Please wait a minute...
 
国土资源遥感  2019, Vol. 31 Issue (4): 96-103    DOI: 10.6046/gtzyyg.2019.04.13
  技术方法 本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索 |
基于偏最小二乘的土壤重金属镉间接反演模型
贺军亮1, 韩超山1, 韦锐1, 周智勇2, 东启亮2
1. 石家庄学院资源与环境科学学院,石家庄 050035
2. 河北省水文工程地质勘查院,石家庄 050021
Research on indirect hyperspectral estimating model of heavy metal Cd based on partial least squares regression
Junliang HE1, Chaoshan HAN1, Rui WEI1, Zhiyong ZHOU2, Qiliang DONG2
1. College of Resources and Environment Sciences, Shijiazhuang University, Shijiazhuang 050035, China
2. Hebei Investigation Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Shijiazhuang 050021, China
全文: PDF(3006 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

为探讨土壤重金属含量的高光谱快速监测方法,以石家庄市水源保护区褐土为研究对象,基于土壤有机质敏感波段对应的多种光谱变换指标,采用偏最小二乘回归方法,建立了土壤重金属镉(Cd)的高光谱间接反演模型。结果表明,研究区土壤样本Cd含量平均值为0.220 mg/kg,处于严重污染水平; 有机质含量与Cd含量之间显著相关,两者存在一定的吸附赋存关系; 有机质原始光谱反射率对应的敏感波段为797 nm,各种光谱变换中倒数对数的一阶微分(absorbance transformation and first derivative,ATFD)与有机质含量的相关性最大,一阶微分(first derivative,FD)与有机质含量存在最大的正相关关系; 基于建模和验证样本分析,多光谱变换指标偏最小二乘回归模型优于单光谱变换指标偏最小二乘模型和多光谱变换指标逐步回归模型,模型解释变量为1 409 nm波段处的倒数对数的二阶微分(absorbance transformation and second derivative,ATSD)和1 396 nm波段处的FD,建模和验证样本R 2分别达0.83和0.80。采用基于有机质光谱诊断特征建立多光谱变换指标集成估算模型来间接反演重金属Cd含量是可行的,所建最优模型可以为该地区重金属Cd的快速遥感监测提供参考。

服务
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章
贺军亮
韩超山
韦锐
周智勇
东启亮
关键词 土壤有机质高光谱间接反演模型偏最小二乘回归    
Abstract

In order to explore the feasibility of estimating the heavy metal cadmium (Cd) content in soil by hyperspectral data, the authors chose the cinnamon soil of Shijiazhuang water conservation area as the research object. Based on the multiple spectral transformation indexes corresponding to the sensitive bands of soil organic matter, the authors established the hyperspectral indirect inversion model of soil heavy metal Cd by partial least squares regression method. Some conclusions have been reached: the average Cd content of soil samples in the study area is 0.220 mg/kg, which is at the serious pollution level. There exists a significant correlation between organic matter content and Cd content, and there is a certain adsorption relationship. The sensitive band corresponding to the original spectral reflectance of organic matter is 797 nm. The correlation coefficient between the absorbance transform first derivative (ATFD) and the organic matter content is the largest among the various spectral transformations. The first derivative (FD) has the largest positive correlation with the organic matter. The modeling and verification sample analysis show that the multivariate partial least squares model is better than the univariate partial least squares model and multivariate linear stepwise regression model. The model explanatory variables are the absorbance transform second derivative (ATSD) of 1 409 nm and the FD of 1 396 nm, and the modeling and verification samples R 2 were 0.83 and 0.80. The research shows that it is feasible to estimate heavy metal Cd content indirectly by establishing multiple spectral transformation indexes estimation model based on spectral diagnostic features of organic matter. The optimal model can provide a reference for the rapid monitoring of heavy metal Cd in this area.

Key wordsCd    soil organic matter    hyperspectral    indirect estimating model    partial least squares regression
收稿日期: 2018-09-06      出版日期: 2019-12-03
:  TP79  
  S159  
基金资助:国家自然科学基金青年科学基金项目“基于高光谱的滩涂土壤演化序列发育程度反演方法与机理研究”(41201215);河北省自然科学基金项目“土壤重金属高光谱反演模型研究——以石家庄水源保护区土壤类型为例”(D2016106013);自然资源部中国地质调查局地质调查项目“全国矿产资源开发环境遥感监测”(121201003000172705);石家庄学院博士科研启动基金共同资助(17BS002)
作者简介: 贺军亮(1979-),男,博士,副教授,主要从事生态环境遥感方向的研究。Email: hejunliang0927@163.com。
引用本文:   
贺军亮, 韩超山, 韦锐, 周智勇, 东启亮. 基于偏最小二乘的土壤重金属镉间接反演模型[J]. 国土资源遥感, 2019, 31(4): 96-103.
Junliang HE, Chaoshan HAN, Rui WEI, Zhiyong ZHOU, Qiliang DONG. Research on indirect hyperspectral estimating model of heavy metal Cd based on partial least squares regression. Remote Sensing for Land & Resources, 2019, 31(4): 96-103.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2019.04.13      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2019/V31/I4/96
Fig.1  研究区采样点分布
统计量 总体样本 建模样本 验证样本
样本数/个 69 46 23
最大值/(mg·kg-1) 0.359 0.343 0.359
最小值/(mg·kg-1) 0.138 0.138 0.156
平均值/(mg·kg-1) 0.220 0.215 0.229
标准差/(mg·kg-1) 0.048 0.043 0.055
变异系数/% 21.73 19.83 24.14
Tab.1  Cd特征量统计
P [1,2) [2,3) [3,4) ≥4
样本个数 5 45 15 4
Tab.2  土壤重金属Cd的污染指数统计
光谱变量 敏感波段/nm 相关系数
R 797 -0.468**②
RT 797 0.437**
AT 797 0.448**
FD 1 396 0.721**
SD 1 408 -0.601**
RTFD 837 -0.670**
RTSD 2 204 -0.394**
ATFD 1 394 -0.766**
ATSD 1 409 0.676**
CR 1 909 0.666**
Tab.3  土壤有机质含量与光谱变量的最大相关系数
Fig.2  MLSR模型散点图
参数 建模样本 验证样本
R2 0.81 0.75
RMSE 0.02 0.03
RPD 2.31 1.23
Tab.4  MLSR模型结果
Fig.3  ATSD-U-PLSR模型散点图
参数 建模样本 验证样本
R2 0.78 0.80
RMSE 0.003 0.006
RPD 14.40 9.10
Tab.5  ATSD-U-PLSR模型结果
Fig.4  FD-U-PLSR模型散点图
参数 建模样本 验证样本
R2 0.24 0.41
RMSE 0.005 0.010
RPD 7.79 5.76
Tab.6  FD-U-PLSR模型结果
Fig.5  M-PLSR模型散点图
参数 建模样本 验证样本
R2 0.83 0.80
RMSE 0.02 0.006
RPD 2.46 9.32
Tab.7  M-PLSR模型结果
[1] 周际海, 黄荣霞, 樊后保 , 等. 污染土壤修复技术研究进展[J]. 水土保持研究, 2016,23(3):366-372.
Zhou J H, Huang R X, Fan H B , et al. A review on the progresses of remediation technologies for contaminated soils[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2016,23(3):366-372.
[2] 史舟, 王乾龙, 彭杰 , 等. 中国主要土壤高光谱反射特性分类与有机质光谱预测模型[J]. 中国科学(地球科学), 2014,44(5):978-988.
Shi Z, Wang Q L, Peng J , et al. Development of a national VNIR soil-spectral library for soil classification and prediction of organic matter concentrations[J]. Science China(Earth Sciences), 2014,44(5):978-988.
[3] 刘硕, 吴泉源, 曹学江 , 等. 龙口煤矿区土壤重金属污染评价与空间分布特征[J]. 环境科学, 2016,37(1):270-279.
Liu S, Wu Q Y, Cao X J , et al. Pollution assessment and spatial distribution characteristics of heavy metals in soils of coal mining area in Longkou City[J]. Environmental Science, 2016,37(1):270-279.
[4] 王燕, 李贤庆, 宋志宏 , 等. 土壤重金属污染及生物修复研究进展[J]. 安全与环境学报, 2009,9(3):60-65.
Wang Y, Li X Q, Song Z H , et al. Review on the research advances of the pollution and bioremediation of heavy metals in the soil[J]. Journal of Safety and Environment, 2009,9(3):60-65.
[5] 马文超, 刘媛, 孙晓灿 , 等. 镉在土壤-香根草系统中的迁移及转化特征[J]. 生态学报, 2016,36(11):3411-3418.
doi: 10.5846/stxb201506261297
Ma W C, Liu Y, Sun X C , et al. Transfer and transformation characteristics of cadmium from soil to Vetiveria zizanioides[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016,36(11):3411-3418.
[6] 阿尔达克·克里木, 张东 , 等. 基于高光谱的ASTER影像土壤盐分模型校正及验证[J]. 农业工程学报, 2016,32(12):144-150.
Kelimu A, Zhang D , et al. Calibration and validation of soil salinity estimation model based on measured hyperspectral and ASTER image[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016,32(12):144-150.
[7] 刘焕军, 张柏, 刘殿伟 , 等. 松嫩平原典型土壤高光谱定量遥感研究[J]. 遥感学报, 2008,12(4):647-654.
Liu H J, Zhang B, Liu D W , et al. Study on quantitatively remote sensing typical soils in Songnen Plain,Northeast China[J]. Journal of Remote Sensing, 2008,12(4):647-654.
[8] Kemper T, Sommer S . Estimate of heavy metal contamination in soil after a mining accident using reflectance spectroscopy[J]. Environmental Science and Technology, 2002,36(12):2742-2747.
[9] 郭云开, 曹小燕, 石自桂 . 水稻冠层光谱变化特征的土壤重金属全量反演研究[J]. 遥感信息, 2015,30(3):116-123.
Guo Y K, Cao X Y, Shi Z G . Inversion model of total amount of soil heavy metal based on spectral characteristics of rice canopy[J]. Remote Sensing Information, 2015,30(3):116-123.
[10] 程先锋, 宋婷婷, 陈玉 , 等. 滇西兰坪铅锌矿区土壤重金属含量的高光谱反演分析[J]. 岩石矿物学杂志, 2017,36(1):60-69.
Cheng X F, Song T T, Chen Y , et al. Retrieval and analysis of heavy metal content in soil based on measured spectra in the Lanping Zn-Pb mining area,western Yunnan Province[J]. Acta Petrologica et Mineralogica, 2017,36(1):60-69.
[11] 吴昀昭 . 南京城郊农业土壤重金属污染的遥感地球化学基础研究[D]. 南京:南京大学, 2005.
Wu Y Z . Heavy Metal Pollution in Suburban Soils of the Nanjing Area:A Feasibility Study of Remote-Sensing Geochemistry[D]. Nanjing:Nanjing University, 2005.
[12] Moros J, Vallejuelo F O D, Gredilla A ,et al.Use of reflectance infrared spectroscopy for monitoring the metal content of the estuarine sediments of the Nerbioi-Ibaizabal River (Metropolitan Bilbao,Bay of Biscay,Basque Country)[J]. Environmental Science and Technology, 2009,43(24):9314-9320.
[13] 贺军亮, 蒋建军, 孙中伟 , 等. 土壤重金属含量光谱估算模型的初步研究[J]. 农机化研究, 2009,31(9):22-25.
He J L, Jiang J J, Sun Z W , et al. Studying on retrieval of soil heavy metal content using the organic matter identification index[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009,31(9):22-25.
[14] 兰泽英, 刘洋 . 乐安河流域土壤重金属含量高光谱间接反演模型及其空间分布特征研究[J]. 地理与地理信息科学, 2015,31(3):26-31.
Lan Z Y, Liu Y . Research on indirect hyperspectral estimating model and the spatial distribution characteristics of heavy metal contents in basin soil of Lean River[J]. Geography and Geo-Information Science, 2015,31(3):26-31.
[15] 王菲, 曹文涛, 康日斐 , 等. 基于野外实测光谱的金矿区土壤重金属铬监测研究[J]. 环境污染与防治, 2016,38(2):13-18.
Wang F, Cao W T, Kang R F , et al. Study on monitoring of soil heavy metal Cr in golden mining areas based on field measured spectrum[J]. Environmental Pollution and Control, 2016,38(2):13-18.
[16] 江振蓝, 杨玉盛, 沙晋明 . GWR模型在土壤重金属高光谱预测中的应用[J]. 地理学报, 2017,72(3):533-544.
doi: 10.11821/dlxb201703013
Jiang Z L, Yang Y S, Sha J M . Application of GWR model in hyperspectral prediction of soil heavy metals[J]. Acta Geographica Sinica, 2017,72(3):533-544.
[17] 乔星星, 冯美臣, 杨武德 , 等. 变换光谱数据对土壤氮素PLSR模型的影响研究[J]. 地球信息科学学报, 2016,18(8):1123-1132.
doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01123
Qiao X X, Feng M C, Yang W D , et al. Effect of spectral transformation processes on the PLSR models of soil nitrogen[J]. Journal of Geo-Information Science, 2016,18(8):1123-1132.
[18] 于雷, 洪永胜, 耿雷 , 等. 基于偏最小二乘回归的土壤有机质含量高光谱估算[J]. 农业工程学报, 2015,31(14):103-109.
Yu L, Hong Y S, Geng L , et al. Hyperspectral estimation of soil organic matter content based on partial least squares regression[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015,31(14):103-109.
[19] 刘伟, 赵众, 袁洪福 , 等. 光谱多元分析校正集和验证集样本分布优选方法研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2014,34(4):947-951.
Liu W, Zhao Z, Yuan H F , et al. An optimal selection method of samples of calibration set and validation set for spectral multivariate analysis[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014,34(4):947-951.
[20] 洪永胜, 于雷, 耿雷 , 等. 应用DS算法消除室内几何测试条件对土壤高光谱数据波动性的影响[J]. 华中师范大学学报(自然科学版), 2016,50(2):303-308.
Hong Y S, Yu L, Geng L , et al. Using direct standardization algorithm to eliminate the effect of laboratory geometric parameters on soil hyperspectral data fluctuate characteristic[J]. Journal of Central China Normal University (Natural Sciences), 2016,50(2):303-308.
[21] 宋静宜, 傅开道, 苏斌 , 等. 澜沧江水系底沙重金属含量空间分布及其污染评价[J]. 地理学报, 2013,68(3):389-397.
doi: 10.11821/xb201303010
Song J Y, Fu K D, Su B , et al. Spatial distribution of heavy metal concentrations and pollution assessment in the bed loads of the Lancang River System[J]. Acta Geographica Sinica, 2013,68(3):389-397.
[22] 姚娜, 彭昆国, 刘足根 , 等. 石家庄北郊土壤重金属分布特征及风险评价[J]. 农业环境科学学报, 2014,33(2):313-321.
Yao N, Peng K G, Liu Z G , et al. Distribution and risk assessment of soil heavy metals in the north suburb of Shijiazhuang City[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014,33(2):313-321.
[23] 张娟娟, 田永超, 朱艳 , 等. 不同类型土壤的光谱特征及其有机质含量预测[J]. 中国农业科学, 2009,42(9):3154-3163.
doi:
Zhang J J, Tian Y C, Zhu Y , et al. Spectral characteristics and estimation of organic matter contents of different soil types[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009,42(9):3154-3163.
[1] 王茜, 任广利. 高光谱遥感异常信息在阿尔金索拉克地区铜金矿找矿工作中的应用[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(1): 277-285.
[2] 曲海成, 王雅萱, 申磊. 多感受野特征与空谱注意力结合的高光谱图像超分辨率算法[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(1): 43-52.
[3] 陈洁, 张立福, 张琳珊, 张红明, 童庆禧. 紫外-可见光水质参数在线监测技术研究进展[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(4): 1-9.
[4] 高文龙, 张圣微, 林汐, 雒萌, 任照怡. 煤矿开采中SOM的遥感估算和时空动态分析[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(4): 235-242.
[5] 杜程, 李得林, 李根军, 杨雪松. 基于高原盐湖光谱特性下的溶解氧反演应用与探讨[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(3): 246-252.
[6] 姜亚楠, 张欣, 张春雷, 仲诚诚, 赵俊芳. 基于多尺度LBP特征融合的遥感图像分类[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(3): 36-44.
[7] 臧传凯, 沈芳, 杨正东. 基于无人机高光谱遥感的河湖水环境探测[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(3): 45-53.
[8] 王华, 李卫卫, 李志刚, 陈学业, 孙乐. 基于多尺度超像素的高光谱图像分类研究[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(3): 63-71.
[9] 刘咏梅, 范鸿建, 盖星华, 刘建红, 王雷. 基于无人机高光谱影像的NDVI估算植被盖度精度分析[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(3): 11-17.
[10] 李双权, 马玉凤, 刘勋, 李长春, 杜军. 郑州邙山枣树沟黄土剖面常量元素含量的高光谱反演[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(3): 121-129.
[11] 韩彦岭, 崔鹏霞, 杨树瑚, 刘业锟, 王静, 张云. 基于残差网络特征融合的高光谱图像分类[J]. 国土资源遥感, 2021, 33(2): 11-19.
[12] 舒慧勤, 方俊永, 鲁鹏, 顾万发, 王潇, 张晓红, 刘学, 丁兰坡. 基于多源高分辨率数据的遗址空间考古精细识别研究[J]. 国土资源遥感, 2021, 33(2): 162-171.
[13] 肖艳, 辛洪波, 王斌, 崔利, 姜琦刚. 基于小波变换和连续投影算法的黑土有机质含量高光谱估测[J]. 国土资源遥感, 2021, 33(2): 33-39.
[14] 胡新宇, 许章华, 陈文慧, 陈秋霞, 王琳, 刘辉, 刘智才. 基于PROBA/CHRIS影像的归一化阴影植被指数NSVI构建与应用效果[J]. 国土资源遥感, 2021, 33(2): 55-65.
[15] 吴倩, 姜琦刚, 史鹏飞, 张莉莉. 基于高光谱的土壤碳酸钙含量估算模型研究[J]. 国土资源遥感, 2021, 33(1): 138-144.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
京ICP备05055290号-2
版权所有 © 2015 《自然资源遥感》编辑部
地址:北京学院路31号中国国土资源航空物探遥感中心 邮编:100083
电话:010-62060291/62060292 E-mail:zrzyyg@163.com
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发