砂岩的近红外光谱特征及其含水量反演

沉积岩石的强度往往会受到水的影响,含水量不同其影响程度也不相同。因此,沉积岩石的含水量测定对于后续评估其物理力学特性具有重要的价值。在岩石含水量测定方面,传统的方法往往费时、费力,而且破坏了工程结构的完整性。近红外光谱分析技术是一种非常有潜力的方法,具有实时、无损等优点。基于近红外光谱分析技术对砂岩的光谱特征以及含水量的反演进行了研究。首先,通过室内试验获取了砂岩试样不同饱和度的近红外光谱曲线;然后,对原始光谱曲线进行了异常曲线剔除以及一阶导数预处理,消除噪声、环境等因素的影响;其次,对R1（1 400 nm）和R2（1 900 nm）附近的两个吸收峰进行光谱特征变量提取以及归一化处理,消除量纲和域值的影响;接着,基于最大信息系数对提取的光谱特征变量进行分析和筛选;最后,基于筛选后的光谱特征变量采用自行搭建的BP神经网分类器对砂岩的含水量进行了反演。结果表明：（1）含水砂岩的近红外光谱吸收曲线在1 400和1 900 nm附近有着明显的吸收峰,位于1 400 nm附近的吸收峰,谱带比较宽缓,位于1 900 nm附近的吸收峰,谱带比较尖锐;随着含水量的增加,近红外光谱曲线在1 400和1 900 nm附近吸收峰的吸收强度也在增加,具有明显的正相关性,可作为砂岩含水量分析、反演的主要谱段。（2）根据计算的最大信息系数值,1 400 nm附近的峰高与含水量的相关性最强,同样1 900 nm附近的峰高与含水量的相关性最强;1 400 nm附近的峰面积、峰高和1 900 nm附近的峰高、峰面积、半高宽、右肩宽,共6个光谱特征变量,其最大信息系数值＞0.9,可作为BP神经网络反演砂岩含水量的特征变量。（3）利用最大信息系数筛选出1 400和1 900 nm附近两个吸收峰的特征变量进行BP神经网络建模,所建立的砂岩含水量反演模型训练集准确率为90.3%,测试集的准确率为83.9%,说明基于近红外光谱分析技术砂石含水量的反演方法是可行的。     

分数阶微分技术在机载高光谱数据估算土壤含水量中的应用

无人机高光谱遥感为精准农业和农业信息化监测提供崭新视角。高光谱传感器具有厘米级空间分辨率和精细的光谱分辨率,可获取高质量的高光谱数据。然而,高光谱数据通常伴随噪声和数据冗余,高光谱信息利用效率低,常规预处理难以满足精准估算的需求。因此,为解决上述现实问题,针对机载高光谱影像的数据挖掘必不可少。利用分数阶微分(FOD)技术逐像元处理机载高光谱数据(步长为0.1)。通过对比FOD技术与整数阶技术对高光谱数据的改善能力,从光谱层面探寻最佳FOD阶数。在梯度提升回归树(GBRT)算法下构建土壤含水量(SMC)估算模型,最终在最佳模型下评估SMC的空间分布。结果表明：FOD技术提高光谱与SMC的相关系数(r_max=0.768),与原始光谱、一阶微分和二阶微分处理后的光谱同SMC相关系数相比,分别提升0.168,0.157和0.158。FOD技术提升模型估算精度的主因是突出有效光谱信息的作用,特别是与水分胁迫密切敏感的叶绿素、植物结构和水分响应波段(430,460,640,660和970nm)。即使FOD技术取得理想的结果,不同阶数的效果仍有差异。高阶FOD对影像增加了一定噪...     

土壤导数光谱小波去噪与有机质吸收特征提取

使用高光谱仪ASDFieldSpec在波长范围400～1000nm内,采集有机质含量水平不同的土壤反射光谱数据,之后求取一阶导数(一阶导数光谱)并进行小波去噪;通过数值积分计算、相关分析,从去噪后的一阶导数光谱中提取吸收面积表征有机质含量变化。结果显示:(1)土壤一阶导数光谱中含有大量噪声,致使光谱曲线轮廓和有机质的吸收特征难以识别。(2)当小波分解层数J=3时,小波去噪在平滑土壤一阶导数光谱曲线的同时,较好的保持了曲线上多个敏感波段的光谱响应特征。(3)从去噪后的一阶导数光谱中提取的吸收面积S(538,586)与有机质含量的相关系数为-0.8763,较好的反映了土壤有机质含量的变化情况,可以用于土壤有机质含量测算。     

微波消解-火焰原子吸收光谱法测定环境土壤中的总铬

应用微波消解-火焰原子吸收光谱法测定环境土壤中总铬的含量.土壤样品经HNO3+HzO2微波消解体系消解后,采用氯化铵作为基体改进剂,用原子吸收分光光度计在波长357.9nm,富燃烧性(还原性)火焰中测定土壤中的铬.铬含量在0-2.00mg/L范围与吸光度呈良好的线性关系,线性相关系数r=0.9993,最低检出限为5.0...     

土壤重金属沿山地森林海拔梯度的分布特征

采用电感耦合等离子体发射光谱法与石墨炉原子吸收光谱法,研究了14种重金属(Fe,Al,Ti,Cu,Cr,Mn,V,Zn,Ni,Co,Pb,Se,Cd,As)沿山地森林海拔梯度的分布特征.结果表明海拔梯度对14种重金属中的6种重金属浓度(Fe,A1,Ti,V,Pb与As)有显著的影响,对其他八种重金属浓度(Cu,Cr,M...     

基于近红外漫反射光谱的农田原位表层土壤含水量定量建模方法比较

在农田尺度下,土壤表层因理化性状、粗糙度、作物根系和秸秆残茬等引起的空间异质性较为明显,样点间含水量差别相对较小,这对基于近红外漫反射光谱技术的表层土壤含水量原位测定带来极大的挑战。本研究分别利用基于单一波长(1 200,1 400,1 450,1 820,1 940,2 000和2 250 nm)反射率构建的指数衰减模型、基于归一化土壤湿度指数(NSMI)和相对吸收深度(RAD)构建的线性模型、基于土壤含水量高斯模型(SMGM)所得的拐点宽度(σ)、函数中心振幅(R_d)和高斯曲线面积(A)三个参数构建的线性或二次模型,以及基于波长区间反射率构建的偏最小二乘模型(PLS),对土壤体积含水量(VMC)进行定量分析。结果表明：(1)在单一波长反射率构建的所有指数衰减模型中,2 000 nm波长显示出最佳验证效果,RMSEp最低(2.463),RPD最大(1.06);(2)与RAD相比,NSMI的验证精度更令人满意,R2(0.312)和RPD(1.224)更高,RMSEp(2.133)更低;(3)在SMGM模型参数以及PLS模型拟合VMC的验证结果中,R_d具有最佳拟合精度,其R2(0.253)和RPD(1.175)最高,RMSEp(2.222)最低;(4)总的来看,NSMI指标构建的线性模型是所有方法中精度最高的,而且计算过程简单,易于操作,可作为表层土壤含水量原位测定的首选方法。     

近红外光谱技术结合递归偏最小二乘算法对土壤速效磷与速效钾含量测定研究

土壤速效磷与速效钾在近红外区没有直接与它们相关的吸收峰,只能借助与其他拥有直接吸收峰物质(有机质,碳酸盐,粘土矿物,水分等)之间的相关关系而被近红外光谱技术所预测。这种相关关系会随着土壤样品构成的不同而不断变化,因此采用固定结构的近红外光谱模型很难对速效磷与速效钾取得较好的预测效果。提出采用递归偏最小二乘法(RPLS)在预测过程中递归更新土壤速效磷与速效钾的回归系数,以提高模型的预测能力;比较了偏最小二乘法(PLS),局部加权PLS(LW-PLS),滑动窗口LW-PLS(LW-PLS2)和RPLS对于土壤速效磷与速效钾含量的预测结果。194份土壤样品根据土壤类型分为建模集与预测集：建模集包含120份人为土样品;预测集则包含29份铁铝土样品,23份人为土样品和22份初育土样品。结果表明：RPLS模型取得了最优的预测结果,获得的决定系数(R2)分别为0.61与0.76,预测相对分析误差 (RPD)分别为1.60与2.05。说明RPLS通过不断更新模型的回归系数,能够适应新加入建模集样品的信息。相比于其他方法,预测精度更高,适用范围更广。     

外源植酸酶添加对土壤磷酸酶活性影响的荧光光谱法研究

外源植酸酶加入土壤中,能直接或者间接提高有机磷的生物有效性。但外源植酸酶添加后,对土壤本身的磷酸酶(单酯酶、二酯酶)活性会产生何种影响尚不明确。采用荧光物质为底物,将96微孔板和荧光检测法相结合,利用多功能酶标仪测定外源植酸酶(1 g/50 g干土)添加条件下红壤、棕壤以及褐土中磷酸单酯酶(酸性和碱性)和二酯酶的活性响应。结果表明,外源植酸酶添加后,酸性磷酸单酯酶活性在红壤中极显著增加(p≤0.01),而在褐土中显著降低;碱性磷酸单酯酶活性在棕壤和褐土中增加,其中在褐土中增加极显著(p≤0.01),而在红壤中显著降低;磷酸二酯酶活性在三种土壤中均不同程度地增加,其中在棕壤中增加极显著(p≤0.01);不同土壤中,培养到8天时不同酶活性亦保持增加,即红壤中的酸性磷酸单酯酶,棕壤中的磷酸二酯酶以及褐土中的碱性磷酸单酯酶分别保持活性增加,说明外源植酸酶的添加能够有效地增强土壤磷酸酶活性,这种作用不仅与土壤性质如pH和磷形态相关,并且可能与刺激微生物分泌酶量有关。运用荧光光谱法研究外源植酸酶对土壤磷酸酶活性的影响在国内外尚属首次。与传统的分光光度法相比, 微孔板荧光法是一种灵敏、准确、快速、简便的土壤磷酸酶活性关系的测定方法。     

EEMD在土壤剖面反射光谱消噪中的应用

实测光谱常含有大量干扰信息,消噪在光谱数据处理和分析中极为重要,它直接影响后续的定量分析和信息挖掘。因此,选择适当的消噪方法是改善光谱分析精度,提升光谱分析能力的一个关键性突破。集合经验模态分解(EEMD)方法是一个以信号固有特征尺度为度量的时空滤波过程,能充分保留信号本身的非线性和非平稳特征,在信号的滤波和消噪中具有较大的优势。结合EEMD的多尺度滤波特性,提出了一种新的EEMD阈值光谱消噪方法,并应用于新疆塔里木河中游典型绿洲33个土壤剖面反射光谱数据的预处理。为探讨EEMD阈值法在土壤剖面反射光谱消噪中的效用,对EEMD阈值法和小波阈值法的消噪结果进行了对比分析。结果表明：与传统的小波阈值法相比,EEMD阈值法消噪结果的信噪比从14.836 6 dB提高到34.275 7 dB,均方根误差由6.786 1×10-5降到7.240 6×10-6,相关系数从0.982 5提高到0.999 8,EEMD阈值法的三个消噪效果衡量指标均优于小波阈值法。证明了EEMD阈值法可有效地去除土壤剖面光谱噪声,较好地保留了光谱的细节信息,提高了光谱的定量分析精度,且与小波阈值消噪方法相比具有较强的可靠性和自适应优势,作为光谱数据预处理的一种新方法,其应用前景良好。     

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。