基于近紅外光譜分析的土壤水分信息的提取與處理.pdf

1、土壤水分是反映土壤-植物-大氣系統(tǒng)能量流動與物質(zhì)交換的重要參數(shù)，是氣候、水、生物和土壤資源與環(huán)境形成、開發(fā)、利用和保護的重要影響因素，是生物賴以生存的重要物質(zhì)源泉和環(huán)境條件，是影響農(nóng)事操作措施如耕作、作物栽種、農(nóng)膜覆蓋、灌溉排水、施肥噴藥等措施和精準農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)管理效果的重要影響因素，也是農(nóng)田水利工程和土木工程實施效果的重要影響因素，還是有關(guān)農(nóng)業(yè)、土壤、環(huán)境、工程技術(shù)科學(xué)研究的必備參數(shù)。因此，進行土壤含水量的監(jiān)測，適時、準確地掌握土壤水

2、分含量及其動態(tài)是非常重要的。當前，世界水資源越來越短缺，水資源時空分配又極不平衡，水環(huán)境變差。中國的水資源和人均水資源量少，同時由于水資源質(zhì)量上受到污染、空間上分布不均、時間上分配不當，其有效水資源量更顯貧乏。在水資源極缺的情況下，水資源的浪費又非常大，特別是作為占社會總耗水量的絕大部分的農(nóng)業(yè)用水，其水資源有效利用率和生產(chǎn)率都較低。因此為確保水資源的合理開發(fā)、利用和保護及其可持續(xù)發(fā)展，不斷提高水資源的利用率和生產(chǎn)率，保障農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)體系

3、的實施，急需研究一種適合生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的、控制面積大、監(jiān)測速度快、準確、有效、連續(xù)、自動、無損土體，不污染環(huán)境的、經(jīng)濟的土壤水分檢測技術(shù)，這是國內(nèi)外長期追求的目標，亦是當前國內(nèi)外研究的熱點。而目前已在應(yīng)用的土壤水分檢測技術(shù)尚不能達到這一要求。本研究的選題即是圍繞這一要求開展近紅外光譜檢測土壤水分的研究，其研究結(jié)果對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利建設(shè)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及一些工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究有著重要的意義。
　　 本項研究的主要研究結(jié)果是：

4、　　 （1）確證了土壤的光譜特性是土壤中多因子作用的結(jié)果，土壤水分含量是其中某些特征波段土壤光譜特性的控制因子。首次用添加土壤組成物質(zhì)（土壤有機質(zhì)和相關(guān)類型粘土礦物）的模擬試驗和其它模擬試驗（國際制土壤質(zhì)地分類粒級分級顆粒、水穩(wěn)性團聚體、土壤容重）的方法研究了土壤有機質(zhì)、土壤顆粒大小、土壤粘土礦物類型與含量、土壤水穩(wěn)性團聚體、土壤容重對土壤水分光譜的影響。結(jié)果表明，隨著土壤中供試粘土礦物與有機質(zhì)含量的增加和水穩(wěn)性團聚體直徑的增大與土壤

5、容重的減小，其土壤光譜反射率減??；土壤顆粒中隨著顆粒直徑的減小，其反射率增大，但至粘粒（<0.002mm）以后，其反射率又減小。
　　 （2）就土壤含水量變化過程中土壤容重與含鹽量濃度變化對土壤光譜反射率的影響，以及土壤pH值變化對土壤反射率的影響進行了試驗，研究結(jié)果表明在土壤含水量引起容重與含鹽量濃度變化的情況下，其土壤反射率亦發(fā)生變化，這時隨著土壤變干，容重增大，其反射率也增大；土壤含水量較高，即土壤含鹽量濃度較低時，隨著含

6、鹽量濃度加大，其反射率減小，但當土壤變干土壤中鹽分析出結(jié)晶時，隨著含鹽量的增加，其光譜反射率加大。本試驗研究還表明，在改良紅壤酸性使之由酸性或微酸性變?yōu)橹行缘姆秶鷥?nèi)，土壤酸度的變化不會引起土壤光譜反射率的明顯變化。這些結(jié)果為構(gòu)建包含土壤組成成分與性質(zhì)影響的土壤反射率反演土壤含水量的模型和實施土壤改良措施提供科學(xué)依據(jù)。土壤容重變化還強烈影響土壤水分形態(tài)類型、土壤水分存在狀況、土壤水分運動和土壤水分利用狀況的變化。
　　 （3）研究

7、了變?nèi)葜赝寥篮颗c土壤容重變化關(guān)系模型的構(gòu)建，建立了變?nèi)葜赝寥廊葜仉S土壤含水量變化的指數(shù)模型和三直線模型，并對供試土壤三直線模型的特點進行了分析。首次研究了變?nèi)葜赝寥篮?容重-光譜反射率相伴變化關(guān)系,構(gòu)建了兩類模型，一類為隨容重變化的土壤體積含水量與光譜反射率之間的指數(shù)模型；另一類為通過土壤光譜反射率受土壤含水量和容重雙函數(shù)影響的機理分析建立的土壤含水量與光譜反射率和容重之間的曲面模型。變?nèi)葜赝寥离S容重變化的體積含水量與土壤光譜反

8、射率關(guān)系的指數(shù)模型，反映了容重變化對土壤含水量與光譜反射率關(guān)系的影響；曲面模型為同時反映反射率受土壤含水量和容重雙函數(shù)影響的情況下，變?nèi)葜赝寥乐亓亢颗c容重均在變化時反射率反演土壤含水量的模型，它為變?nèi)葜赝寥婪瓷渎史囱萃寥篮康臋C理分析和模型構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ)。
　　 （4）在土壤水分信息提取方面，比較研究了幾種光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，其中包括剔除噪聲較大的波段、平滑濾波(移動平均平滑、中值濾波平滑、SG卷積平滑、小波變換消噪

9、法)、求導(dǎo)數(shù)等方法，結(jié)果表明：利用小波變換消噪法結(jié)合求一階導(dǎo)數(shù)法，在土壤光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方面較其它方法能獲得更好的濾波效果，同時能保留有用信號的細節(jié)特征。
　　 （5）選擇了能良好反映土壤水分光譜特征的特征波段，在1100nm-2400nm的光譜范圍內(nèi)，通過對其中的11個待定特征波段進行篩選，最終選定1400nm、1900nm、2050nm、2200nm4個波段作為土壤水分光譜的特征波段，其中，在隨土壤含水量降低而得的光譜反射率

10、增大的區(qū)域中于1400nm和1900nm處出現(xiàn)明顯吸收峰值，當土壤含水量較低時于2200nm處亦出現(xiàn)明顯吸收峰值。
　　 （6）探索了土壤含水量與光譜反射率表示方法對其二者關(guān)系建模的影響，篩選出較好的匹配方法。在含水量方面選擇重量含水量、定容重體積含水量、變?nèi)葜伢w積含水量，在光譜反射率方面選擇實測反射率、相對反射率、減土反射率和歸一化減土反射率等表示方法比較，結(jié)果表明，以變?nèi)葜伢w積含水量和相對反射率與減土反射率匹配較好,變?nèi)葜伢w

11、積含水量與歸一化減土反射率匹配更好。在土壤反射率反演土壤含水量的模型構(gòu)建所用含水量與反射率的表示方法中，首次提出和采用變?nèi)葜赝寥篮颗c減土反射率、歸一化減土反射率的概念，試驗表明其表述方法較好。
　　 （7）采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機兩種建模方法研究了土壤含水量與反射率之間關(guān)系模型的構(gòu)建，并對土壤含水量與反射率之間關(guān)系模型的適應(yīng)性進行了研究。在土壤反射率反演土壤含水量的模型構(gòu)建方面，利用小波變換在時頻兩域?qū)π盘栠M行特征值提取

12、，從而能夠更全面地反映信號特征；為了消除土壤其它性狀對土壤反射率反演土壤含水量的影響，對信號特征進行了相對干土特征矢量的變化量歸一化處理，構(gòu)建了三種特征矢量：原信號相對特征值變化量、一階導(dǎo)數(shù)信號相對特征值、一階導(dǎo)數(shù)相對特征值變化量；利用遺傳算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機兩種模型的參數(shù)進行了有效優(yōu)化，并利用三種特征矢量對兩種模型進行了建模和仿真，結(jié)果表明，在小樣本條件下，利用一階導(dǎo)數(shù)相對特征值變化量作為輸入信號特征矢量，遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的