基于多种高光谱指标反演冻结土壤含水率的研究

在中国季节性冻融区如何高效快速地监测冻结土壤的含水率至关重要。以内蒙古河套灌区典型灌域土壤为对象,在实验室分梯度配置不同含水率的土样,通过地物光谱仪测定土壤冻结与未冻结状态下的高光谱数据,处理得到原始光谱反射率(Raw Spectral Reflectance,REF)、一阶微分反射率(First-order Differential Reflectance,FDR)和二阶微分反射率(Second-order Differential Reflectance, SDR)、标准正态变量变换(Standard Normal Variable Reflectance,SNV)和倒数之对数变换(Logarithm of Reciprocal,LR) 5种光谱指标,采用偏最小二乘回归法(Partial Least Squares Regression,PLSR)、多元逐步回归法(Multiple Stepwise Regression,MSR)、支持向量机法(Support Vecor Machine,SVM)和一元线性回归法(Unary Linear Regression,ULR),构建基于不...     

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。     

河套灌区土壤水溶性盐基离子高光谱综合反演模型

为了提高野外高光谱反演土壤水溶性盐基离子的精度,以河套灌区永济灌域盐渍化土壤为研究对象,构建了基于光谱变换、特征波段、特征光谱指数筛选以及支持向量机(SVM)的机器学习相结合的高光谱综合反演模型。结果表明,经预处理的原始光谱反射率与土壤离子相关性总体较低,最大相关系数仅为0.18,原始光谱反射率与土壤离子的相关系数由大到小依次为Ca~(2+)、SO_4~(2-)、Mg~(2+)、全盐量、Na~++K~+、Cl~-。全盐量、Na~++K~+、Cl~-、SO_4~(2-)、Ca~(2+)、Mg~(2+)的光谱最优变换形式分别为(1/R)″、(1/R)″、(lnR)'、(lnR)″、R'、(lnR)″,敏感波段(P0.01)数分别为41、7、9、65、76、28个,利用逐步回归法在敏感波段中筛选出特征波段,基于特征波段建立的回归模型中各离子的决定系数R~2平均值为0.35,均方根误差RMSE平均值为0.87 g/kg,其中SO_4~(2-)拟合精度最高,R~2为0.52,Ca~(2+)拟合精度最低,R~2仅为0.20。将特征波段代入光谱指数中,结合逐步回归法确定了Mg~(2+)特征光谱指数为3个,全盐量特征光谱指数为2个,Na~++K~+、SO_4~(2-)、Ca~(2+)特征光谱指数分别为1个,与仅考虑特征波段的回归模型相比,特征波段+特征光谱指数结合后各离子回归模型的R~2平均提高了58.67%,RMSE降低了24.60%,其中SO_4~(2-)拟合精度最高,R~2为0.74,RMSE为0.47 g/kg。考虑了特征波段+特征光谱指数的SVM模型相比仅考虑特征波段的SVM模型,其预测能力有了明显提高,各离子相对分析误差(RPD)平均提高了110.27%,训练集R~2平均提高了37.54%,RMSE平均降低了40.12%,验证集R~2平均提高了56.04%,RMSE平均降低了39.39%。SO_4~(2-)的RPD达到3.000,模拟效果最优,具备很好的预测能力;全盐量模型具有很好的定量预测能力,Mg~(2+)模型可用于评估或相关性方面的预测,Na~++K~+、Ca~(2+)的模型具有区别高低值的能力。     

粮食主产区耕地土壤重金属高光谱综合反演模型

粮食主产区的耕地土壤重金属污染已成为影响粮食安全和人居环境安全的突出问题。高光谱遥感技术为快速高效获取土壤重金属含量提供了新的途径,也为土壤总金属污染的监测和防治提供了技术保障。以河南省粮食主产区新郑市为研究对象,共采集191个耕地土壤样品,利用Rank-KS法划分为144个建模集样本和47个验证集样本;在室内利用ASD Field Spec 3型地物光谱仪获取土壤高光谱数据,对耕地土壤样品在400~2 400 nm的光谱反射率与Cr、Cd、Zn、Cu、Pb 5种重金属元素进行相关性分析,筛选出5种重金属均通过P=0.01显著性检验的共用高光谱特征波段作为反演模型的自变量;采用基于OLS的固定影响变系数面板数据模型,对新郑市144个建模集样本的5种土壤重金属面板数据构建高光谱综合反演模型。结果表明:面板数据模型整体显著,拟合优度较高(R~2=0.993 7,F统计量为1 365.94)。模型精度检验Cu的相对分析误差为2.046,Pb的相对分析误差为3.432,都具有较好的预测精度;Cr、Cd、Zn的相对分析误差在1.4~1.8之间,具有一般的定量预测能力。面板数据模型通过一次建模综合反演多种土壤重金属,计算简便、速度快,可以用于新郑市耕地土壤重金属的高光谱快速监测。     

基于SOC710VP高光谱成像仪的冬小麦土壤含水率反演模型研究

【目的】实现小麦农田土壤含水率大面积快速监测。【方法】以冬小麦冠层高光谱数据为基础,计算得到8种植被指数,通过对关键生育时期(拔节期、抽穗期、灌浆期)不同水分处理下冬小麦不同土层(0～20、20～40、40～60 cm)土壤含水率与植被指数拟合状况进行分析和筛选,分别构建了基于植被指数的不同土层土壤含水率反演模型,并对模型进行检验。【结果】①各时期植被指数拟合效果有所差异,拔节期0～20 cm土层以植被指数VOG1拟合效果较好,相关系数为0.88,20～40 cm土层以植被指数mNDVI705拟合效果较好,相关系数为0.75,40～60 cm土层以植被指数VOG3拟合效果较好,相关系数为0.59;抽穗期0～20 cm土层以植被指数mNDVI705拟合效果较好,相关系数为0.70,20～40 cm土层以植被指数mNDVI705拟合效果较好,相关系数为0.72,40～60 cm土层以植被指数mSR705拟合效果较好,相关系数为0.57;灌浆期0～20 cm土层以植被指数mNDVI705拟合效果较好,相关系数为0.88,20～40 cm土层以植被指数SARVI拟合效果较好,相关系数为0.68,40～60 cm土层以植被指数SARVI拟合效果较好,相关系数为0.71;②各土层土壤含水率与植被指数拟合效果有所差异,其中利用VOG1和mNDVI705组合构建的模型反演0～20 cm土层,决定系数R2为0.743,利用mNDVI705和SARVI组合构建的模型反演20～40 cm土层,决定系数R2为0.707,利用VOG3、mSR705和SARVI组合构建的模型反演40～60 cm土层,决定系数R2为0.484;③通过建立植被指数对土壤含水率的反演模型,0～20 cm土层含水率反演效果好于20～40 cm和40～60 cm。【结论】高光谱植被指数反演模型中,以0～20 cm土层的估算模型最佳,植被指数组合为VOG1和mNDVI705。综上可知,该研究方法进行土壤含水率的反演是可行的。     

基于有机质特征谱段的土壤Cd含量高光谱遥感反演

针对土壤Cd高光谱遥感定量反演中的机理性不足及数据冗余问题,提出一种基于有机质特征谱段的反演方法。该方法首先提取土壤光谱中对重金属Cd具有吸附作用的有机质特征谱段,进而通过竞争性自适应重加权采样法（Competitive adaptive reweighted sampling,CARS）优选特征谱段,采用偏最小二乘回归法（Partial least squares regression,PLSR）建立重金属Cd的反演模型,并利用郴州矿区土壤实验室光谱数据和哈密黄山南矿区野外光谱数据进行方法验证。研究表明：有机质特征谱段提取在降低数据冗余的同时提高了重金属Cd的反演精度,CARS算法相对于相关系数法（Correlation coefficient,CC）和遗传算法(Genetic algorithm,GA)特征选择具有更高的反演精度,基于有机质特征谱段的CARS-PLSR算法在土壤实验室光谱和野外实测光谱所得验证精度R2分别为0.94和0.80,表明该算法对于实验室和野外光谱均具有一定适用性。研究可为土壤重金属含量高光谱反演的特征波段选择和算法优选提供参考。     

基于高光谱反演的复垦区土壤重金属含量经验模型优选

以工矿复垦区为实验区域,基于ASD Field Spec 4高光谱遥感数据,结合实测的土壤重金属含量,利用回归分析与特征选择方法,开展了基于高光谱数据的土壤重金属含量反演研究与实验并进行了经验模型优选。通过对光谱曲线进行一阶微分、对数一阶微分以及对数倒数的一阶微分等数学变换有效提高了光谱数据与土壤重金属含量的相关性。在此基础上采用偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)、随机森林回归(Random forest regression,RFR)、支持向量机回归(Support vector machine regression,SVMR) 3种回归分析模型开展土壤重金属含量反演实验,结果表明偏最小二乘回归(PLSR)对研究区内土壤中重金属含量的反演最为有效,尤其对区域内主要障碍因子镉(Cd)元素含量的反演效果最佳,验证集决定系数R2为0. 76。基于粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)、遗传算法(Genetic algorithm,GA)、Relief F算法3种特征选择方法对偏最小二乘回归(PLSR)模型进行优化,结果表明粒子群算法(PSO)可有效降低特征波段变量维度,进一步提高模型反演精度,使决定系数R2由0. 76提高至0. 84。综上,基于高光谱数据,采用偏最小二乘回归(PLSR)与粒子群算法(PSO)相结合的方法,可有效对工矿复垦区土壤中的重金属含量进行测度,可为复垦区土地的质量和生态指标监测提供理论方法和技术支持。     

基于多源数据融合的盐分遥感反演与季节差异性研究

为提高多光谱盐分遥感反演的精度,利用实测高光谱与多光谱进行数据融合,并分析了不同季节盐分遥感的差异性.以河套灌区永济灌域为研究区域,以实测光谱仪测定的土壤高光谱数据和Landsat-8OLI多光谱数据为基础,通过光谱变换和多元逐步回归方法筛选特征波段和特征光谱指数,构建了春、秋两季土壤盐分多光谱、高光谱反演模型,并利用...     

基于三维光谱指数的土壤含水率反演研究

为研究三维光谱指数预测土壤含水率的效果,以期能为精准农业地表土壤含水率的快速精确测定提供参考.以浙江永康地区采集的不同含水率土壤样本为研究对象,利用ASD FieldSpec 3光谱仪在室内对土样进行光谱反射率测量,并基于原始光谱反射率(R)及其对应的一阶微分光谱(FD)、二阶微分光谱(SD)进行一维二维及三维光谱指数的提取.再通过偏最小二乘回归模型(PLSR)对不同光谱指数建模,并对比分析不同模型的反演精度.结果表明:三维光谱指数相比于一维二维光谱指数对土壤含水率更加敏感;基于三维光谱指数(TBI2)偏最小二乘回归模型具有最佳的预测效果,其Rv2=0.92,RPD可达3.32;对于土壤含水率反演而言,三维指数(R-TBI1)相比于其他的光谱指数更具重要性,其变量投影重要性(VIP)达1.04.该研究表明利用三维光谱指数建模为高光谱遥感对表层土壤含水率的快速有效监测提供了一条新途径.     

新疆典型绿洲灌区土壤理化性状与盐分离子分布特征

土壤盐渍化和耕地质量下降严重制约新疆绿洲灌溉农业可持续发展,研究土壤理化性状与盐分离子分布特征是盐碱地改良与综合利用和绿洲灌溉农业高质量发展的前提和基础。以北疆玛纳斯河灌区、南疆阿克苏河灌区和喀什噶尔河灌区（阿克苏-喀什噶尔河灌区）为研究对象,定量分析了土壤（0~500cm）养分含量、含盐量及其离子组成分布特征。结果表明：玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮含量均呈现随土层深度增加而逐渐降低的趋势。玛纳斯河灌区表层土壤（0~30cm）和0~100cm土层土壤有机质、碱解氮、速效钾、全氮含量和pH值平均值高于阿克苏-喀什噶尔河灌区,100~500cm土层土壤有机质、碱解氮、速效钾、全氮含量平均值低于阿克苏-喀什噶尔河灌区。阿克苏-喀什噶尔河灌区表层土壤（0~30cm）全盐量和电导率平均值比玛纳斯河灌区分别高21.14%和8.53%,60~100cm土层比玛纳斯河灌区分别低17.55%和16.50%。玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤阳离子均以Na+和Ca2+为主,阴离子均以SO2-4、Cl-为主,Na+和SO2-4分别为玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区含量最高的盐基离子。玛纳斯河灌区表层土壤（0~30cm）53.85%属于盐渍土,30~60cm土层50.00%属于中度和重度盐渍土,60~100cm土层25.00%属于重度盐渍土,硫酸盐型盐渍土占主导地位,其次是氯化物-硫酸盐型盐渍土。阿克苏-喀什噶尔河灌区表层土壤（0~30cm）78.26%属于盐渍土,其中重度盐渍土占比最高,30~60cm土层60.86%属于轻度和重度盐渍土,60~100cm土层39.13%属于非盐渍土,氯化物-硫酸盐型盐渍土占比最高,其次是硫酸盐型盐渍土。研究结果可为新疆绿洲灌区盐碱地综合利用和作物精准施肥提供科学依据。     

不同粒径处理的土壤全氮含量高光谱特征拟合模型

采集新疆北疆棉田385个自然土壤样本,将筛选出的土壤样品分别过2、1、0. 5、0. 15 mm筛并测定其原始光谱反射率,利用支持向量机(Support vector machine,SVM)、偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)和多元逐步线性回归(Stepwise multiple linear regression,SMLR)方法对土壤原始光谱及其12种光谱变换数据分别构建土壤全氮含量的估测模型,并对模型精度进行检验。结果表明,土壤原始光谱特征在各个波段与全氮含量相关性都较差,不同形式的数据变换均能够提高光谱反射率与全氮含量的相关性,同一种数据变换形式在不同粒径处理中最大相关系数所对应的波段位置差异不大。从不同粒径处理的拟合精度来看,过筛粒径越小对全氮含量的估测精度越高,3种方法的最优拟合模型都是过0. 15 mm筛的处理,其中SVM方法采用(lgR)'变换后,构建模型R2c为0. 898 7,RMSEc为0. 018 1,RPD为2. 704 9,PLSR和SMLR方法均采用R'变换,构建模型的R2c分别为0. 852 0和0. 819 6,RMSEc分别为0. 041 3和0. 043 6,RPD分别为2. 554 9和2. 437 4,3种方法在该过筛处理下均能够很好地估测土壤全氮含量。用未参与建模的样本对3种最优模型进行验证,SVM、PLSR和SMLR模型的检验R2分别为0. 822 9、0. 771 5和0. 705 4,SVM方法优于PLSR和SMLR,模型具有较好的精度和稳定性,从模型的预测误差来看,土壤全氮含量越低其预测误差也越大,在氮素含量较低的情况下无法直接通过光谱反射特征准确反演。     

基于Binary Logistic模型的棉花出苗情况建模

为了科学、合理地做好盐渍土条件下的棉花出苗预测工作,以便为当地农业生产提供一定借鉴。以新疆巴音郭楞蒙古自治州为例,利用所采集土样中的盐分离子数据以及Binary Logistic模型,模拟不同盐分离子组成时棉花出苗情况。结果表明:当利用Binary Logistic模型对棉花出苗进行模拟时,模型通过了-2对数似然值检验,并且对测试样本有67.9%的模拟准确性。     

基于支持向量机的土壤水分入渗参数预测研究

为解决土壤水分入渗能力的空间变异性问题,以方山、河津、泽州等地土壤入渗试验为背景,选用两参数Kostiakov入渗模型,建立以土壤密度、体积含水量、黏粒和有机质含量等土壤理化参数为输入变量,土壤水分入渗参数为输出变量的土壤传递函数。通过对入渗参数k、α的土壤理化参数影响因子分析,表明土壤理化参数与土壤入渗参数间存在着相关关系。在此基础上,运用支持向量机理论,将入渗参数的非线性回归问题转化为一个二次凸规划问题,建立了土壤入渗参数k、α的预测模型,通过对预测样本的误差分析,表明基于支持向量机土壤水分入渗参数预测模型的预测效果良好,可实现土壤传递函数的有效建立。     

基于支持向量机模型的水质评价研究

将支持向量机方法应用到水质评价中,建立了RBF核函数支持向量机评价模型。根据石头口门水库水质特征,选择溶解氧、化学需氧量、高锰酸盐指数等五项指标作为输入因子进行评价,并与综合水质评价法、模糊综合评价法比较。研究结果表明石头口门水库主要为Ⅱ类和Ⅲ类水,呈汛期较差、非汛期较好的变化规律。通过实例验证,说明支持向量机方法能够较好的解决分类评价问题,评价结果良好,符合客观事实,具有很好的研究价值和推广前景。     

土壤中水、燕、盐耦合运移机理与模型的研究进展

土壤水、热、盐运移规律的研究是目前土壤学、农田灌溉、水土保持、环境科学等学科研究的一个热点问题，也是防治土壤次生盐碱化，提高土壤肥力和土壤生产效率的重点。为此，简要介绍了土壤水、热、盐运移基本理论的发展过程和国内外学者数十年来关于土壤水、热、盐的研究成果，并对土壤水、热、盐运移模型研究进行了一定的评价，讨论了目前该研究领域急需解决的问题，为进一步的研究提供帮助。     

基于支持向量机的玉米品种识别

选取郑单958、辽单565、京科25玉米品种作为研究对象,从玉米籽粒的数字图像中提取与玉米籽粒的颜色、形状、尺寸等有关的6个形态结构参数,利用支持向量机(SVM)算法进行训练识别,同时与BP人工神经网络(NN)方法进行比较,结果表明,SVM算法识别效率较高,达到92.3%.     

土壤中水、热、盐耦合运移机理与模型的研究进展

土壤水、热、盐运移规律的研究是目前土壤学、农田灌溉、水土保持、环境科学等学科研究的一个热点问题,也是防治土壤次生盐碱化,提高土壤肥力和土壤生产效率的重点.为此,简要介绍了土壤水、热、盐运移基本理论的发展过程和国内外学者数十年来关于土壤水、热、盐的研究成果,并对土壤水、热、盐运移模型研究进行了一定的评价,讨论了目前该研究领域急需解决的问题,为进一步的研究提供帮助.     

基于支持向量机的洪水预报模型初

用传统的机器学习方法进行洪水预报建模存在泛化能力难以保障，训练速度慢等一些困难。对统计学习理论和支持向量机的基本内容和核心思想进行了简要的介绍，探讨了基于支持向量机的洪水预报模型的建模方法。通过实例中的应用，该模型显示了泛化能力强，训练速度快，便于建模等优点，有良好的应用前景。     

设施灌溉条件下不同次生盐渍化土壤盐分离子迁移特征

通过在设施灌溉条件下的室内土柱模拟试验,研究了灌水对不同次生盐渍化水平设施土壤盐分离子迁移特征的影响.结果表明:Ca2+与NO3-在灌水后5～15d表现出随时间的推移剖面分布呈“双峰”特性,随着次生盐渍化水平的升高,Ca2+与NO3-淋洗速度变慢同时其返盐时间也较迟.地下水对K+迁移影响不显著,使得K+在灌水后剖面分布呈“单峰”特性,SO24-在所有次生盐渍化水平下一次性灌水很难将其淋洗出耕层.从环境因素看,Ca2+在土层的表层和底层以及灌水后期都表现出与水分和温度较好的耦合效应,并且两者对Ca2+运移具有协同作用.K+在0 ～ 20 cm土层运移主要受水分的影响,而30 ～ 50 cm土层主要受温度的影响,从灌水时间看,在灌水后5～15d内主要受温度影响,而灌水20 d后主要受水分影响.NO3-和SO24-不论从土层还是时间看主要受水分的影响较大.     

基于高光谱反射特性的土壤水盐状况预测模型研究

为了能够及时、精准、动态地监测盐渍土水分和盐分含量变化,以新疆玛纳斯河流域绿洲农田为研究对象,应用高光谱分析技术,采用偏最小二乘回归方法(PLSR)分析土壤反射光谱特征值与水分、盐分含量间的关系,建立盐渍化土壤水、盐含量的高光谱预测模型,并对模型的稳定性和预测能力进行检验。结果表明:12种数据变换中分别采用CR、(lgR)'能够有效提高土壤盐分、含水率预测模型精度。水分预测模型中土壤盐分含量小于等于8.19 dS/m时,R2cal均大于0.79,外部验证R2val均大于0.64,RMSEP间差异不显著,预测精度较好;土壤盐分含量大于等于10.25 dS/m时,外部验证R2val不足0.45,预测精度较差。土壤盐分预测模型中当含水率小于15%时,预测R2cal均大于0.77,外部验证R2val大于0.64,RMSEP小于4.3,预测精度较好,土壤含水率大于15%时,模型预测精度较差。结果表明土壤中水分、盐分含量较大时,对水盐预测模型的估算精度均会产生影响。