黃河三角洲鹽漬土鹽分及組分定量光譜估測(cè)研究——以山東省墾利區(qū)為例.pdf

1、黃河三角洲地區(qū)土壤鹽漬化現(xiàn)象普遍，而且程度嚴(yán)重，使得該地區(qū)多處生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨重大威脅。因此，定量、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)鹽漬土，對(duì)其防治、利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
　　為明確黃河口區(qū)土壤鹽分及其主要離子的特征光譜，建立適用于該區(qū)域的土壤鹽漬化定量分析模型，提高其定量分析的精度和穩(wěn)定性，本文以山東省墾利區(qū)為研究區(qū)，首先野外采集代表性土樣96個(gè)，同時(shí)測(cè)定野外原狀土光譜，對(duì)土樣風(fēng)干后，室內(nèi)分析鹽分及其主要離子（Cl-

2、、Na+、Ca2+）含量，分別室內(nèi)、外測(cè)定土樣可見/近紅外高光譜數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理；而后分析鹽分及其主要離子不同含量的光譜響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析綜合確定表征土壤鹽分及其主要離子的特征光譜；然后分別采用多元線性回歸（multiple linear regression，MLR）、支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）和隨機(jī)森林（random forest，RF）方法構(gòu)建土壤鹽分及其主要離子的定量高光譜分

3、析模型；進(jìn)而提取室內(nèi)、室外風(fēng)干土及野外原狀土光譜敏感波段，并基于室內(nèi)敏感波段構(gòu)建五種光譜指數(shù)，即：鹽度光譜指數(shù)（spectra index，SI）、亮度光譜指數(shù)（brightness spectra index，BSI）、比值光譜指數(shù)（ratio spectra index，RSI）、差值光譜指數(shù)（difference spectra index，DSI）和歸一化光譜指數(shù)（normalized differential spectra

4、index，NDSI），驗(yàn)證優(yōu)選最佳鹽分光譜指數(shù)，利用隨機(jī)森林方法（RF）構(gòu)建驗(yàn)證估測(cè)模型，最后將此技術(shù)路線應(yīng)用到室外風(fēng)干土及野外原狀土光譜，從而確定最佳估測(cè)模型及最優(yōu)光譜指數(shù)。主要結(jié)論如下：
　?。?）研究區(qū)土壤鹽分及其主要離子（Cl-、Na+、Ca2+）含量的光譜曲線形狀和走勢(shì)整體一致；土壤鹽分及其主要離子（Cl-、Na+、Ca2+）的光譜響應(yīng)譜區(qū)為1320～1495、1790～1920、2120～2290 nm；基于相關(guān)分析

5、的土壤鹽分及其主要離子的敏感譜區(qū)為1490～1520、1890～1930 nm；最后綜合光譜響應(yīng)及相關(guān)分析確定土壤鹽分及其主要離子的特征波段為1493、1801、1911和2289 nm，顯著特征波段為1493和1911 nm。
　?。?）模型結(jié)果顯示基于2個(gè)顯著特征波段反射率一階導(dǎo)數(shù)的模型精度均與4個(gè)特征波段的模型精度相當(dāng)，表明顯著特征光譜作為鹽分及其主要離子的特征光譜進(jìn)行其定量分析的有效性。比較3種建模方法，隨機(jī)森林（RF）模

6、型的預(yù)測(cè)效果最好，支持向量機(jī)（SVM）模型次之，而多元線性回歸（MLR）模型精度最低；對(duì)于鹽分、Cl-和Na+，3種方法構(gòu)建的模型均可有效地用于其定量分析，精度較高且穩(wěn)定，然而Ca2+預(yù)測(cè)精度還有待提高。
　?。?）通過綜合比較分析，基于顯著特征波段（1493和1911 nm）反射率一階導(dǎo)數(shù)構(gòu)建的隨機(jī)森林（RF）模型對(duì)鹽分、Cl-和Na+均具有較好的估測(cè)精度和穩(wěn)定性，也可用于Ca2+的定量估測(cè)。基于光譜響應(yīng)及相關(guān)分析綜合確定鹽分及

7、其主要離子的顯著特征光譜（1493和1911 nm反射率一階導(dǎo)數(shù)），進(jìn)而采用隨機(jī)森林方法構(gòu)建鹽分及其主要離子的定量估測(cè)模型，適用于黃河口區(qū)土壤鹽漬化信息的有效提取。
　?。?）通過相關(guān)性分析選擇敏感波段得出，敏感波段主要集中在近紅外波段，室內(nèi)風(fēng)干土光譜土壤鹽分及主要離子的敏感波段分別為1493和1911nm；室外風(fēng)干土光譜分別為1536和2037nm；野外原狀土光譜分別為1726和2032nm。
　?。?）從光譜指數(shù)選擇分析

8、得出，通過五種光譜指數(shù)的構(gòu)建優(yōu)選，確定基于亮度光譜指數(shù)（BSI）或差值光譜指數(shù)（DSI）為最優(yōu)光譜指數(shù)，因此可以作為鹽分及主要離子估測(cè)的最優(yōu)光譜指數(shù)。
　　（6）從估測(cè)模型構(gòu)建驗(yàn)證分析得出，基于亮度光譜指數(shù)（BSI）或差值光譜指數(shù)（DSI）的室內(nèi)風(fēng)干土土光譜采用隨機(jī)森林方法構(gòu)建的土壤鹽分及主要離子估測(cè)模型具有較好的估測(cè)精度，室外風(fēng)干土光譜及野外原狀土光譜的模型估測(cè)精度雖然比室內(nèi)風(fēng)干土光譜模型精度要低，但是精度仍可用于鹽分估測(cè)。因此