黃河三角洲鹽漬土鹽分及組分定量光譜估測研究——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，而且程度嚴重，使得該地區(qū)多處生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨重大威脅。因此，定量、準確地監(jiān)測鹽漬土，對其防治、利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關重要。
　　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，同時測定野外原狀土光譜，對土樣風干后，室內(nèi)分析鹽分及其主要離子（Cl-

2、、Na+、Ca2+）含量，分別室內(nèi)、外測定土樣可見/近紅外高光譜數(shù)據(jù)，并進行預處理；而后分析鹽分及其主要離子不同含量的光譜響應，在此基礎上，采用相關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（support vector machine，SVM）和隨機森林（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；進而提取室內(nèi)、室外風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），驗證優(yōu)選最佳鹽分光譜指數(shù)，利用隨機森林方法（RF）構(gòu)建驗證估測模型，最后將此技術路線應用到室外風干土及野外原狀土光譜，從而確定最佳估測模型及最優(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整體一致；土壤鹽分及其主要離子（Cl-、Na+、Ca2+）的光譜響應譜區(qū)為1320～1495、1790～1920、2120～2290 nm；基于相關分析

5、的土壤鹽分及其主要離子的敏感譜區(qū)為1490～1520、1890～1930 nm；最后綜合光譜響應及相關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個顯著特征波段反射率一階導數(shù)的模型精度均與4個特征波段的模型精度相當，表明顯著特征光譜作為鹽分及其主要離子的特征光譜進行其定量分析的有效性。比較3種建模方法，隨機森林（RF）模

6、型的預測效果最好，支持向量機（SVM）模型次之，而多元線性回歸（MLR）模型精度最低；對于鹽分、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+預測精度還有待提高。
　　（3）通過綜合比較分析，基于顯著特征波段（1493和1911 nm）反射率一階導數(shù)構(gòu)建的隨機森林（RF）模型對鹽分、Cl-和Na+均具有較好的估測精度和穩(wěn)定性，也可用于Ca2+的定量估測。基于光譜響應及相關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反射率一階導數(shù)），進而采用隨機森林方法構(gòu)建鹽分及其主要離子的定量估測模型，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；室外風干土光譜分別為1536和2037nm；野外原狀土光譜分別為1726和2032nm。
　　（5）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的最優(yōu)光譜指數(shù)。
　?。?）從估測模型構(gòu)建驗證分析得出，基于亮度光譜指數(shù)（BSI）或差值光譜指數(shù)（DSI）的室內(nèi)風干土土光譜采用隨機森林方法構(gòu)建的土壤鹽分及主要離子估測模型具有較好的估測精度，室外風干土光譜及野外原狀土光譜的模型估測精度雖然比室內(nèi)風干土光譜模型精度要低，但是精度仍可用于鹽分估測。因此