著性波段3种光谱数据的预测精度,发现基于显著性波段的R-PLSR、D（R）-PLSR、lg（1/R）-PLSR模型均取得了显著的预测效果。【结论】研究区土壤光谱反射率与土壤有机质含量具有高度的相关性,应用偏最小二乘回归分析方法可以很好地建立土壤有机质含量反演模型。     

基于SVR 和PLSR 的土壤有机质高光谱估测模型研究

【目的】探讨高光谱遥感数据不同预处理及不同估测算法下土壤有机质估测模型的优劣,为提高土壤有机质估测精度奠定基础。【方法】使用高光谱仪在室内条件下对土壤样品进行光谱测量,对光谱数据进行4种去噪处理(无去噪处理、Savitzky-Golay(S-G)平滑滤波去噪、小波包去噪以及S-G平滑与小波包结合去噪),然后对去噪后的光谱数据进行8种数据变换(原始光谱数据R、倒数1/R、对数log(R)、倒数对数log(1/R)、一阶导数R′、倒数一阶导数(1/R)′、对数一阶导数(log(R))′、倒数对数一阶导数(log(1/R))′),接着对变化后的光谱数据进行3种降维处理(无降维处理、敏感波段降维和主成分分析降维),最后运用支持向量回归法和偏最小二乘回归法分别建立SOM含量估测模型。【结果】研究中所涉及的各种数据预处理和估测算法中,小波包去噪、PCA降维、反射率倒数一阶导数(1/R)′光谱数据变换处理条件下,使用PLSR方法的估测模型精度最高、模型最稳定,可以较精确地估测吉林省伊通县SOM含量。【结论】合适的数据预处理,尤其是小波包去噪和PCA降维相结合,可有效改善光谱数据质量,提高SOM含量估测模型精度及稳定性。     

基于高光谱特征参数优选的土壤盐分含量建模及其验证

目的 研究不同维度光谱变换下土壤盐分反演模型及其验证。方法 以博斯腾湖西岸湖滨绿洲为研究区,面向ASD高光谱数据,利用17种一维数学变换光谱和3种二维变换光谱指数,分别与实测土壤盐分进行相关分析,得到0.01显著性检验水平下初步优选的光谱特征参数,基于VIP准则选入最佳自变量实现PLSR模型构建,进行精度验证。结果 研究区干季土壤平均反射率随含盐量的增加而高于湿季土壤平均反射率,尤其体现在590、800、1 810、2 150 nm处;17种一维单波段光谱变换中,对数倒数的一阶微分(1/lgR)变换与土壤盐分含量相关性最好,峰值敏感波段为1 083 nm,相关系数绝对值|r|最高达0.63;3种二维两波段光谱变换中,归一化光谱指数NDSI(R_{1 780},R_{1 742})与土壤盐分含量相关性最好,相关分析决定系数R ²最大值为0.57;基于特征归一化光谱指数结合VIP准则进行自变量筛选的PLSR估算模型效果最佳,土壤盐分建模集和验证集的决定系数 {R_{\mathrm{V}}}^2 达0.77,均方根误差RMSEV为0.64 g/kg,相对分析误差RPD为2.11。 结论 利用归一化光谱指数NDSI建立PLSR高光谱模型可有效地对研究区土壤盐分进行定量估算。     

哈尔滨市土壤有机质高光谱模型

通过对哈尔滨市土壤样品实测和室内高光谱测定,以土壤光谱反射率(反射率倒数、反射率对数、反射率一阶微分等)的数学变换数据作为自变量,土壤有机质质量分数的对数作为因变量,利用Matlab7.1软件,多元统计分析方法,建立了哈尔滨市土壤有机质质量分数高光谱多元逐步回归分析模型,实现了对哈尔滨地区土壤有机质的快速预测。     

结合分数阶微分和异常值识别的土壤有机质高光谱反演研究

【目的 】结合分数阶微分和异常值识别,提高土壤有机质模型反演精度,实现土壤有机质含量的快速、准确估计。【方法 】文章以吉林省伊通县黑土区为研究区,基于实地采集的213个土壤样本和HyMap-C机载高光谱传感器获取高光谱影像,选择S-G函数和分数阶微分进行光谱预处理,竞争性自适应重加权采样（Competitive Adaptive Reweighted Sampling,CARS）提取特征波段建立土壤有机质含量偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLSR）反演模型,并使用蒙特卡洛交叉验证（Monte Carlo Cross-Validation,MCCV）进行异常值识别。【结果 】（1）将分数阶微分用于机载高光谱可以放大光谱特征,阶数越高、特征越明显,低阶分数微分对噪音不敏感;（2） CARS方法能有效压缩光谱信息;全样本建模中0.4阶分数阶微分CARS-PLSR建模表现较优,但总体精度仍然不高;（3）使用MCCV剔除异常值后,0.6阶分数阶微分CARS-PLSR建立的土壤有机质含量反演模型精度最高,训练集和测试集的均方误差分别为0.219%...     

淮北矿区有机质含量反演

高光谱遥感能提供精细的光谱,具有弱信息诊断能力,在土壤微量成分反演表现出巨大的潜力.本文以安徽省淮北某矿为例,采集不同深度土壤样本,在实验室测定了样本有机质含量及光谱,并对土壤样本光谱进行预处理;在对光谱进行一阶微分、二阶微分和吸光率等变换后,用交换检验法在87个样本中,58个样品做训练集,27个做验证集,确定了用于矿...     

基于宽波段数据定量反演土壤有机质含量的研究

定量分析了北京顺义、通州区土壤高光谱反射特征,利用资源三号、高分一号、高分二号传感器的光谱响应函数,结合高光谱数据生成相应宽波段模拟数据;将土壤光谱数据、拟合宽波段数据分别与实测土壤有机质含量开展相关性分析,提取并筛选敏感波段,利用偏最小二乘法建立基于高光谱数据的土壤有机质含量预测模型;依据宽波段模拟数据和实测土壤有机质含量的相关性,提取并筛选敏感波段,建立土壤有机质含量预测模型。结果表明,在基于土壤高光谱数据建立的土壤有机质含量预测模型中,以对数的一阶微分为最优,其R和RMSE分别为0.697和0.195,偏最小二乘法得到的反演土壤有机质含量的模型是可靠的;在基于模拟宽波段构建的土壤有机质含量估测模型中,以高分一号的拟合精度最高,R和RMSE分别为0.334和0.240;受室外不可控因素的影响,模拟宽波段数据在估测北方地区土壤有机质含量方面仍需进一步研究。     

基于星载高光谱数据的南京新济洲湿地土壤有机质估测研究

在高光谱数据预处理、土壤有机质高光谱敏感波段提取基础上, 建立多元线性回归、最邻近法、装袋算法、多元感知器、随机森林5种遥感估测模型。用10折交叉验证方法, 借助相关系数、绝对误差、均方根误差、相对误差、相对均方根误差5个指标, 对遥感估测模型结果进行精度评价, 选择精度最高的模型进行湿地土壤有机质遥感估测和空间分析。结果表明:土壤有机质高光谱敏感波段主要集中在925、1 144、1 477、1 780 nm 4个波段; 在预测土壤有机质的5种模型中, 多元线性回归模型预测精度最高, 随机森林次之; 土壤有机质空间分布呈现由洲滩中间向四周逐渐增加的带状分布格局; 新济洲沼泽地土壤有机质含量最高, 为2.22%;靠近沼泽的林地次之; 植被覆盖度较低的农地和裸地的土壤有机质最低, 为0.43%;这种土壤有机质空间分布格局与研究区土壤类型的带状分布存在密切联系。     

基于归一化光谱指数的土壤有机质含量空间分布状况研究

【目的】研究土壤主要养分含量特征信息的光谱预测值,使其更具直观性、空间性及科学性,为大尺度对农田的土壤养分空间分布状况获取、评价与科学管理提供依据。【方法】利用ArcGIS 9.3的普通克里格(Ordinary Kriging)插值方法,对小面积及大尺度试验区的土壤样本点进行有机质反演插值填图,并将实验室化学测定土壤有机质含量的实测值与其高光谱模型预测值进行Kriging插值填图比较,分析土壤有机质含量的实测值与预测值的空间分布状况差异。【结果】从小面积试验区到大尺度条田地块插值后的空间分布情况来看,土壤有机质含量的光谱预测值(基于归一化光谱指数NDI[495,485]预测)与实测值之间具有较好的相似性,预测效果较好。【结论】通过土壤有机质含量信息状况的空间分布填图来确定农田分区基本管理单元的适宜尺度,为实施大区域农田养分分区精量管理的划分,提出科学的平衡施肥方案,为适合新疆及兵团特色的精准农业管理、土壤养分快速探测、精量施肥等技术提供技术理论支持。     

土壤活性有机质的研究现状与展望

概述了国内外土壤活性有机质研究进展,包括活性有机质的概念,活性有机质与土壤养分的关系,活性有机质与土壤性质的关系,及其活性有机质在反映土壤肥力综合评价土壤质量方面的应用,提出了今后土壤活性有机质的研究重点.     

土壤有机质速测法的探讨

土壤有机质速测,选用常规法得值作比较,发现肉眼比色中,葡萄糖、水杨酸钠作色阶误差很大,而以已知有机质含量的土样作色阶,回收率达90%以上。