类标准化土壤样品Cd含量高光谱定量反演

针对土壤Cd高光谱遥感反演精度低、特征波段难以有效识别的问题,以湖南省某典型重金属污染矿区为例,开展类标准化Cd污染土壤样品和自然污染土壤样品Cd含量高光谱定量反演对比研究。创新之处主要在于以相对清洁的背景土壤作为内控样本,通过实验室定量添加Cd标准溶液制备符合自然污染规律的类标准化Cd污染土壤样品方案的提出与对比实验的开展,研究实验过程还包括自然污染土壤样品野外采集,类标准化样品与自然样品土壤重金属、有机质含量及350～2 500 nm光谱反射率等的测定,光谱全要素主成分逐步回归土壤Cd含量反演建模。研究发现,类标准化土壤样品Cd含量高光谱反演模型精度(adjR2=0.87)明显高于野外自然污染土壤样品Cd含量高光谱反演建模结果(adjR2=0.39)。土壤Cd含量与土壤光谱反射率间确实存在一定的响应关系,但各光谱波段对土壤Cd含量及其变化产生响应的程度存在差异,其中1 000,2 000以及2 300 nm波段光谱响应信号较强。该研究创新引入的类标准化Cd污染土壤样品制备方法有助于深入探索重金属Cd污染土壤光谱特征响应规律并发现重金属Cd含量及其变化的真正指示性特征波段,可为多要素混淆污染模式下模拟反演土壤重金属含量提供先验知识。     

亚热带土壤铬元素的高光谱响应和反演模型

高光谱遥感技术已成为当前遥感领域的前沿技术,因其高分辨率的特点,可利用地物反射光谱特征定量反演地物的物理化学性质。目前土壤环境质量愈来愈受到关注,土壤重金属含量与土壤环境质量安全密切相关,以往土壤高光谱遥感技术研究多注重于土壤有机成分如土壤碳氮的光谱反演模型,对土壤重金属含量的高光谱反演研究普遍较少。土壤重金属污染已经成为影响土壤质量安全的关键因素,对土壤重金属尤其是污染元素普查是当务之急。传统土壤重金属的测试方法要求条件较高,测试周期较长,试图建立土壤高光谱与土壤铬元素(ICP-MS测定)含量之间的定量预测模型,以实现土壤铬元素的快速准确预测。采集福州市土壤样品135个,对土壤样品在350～2 500 nm的光谱反射率进行倒数、对数、微分等六种变换,筛选出对土壤总铬含量敏感的光谱波段,最后获得福州土壤铬元素高光谱反演优化模型。研究结果表明：亚热带红壤总铬的敏感光谱波段为：可见光520～530 nm和近红外1 440～1 450,2 010～2 020,2 230～2 240 nm;亚热带地区土壤总铬—高光谱反演的优化模型为: y=120.768e-7.037x(相关系数R为0.568,均方根误差为0.619 μg·g-1,检验相关系数R为0.484,均方根误差为1.426 μg·g-1),该模型可以用于福州地区土壤全铬的光谱快速监测。     

矿业废弃地重构土壤重金属含量高光谱反演

矿产资源对工业和国民经济的发展有重要的作用,但是随着矿业开采规模的扩大,资源枯竭、经营不善而形成的矿业废弃地越来越多。由于长时间受到采矿的影响,矿业废弃地土壤中存在大量的重金属元素,高浓度重金属可能会对环境和人体产生影响。土地复垦是整治污染、退化土壤再利用的重要方法,对重构后的土壤进行重金属含量检测是衡量土地复垦成效的重要指标,需要长期进行跟踪监测。传统的化学检测方法效率低、成本高、无法实现重金属大范围检测。高光谱是一种新兴的、发展潜力巨大的技术,在环境保护,资源利用,区域可持续发展等方面有着广泛的应用。经过近几十年的快速发展,仪器精度逐渐提高,检测方法逐渐成熟,为实现土壤重金属高效、便捷检测提供了可能。正常土壤重金属含量一般相对较低,采用光谱测量重金属含量较为困难,但铁矿开采区矿业废弃地由于土壤中的铁元素较多,会使土壤中的重金属的存在和聚集形式发生变化,影响重金属对光谱的响应,从而使土壤光谱反射率与重金属含量之间关系更加明显。以湖北省大冶市复垦矿区研究区,采样化学检测方法获取土壤重金属（As,Cr,Zn）含量;借助于美国ASD公司生产的FieldSpec4地物光谱仪（350～2 500 nm）获取土壤反射率,应用一阶微分、倒数对数、连续统去除法分别对反射率曲线进行预处理,提取出光谱特征波段,分析三种重金属元素与光谱特征间的相关性并建立逐步回归模型。研究表明,光谱数据预处理可使光谱特征波段更加明显,其中一阶微分和连续统去除法的效果最为明显。3种重金属元素的特征波段为495,545,675,995,1 425,1 505,1 935,2 165,2 205,2 275和2 355 nm。将土壤重金属含量与光谱特征波段之间做相关性分析,三种重金属都表现出了与光谱曲线的相关性,相关系数大部分都达到了0.5以上,最大相关系数为0.663,由于重金属种类和预处理方式的不同会导致相关性系数存在明显的差异。利用与土壤重金属相关性最大的特征波段建立三种重金属反演模型,并以反演模型r大小选择每种重金属的最优反演模型。由于重金属种类的不同,模型的选择也有差异,Cr和Zn一阶微分逐步回归为最佳反演模型,重金属As连续统去除法逐步回归为最佳反演模型。通过检验,三种重金属中Cr反演效果最好,RMSE为2.67,其次是Zn和As。对比当前不同检测手段可知,基于土样和光谱数据预处理的土壤重金属含量地物光谱仪高光谱反演是比较理想的。可为矿业废弃地土壤重金属高光谱反演提供参考。     

土壤重金属铅、锌高光谱反演模型可迁移能力分析研究

现有基于高光谱遥感技术的土壤重金属含量反演模型,大多是采用同一试验区且有限的样本点进行定量反演建模。但考虑到实际应用需求,该类模型在不同试验区是否具有较好的迁移推广能力是目前迫切需要回答的问题。如不可行,是否存在其他可行手段用于土壤重金属污染评估？ 为回答上述问题,选取湖南省郴州市和衡阳市两铅锌矿区作为实验研究区,并首先利用郴州地区采样点分别对Pb和Zn两种重金属进行定量回归建模和定性分类建模,然后比较两种模型在衡阳实验区的可迁移能力。实验结果表明：(1)基于偏最小二乘回归(PLSR)的定量回归模型可迁移能力较差。分别采用四种光谱预处理方式建模,发现回归模型对异地采样的预测精度很低,难以正确反演衡阳试验区重金属Pb和Zn的含量。(2)基于支持向量机(SVM)分类的定性反演模型具有一定的可迁移能力,以郴州地区采样数据训练得到的SVM分类模型能有效判定衡阳试验区Pb、Zn的污染状况,分类精度分别达到84.78%和86.96%。结果表明,在快速检测土壤重金属污染状况的问题上,定性分类是一种更加切实可行的方式。     

基于光谱吸收特征的土壤重金属反演及吸附机理研究（英文）

土壤中的重金属含量较少,难以在光谱曲线上表现出明显的特征,现有的土壤重金属反演实验多是通过统计的方法寻找重金属的敏感波段,不能准确解释土壤重金属的反演机理,难以建立土壤重金属反演的普适性模型,通过分析铁锰氧化物、有机质、粘土矿物在土壤光谱曲线上的吸收特征,深入研究了土壤重金属对可见光近红外光谱的影响,分析了褐土中的重金属反演机理。以徐州试验田为例,共采集80个土壤样本。首先,利用ASD地物光谱仪测定土壤样本的光谱反射率,并采用电感耦合等离子体质谱仪检测土壤样品中的Cr, Cd, Cu, Pb和Zn的含量。然后,土壤光谱经过包络线去除处理,与重金属相关的吸收峰在480, 1 780和2 200 nm附近,所显现的吸收峰主要受土壤中的铁锰氧化物、有机质、粘土矿物的影响。在吸收峰位置提取了光谱吸收特征的四个参数:Depth_(480), Depth_(1 780), Depth_(2 200)和Area_(2 200),分析了它们随五种重金属含量变化的增减趋势,发现四个参数数值与五种重金属含量有很强的相关性。分析单个变量反演重金属发现,参数Depth_(480)反演Cr和Pb的效果较好,参数Area_(2 200), Depth_(1 780)反演Cd, Cu和Zn的效果比较好。同时使用四个光谱吸收特征参数,利用最小二乘法、岭回归法、支持向量回归法求取回归系数,建立的五种重金属含量的反演模型比使用单变量建立的反演模型预测能力强且稳定,五种重金属Cr, Cd, Cu, Pb和Zn反演效果最好的验证集决定系数分别是0.71, 0.84, 0.92, 0.80, 0.89。结果表明,在此研究区域Cr和Pb容易被铁锰氧化物吸附,而Cd, Cu和Zn更容易被有机质、粘土矿物吸附。此研究为探究土壤光谱特征与土壤重金属含量之间的关系提供了参考。     

农用地土壤As元素与叶片光谱特征关系研究

重金属污染是土壤环境污染中亟待解决的问题之一,重金属通过土壤向植物富集,危及人体健康,对生态环境产生巨大隐患。传统的土壤污染监测以化学方法为主,不仅费时费力且监测范围有限,而基于植被高光谱技术的土壤重金属监测方法能够快速准确地获取土壤重金属含量,突破植被屏障,提高土壤重金属监测效率。近年来,国内外许多学者致力于使用盆栽实验定量研究土壤污染物对植物光谱特征影响,而野外环境下的实验研究相对缺少,因此建立合适准确的野外土壤重金属预测模型具有重要意义,为改善耕地土壤质量提供参考。以北京市优势经济果树桃树为研究对象,在研究区均匀设置了50个采样点,利用FieldSpec 4便携式地物波谱仪测量桃树叶片光谱数据,同时采集土壤样本带回实验室检测分析获得土壤重金属含量数据。通过分析不同污染下桃树叶片在重金属胁迫下的叶片光谱特征,计算不同土壤重金属与叶片光谱之间的相关关系,确定土壤As元素与光谱反射率相关性更大,因此选择土壤As元素计算其与不同植被指数之间的相关系数,并用合适的植被指数构建土壤As元素预测模型。结果表明：污染区桃叶光谱反射率总体上比背景区的光谱反射率更高,其中760~1 300 nm波长范围内对土壤重金属更加敏感,土壤重金属对叶片红、蓝、黄边位置干扰不明显,对红、蓝、黄边斜率敏感,且均呈正向相关性。光谱反射率与土壤Cr,Cu和Hg元素相关性较弱,与As,Pb和Cd元素在某些波段范围内达到0.1级显著相关,且总体相关曲线趋势相同,相关性大小依次排序为As>Pb>Cd。以相关性更强的土壤As元素与植被指数进行相关分析表明,土壤As元素与PRI1和PRI3均显著相关。使用SPSS数据分析软件以PRI1和PRI3为自变量,土壤As元素为因变量分别进行回归分析,检测结果发现,PRI3的指数预测模型(y=e43.644x-39.386, R2=0.937, RMSE=0.161)效果最好且具有更好的稳定性。     

重金属污染水稻的冠层反射光谱特征研究

利用野外光谱仪获取矿区农田重金属污染水稻的冠层反射光谱,通过曲线模拟和统计分析提取了与水稻冠层叶片重金属含量变化极显著相关的光谱敏感波段(Pb, 460 nm;Zn, 560 nm;Cu, 660 nm;As, 1 100 nm)、归一化植被指数(Pb, NDVI_{(510, 810)};Zn, NDVI_{(510, 870)};Cu, NDVI_{(660, 870)};As, NDVI_{(510, 810)})和“红边”位置等水稻冠层反射光谱特征。表明水稻重金属污染可以被地面遥感传感器快速检测,其浓度变化与所提取的光谱特征之间存在极显著相关,归一化植被指数与“红边”位置对光谱信息的表达要优于敏感波段。归一化植被指数以及“红边”位置可以作为水稻重金属污染遥感监测模型的光谱特征参数选择参考。同时,文章提出了利用遥感技术监测水稻重金属污染的“光谱临界值”概念, 并计算出研究中各重金属对应的“光谱临界值”。     

温州河网沉积物中重金属分布特征与污染评价

为了调查温州河网沉积物中重金属的分布特征与污染程度,共采集了29个样,用AFS-9230原子荧光光度计和ICP-OES全谱直读电感耦合等离子发射光谱法测定样品中重金属元素含量,克里格插值图反映重金属元素的空间分布,根据内梅罗指数法建立综合地累积指数进行污染评价,利用Pearson系数法,主成分分析法进行源分析。结果表明：在不同样点重金属含量差异明显,其中Cd和Zn含量最高点为主河道城市与工业集中区,As,Pb,Hg,Cu,Ni,Cr含量最高点为机械工业园区,沉积物受到Hg,Cd,Cu,Zn,Ni和Cr污染,区域污染程度机械工业园＞主河道城市区＞三垟湿地区＞城市周边区＞水源地区,Hg,Cd,Cu,Zn,Ni和Cr具有相似的源,且以人为源为主。     

土壤Cd含量实验室与野外DS光谱联合反演

土壤重金属高光谱遥感建模理论上能够大大降低传统化学分析测定所需成本,正逐步发展为有效探查土壤污染空间分布与开展污染土壤综合防治的关键技术。然而土壤重金属高光谱遥感调查技术目前多局限于稳定可控条件下的实验室光谱模型,野外诸多因素（光照、湿度、土壤粗糙度等）影响下野外原位光谱模型的有效性已成为困扰该项技术大范围推广亟待突破的关键科学问题。以湖南衡阳市某矿区为例,分别利用ASD地物光谱仪和等离子发射光谱法测定46个土壤样品350~2 500 nm的实验室光谱和Cd含量,并在土壤取样时同步测量样品野外原位光谱。在运用DS（direct standardization）转换算法处理野外光谱的基础上,融合实验室光谱先验知识,基于主成分逐步回归建模方法开展了土壤Cd含量实验室与野外原位DS光谱联合反演实验,交叉验证了模型的稳定性。同时为深入探究实验室与野外原位DS光谱联合反演模型的有效性,将其与基于实验室光谱、野外原位光谱、野外原位DS光谱、实验室与野外原位光谱联合建立的主成分逐步回归模型开展了对比分析。结果表明：野外原位光谱反演模型精度（R2=0.56）明显低于实验室光谱反演模型（R2=0.64）,野外原位DS光谱反演模型与之相比精度有所提升（R2=0.66）;在野外原位光谱DS转换校正基础上,联合实验室光谱先验知识的土壤Cd含量反演模型精度最高,R2可达0.72。与此同时,实验室与野外原位DS光谱联合反演模型揭示482,565,979和2 206 nm波段对研究区土壤Cd含量有较好指示性,此结果与实验室光谱反演模型所识别的特征波段一致,两者物理意义相同。研究结果证实了实验室光谱先验知识以及DS转换算法能够提升野外原位光谱模型的可靠性,可为发展土壤Cd含量野外原位高光谱遥感探测提供重要的提供理论与方法支撑。     

关联类标准化样品特征波段的矿区土壤重金属Pb高光谱反演

目前土壤重金属Pb的高光谱反演实验样本多源于研究区采样,忽略了自然样本中复杂组分的光谱混杂问题,所建立的模型精度偏低,重金属光谱响应机理解释仍不明确。基于此,选取湖南省某铅锌矿区采集相对清洁背景土壤,运用控制变量方法,制作Pb类标准化样品40个,同时采集矿区86个自然污染样本。首先利用类标准化样品建立偏最小二乘回归(PLSR)定量反演模型,提取Pb光谱反射特征波段,然后基于特征波段进行矿区自然污染样本土壤Pb定量回归建模,对比全波段建模结果,验证特征波段的有效性。实验结果表明:(1)在背景土壤性质稳定的前提下,制作的类标准化样品具有总体一致的光谱形态,同时Pb含量作为引起反射率变化的唯一驱动因子证实了土壤中重金属Pb光谱响应信号的存在;(2)相较于自然样本光谱反演结果,类标准化样品能显著提升土壤Pb含量模型估算能力,决定系数(R■)为0.85,相对分析误差(RPD)2.30,有效排除其他组分对于光谱建模的干扰,模型性能良好;使用变量重要性投影指标(VIP)与PLSR系数提取的类标准化样品特征波段集中在970～1 000, 1 700～2 080和2 220～2 400 nm区间;(3)与全波段建模对比,基于特征波段的矿区自然污染样本的PLSR建模结果,R■由0.32提升至0.55, RPD由1.20提升至1.44,表明特征波段能够较好表征Pb的响应信号,波段提取有助于过滤噪声,减少数据冗余同时提高模型反演精度。提出的基于类标准化样品特征波段反演自然土壤样本Pb含量,有效解决自然样本成分复杂,重金属光谱信号微弱的问题,丰富了土壤重金属遥感监测理论与应用实例。     

基于中红外漫反射光谱的土壤重金属元素含量预测研究

研究了中红外漫反射光谱快速预测土壤重金属元素含量的可行性。以在南京江宁区和八卦洲采集的共161个土壤样品为例,利用偏最小二乘回归(PLSR)法对土壤中Ni,Cr,Cu,As,Zn,Pb,Hg和Cd等8种重金属元素数据进行了预测。通过对样品的中红外(MIR)漫反射光谱进行各种预处理,探讨了中红外光谱数据预处理对预测精度的影响,并比较了中红外光谱与可见光-近红外(VNIR)光谱对土壤重金属含量预测的精度。结果表明,依次经平滑、基线校正、多元散射校正预处理能显著提高中红外光谱数据的预测精度;经校正的中红外光谱对异地样品预测的均方根误差是可见光-近红外光谱的21%～73%,比VNIR波段更能准确预测异地样品中土壤重金属元素含量。研究表明,中红外漫反射光谱可以作为一种快速、非破坏方法预测土壤重金属元素含量,且比可见光-近红外精度高。     

基于PCA的土壤Cd含量高光谱反演模型对比研究

土壤重金属污染对人类健康造成了极大的威胁,如何快速摸清土壤污染情况尤为重要。高光谱遥感具备光谱分辨率高,快速无损等优势,使其在土壤组分反演方面具有巨大的潜力。针对高光谱信息冗余及光谱变换对土壤镉（Cd）含量估算的影响进行分析,并利用变换前后的高光谱数据对比研究了不同高光谱模型对土壤Cd含量反演的性能。首先利用等离子体质谱法和FieldSpec4地物光谱仪收集了56组土壤样品的Cd含量和对应的高光谱曲线（350～2 500 nm）;为了弱化光谱测定中光亮变化和土壤表面凹凸对实验结果的影响,研究对高光谱数据进行倒数对数预处理;考虑到高光谱数据中存在大量的信息冗余,研究采用了主成分分析（PCA）对高光谱数据进行降维处理并最终保留了前12个主成分量作为特征变量。针对高光谱反演模型,研究选择了偏最小二乘（PLSR）、支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）和随机森林（RF）四种回归模型建立PCA主成分与Cd含量之间的关系;最后,研究选取了决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和RPD三种精度评估指标评估回归模型的拟合精度,结果表明针对光谱采用PCA波段降维的方法处理后,选取的12个主成分对变化前后的光谱累计贡献率均达到99.99%,作为模型的输入变量,四种模型均具有一定的预测能力。无论光谱变换与否,PCA-RF反演模型的预测能力均为最好（R2分别为0.856和0.855,RPD均高达3.39）。利用PCA对高光谱数据降维处理可以有效降低高光谱数据冗余,有力的保证模型的预测能力。以PCA筛选出的主成分量可以作为模型极好的输入变量,以RF为基础的高光谱反演模型在反演土壤Cd含量时具有最佳效果,可为该区域及类似地区的土壤重金属污染物反演提供新的方法支撑。     

可迁移的土壤重金属污染高光谱定性分类方法研究

现有基于高光谱遥感的土壤重金属污染定性分类模型,大多采用同一地区室内光谱测定训练样本数据进行模型构建与测试。但室内光谱测定需要复杂的处理过程,成本高,效率低,且无法快速获得目标区域空间上连续的光谱信息。考虑到实际应用需求,模型在相同实验区和不同试验区野外光谱数据是否具有较好的迁移推广能力是目前迫切需要回答的问题。为回答这一问题,选取湖南省郴州市和衡阳市两铅锌矿区作为实验研究区,选用支持向量机（SVM）作为分类器,将郴州实验区室内采样的83个样本数据和衡阳实验区室内采样的46个样本数据分别用于分类器训练,将衡阳地区野外采样的46个样本数据用于分类测试。并首先通过基于联合分布适配（JDA）的迁移学习方法进行光谱变换以缩小两地室内外测定光谱分布差异,然后进行不同区域室内外土壤重金属污染定性分类模型迁移。实验结果表明：（1）由于野外测得的光谱数据会受到太阳辐射、提取的土壤成分差异等因素的干扰导致室内外光谱数据存在显著的分布差异,难以直接将基于室内采样数据训练得到的土壤重金属污染定性分类模型迁移到同一地区测定的野外高光谱数据上。但通过JDA变换缩小室内外分布差异后,模型迁移能力得到显著提升,砷（As）、铅（Pb）和锌（Zn）三种重金属含量是否超标的分类精度都达到了84%以上,Zn元素含量是否超标的分类精度甚至达到了89%以上。（2）由于季节性影响、地区成分的干扰和光谱噪声的增加,不同地区光谱数据存在着更为显著的分布差异,加大了不同地区土壤重金属污染监测的难度,难以将基于室内采样光谱数据所建立的土壤重金属定性分类模型直接迁移到其他地区野外采样数据上（平均分类精度仅在50%左右）。经过JDA迁移学习方法进行室内外光谱变换处理后,模型迁移能力得到保证,因此,室外光谱采样可直接用于研究不同试验区域重金属（As,Pb和Zn）的污染情况。     

顾及土壤类型的土壤Zn含量高光谱遥感反演

目前针对土壤重金属的高光谱反演方法大多集中在单一的研究区域或未考虑土壤类型对反演结果的影响,而土壤类型和成土因素的不同会对土壤属性参数的高光谱反演模型的普适性产生一定程度影响。该研究提出一种顾及土壤类型的重金属高光谱遥感反演方法,根据研究区土壤类型,从土壤样本的实验室光谱中提取对重金属起主要吸附作用的土壤光谱活性物质的特征谱段,分别建立基于土壤光谱活性物质特征谱段的重金属含量估算模型。使用改进的遗传算法(IGA)对特征谱段进行波段优选,使用偏最小二乘回归算法(PLSR)建模,使用决定系数(R²)、相对偏差(RPD)和预测均方根误差(RMSEP)三个指标对不同的建模方法进行评价。以湖南省郴州市东河流域铅锌矿矿区的黄壤和红壤样本数据为例,采集38个黄壤样本和35个红壤样本,从土壤样本的实验室光谱中提取对Zn起主要吸附作用的土壤有机质和黏土矿物的特征谱段,均采用IGA+PLSR方法进行建模。结果表明：不考虑土壤类型即利用全部土壤样本进行建模时,与全谱段建模结果相比,基于土壤有机质和黏土矿物特征谱段的重金属Zn含量反演精度的R²由0.624提升到0....     

光谱二阶差分Gabor展开法土壤铜铅污染鉴别

土壤是人类生存环境的重要载体,因此,土壤重金属污染问题一直备受关注。随着遥感技术的发展,高光谱遥感在土壤重金属研究中取得了大量的成果,但是,基本上是根据土壤中有机质、铁、粘土矿物等的光谱吸收特征和反演土壤中重金属含量,而不能够区分土壤重金属污染光谱之间的微弱差异。通过盆栽土壤不同浓度铜(Cu)、铅(Pb)污染实验得到不同浓度Cu和Pb污染下盆栽土壤光谱曲线、土壤含水率和有机质含量,提出了一种光谱二阶差分Gabor展开方法探测不同浓度Cu和Pb污染下土壤光谱曲线之间的微弱差异。以二阶差分为基础,首先将土壤光谱转换为稀疏光谱,然后结合土壤稀疏光谱与Gabor展开理论,在频率域中检测不同浓度土壤重金属污染光谱之间的微弱差异,因此,摆脱了单纯通过土壤光谱反射率信息反演土壤重金属含量的研究,而是对土壤重金属污染光谱信息进行时频分析,最终达到检测土壤重金属污染瞬时光谱存在的目的。结果表明：受Cu和Pb污染的盆栽土壤光谱二阶差分Gabor展开系数尺度及等高线分布有较大的差异,Cu污染的盆栽土壤光谱二阶差分Gabor展开系数尺度分布存在两个较高的峰值,且等高线在第1 800~3 600项之间稀疏分布,Pb污染的盆栽土壤光谱二阶差分Gabor展开系数尺度分布存在一个较高的峰值,且等高线在第3 200~3 600项之间密集分布;二阶差分Gabor展开法检测的土壤Cu和Pb污染结果与土壤Cu和Pb含量、土壤含水率、土壤有机质是密切相关的,由于土壤Cu和Pb含量、有机质含量、含水率的不同,土壤Cu和Pb污染二阶差分Gabor展开光谱尺度分布而不同。根据相关性分析结果,分别将土壤Cu和Pb污染划分为三组：Cu(50)~Cu(300),Cu(400)~Cu(800),Cu(1 000)以上;Pb(50)以下,Pb(100)~Pb(300),Pb(400)~Pb(1 200)。     

亚热带红壤全氮的高光谱响应和反演特征研究

利用高光谱遥感技术反演土壤性质已经成为土壤学和遥感科学研究领域的新手段,特别对土壤化学元素含量的高光谱反演,已成为土壤元素快速监测方法的的研究热点。以往研究往往关注不同类型土壤的化学元素光谱响应特征模型,以试图找到普适性的元素-光谱反演模型。由于成土因素的复杂性,土壤类型及其化学元素分布具有明显的空间异质性特征,宏观尺度上的土壤-光谱统计反演模型客观上具有较大的不确定性。若范围缩小到同一个气候带,土壤生物地球化学反应过程较相似,土壤化学元素-光谱反演模型的不确定性相对较小。以福州市为研究区,采集福州市典型红壤样品135个,研究土壤全氮含量的高光谱响应特征,对土壤样品在350～2 500 nm的光谱反射率分别进行倒数对数、微分等五种变换,分析变换后的光谱信息与土壤总氮含量的相关性,筛选出强相关敏感波段,通过设计不同的建模和验证样品比例,用逐步多元线性回归获得福州土壤的氮元素高光谱反演优化模型。结果表明：亚热带红壤全氮的敏感光谱波段为：可见光634～688 nm和红外872,873,1 414和1 415 nm;亚热带沿海地区土壤全氮—高光谱反演的优化模型为: Y=5.384X664-1.039(决定系数R2为0.616,均方根误差为0.422 mg·g-1,检验R2为0.608,均方根误差为0.546 mg·g-1),该模型可以用于福州地区土壤全氮的光谱快速监测。     

矿区复垦农田土壤重金属含量的高光谱反演分析

以矿区复垦农田土壤为研究对象,利用实验室获取的土壤重金属元素砷(As)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)和铅(Pb)的含量与土壤可见近红外高光谱数据建立重金属元素含量的定量估算模型。为了保证模型预测的精度和稳定性,首先,对原始光谱数据进行平滑处理,并进行光谱变换,即：一阶导数,标准正态变量变换及连续统去除变换;然后,通过相关性分析提取不同变换光谱的特征波段;最后,将最小二乘支持向量机与传统的多元线性回归和偏最小二乘回归方法的结果相比较。研究表明：(1)以不同变换光谱数据建立反演模型均有较好的稳定性并达到一定精度,其中以最小二乘支持向量机方法优于偏最小二乘回归优于多元线性回归模型(除少数几个情况外);(2)从不同光谱变换数据中提取的光谱特征对反演模型结果有一定影响,其中以连续统去除和标准正态变量变换建模结果较好,一阶导数变换稍差。因此,利用高光谱遥感技术来定量估算土壤重金属含量是可行的,而且,必要的光谱预处理对提高估算模型的精度很有帮助。     

径向基神经网络的苏打盐碱地重金属定量反演

土壤是自然生态系统的重要组成部分,是人类赖以生存和农业生产的重要物质基础。随着社会经济高速发展,高强度的工农业生产活动导致重金属等各种污染物通过大气沉降、污水灌溉等途径进入土壤,并在土壤中不断富集造成土壤盐渍化和土壤重金属污染,两者是导致全球荒漠化和土壤退化的主要诱因。然而中国的耕地非常有限,粮食安全尤为重要。因此,如何快速、准确地大面积反演盐碱地的重金属含量是保障粮食安全的重要研究课题。针对上述关键问题,以吉林省镇赉县盐碱地为研究对象,建立了盐碱地重金属元素锰（Mn）、钴（Co）和铁（Fe）含量与土壤可见光-近红外光谱数据的定量反演模型。首先对原始光谱数据分别进行了Savitzky-Golay平滑、多元散射校正、连续统去除变换处理;然后基于预处理后的光谱数据构建了比值（RI）、差值（DI）和归一化（NDI）三种光谱指数,通过光谱指数与重金属含量的相关性分析确定模型训练样本,利用径向基神经网络算法进行建模并反演盐碱地重金属含量;最后通过相关系数等梯度循环建模的精度分析方法确定了光谱指数与锰、钴和铁含量相关性显著的敏感波段组合,建立了基于径向基神经网络算法的盐碱地重金属含量最优反演模型。研究结果表明,Mn选取相关系数r>0.70,Co选取相关系数r>0.80,Fe选取相关系数r>0.80,并选取敏感指数组合分别为108组、690组和31组,基于上述显著敏感指数组合建立的Mn,Co和Fe最优反演模型R2分别为0.703 4,0.897 6和0.848 4,均方根误差RMSE分别为53.007 3,1.059 2和0.363 4,平均相对精度达到88.64%,90.36% 和91.78%。该研究对盐碱地重金属含量的准确、快速分析提供了一种有效的方法,对实现土壤重金属污染治理具有重要的现实意义。     

煤矸石充填复垦重构土壤重金属含量高光谱反演

为研究煤矸石充填复垦土壤重金属含量快速有效的监测方法,以淮南创大生态园煤矸石充填复垦田间试验小区为研究区域,首先采用化学方法监测土壤(0～20 cm)重金属(Cu, Cr, As)含量,然后采用ASD(analytical spectral devices) FiSpec4型高光谱仪测量土壤样品的反射光谱,提取光谱特征,并对光谱进行一阶微分变换、二阶微分变换及倒数对数变换;将变换后的各光谱特征参数与监测的土壤重金属含量进行相关性分析,并依据相关性分析结果选择显著相关的波段作为相关因子供建模使用。采用多元逐步回归(stepwise multiple liner regression,SMLR)分析、偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)及人工神经网络(artificial neural network, ANN)三种方法分别建立基于光谱反射率估算土壤重金属含量的预测模型,并采用回归模型进行精度评定,然后确定各重金属含量的最佳预测模型。实验结果表明,经过微分变换的光谱波段与土壤重金属含量达到了显著相关;重金属Cu和Cr的一阶微分光谱的人工神经网络模型为最佳预测模型,重金属元素As的二阶微分光谱的偏最小二乘回归模型为最佳预测模型。     

树基沟矿区铜胁迫落叶松的光谱响应特征研究

为了研究长白落叶松光谱对土壤Cu胁迫的响应特征和变化规律,在辽东树基沟矿区的3条勘测线上布置采样点,进行表层土壤的多种重金属元素含量和长白落叶松针叶的反射光谱测定,并提取了7个特征波段,计算了多个波段区间的光谱角,将其与土壤主要重金属铜的含量进行相关分析,建立了回归模型。结果表明:7个光谱特征波段中,"红谷"参数与表层土壤铜含量的相关系数最大,基于"红谷"反射率建立的回归模型的R~2达到0. 865。光谱角对铜胁迫长白落叶松针叶波段区间[400,716]nm、[400,2 500]nm的光谱变化十分敏感。"红边"位置和反射率与土壤铜含量不相关,不适合区分矿区表层土壤重金属含量间的细微差别。对可见光敏感的"红谷"参数和光谱角均表明反射光谱的差异主要由叶绿素含量控制,小部分受到针叶中水分含量的影响。本研究利用长白落叶松"红谷"和光谱角的"指纹效应",为快速有效反演大面积高植被覆盖区的土壤重金属含量、圈定隐伏矿(化)体提供了理论依据。