Please wait a minute...
 
自然资源遥感  2024, Vol. 36 Issue (3): 225-232    DOI: 10.6046/zrzyyg.2023068
  技术应用 本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索 |
高光谱反演耕地土壤质量评价元素含量方法研究
易孜芳1,2(), 周磊磊1,2, 骆检兰1, 曹里2()
1.湖南省地球物理地球化学调查所,长沙 410116
2.自然资源部南方丘陵区自然资源监测监管重点实验室,长沙 410119
A method for hyperspectral inversion of element contents for soil-quality evaluation of cultivated land
YI Zifang1,2(), ZHOU Leilei1,2, LUO Jianlan1, CAO Li2()
1. Hunan Geophysical and Geochemical Institute, Changsha 410116, China
2. Key Laboratory of Natural Resources Monitoring and Supervision in Southern Hilly Region, Ministry of Natural Resources, Changsha 410119, China
全文: PDF(8083 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

为探讨利用高光谱快速估算耕地土壤质量元素镉(Cd)、砷(As)含量的可行性和准确度,该文针对元素光谱特征波段提取及高光谱定量反演建模开展研究。使用一阶/二阶微分(first derivative/second derivative,FD/SD)、倒数对数(logarithm reciprocal,LR)、包络线去除(continuum removal,CR)4种光谱变换与竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)、相关性分析(Pearson correlation analysis,PCC)2种特征筛选相组合的多种方法提取光谱特征波段。在此基础上,分别利用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)和粒子群改进的随机森林回归(particle swarm optimization-random forest regression,PSO-RFR)2种回归模型来反演元素含量并进行精度验证。结果表明,实验区土壤元素Cd和As预测的最佳模型均为FD-CARS-PLSR,Cd和As元素模型的决定系数R2最高分别为0.863和0.959,相对分析误差分别为2.799和5.119。FD/SD光谱变换结合CARS特征筛选能够提升PLSR反演模型的精度。研究成果可以为土壤Cd和As元素含量的快速估算提供参考。

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
易孜芳
周磊磊
骆检兰
曹里
关键词 高光谱遥感光谱变换特征波段选择偏最小二乘回归竞争性自适应重加权算法    
Abstract

To explore the feasibility and accuracy of the method of utilizing hyperspectral data to estimate the contents of elements Cd and As for soil quality elevation of cultivated land, this study delves into the extraction of characteristic bands of the spectra of both elements and the modeling of quantitative hyperspectral inversion. The characteristic bands of spectra were extracted using multiple methods derived from the combination of four spectral transformations and two feature selection methods, with the former comprising first-order /second-order differential (FD/SD), reciprocal logarithm (LR), and continuum removal (CR) and the latter consisting of the competitive adaptive reweighted sampling (CARS) method and the Pearson correlation coefficient (PCC) analysis. Based on this, the element content inversion was conducted using the partial least squares regression (PLSR) and the particle swarm optimization optimized random forest regression (PSO-RFR), followed by the verification of inversion accuracy. The results indicate that the FD-CARS-PLSR inversion model exhibited the best prediction effect for both elements, with maximum determination coefficients R2 of 0.863 and 0.959 and relative percent differences (RPDs) of 2.799 and 5.119 for Cd and As, respectively. The FD and SD spectral transformations combined with the CARS method can improve the accuracy of the PLSR inversion model. The results of this study can provide a reference for the rapid estimation of the contents of Cd and As in soil.

Key wordshyperspectral remote sensing    spectral transformation    characteristic band selection    partial least squares regression    competitive adaptive reweighted sampling
收稿日期: 2023-03-15      出版日期: 2024-09-03
ZTFLH:  TP79  
  P237  
基金资助:湖南省自然资源厅科技计划项目“自然资源省级高光谱应用支撑库建设关键技术与应用研究”(20230119CH);湖南省自然科学基金资助项目“天-空-地协同观察下的洞庭湖土壤高光谱遥感多尺度监测与反演研究”(2024JJ8353);自然资源部省合作项目“自然资源遥感智能解译样本及光谱数据库建设关键技术研究及应用示范”(2023ZRBSHZ021)
通讯作者: 曹 里(1986-),男,高级工程师,主要从事国产遥感卫星在轨应用评价及自然资源行业应用技术研究。Email: cnclcn@foxmail.com
作者简介: 易孜芳(1995-),女,工程师,主要从事资源遥感和测绘地理信息研究。Email: 690267040@qq.com
引用本文:   
易孜芳, 周磊磊, 骆检兰, 曹里. 高光谱反演耕地土壤质量评价元素含量方法研究[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(3): 225-232.
YI Zifang, ZHOU Leilei, LUO Jianlan, CAO Li. A method for hyperspectral inversion of element contents for soil-quality evaluation of cultivated land. Remote Sensing for Natural Resources, 2024, 36(3): 225-232.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2023068      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2024/V36/I3/225
Fig.1  研究区位置和采样点分布
Fig.2  土壤样品光谱反射率曲线
Fig.3  原始与4种变换光谱与元素含量相关系数
元素 预处理方法 特征波段数 最大相关系数
Cd YS 241 (0.385)*
FD 73 (0.441)*
SD 61 0.499*
LR 12 0.336*
CR 68 (0.634) *
As YS 81 (0.521)**
FD 214 (0.839)**
SD 108 0.754**
LR 292 0.758**
CR 191 (0.756)**
Tab.1  皮尔森相关系数特征波段筛选
Fig.4  CARS算法变量筛选过程
元素 光谱类型 特征波段数 占总波段数比例/%
Cd YS 60 15.8
FD 35 9.2
SD 30 7.9
LR 51 13.4
CR 46 12.1
As YS 35 9.2
FD 32 8.4
SD 41 10.8
LR 35 9.2
CR 32 8.4
Tab.2  CARS特征波段筛选
R2 RPD 模型精度评价
R2≤0.5 RPD≤1.5 不具有预测能力
0.5<R2≤0.68 1.5<RPD≤2.0 可区分高值和低值
0.68<R2≤0.82 2.0<RPD≤2.5 能够近似预测
0.82<R2≤0.9 2.5<RPD≤3.0 预测能力良好
R2>0.9 RPD>3.0 预测能力极佳
Tab.3  模型精度评价
元素 光谱类型 PCC-PLSR CARS-PLSR
建模集 验证集 建模集 验证集
R2 RMSE R2 RMSE RPD R2 RMSE R2 RMSE RPD
Cd YS 0.365 1.796 -0.441 1.692 0.862 0.439 1.087 -0.256 2.845 0.924
FD 0.704 1.198 -0.155 1.647 0.963 0.954 0.477 0.863 0.572 2.799
SD 0.811 0.699 0.236 2.407 1.184 0.965 0.423 0.557 0.878 1.555
LR 0.352 1.334 -0.024 2.619 1.023 0.357 1.287 0.150 2.564 1.122
CR 0.631 0.853 0.046 2.835 1.060 0.573 1.447 -0.306 1.763 0.906
As YS 0.832 1.277 0.615 1.932 1.669 0.779 1.528 0.648 1.410 1.746
FD 0.928 0.869 0.794 1.293 2.283 0.981 0.431 0.959 0.639 5.119
SD 0.906 0.955 0.741 1.537 2.033 0.985 0.397 0.870 1.159 2.870
LR 0.843 1.345 0.672 1.256 1.808 0.844 1.267 0.711 1.417 1.926
CR 0.828 1.373 0.733 1.363 2.005 0.880 1.120 0.748 1.369 2.061
Tab.4  PLSR模型估测结果
元素 光谱类型 PCC-PSO-RFR CARS-PSO-RFR
建模集 验证集 建模集 验证集
R2 RMSE R2 RMSE RPD R2 RMSE R2 RMSE RPD
Cd YS 0.812 0.977 -1.351 2.162 0.654 0.727 0.759 -0.219 2.804 0.994
FD 0.882 0.757 -0.042 1.564 0.985 0.831 0.912 0.066 1.494 1.039
SD 0.819 0.684 0.323 2.265 1.216 0.858 0.857 0.083 1.264 1.044
LR 0.821 0.701 -0.100 2.714 1.008 0.838 0.646 0.094 2.647 1.051
CR 0.915 0.408 0.230 2.548 1.178 0.836 0.897 -0.511 1.896 0.962
As YS 0.882 1.071 0.586 2.003 1.568 0.863 1.205 -0.205 2.610 1.202
FD 0.909 0.980 0.833 1.164 2.542 0.947 0.722 0.732 1.635 1.968
SD 0.944 0.738 0.554 2.017 1.568 0.936 0.815 0.383 2.523 1.277
LR 0.927 0.921 0.666 1.267 1.819 0.924 0.887 0.559 1.751 1.518
CR 0.948 0.756 0.165 2.412 1.095 0.908 0.983 0.678 1.547 1.762
Tab.5  PSO-RFR模型估测结果
Fig.5  最优PLSR和PSO-RFR验证集反演1∶1图
[1] 张东辉, 赵英俊, 陆冬华, 等. 高光谱在土壤重金属信息提取中的应用与实现[J]. 土壤通报, 2018, 49(1):31-37.
Zhang D H, Zhao Y J, Lu D H, et al. Application and realization of hyperspectral information extraction of heavy metals in soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2018, 49(1):31-37.
[2] 余涛, 蒋天宇, 刘旭, 等. 土壤重金属污染现状及检测分析技术研究进展[J]. 中国地质, 2021, 48(2):460-476.
Yu T, Jiang T Y, Liu X, et al. Research progress in current status of soil heavy metal pollution and analysis technology[J]. Geology in China, 2021, 48(2):460-476.
[3] 贺军亮, 张淑媛, 查勇, 等. 高光谱遥感反演土壤重金属含量研究进展[J]. 遥感技术与应用, 2015, 30(3):407-412.
doi: 10.11873/j.issn.1004\|0323.2015.3.0407
He J L, Zhang S Y, Zha Y, et al. Review of retrieving soil heavy metal content by hyperspectral remote sensing[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2015, 30(3):407-412.
[4] 张静静, 周卫红, 邹萌萌, 等. 高光谱遥感监测大面积土壤重金属污染的研究现状、原理及展望[J]. 江苏农业科学, 2018, 46(12):9-13.
Zhang J J, Zhou W H, Zou M M, et al. Research status,principle and prospect of hyperspectral remote sensing monitoring of heavy metal pollution in large areas[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2018, 46(12):9-13.
[5] 刘彦平, 罗晴, 程和发. 高光谱遥感技术在土壤重金属含量测定领域的应用与发展[J]. 农业环境科学学报, 2020, 39(12):2699-2709.
Liu Y P, Luo Q, Cheng H F. Application and development of hyperspectral remote sensing technology to determine the heavy metal content in soil[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2020, 39(12):2699-2709.
[6] 杨晓宇, 包妮沙, 曹粤, 等. 基于无人机成像光谱技术的农田土壤养分估测及制图[J]. 地理与地理信息科学, 2021, 37(5):38-45.
Yang X Y, Bao N S, Cao Y, et al. Estimation and mapping of soil nutrient in farmland based on UAV imaging spectrometry[J]. Geography and Geo-Information Science, 2021, 37(5):38-45.
[7] 雷宇斌, 刘宁, 郭云开, 等. 高光谱组合变换下土壤含量模型反演研究[J]. 测绘工程, 2018, 27(11):71-76.
Lei Y B, Liu N, Guo Y K, et al. Inversion of soil Cd content with GWR model under hyper-spectral combined transformation[J]. Engineering of Surveying and Mapping, 2018, 27(11):71-76.
[8] 褚小立, 袁洪福, 陆婉珍. 近红外分析中光谱预处理及波长选择方法进展与应用[J]. 化学进展, 2004, 16(4):528-542.
Chu X L, Yuan H F, Lu W Z. Progress and application of spectral data pretreatment and wavelength selection methods in NIR analytical technique[J]. Progress in Chemistry, 2004, 16(4):528-542.
[9] 宋相中, 唐果, 张录达, 等. 近红外光谱分析中的变量选择算法研究进展[J]. 光谱学与光谱分析, 2017, 37(4):1048-1052.
Song X Z, Tang G, Zhang L D, et al. Research advance of variable selection algorithms in near infrared spectroscopy analysis[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(4):1048-1052.
[10] 袁自然, 魏立飞, 张杨熙, 等. 优化CARS结合PSO-SVM算法农田土壤重金属砷含量高光谱反演分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2020, 40(2):567-573.
Yuan Z R, Wei L F, Zhang Y X, et al. Hyperspectral inversion and analysis of heavy metal arsenic content in farmland soil based on optimizing CARS combined with PSO-SVM algorithm[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020, 40(2):567-573.
[11] 陈元鹏, 张世文, 罗明, 等. 基于高光谱反演的复垦区土壤重金属含量经验模型优选[J]. 农业机械学报, 2019, 50(1):170-179.
Chen Y P, Zhang S W, Luo M, et al. Empirical model optimization of hyperspectral inversion of heavy metal content in reclamation area[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(1):170-179.
[12] 金昭, 吕建树. 基于机器学习模型的区域土壤重金属空间预测精度比较研究[J]. 地理研究, 2022, 41(6):1731-1747.
doi: 10.11821/dlyj020210528
Jin Z, Lyu J S. Comparison of the accuracy of spatial prediction for heavy metals in regional soils based on machine learning models[J]. Geographical Research, 2022, 41(6):1731-1747.
[13] 涂宇龙, 邹滨, 姜晓璐, 等. 矿区土壤Cu含量高光谱反演建模[J]. 光谱学与光谱分析, 2018, 38(2):575-581.
Tu Y L, Zou B, Jiang X L, et al. Hyperspectral remote sensing based modeling of Cu content in mining soil[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018, 38(2):575-581.
[14] Li H D, Liang Y Z, Xu Q S, et al. Key wavelengths screening using competitive adaptive reweighted sampling method for multivariate calibration[J]. Analytica Chimica Acta, 2009, 648(1):77-84.
doi: 10.1016/j.aca.2009.06.046 pmid: 19616692
[15] Tan K, Wang H M, Zhang Q Q, et al. An improved estimation model for soil heavy metal(loid) concentration retrieval in mining areas using reflectance spectroscopy[J]. Journal of Soils and Sediments, 2018, 18(5):2008-2022.
[16] 孙波, 张弛, 尹世超, 等. 基于PSO-RF的GNSS-IR土壤湿度反演方法研究[J]. 无线电工程, 2021, 51(10):1080-1085.
Sun B, Zhang C, Yin S C, et al. Research on GNSS-IR soil moisture inversion method based on PSO-RF[J]. Radio Engineering, 2021, 51(10):1080-1085.
[17] 范升旭, 杨春曦, 杨启良, 等. 基于粒子群-随机森林算法和气象数据的三七叶面积生长预测模型[J]. 中草药, 2022, 53(10):3103-3110.
Fan X X, Yang C X, Yang Q L, et al. Prediction model of Panax notoginseng leaf area growth based on particle swarm-optimization random forest algorithm and meteorological data[J]. Chinese Traditional and Herbal Drugs, 2022, 53(10):3103-3110.
[18] 魏丹萍, 郑光辉. 高光谱反射率的滨海地区土壤全磷含量反演[J]. 光谱学与光谱分析, 2022, 42(2):517-523.
Wei D P, Zheng G H. Estimation of soil total phosphorus content in coastal areas based on hyperspectral reflectance[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2022, 42(2):517-523.
[19] Malley D F, Williams P C. Use of near-infrared reflectance spectroscopy in prediction of heavy metals in freshwater sediment by their association with organic matter[J]. Environmental Science & Technology, 1997, 31(12):3461-3467.
[20] 李冠稳, 高小红, 肖能文, 等. 基于sCARS-RF算法的高光谱估算土壤有机质含量[J]. 发光学报, 2019, 40(8):1030-1039.
Li G W, Gao X H, Xiao N W, et al. Estimation soil organic matter contents with hyperspectra based on sCARS and RF algorithms[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2019, 40(8):1030-1039.
[1] 宋奇, 高小红, 宋玉婷, 黎巧丽, 陈真, 李润祥, 张昊, 才桑洁. 基于无人机高光谱影像的农田土壤有机碳含量估算——以湟水流域农田为例[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(2): 160-172.
[2] 孔卓, 杨海涛, 郑逢杰, 李扬, 齐济, 朱沁雨, 杨忠霖. 高光谱遥感图像大气校正研究进展[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 1-10.
[3] 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.
[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] 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.
[6] 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.
[7] 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.
[8] 孙珂. 融合超像元与峰值密度特征的遥感影像分类[J]. 国土资源遥感, 2020, 32(4): 41-45.
[9] 王瑞军, 张春雷, 孙永彬, 王诜, 董双发, 王永军, 闫柏琨. 高光谱在甘肃红山多金属找矿模型构建中的应用[J]. 国土资源遥感, 2020, 32(3): 222-231.
[10] 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.
[11] 曹西凤, 孙林, 赵子飞, 韩晓峰, 颜明捷. MODIS遥感产品在三江源地区草产量估测中的应用[J]. 国土资源遥感, 2018, 30(4): 115-124.
[12] 张东辉, 赵英俊, 秦凯. 典型目标地面光谱信息系统设计与实现[J]. 国土资源遥感, 2018, 30(4): 206-211.
[13] 任广利, 杨敏, 李健强, 高婷, 梁楠, 易欢, 杨军录. 高光谱蚀变信息在金矿找矿预测中的应用研究——以北山方山口金矿线索为例[J]. 国土资源遥感, 2017, 29(3): 182-190.
[14] 张川, 叶发旺, 徐清俊, 刘洪成, 孟树. 新疆白杨河铀铍矿区航空高光谱矿物填图及蚀变特征分析[J]. 国土资源遥感, 2017, 29(2): 160-166.
[15] 苏红军, 刘浩. 一种利用空间和光谱信息的高光谱遥感多分类器动态集成算法[J]. 国土资源遥感, 2017, 29(2): 15-21.
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