水稻土可见-近红外-中红外光谱特性与有机质预测研究

土壤有机质是农田肥力评估的重要指标,要实现快速获取大面积土壤有机质的含量需要建立高效、稳健的预测模型。光谱技术能够快速诊断土壤有机质,以水稻土为例,从校正样本选择方法的对比,研究了可见-近红外、中红外和可见-近红外-中红外三种不同波段光谱对土壤有机质的预测能力。可见-近红外和中红外区域的光谱反射率转换成吸收率后通过Savitzky-Golay平滑法去噪,通过三种校正样本选择方法建立相应的偏最小二乘回归预测模型。通过Rank-KS法建立的三种波段的有机质预测模型均优于Rank法和KS法,中红外波段光谱的模型预测能力强于可见-近红外和可见-近红外-中红外波段的预测模型,基于Rank-KS法建立的中红外波段有机质预测模型取得了最好的预测效果,RMSE_P仅为3.25 g·kg-1,RPD达到4.24,依据VIP得分筛选出可见-近红外和中红外波段的水稻土有机质重要建模波段。因此,中红外光谱建模技术能够对水稻土有机质进行快速定量分析,Rank-KS法可提高模型的预测能力,为今后农田肥力评价和科学施肥提供技术支持。     

修复过程中盐渍化土壤的光谱特征分析

该研究跟踪山东东营盐渍化土壤(盐分主要以氯化钠为主)的微生物修复盆栽实验,分析研究修复过程中土壤理化性质的改良以及相应的光谱特征变化。基于对修复过程中不同阶段土壤盐分含量(SSC)和Na+,Cl-等理化指标的化学分析及其同步的光谱测试,采用平均值降维方法,相关系数与决定系数相结合的方式,通过逐步缩小采样间隔,分析了土壤在微生物修复过程中盐分和盐分离子含量变化及其光谱响应的最佳波段和特征。结果表明,土壤在不同处理的微生物修复过程中,全波段平均光谱反射率与SSC的变化趋势和幅度几近一致,与Cl-含量变化趋势和幅度完全一致。在光谱测试的全波段范围内,SSC及盐分离子含量与光谱反射率呈显著正相关,在近红外波段的反射率变化尤为显著。在此基础上,基于调整光谱采样间隔方法分析获得的盐分及其离子含量最佳光谱响应波段反射率,建立了土壤光谱反射率与盐分含量及其离子含量的关系模型。其中SSC的最佳响应波段1 370～1 445和1 447~1 608 nm,Cl-,Na+的最佳响应波段分别为1 336~1 461和1 471~1 561 nm,建立的模型其R2最高值达到了0.95,RMSEC,RMSEP最大值分别为1.076和0.591。不同处理的土壤微生物修复结果的显著性统计分析及其相应的光谱特征变化,充分显示了土壤盐分含量的光谱响应特征及其敏感性,对发展基于高光谱的土壤盐渍化快速分析诊断方法具有重要意义。     

基于无人机高光谱遥感的冬小麦全氮含量反演

氮素是作物生长发育必需的营养元素之一,作物的全氮含量是表征其氮素状况的主要指标。田块尺度的冬小麦全氮含量空间分布监测可以辅助其精准定量追肥,减少环境污染。无人机高光谱遥感具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物长势信息反演提供重要数据源。XGBoost（extreme gradient boosting）作为一种新兴集成学习算法,运行效率高,泛化能力强,可以有效的应用于构建冬小麦全氮含量遥感反演模型,预测田块尺度冬小麦全氮含量空间分布。以农业部蒙城砂姜黑土生态环境站内拔节期冬小麦为研究对象,开展以下工作: （1）以低空无人机搭载高光谱成像仪获取冬小麦拔节期冠层成像光谱影像,结合地面采样数据,获取126个样点全氮含量数据;（2）分析拔节期冬小麦冠层光谱特征,并根据Person相关系数分析176个波段的光谱反射率与全氮含量之间的相关性;（3）构建基于XGBoost算法的不同土壤肥力条件下拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱反演模型。结果表明: （1）176个波段（400~1 000 nm）的光谱反射率与冬小麦全氮含量之间具有较强的相关性,除了735.5 nm外其他波段光谱反射率与全氮含量之间的相关系数均大于0.5;（2）基于XGBoost算法构建的拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱遥感反演模型具有较高的反演精度（R2=0.76,RMSE=2.68）;（3）基于XGBoost算法的冬小麦全氮含量反演模型可以获取不同土壤肥力条件下田块尺度的全氮含量空间分布图,总体上呈现较为显著的空间差异。该研究可为冬小麦精准定量追肥提供一定的科学依据,也为发展无人机高光谱遥感的精准农业应用提供了参考。     

土壤氧化铁的高光谱响应研究

通过分析野外采集的13个土种的不同氧化铁含量原始土样和人工配制不同氧化铁含量土样的高光谱特征,研究了氧化铁对土壤反射率、土壤线参数、土壤有机质高光谱特征、土壤反射率光谱曲线形态的影响。研究结果表明,随氧化铁含量的增加,350～570 nm波段反射率降低,570～2 500 nm波段的反射率增加,氧化铁去除量与反射率变化量之间的相关性不明显;氧化铁含量与土壤线斜率呈线性负相关,与截距呈线性正相关,且均达到极显著相关水平,表明利用土壤线参数反演氧化铁含量具有可行性;在622～851 nm波段,氧化铁对有机质的高光谱特征具有明显的抑制作用;通过去包络线和统计F值与光谱角值表明,氧化铁对土壤反射光谱曲线形态有影响。     

不同类型土壤的FTIR和ICP-MS分析

利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法对不同地区六种类型的农田土壤进行了研究,FTIR结果显示,其红外光谱主要是由黏土矿物、有机质及碳酸盐、磷酸盐、锰酸盐等无机盐类的振动吸收带组成,六种土样的红外光谱均属于蒙脱石型图谱。ICP-MS测试结果表明不同类型、不同颜色土样的速效元素含量不同,各地区土样中速效钙的含量均处于极缺状况,仅葫芦岛市土样中速效镁的含量处于中等水平,其他地方土样均处于缺乏状况,六地区土样中仅白银土样中速效锰、速效锌的含量处于缺乏状况,仅呈贡县土样中速效铁的含量处于缺乏状况,各地区土样中速效铜的含量均比较丰富,济宁市农田土样中速效磷的含量丰富,洛阳市、葫芦岛市农田土样中速效磷的含量处于中等水平,呈贡县、白银市及陆良县农田土样中速效磷的含量处于缺乏状况。洛阳市、呈贡县、济宁市农田土样中速效钾的含量均比较丰富,陆良县土样中速效钾的含量处于中等水平,葫芦岛市、白银市农田土样中速效钾的含量处于缺乏状况,可以看出,速效微量元素镁、铜、铁、锰和锌的含量基本上随土样颜色的加深而增加。根据全国土壤普查土壤养分含量分级标准,分析了各地区土壤速效元素含量的丰缺状况,并对各地区土样速效元素的缺乏制定了相应的补救措施。     

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。     

基于非负矩阵分解的中红外地表特性光谱重建方法

在中红外遥感领域,高光谱地表反射率/发射率等地表特性具有极高的应用价值和应用需求,但利用卫星遥感手段难以获取吸收波段的高光谱地表反射/发射特性,且通过光谱重建获取全波段的地表特性方法仍存在很多问题。为解决中红外全波段地表特性光谱重建所面临的难题,基于约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University, JHU)地物波谱库和中分辨率成像光谱仪(MODIS)短波红外和中红外地表多光谱卫星产品,提出了一种利用非负矩阵分解(NMF)重建高光谱地表反射率的方法,对2.5～5.0μm中红外光谱范围内的地表反射/发射率进行光谱重建,重建后的光谱分辨率可达10 nm。首先基于JHU地物波谱库选取4种典型地物类型(土壤、植被、人造材料和岩石),建立地物光谱库样本信息,再利用MODIS传感器光谱响应函数,根据等效计算公式将2.0～5.0μm波段范围反射率结果重采样到10 nm光谱间隔、共301个波段,得到JHU地表反射率光谱数据集。对光谱数据集进行非负矩阵分解处理,提取4条端元向量光谱曲线,结合MODIS短波红外和中红外4个波段(2.13、 3.75、 3.96和4.05μm)的全球月均地...     

基于线性回归算法的春玉米叶面积指数的冠层高光谱反演研究

利用辽宁锦州地区2013年生长季不同土壤水分控制条件下的春玉米冠层高光谱数据,及对应的植株叶面积指数(leaf area index,LAI)数据,分析在不同发育期内不同生长状况下的春玉米冠层高光谱特征及其与植株叶面积指数的关系。采集并计算共313组有效样本,包括350～2 500 nm波段范围光谱的反射率、反射率倒数的对数、反射率一阶导数及LAI,应用多元逐步线性回归法和偏最小二乘回归法,对剔除了受大气水分影响较为严重光谱波段的其他波段数据进行降维,构建叶面积指数的全波段冠层高光谱数据模型,并进行精度检验与比较。结果表明,春玉米LAI与光谱反射率在可见光波段(350～680 nm)、红外波段(1 430～1 800和1 950～2 450 nm)均呈显著的负相关;反射率倒数的对数在对应区间为显著的正相关;反射率一阶导数则在可见光和近红外波段(350～1 350 nm)存在较显著相关波段。三种全波段冠层高光谱数据在春玉米LAI的线性回归中,偏最小二乘法在以冠层反射率为自变量的模型构建中,比多元逐步线性回归拟合度好,其总均方根误差为0.480 7;以冠层光谱反射率的倒数的对数及一阶导数为自变量,应用逐步线性回归法建模,拟合度较好,其总均方根误差分别为0.333 5和0.348 8;三种光谱数据的春玉米LAI两种回归算法中,以冠层反射率倒数的对数为自变量,应用逐步线性回归方法建模的拟合度最佳。     

基于Enter-PLSR的高光谱晋华宫矿南山煤矸石山景区土壤有效氮估测

土壤有效氮是反应土壤肥力的一个重要指标。高光谱技术对土壤有效氮进行监测和评价可以为土地复垦和生态修复提供指导性的动态信息。针对国家矿山公园高光谱有效氮监测研究的空白和偏最小二乘回归(PLSR)计算效率问题,利用ASD FieldSpec 3光谱仪采集了晋华宫矿南山煤矸石山景区(晋华宫矿国家矿山公园组成部分),30个碱化栗钙土土样350～2 500 nm波段的光谱曲线,研究了土壤光谱与土壤有效氮含量之间的关系。对土壤反射率光谱进行一阶微分和倒数的对数变换,然后在提取特征吸收波段的基础上,分别进行PLSR和进入法-偏最小二乘回归(Enter-PLSR)建立估算模型并检验。结果表明Enter-PLSR估算模型在保证与PLSR估算模型相近准确度的情况下,自变量从122个降低到12个,大大提高了计算效率,在填补国家矿山公园高光谱有效氮监测研究空白的同时弥补了PLSR方法计算效率的不足。     

高光谱技术联合归一化光谱指数估算土壤有机质含量

随着近地高光谱遥感技术的发展,为快速、有效、非破坏性地获取土壤有机质(SOM)信息提供了可能。土壤高光谱波段数据众多,光谱数据变量之间存在较为严重的多重共线性,影响模型复杂结构,而构建归一化光谱指数(NDSI)可以有效去除冗余信息变量,放大光谱特征信息。以江汉平原公安县为研究区,采集56份耕层土样,在室内获取土壤光谱数据,采用“重铬酸钾-外加热法”测定SOM含量,对实测土壤光谱数据(Raw)进行倒数之对数(LR)、一阶微分(FDR)和连续统去除(CR)三种变换,计算四种变换的NDSI数值,分析SOM与NDSI的二维相关性,并对一维、二维相关系数进行全波段范围内的p=0.001水平上显著性检验,提取敏感波段和敏感光谱指数,结合偏最小二乘回归(PLSR)建立SOM的估算模型,探讨二维光谱指数用于建模的可行性。研究表明,二维相关系数相比一维相关系数有不同程度的提升,以LR最为显著,相关系数数值提升约0.26;基于二维相关性分析提取的敏感光谱指数的PLSR建模效果整体优于一维相关性分析提取的敏感波段,其中,NDSI_LR-PLSR模型的稳健性最优,验证集R2为0.82,模型验证RPD值为2.46,模型稳定可靠,可以满足SOM的精确监测需要,适合推广到区域范围内低分辨率的航空航天遥感(如ASTER,Landsat TM等),应用潜力较大。     

基于可见-近红外光谱比较主成分回归、偏最小二乘回归和反向传播神经网络对土壤氮的预测研究

建模方法是影响可见-近红外光谱定量结果的主要因素之一。在470～1000nm波段的12个土壤剖面对48个剖面样经过风干、研磨、过筛后进行光谱采集。经一阶微分变换及Savizky-Golay平滑处理后,分别应用主成分回归(PCR)、偏最小二乘回归(PLSR)和反向传播神经网络(BPNN)3种方法建立土壤全氮(TN)的定量模型。PCR与PLSR两线性模型的决定系数(R2)分别为0.74和0.8,其剩余预测偏差(RPD)分别为2.23和2.22,但两模型仅能用于TN的粗略估计。由PCR提供主成分数,PLSR提供潜变量(LV)数分别作为BPNN的输入所构建的两个非线性模型均明显优于线性模型PCR和PLSR。其中以4个LV作为输入的BPNN-LV模型预测性能最优,R2以及RPD分别达到0.9和3.11。实验结果表明,提取可见-近红外光谱的PLSR LV因子作为BPNN的输入,所建定量模型可用于土壤氮纵向时空分布的快速准确预测。     

基于高光谱技术的土壤水分无损检测

利用高光谱成像仪(光谱范围400～1 000 nm)对土壤含水率进行了无损检测。比较了208个土样不同天数下土壤含水率与光谱变化、不同质量含水量光谱的差异;对比分析了不同光谱预处理方法、不同方法提取特征波长、采用多元线性回归(multiple linear regression,MLR)、主成分回归(principal component regression,PCR)与偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)建模,优选出最佳模型。结果表明：光谱曲线的反射率随着土壤含水率的增加而减小。当超过田间持水率时,光谱曲线的反射率会随着土壤含水率的增加而增大。对比分析了不同预处理方法,近红外波段优选出单位向量归一化预处理方法。采用无信息变量消除法(UVE)、竞争自适应加权采样(CARS)、β系数法、连续投影算法(SPA)方法提取特征波长为49,30,5和7。为了减少数据冗余,对UVE与CARS提取的特征波长进一步采用SPA方法进行特征提取,UVE+SPA,CARS+SPA提取特征波长数分别为5和8个。在此基础上,利用MLR,PCR和PLSR方法对400～1 000 nm范围的特征波长建立模型,对比分析不同建模效果,优选出β系数提取的特征波长的MLR模型。最优的特征波长为411,440,622,713和790 nm,最优模型的预测相关系数R_p=0.979,预测均方根误差RMSEP为0.763。因此,今后可采用不同波段对土壤含水率进行定量分析。     

土壤碳酸钙中红外光声光谱特征及其应用

测定并分析了碳酸钙(CaCO3)的中红外光声光谱及光谱特征,利用中红外光声光谱并结合主成分回归(PCR)、偏最小二乘回归(PLSR)和人工神经网络(GRNN)三种分析方法建立回归模型,分析了土壤CaCO3的含量。结果表明CaCO3具有丰富的中红外吸收,最强吸收峰波数在1 450cm-1,且干扰少,可以作为土壤CaCO3的特征吸收峰;三种回归建模方法所建模型线性都很好,PLSR和GRNN最好,相关系数(R2)均大于0.9,PCR次之,为0.847;验证样本预测能力PLSR和PCR最佳,R2大于0.9;GRNN次之,为0.882。偏最小二乘回归在校正和预测过程中的结果都非常好,RPD值均大于3.0,具有较强的适用性。     

基于可见-近红外光谱技术的润滑油含水量无损检测方法研究

研究了基于可见-近红外光谱技术的发动机润滑油含水量快速检测方法。在获取光谱信息的基础上,提出了采用不同的光谱建模方法以提高检测精度和简化分析计算。分别采用主成分分析(PCA)和连续投影算法(SPA)方法进行模型输入变量的提取。SPA最终选择了476,483,544,925,933,938,952,970和974nm共9个波长为最优变量。基于SPA选择的变量,分别应用偏最小二乘回归(PLSR)和多元线性回归(MLR)建模。效果均优于全波段PLSR模型和PCA-PLSR模型。说明SPA选择的有效变量能够包含最重要的全波段光谱信息,同时可以去除无用的信息变量。为了进一步提高检测效果,采用LS-SVM分别基于SPA选择后的有效变量和全波段光谱进行建模。两个模型的预测确定系数(Rp2)均在0.9以上。SPA-LS-SVM的效果要优于全波段LS-SVM模型的效果。SPA-LS-SVM模型的Rp2达到了0.983,剩余预测偏差(RPD)值为6.963。表明可见-近红外光谱可以用于发动机润滑油含水量的检测。     

可见光-近红外、中红外光谱的土壤有机质组分反演

土壤有机质是土壤肥力的物质基础,其含量的高低是评价土壤肥力的重要标志。土壤有机质组分根据其溶解性可分为胡敏素(HM)、胡敏酸(HA)、富里酸(FA),不同组分的肥力特性差异显著,因此,土壤有机质组分数据可更加全面、客观的反映土壤肥力状况。传统土壤土壤有机质及组分的测定工序繁杂,效率低下且时效性差,大量研究表明高光谱技术能有效提高土壤属性的检测效率并降低测试成本,但关于可见光-近红外、中红外光谱检测土壤有机质组分的报道鲜见。为了探索中红外光谱及可见光-近红外-中红外组合光谱对土壤有机质组分检测的可行性,并对比有机质单一光谱模型与有机质不同组分的组合光谱模型的预测精度,以南疆地区农田土壤为例,在阿克苏及和田地区共采集93个土样,进行有机质、胡敏素、胡敏酸、富里酸含量及光谱数据的测定。其次,利用可见-近红外(VNIR)、中红外(MIR)及其组合光谱(VNIR-MIR)三种光谱数据集,采用偏最小二乘(PLSR)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)三种建模方式对土壤有机质、胡敏素、胡敏酸、富里酸含量进行组合模型分析预测。结果表明：(1)土壤有机质及各组分均与光谱反射率有较好的相关性,土壤有机质及组分在MIR谱段的特征波段数量明显多于VNIR谱段。(2)有机质最优预测模型的模式为VNIR-MIR-RF,该模型的决定系数R2为0.90;胡敏素与胡敏酸最优预测模型的模式均为VNIR-RF模型,R2均为0.92;富里酸最优预测模型的模式为MIR-RF模型,R2为0.94。(3) 基于胡敏素、胡敏酸和富里酸的有机质组合光谱模型的预测精度明显高于有机质单一光谱模型,两种模型的R2分别为0.93和0.90。实现了土壤有机质组分的高效快速反演,且基于有机质组分的组合模型提高了土壤有机质预测精度,为南疆地区大尺度土壤肥力的鉴定与精准施肥提供重要的参考价值。     

基于集成学习的水稻氮素营养及籽粒蛋白含量监测

利用高光谱遥感技术在水稻收获前对籽粒品质相关的蛋白质含量进行监测,一方面可以及时调整栽培管理方式,指导合理追肥,另一方面,有助于提前掌握籽粒品质信息,明确市场定位。该研究以广东省典型优质籼稻为研究目标,基于2019年和2020年两年氮肥梯度实验,以水稻分化期和抽穗期冠层尺度高光谱数据、水稻氮素参数,包括叶片氮素含量（LNC）、叶片氮素积累量（LNA）、植株氮素含量（PNC）、植株氮素积累量（PNA）及籽粒蛋白含量数据为基础,利用四种个体机器学习算法partial least square regression (PLSR)、K-nearest neighbor (KNN)、Bayesian ridge regression (BRR)、support vector regression (SVR),三种集成学习算法random forest (RF)、adaboost、bagging,针对水稻不同生育期氮素状况进行监测建模,在此基础上构建基于水稻冠层光谱信息、光谱信息结合水稻农学氮素参数的籽粒蛋白含量的监测模型,并对模型进行精度对比。研究结果表明,在水稻氮素营养监测方面,利用水稻冠层454~950 nm波段信息,采用RF及Adaboost算法,在水稻分化期、抽穗期及全生育期LNC、LNA、PNC及PNA模型R2均达到0.90以上,同时也具有较低的RMSE和MAE。在水稻籽粒蛋白品质监测方面,采用全波段光谱信息进行籽粒蛋白含量监测时,RF具有最高的精确度与稳定性,两生育期的RF模型对籽粒蛋白含量的监测结果R2分别为0.935和0.941,RMSE分别为0.235和0.226,MAE分别为0.189和0.152;两生育期以全波段光谱信息结合长势参数进行籽粒蛋白监测时,Adaboost模型具有最高的精确度和稳定性,其中分化期全波段光谱信息结合PNA作为输入参数,Adaboost模型R2为0.960,RMSE为0.175,MAE为0.150,以抽穗期全波段光谱信息结合PNC作为输入参数,R2为0.963,RMSE为0.170,MAE为0.137。研究结果表明,与PLSR,KNN,BRR和SVR几种个体学习器算法相比,集成算法RF,Adaboost和Bagging具备良好的处理多重共线性的能力,适合用于高光谱数据的分析与处理,在作物氮素营养监测及水稻品质的早期遥感监测方面具有明显优势。     

卷积神经网络用于近红外光谱预测土壤含水率

近红外光谱分析技术在土壤含水率预测方面具有独特的优势,是一种便捷且有效的方法。卷积神经网络作为高性能的深度学习模型,能够从复杂光谱数据中自主提取有效特征结构进行学习,与传统的浅层学习模型相比具有更强的模型表达能力。将卷积神经网络用于近红外光谱预测土壤含水率,并提出了有效的卷积神经网络光谱回归建模方法,简化了光谱数据的预处理要求,且具有更高的光谱预测精度。首先对不同含水率下土壤样品的光谱反射率数据进行简单的预处理,通过主成分分析减少光谱数据量,并将处理后的光谱数据变换为二维光谱信息矩阵,以适应卷积神经网络特殊的学习结构。然后基于卷积神经网络算法,设置双层卷积和池化结构逐层提取光谱数据的内部特征信息,并采用局部连接和权值共享减少网络参数、提高泛化性能。通过试验优化网络结构和各项参数,最终获得针对土壤光谱数据的卷积神经网络土壤含水率预测模型,并与传统的BP,PLSR和LSSVM模型进行对比实验。结果表明在训练样本达到一定数量时,卷积神经网络的预测精度和回归拟合度均高于三种传统模型。在少量训练样本参与建模的情况下,模型预测表现高于BP神经网络,但略低于PLSR和LSSVM模型。随着参与训练样本量的增加,卷积神经网络的预测精度和回归拟合度也随之稳定提升,达到并显著优于传统模型水平。因此,卷积神经网络能够利用近红外光谱数据对土壤含水率做出有效预测,且在较多样本参与建模时取得更好效果。     

湿地土壤硝化微生物群落的高光谱研究

氮循环是土壤生态系统元素循环的重要过程,其中硝化作用对于土壤氮循环有重要影响。硝化作用的主要完成者是硝化微生物群落,土壤微生物是湿地生态系统的重要组成部分,其可以指示湿地生态环境变化,对正确认识湿地生态系统氮循环和湿地污染净化功能具有重要意义。尝试从高光谱遥感技术角度,基于土壤氮素光谱监测机理,探索湿地土壤硝化微生物群落高光谱估算技术,进而为估测其时空分布状况提供新技术途径。研究对硝化作用中两个独立阶段的主要完成者氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌,采用最大可能数法分别计数,并以两者计数测量结果的合计,作为各采样区域土壤硝化微生物的数量值。采用光谱倒数的对数(LR)、光谱一阶微分(FD)、光谱二阶微分(SD)、包络线去除(CR)和光谱波段深度(BD)光谱变换技术,以及基于再抽样(bootstrap)技术的多元逐步回归(SMLR)和偏最小二乘回归(PLSR)建模方法,构建湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量估算模型。研究结果表明：在采用bootstrap SMLR建模方法时,湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量的估算波段位置存在一定的相似性(尤其对于原光谱实测数据R和SD光谱);对于湿地土壤硝化微生物数量和全氮含量的估算,bootstrap PLSR相比于bootstrap SMLR建模方法,具有较高的估算精度;对湿地土壤硝化微生物数量的估算,最高估算精度产生于SD光谱变换技术结合bootstrap PLSR建模;对湿地土壤全氮含量的估算,最高估算精度产生于CR光谱变换技术结合bootstrap PLSR建模。     

多分类器融合提取土壤养分特征波长

光谱已经应用于土壤养分速测的分析，但是如何寻找土壤光谱特征波段，尽最大可能避免无用信息干扰、保留有用信息，建立准确度高、预测效果好的模型仍是一个亟需解决的问题。以青岛三个不同地区土壤样品为例，测定土壤样品的紫外-可见-近红外光谱及其总碳（TC）、总氮（TN）、总磷（TP）含量；分别采用连续投影算法（SPA）、无信息变量消除法（UVE）、遗传算法（GA）、相关系数法（CC）四种算法（四种单分类器）对土壤光谱提取特征波长；再引入投票法和加权投票法的多分类器融合方法将四种算法融合得到特征波长；以偏最小二乘回归（PLSR）建立各土壤养分含量的模型，通过对模型效果的评价标准（建模集绝对系数R2_c、校正均方根误差RMSEC、检验集绝对系数R2_p、预测均方根误差RMSEP和相对分析误差RPD值）来判别各单分类器算法和多分类器融合算法对土壤养分含量特征波长的提取效果。分别对四种算法、筛选其中三种算法、最优二种算法进行融合，分析融合后模型效果和特征波长个数，结果表明：将四种单分类器经投票法融合后，其模型效果大部分不如单分类器，且相对好的模型特征波长个数较多；相较于投票法多分类器融合，四种单分类器经加权投票法融合模型效果有了一定的提高，TC和TN都能够在较少的波长中获得较好的预测效果，但仅TN经融合后，模型效果优于每个单分类器；TC，TN，TP分别在取SPA+UVE+GA，SPA+UVE+GA（或SPA+GA+CC）、SPA+UVE+GA三种单分类器进行加权投票法融合后，均能获得最优模型效果，且明显优于每个单分类器，模型效果有了显著提高；各土壤养分含量经两个最优单分类器加权投票法融合后，仍能得到好于最优单分类器的建模效果，TC和TP建模效果略差于三个单分类器融合结果，TN建模效果与三个单分类器融合结果相同。因此，在筛选三种算法融合，且其中包含最优两种算法的情况下，能够以较少的特征波长个数获得明显高于单分类器的建模效果。该方法为寻找土壤养分以及其他复杂物质成分的光谱特征波段提供了新方法，也为多种算法的综合运用提供了新思路。