基于综合高光谱指数的区域土壤盐渍化监测研究

选取新疆塔里木盆地北缘渭干河-库车河三角洲绿洲盐渍化土壤、植被及其光谱反射率为研究对象,对实测土壤、植被高光谱进行包络线、倒数、对数、均方根、一阶微分等各种光谱变换,分析并确定反映盐渍化程度最敏感的波段,结果表明：实测高光谱土壤、植被一阶微分光谱变换对土壤盐渍化响应程度最敏感;基于实测综合光谱指数的盐渍化监测高光谱模型可以准确提取土壤盐渍化信息,明显优于传统遥感方法中单纯利用植被指数或者土壤盐分指数的模型,对土壤盐渍化的高精度遥感监测研究具有较好促进作用。     

基于实测高光谱和电磁感应数据的区域土壤盐渍化遥感监测研究

以新疆渭干河—库车河三角洲绿洲为例,利用实测得到的不同盐渍化程度的盐渍土高光谱数据和电磁感应数据(EM38)协同构建土壤高光谱盐分指数遥感监测模型,将该模型通过尺度效应转换用于校正传统的Landsat-TM多光谱遥感影像的土壤盐分光谱指数,用校正过的TM影像进行区域土壤盐分的反演,并利用实测土壤盐分数据对反演结果进行分析与验证。结果表明：将高光谱和电磁感应数据与多光谱遥感技术相结合进行区域土壤盐渍化信息的提取,其精度和反演效果(R2=0.799 3,p<0.01)明显优于传统多光谱遥感方法中单纯利用土壤盐分指数所建立的监测模型(R2=0.587 4,p<0.01),为今后更好地实现土壤盐渍化的高精度遥感动态监测研究提供了科学依据。     

基于可见近红外高光谱的东北盐渍土盐分定量模型研究

为实现东北苏打盐渍土盐分的定量反演,利用光谱测量技术,建立了土壤反射光谱与土壤盐分含量之间的偏最小二乘回归模型;探讨了利用反射光谱预测土壤盐分含量的可行性;分析了不同光谱处理方法、不同重采样间隔条件下建模的精度。结果表明：基于反射光谱进行土壤盐分的定量预测是可行的。平滑后的光谱预测精度比平滑前的预测精度明显提高。平滑后倒数对数变换能够有效去除噪声影响,所建立的模型预测精度最高(R2=0.6677, RPD=1.61)。能够满足盐分预测精度的最大的重采样间隔为8 nm。为大规模卫星遥感监测盐渍化土壤时空演变提供了科学的参考依据。     

微分算法的艾比湖湿地自然保护区土壤有机质多光谱建模

针对以往利用高光谱数据来来反演土壤有机质（SOM）的可行性与可靠性,结合微分处理对光谱数据信息提取的高效性,提出了直接对多光谱遥感影像进行微分处理就可得出SOM建模研究,旨在为今后SOM速测提供参考。采用Landsat 8_OLI 多光谱遥感影像数据,对多光谱遥感影像进行辐射定标、几何校正、大气校正、镶嵌和裁剪,运用IDL软件对影像进行一阶微分处理和二阶微分处理,发现一阶微分图像能够更好地表达地物的真实情况,更好地区别水体与土壤。原始遥感影像包含大量的信息其中还包括噪声,通过微分处理后的遥感影像剔出了原始影像中反射率值突兀变化的部分。在研究区采用五点法采集土壤样品。室内实验用重铬酸钾氧化-容量法测得SOM数据。多光谱数据结合地面实测SOM数据,分析SOM与多光谱数据反射率的关系,发现一阶微分处理后的遥感数据与SOM含量的相关性存在敏感波段,说明一阶微分处理可以将原始遥感图像数据在多光谱范围内的一些隐含的土壤有机质信息释放出来。选取相关性高的数据建立基于原始遥感数据、一阶微分数据、二阶微分数据的单波段多光谱线性模型和多波段多光谱线性模型,选取最优模型来估算和反演土壤有机质含量。结论如下：（1）通过对原始影像进行微分处理发现,微分处理后的影像变化明显,一阶微分处理的影像噪声降低,更加突出了影像中土壤有机质隐藏的信息。二阶微分处理的影像抑制了土壤有机质信息。（2）原始遥感影像各波段数据对土壤有机质含量的相关性较低,一阶微分处理后的遥感影像数据反映出土壤有机质敏感波段即部分波段数据相关性明显高于原始数据,二阶微分处理后的遥感影像各波段数据对土壤有机质含量的相关性较弱。（3）多波段建模效果要优于单波段建模;一阶微分多波段模型预测精度最优,其模型的决定系数和模型拟合的决定系数分别为0.898和0.854,该模型对估算研究区内的SOM含量效果较好;综合比较了单波段模型和多波段模型的拟合精度,发现无论在单波段模型还是多波段模型一阶微分处理后的模型都具有更好的预测能力。（4）基于一阶微分多波段模型对研究区SOM进行反演,反演结果与实际情况相符合,对干旱区SOM含量制图提供了切实可行的方法和参考。     

土壤含盐量与电导率的高光谱反演精度对比研究

探明土壤盐渍化的高光谱遥感监测机理,对改善高光谱遥感监测精度具有重要意义。以南疆地区温宿县、和田县、拜城县的水稻土为研究对象,通过分析土样的高光谱数据和室内测定的盐分与电导率数据,研究了耕作土壤含盐量与电导率的关系,并比较了含盐量和电导率与不同光谱指标的相关性以及二者高光谱反演的精度。结果表明,南疆水稻土的含盐量与电导率的相关性较低,二者之间的关系因地区差异而有较大的变化;含盐量与反射率、一阶微分、连续统去除之间的相关性要优于电导率,特别在一些土壤盐渍化的敏感波段尤为突出;以含盐量建立的多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回归模型的决定系数和相对分析误差均高于电导率。研究表明高光谱信息对土壤含盐量的响应比电导率更敏感,以含盐量为监测指标的高光谱反演精度明显要优于电导率。该结果可为提高土壤盐渍化高光谱遥感监测精度提供理论依据。     

基于光谱指数与EM38的土壤盐分空间变异性研究

针对目前半干旱区存在的土壤盐渍化问题,以典型半旱区封丘县为研究区,将遥感与磁感应电导率仪(EM38)技术相结合对典型半干旱区土壤盐分空间变异性进行了研究。结合田间采样对EM38测量数据进行解译,并对解译后的数据进行经典数据统计特征分析,建立了EM38解译后的土壤电导率与光谱指数(土壤指数、植被指数)之间的回归模型。利用该模型绘制了研究区土壤盐分的空间分布图。结果表明,受内在和外在因子的共同作用,研究区各土层含盐量均具有中等的变异强度。采用植被指数与土壤指数和EM38测量相结合的方法,较好地绘制了研究区土壤盐分的空间变化图。盐渍化土壤主要集中在研究区北部与南部,具有明显的趋势效应,并且在整个剖面盐分表现为表层最高,随着深度增加盐分先减小后增大的趋势。     

利用反射光谱及模拟多光谱数据定量反演北方潮土有机质含量

基于北京市52个潮土样本的高光谱数据和Landsat TM、环境减灾卫星(HJ)影像的波段响应函数,生成宽波段多光谱模拟数据,对比分析了室内实测光谱数据、宽波段模拟数据与土壤有机质含量的相关性,筛选敏感波段,利用偏最小二乘法构建北方潮土有机质含量预测模型。研究表明：在宽波段模拟数据建立的模型中,由Landsat TM模拟数据的差值土壤指数(DSI)、比值土壤指数(RSI)、归一化土壤指数(NDSI)及其第3波段共同构建的模型最优,其决定系数与均方根误差分别为0.586和0.280;与实测光谱数据相比,模拟数据的最佳预测模型,均优于除一阶微分、弓曲差以外的其他10种高光谱模型。因此,利用多光谱数据预测潮土有机质含量是可行的。     

土壤修复过程中盐含量及其光谱特征分析研究

基于盐渍土修复过程中盐分含量和同步实测光谱数据,通过对原始光谱数据、平滑光谱数据及平滑后的不同变换光谱数据等八种光谱数据集,分别以相关系数的极值和不同相关系数范围两种方法分析其最佳敏感波段范围,深入分析了不同变换下土壤的光谱响应特征。在此基础上,运用偏最小二乘回归方法,以全波段(400～1 650 nm)和分析获得的最佳敏感波段建立了基于修复过程的土壤盐含量和光谱反射率的关系模型。结果表明：针对八种光谱数据集,采用两种方法提取的土壤最佳敏感波段,均集中在947.11～949.31,1 340.27,1 394.11,1 419,1 457.81～1 461.31,1 537.68～1 551.39和1 602.32 nm;且最佳波段的土壤盐含量反演模型,以模型评价参数的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE),以及赤池信息量准则(akaike’s information criterion, AIC)作为选择最佳模型的标准,均以SGSD(Log R)模型的建模和预测结果比其他光谱变换的模型更为显著。基于全波段的PLSR建模效果总体上稍优于最佳波段的模型,其中以SGSD的预测精度最为突出,其模型的决定系数R2与标准差RMSEP分别为0.673和1.256;基于两种方法获得的最佳波段的PLSR模型与全波段对比在模型精度方面虽有一定差距,但从模型的复杂程度比较,具有模型简单、变量更少及运算量小的特点。该研究可在土壤盐含量及其光谱特征的研究中,为实现土壤盐渍化定量、快速、便捷的监测和检测提供参考。     

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。     

光谱分辨率对黑土有机质预测模型的影响

高光谱遥感以其高光谱分辨率适于反射光谱特征复杂的地物识别与参数反演,但对于反射光谱特征平滑的地物,高光谱数据可能存在数据冗余问题。本研究对实验室测定的黑土高光谱反射率进行重采样,基于统计分析方法研究了光谱分辨率对黑土有机质预测模型精度的影响,结果表明:黑土有机质含量高,土壤有机质的光谱作用范围宽(445～1 380nm);黑土有机质光谱预测模型精度随光谱分辨率降低,呈现先增后减的趋势,最优模型的光谱分辨率为50nm,低于高光谱遥感波段设置,略高于多光谱传感器波段设置;黑土有机质光谱预测最优模型以倒数对数微分为自变量,模型决定系数R2=0.799,RMSE=0.439,研究成果为土壤有机质遥感反演、光谱速测仪器的研制,以及传感器波段设置提供理论基础与技术支持。     

实测高光谱和HSI影像的区域土壤盐渍化遥感监测研究

通过典型研究区不同盐渍化土壤光谱反射率数据的变换和分析,选择与土壤含盐量响应敏感波段,建立实测高光谱土壤含盐量反演模型,以校正HSI影像建立的土壤含盐量反演模型。结果表明：实测高光谱土壤含盐量反演模型与HSI影像土壤含盐量反演模型均有较好的精度,模型判定系数(R2)均高于0.57,且模型稳定性较好。校正后的HSI影像土壤含盐量反演模型,模型判定系数有了较大提高,R2从0.571提升至0.681,且通过了0.01的显著性水平,均方根误差(RMSE)值为0.277。模型能够较好地提高区域尺度条件下土壤盐渍化监测精度,运用此方法开展盐渍化土壤定量遥感监测是可行的。     

多源数据的区域土壤盐渍化精确评估

为精确揭示区域土壤盐分的三维分异特征,将由区域遥感影像解析获得的光谱指数、面域电磁感应大地电导率仪测得的土壤表观电导率和控制点位土壤采样实测数据进行有效耦合,应用多元回归方法建立土壤盐分解译模型,利用反距离权重方法对区域土壤盐分三维特征进行插值解析与评价,创建了基于多源数据的区域土壤盐渍化精确评估方法。应用实践表明：案例研究区域各土层土壤盐分含量的变异系数在1.281~1.527之间,表现为强度变异性;土壤盐分含量高值主要集中在案例研究区域的中西部地带;区域盐渍土剖面类型大部分属“表聚型”,即随着深度增加土壤盐分逐渐减小;对案例研究区域土壤盐分三维特征解析精度达到相关系数为0.908。解决了以往多源数据耦合协同以更高精度解析区域土壤盐分特征的难题,为精确评估区域土壤盐分三维特征和其他地学空间属性解析提供了可靠方法借鉴。     

基于HSI高光谱和TM图像的土地盐渍化信息提取方法

选择黄河三角洲垦利县代表性盐碱化区域为研究区,以2011年3月15日HJ-1A卫星HSI高光谱影像和2011年3月22日TM影像为信息源,经几何纠正、图像裁剪、大气校正等预处理,分析不同盐渍化程度土地、水体、滩涂等主要地类的光谱特征,确定地类信息提取特征波段。结合土壤盐分含量,采用定量与定性相结合规则,构建地类信息提取模型,以决策树分类方法进行图像分类,提取土地盐渍化信息。利用地表点位土壤含盐量数据对地表土地盐渍化程度的化学分析结果,对遥感解译数据进行精度验证,并对高光谱和多光谱影像的分类精度进行比较分析。结果表明：HSI图像的总体分类精度达96.43%,Kappa系数为95.59%,而TM图像的总体分类精度为89.17%,Kappa系数为86.74%,说明相比多光谱TM数据,基于高光谱图像可以更为准确有效地提取土地盐渍化信息;由分类结果图可以看出,高光谱影像土地盐渍化的区分度高于多光谱影像。该研究探索了高光谱图像土地盐渍化信息的提取技术方法,提供了不同盐渍化土地的分布比例数据,可为黄河三角洲滨海盐碱土地资源的科学利用与管理提供决策依据。     

典型半干旱区土壤盐分高光谱特征反演

选取陕北典型半干旱区为研究对象,利用土壤高光谱特征对盐分进行反演研究。在研究区域选取样点,采集土壤样品测定土壤光谱特征,以土壤反射率(R)、反射率对倒数(Log(1/R))及去包络线的反射率(R_cr)三个光谱特征进行土壤盐分反演研究,分析其与土壤盐分的相关性,遴选特征波段,并通过Matlab编程利用最小偏二乘回归方法(partial least squares regression,PLSR)建立土壤盐分定量反演模型,然后利用检验样点进行精度检验和比较。结果表明,利用经包络线去除后光谱反射率进行定量反演的均方根预测误差最小(1.253<1.367<1.575),其预测精度最高;利用土壤高光谱特征进行盐分反演的预测值与实测值相关性良好(r2=0.761),趋势线接近于y=x。总之,研究发现,土壤反射率经过包络线去除后,利用偏最小二乘回归方法建立的反演模型具有良好的精度,这将有利于提高土壤盐渍化的监测效率。     

多光谱遥感技术结合遗传算法对永定河土壤归一化水体指数的研究

永定河流域的土壤类型及含水量与植被覆盖指数是影响该流域水量的重要因素,利用传统取样法对该流域土壤类型及含水量进行调查,耗费人力的同时还会因仪器误差等客观因素造成实验精度下降。选择永定河流域(北京地区)为研究区,利用全站仪进行野外调查测定34块样地并取样,结合1978—2009年6期的TM影像数据对土壤信息进行提取,研究该地区的土壤含水量与各类多光谱遥感因子间的相关关系,利用遗传算法对土壤归一化水体指数(NDWI)的主要影响因子进行筛选,因NDWI是基于绿波段与近红外波段的归一化比值指数,一般用来提取影像中的水体信息,效果较好。为了更准确的筛选与土壤含水量相关的因子,利用遗传算法全局择优的特点,通过控制迭代次数加速收敛来筛选关键因子。进而利用多元回归的方法建立NDWI反演模型,分析出模型的内符合精度为0.987,并利用边缘树种进行外符合精度检验,得出：土壤中速效氮、磷、钾的含量与经度相关性不明显,却与纬度和土层成正相关关系,当模型计算的迭代次数Maxgen达到最优时,内符合精度为87.6%。通过遥感影像与野外调查相结合的方法得到的土壤NDWI与植被盖度、地形、气候等相关因子的模型而计算得出的NDWI值与单纯利用传统土壤取样法得到的值进行对比分析,得出平均相对误差E为-0.021%,外符合精度P达到87.54%。该模型的建立可为日后对永定河流域土壤水分及有机质的分析与研究提供较好的实践及理论依据。     

一种玉米苗期冠层叶片营养诊断动态光谱指数

为了有效的解决玉米苗期冠层叶片营养状态车载动态诊断过程中,土壤干扰信息无法剔除的问题,本文提出了一种动态测量用光谱指数MPRI,根据MPRI的构成和特点、论述了利用MPRI辨识土壤与冠层光谱信息的机理,构建了基于MPRI的玉米苗期冠层叶片叶绿素含量的预测模型,通过车载式作物长势检测系统平台,运用模型对玉米苗期冠层叶片营养状态进行动态诊断与评估,取得良好的效果。研究表明：在车载动态条件下测量玉米苗期冠层叶片营养状态时,土壤的MPRI呈正值而玉米冠层的MPRI呈负值,因此使用光谱指数MPRI能够有效识别土壤背景与冠层叶片光谱信息。设定固定的阈值,能够较为准确和便捷的去除土壤背景光谱信息。基于MPRI构建的冠层叶片叶绿素含量的动态测量预测模型,能够准确的表征冠层叶片的叶绿素含量,模型决定系数R2达0.72,动态测量中对植株冠层的识别率达80%。与其他常用的指数相比,在车载动态测量环境下,光谱指数MPRI具有土壤背景信息识别速度快、正确率高,模型预测精度良好等特点,为玉米苗期冠层营养状态的诊断提供了新的途径。