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国土资源遥感  2021, Vol. 33 Issue (1): 138-144    DOI: 10.6046/gtzyyg.2020095
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基于高光谱的土壤碳酸钙含量估算模型研究
吴倩(), 姜琦刚(), 史鹏飞, 张莉莉
吉林大学地球探测科学与技术学院,长春 130026
The estimation of soil calcium carbonate content based on Hyperspectral data
WU Qian(), JIANG Qigang(), SHI Pengfei, ZHANG Lili
College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
全文: PDF(4841 KB)   HTML  
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摘要 

土壤中碳酸钙的含量是土壤分类及肥力评价的重要依据。研究选取陕西省黄土高原区的78个黄绵土土壤样品为研究对象,在分析碳酸钙含量的基础上,采用SVC HR-1024i便携式光谱仪获取土壤样品的可见光、近红外与短波红外高光谱反射率(350~2 500 nm)数据,对原始光谱曲线分别进行一阶微分、二阶微分和连续统去除3种数学变换,运用相关分析法和连续投影算法分别进行敏感波段的选取,采用随机森林回归建立土壤碳酸钙的估算模型。结果表明: 黄绵土的光谱曲线特征相似,在1 440 nm,1 900 nm和2 200 nm等处均存在明显的吸收特征,且碳酸钙含量与光谱反射率呈现正相关态势; 基于二阶微分与连续投影算法的随机森林估算模型精度最高,验证集R2为0.82,相对分析误差(residual predictive deviation,RPD)值为2.37。

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吴倩
姜琦刚
史鹏飞
张莉莉
关键词 碳酸钙含量黄绵土高光谱连续投影算法随机森林回归    
Abstract

Carbonate content in soil is an important basis for soil classification and fertility evaluation. Based on an analysis of calcium carbonate content, the authors chose 78 soil samples from Loess Plateau of Shaanxi Province as the research objects. The visible near infrared hyperspectral reflectance (350~2 500 nm) data of soil samples were obtained by hyperspectral imager. Three mathematical transformations, i.e., first-order differentiation, second-order differentiation and continuum removal, were carried out on the original spectral curve, and correlation analysis was used. The method and the continuous projection algorithm were used to select the sensitive band respectively, and the Stochastic Forest regression was used to establish the estimation model of soil calcium carbonate. According to the results obtained, the spectral curve characteristics of Huangmian soil are almost the same, there are obvious absorption characteristics at 1 440 nm, 1 900 nm, 2 200 nm and so on, and the calcium carbonate content and spectral reflectance show a positive correlation trend; the accuracy of random forest estimation model based on the second-order differential and continuous projection algorithm is the highest, the validation set R 2 is 0.82, and the PRD value is 2.37.

Key wordscalcium carbonate    Huangmian soil    hyperspectral    continuous projection algorithm    random forest regression
收稿日期: 2020-04-07      出版日期: 2021-03-18
ZTFLH:  TP79  
基金资助:中国地质调查项目“全国地球关键带遥感地质调查”资助(DD20190536)
通讯作者: 姜琦刚
作者简介: 吴 倩(1997-),女,硕士研究生,主要从事遥感制图及其技术应用研究。Email: 1148545835@qq.com
引用本文:   
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.
WU Qian, JIANG Qigang, SHI Pengfei, ZHANG Lili. The estimation of soil calcium carbonate content based on Hyperspectral data. Remote Sensing for Land & Resources, 2021, 33(1): 138-144.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2020095      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2021/V33/I1/138
Fig.1  研究区地理位置及采样点分布
样本集 数目 最小值/(g·kg-1) 最大值/(g·kg-1) 平均值/(g·kg-1) 标准差 偏度 变异系数/%
建模样本 52 11.109 173.509 85.365 28.262 0.457 44.82
验证样本 22 11.236 175.077 87.607 8 33.798 0.253 49.99
总样本 74 11.109 175.077 86.362 30.536 0.354 46.94
Tab.1  土壤样本碳酸钙含量的统计结果
Fig.2  研究样本波长反射率图
Fig.3  基于相关分析(CA)的敏感波段筛选图
Fig.4  基于连续投影算法(SPA)的敏感波段筛选图
模型 波段选取方法 建模波段数 建模集 验证集
R2 RMSE R2 RMSEp RPD
RFR- R CA 54 0.59 20.43 0.41 25.22 1.43
SPA 17 0.60 20.03 0.51 22.56 1.49
RFR- R' CA 82 0.76 19.19 0.68 19.94 1.88
SPA 9 0.79 17.56 0.73 16.56 2.32
RFR- R″ CA 54 0.74 12.36 0.70 13.45 2.21
SPA 16 0.89 11.25 0.82 12.79 2.37
RFR- CR CA 44 0.71 14.28 0.58 18.62 1.83
SPA 15 0.68 17.11 0.69 19.64 1.88
Tab.2  土壤碳酸钙含量的敏感波段的RFR模型
Fig.5  基于SPA的四种数学变换RFR模型实测值与预测值验证集拟合图
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