国土资源遥感, 2019, 31(1): 110-116 doi: 10.6046/gtzyyg.2019.01.15

技术方法

土壤有机质含量地面高光谱估测模型对比分析

王永敏1, 李西灿2, 田林亚1, 贾斌3, 杨惠4

1.河海大学地球科学与工程学院,南京 211100

2.山东农业大学信息科学与工程学院,泰安 271018

3.中建四局第三建筑工程有限公司,遵义 563000

4.东南大学交通学院,南京 210000

Comparison and analysis of estimation models of soil organic matter content established by hyperspectral on ground

WANG Yongmin1, LI Xican2, TIAN Linya1, JIA Bin3, YANG Hui4

1.School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China

2.College of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China

3.CCFED the Third Construction Engineering Co., Zunyi 563000, China

4.School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210000, China

责任编辑: 陈理

收稿日期: 2018-01-31   修回日期: 2018-03-24   网络出版日期: 2019-03-15

基金资助: 国家自然科学基金项目“黄河三角洲典型生态脆弱区土壤质量退化特征及其对土地利用变化的响应”.  41271235
山东省自然科学基金项目“基于灰色理论的土壤有机质高光谱估测模式研究”共同资助.  ZR2016DM03

Received: 2018-01-31   Revised: 2018-03-24   Online: 2019-03-15

作者简介 About authors

王永敏(1993-),女,硕士,主要从事遥感技术与应用方面的研究。Email:594287425@qq.com。 。

摘要

采用高光谱技术获得的数据进行土壤有机质含量的反演和估测是近年来的研究热点。为确定有效的估测建模方法,利用地面实测的土壤高光谱反射率及有机质含量等数据,采用小波分析方法实现去噪,包络线去除法实现建模参数提取和数据量压缩,结合多种不同的数据变换方法,利用BP神经网络法、多元线性回归法及最小二乘回归法建立不同的估测模型。对比发现,BP神经网络模型的估测效果优于回归模型,其中结合对数的平方变换和神经网络所建立的模型为最优估测模型,模型的决定系数达到0.933,检验样本的均方根误差达到0.069。实验证明,BP神经网络+对数的平方变换模型的学习机制适用于土壤有机质含量地面高光谱估测且效果好。通过在建模因子层面上进行数据变换建立了较好的估测模型,其研究方法、模型和结论,对土壤有机质含量地面高光谱估测具有一定的参考意义。

关键词: 地面高光谱 ; 土壤有机质 ; 数据变换 ; 估测模型 ; 对比分析

Abstract

Using the data obtained by hyperspectral techniques to estimate the content of soil organic matter is a hotspot in recent years. For the purpose of determining the effective estimation modeling method, specific data such as reflectance obtained by hyperspectral on ground and organic matter content were used in this paper. Wavelet analysis was used to remove the noise, and continuum removal was used to extract the parameters and compress the data. Combining a variety of different data transformation methods and utilizing BP neural networks, multiple linear regression (MLR) and least squares regression (LSR), many different estimation models of soil were established. It is found that the neural network method is superior to the regression model among various data transformation methods after comparing different estimation models established by the three modeling methods. The optimal estimation model is the model established by the combination of logarithmic square transformation and neural network. The R 2 of the model is 0.933 and the RMSE is 0.069. The authors creatively carried out the data transformation at the modeling factor level and established the good estimation model. It is shown that the learning mechanism of BP + LS model is suitable for hyperspectral estimation of soil organic matter and works well. The methods, models and conclusions of this paper have some reference significance for the hyperspectral estimation of soil organic matter.

Keywords: hyperspectra on ground ; soil organic matter ; data conversion ; estimation model ; comparative analysis

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本文引用格式

王永敏, 李西灿, 田林亚, 贾斌, 杨惠. 土壤有机质含量地面高光谱估测模型对比分析. 国土资源遥感[J], 2019, 31(1): 110-116 doi:10.6046/gtzyyg.2019.01.15

WANG Yongmin, LI Xican, TIAN Linya, JIA Bin, YANG Hui. Comparison and analysis of estimation models of soil organic matter content established by hyperspectral on ground. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2019, 31(1): 110-116 doi:10.6046/gtzyyg.2019.01.15

0 引言

土壤有机质含量是农作物生长的必要物质之一,对其进行快速、准确测定和估计对发展精细农业和提高农田管理的科学性具有重要意义[1]。传统的土壤有机质含量测定方式手段繁琐,耗时耗力,且有一定的局限性。近年来,高光谱技术的发展,使得快速实现土壤有机质含量估测成为可能,因而研究合理有效的土壤有机质含量高光谱估测方法非常重要。邱华旭等[2]通过对光谱反射率做常规模型变换,发现适当的模型变换可以使土壤性质指标与反射率数据的相关性得到有效提高; 郭超凡等[3]和Kokaly等[4]对光谱吸收特性采用连续移除法和多元逐步线性回归法处理,可以提高高光谱估测模型的精度; 陈增文等[5]发现土壤有机质含量与光谱反射率呈负相关,为利用土壤高光谱反射率数据进行有机质含量估测提供了理论支持和方法引导。但是,诸多研究在光谱敏感波段方面的结论并不一致,彭杰等[6]研究土壤理化特征发现,3502 500 nm波段可以反映土壤特性的细微差异,可用于反演土壤理化参数; 廖钦洪等[7]和Liu等[8]采用一阶微分归一化技术处理黑土的反射率数据,研究发现光谱波段范围为620810 nm时对有机质敏感; Karnieli等[9]发现在1 720 nm,2 180 nm和2 309 nm处光谱曲线存在吸收特性。此外,采用不同的数据处理方法,所建模型精度也存在差异,沈润平等[10]通过人工神经网络方法建立土壤有机质含量估测模型,总均方根误差达到了1.31; 于雷等[11]通过连续小波变换和支持向量机回归建立的估测模型决定系数达到了0.83; 彭小婷等[12]采用包络线去除法,结合偏最小二乘回归法,建立模型的决定系数达到了0.763。但是,目前综合比较各种土壤有机质含量高光谱估测方法的研究较少。

为探究不同方法用于土壤有机质含量高光谱估测的精度,确定有效的估测建模方法,本文通过小波分析和包络线去除法实现去噪和参数提取,采用9种数据变换方法,对提取的建模因子进行变换并结合神经网络法、多元线性回归法和最小二乘回归法共建立了27种地面高光谱土壤有机质含量估测模型,比较不同方法所建模型精度,最终确定有效的估测建模方法,以期为相关研究提供一定的参考。

1 数据与方法

1.1 数据采集

本文所用数据为陕西省横山县土壤样本的地面实测高光谱反射率和有机质含量数据。陕西省横山县(E108°56'110°02',N37°22'38°14')位于陕西省北部,其地势西南高,东北低,中间高,南部低,呈倾斜趋势,海拔约8901 534 m; 由于处在鄂尔多斯草原与黄土高原的过渡地带,水土流失严重,“三沙七丘”地貌景观独特,主要分布有黄绵土、绵沙土、黑垆土和风沙土等土壤类型。

土样采集利用梅花桩取样法,保证采样点尽可能均匀分布在研究区内,顾及不同土壤类型,在每个测区内随机选择45个具有代表性的测点(白界乡、岔龙湾、高镇和石湾镇4个采样区测点数为5,其余为4),选择天气晴朗、光照稳定、土壤干燥时除掉测点上方的腐殖落叶层并进行5次光谱测定取平均值作为样本点的光谱反射率值,然后取15 cm左右深度的表层土,共采集84个样本,样本采集区分布情况如图1所示。

图1

图1   土壤样本采集区域分布示意图

Fig.1   Area of collecting soil samples


光谱反射率采集使用ASD FieldSpec FR野外光谱仪,采用3°视场角,面对太阳方向,探头距离目标20 cm进行垂直观测,观测范围直径近2 cm。光谱反射率波段范围为3502 500 nm,其中3501 000 nm光谱分辨率为3 nm,1 0002 500 nm光谱分辨率为10 nm。对土壤样本的有机质含量和水含量在室内进行分析测定。土壤样本的理化参数统计结果如表1所示。在数据处理之前,通过比较分析,剔除了数据噪声较严重的4个样本,剩余80个样本数据用于本研究。经多次实验,随机选择50个样本用于建模,剩余30个样本用于检验。

表1   土壤样本有机质含量和水含量统计

Tab.1  Statistical characteristics of soil organic matter content and water content(%)

样本集有机质最小值有机质最大值有机质平均值有机质标准差水含量最小值水含量最大值水含量平均值水含量标准差
总体样本0.1241.2890.6000.2500.4638.659.877.65
建模样本0.1241.2890.6080.2384.8338.659.657.62
检验样本0.1761.2890.5750.2410.4635.329.977.69

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1.2 数据处理

1.2.1 小波分析去噪

在数据获取过程中,由于测定方法、外界环境和操作等原因,获得的光谱反射率数据不可避免地存在噪声,因此对原始数据进行了去噪处理。小波分析是常用且效果较好的去噪方法之一,本文通过Matlab编程实现光谱反射率的小波去噪。选用Bior1.3小波基函数进行3层小波分解,当小波系数小于阈值时,既不采用硬阈值法置零,也不采用软阈值法按照固定向量向零附近收缩,而是通过归一化相关系数设置默认阈值[13],归一化相关系数公式为

WJ,K=PWJ/PCWJ
PWJ=Kw2J,K
PCWJ=Kcw2J,K
cwJ,K=wJ,K×wJ+1,K

式中: cwJ,K为尺度JK点处的相关系数; wJ,KwJ+1,K分别为小波系数,由信号小波系数和噪声小波系数2部分组成。通过默认阈值对信号进行重构,实现原始光谱反射率数据的去噪。

1.2.2 包络线去除法提取参数

由于原始的光谱反射率数据量大,本文采用包络线去除法压缩数据量并提取参数。利用VB编程并结合Excel表格,选择与有机质含量相关性高的连续波段为敏感波段,并在选取的敏感波段上进行包络线去除,共提取了高度面积、深度面积、高差面积、最大高度、最大深度、最大高差、对称度和位置等参数。包络线提取参数的运算公式分别为

C=Ri/[Rstart+T×(λi-λstart)]
K=(Rend-Rstart)/(λend-λstart)
H=(1/C)-1
P=1-C
D=(1/C)-C
AH=seH
AP=seP
AD=seD
MH=Max{H}se
MP=Max{P}se
MD=Max{D}se
DS=K/(AP-K)
LM=Index(Max{H}se)

式中: C为包络线结果值; Rii处的原始光谱反射率数据; RstartRend分别为起止点处的光谱反射率; λii处的波长; λstartλend分别为起止点处的波长; T为待处理的光谱反射率曲线起止点间的斜率; K为最大深度处深度值; H,PD分别为高度、深度和高差; AH为高度面积; AP为深度面积; AD为高差面积; MH为最大高度; MP为最大深度; MD为最大高差; DS为对称度; LM为位置; se分别为起点和终点位置。按照相关性由高到低的顺序,选取其中相关性较高的6个特征作为建模因子。

1.2.3 数据变换

为提高建模因子与土壤有机质含量的相关性,选择9种数据变换方法进行变换处理,包括平方变换(square transform,SQ)、倒数变换(reciprocal transform,RE)、指数变换(exponential transform,EXP)、对数变换(log transform,LOG)、指数的平方变换(exponential square transform,ES)、对数的平方变换(logarithm square transform,LS)、一阶微分变换(first order differential transform,DE1)、对数一阶微分变换(logarithm first order differential transform,LGD1)、指数一阶微分变换(exponential first order differential transform,EXD1),其中一阶微分用差分表示。由于位置因子的指数变换数值过大,先将位置因子缩小100倍后进行指数变换。

1.3 建模及精度评定方法

采用BP(back propagation)神经网络法、多元线性回归法(multivariable linear regression,MLR)和最小二乘回归法(least squares regression,LSR),结合9种数据变换方法,共建立了27种土壤有机质含量地面高光谱估测模型。

网络参数设置对神经网络模型的结果质量有很大影响,因此选择合适的参数(隐含层数、学习速率、平滑因子、学习误差和分级迭代级数)对模型的精度很重要。由于目前没有很成熟的参数设置模型可供使用,本文通过大量实验,反复对比,最终确定本实验的参数设置为: 输入层数为6,对应提取的6个建模因子所对应的数据; 输出层数为1,对应样本有机质含量,人为确定前50个样本数据作为学习样本,后30个样本数据作为检验样本; 隐含层数为15,学习速率为1.5 h,平滑因子为0.7,学习误差为0.03,分级迭代级数为14。通过编程实现MLR和LSR建模。

采用模型的决定系数R2、检验样本的均方根误差(root mean square,RMSE)和估测模型的差异显著性sig值作为估测模型的精度和可靠性评定因子。各模型的sig值由SPSS软件获得,用以检验模型的显著性; 根据R2RMSE,比较不同模型的精度和可靠性,最终选出最佳模型。其中,sig<0.05则说明模型是显著的,R2越大,模型的可靠性越强、模型越稳定; RMSE越小,模型精度越高。

2 结果与分析

2.1 小波分析去噪结果

通过Bior1.3小波基函数对原始光谱反射率数据进行3层小波分解,实现去噪处理(图2)。

图2

图2   小波去噪前后光谱反射率与有机质含量相关系数对比

Fig.2   Comparison of correlation coefficient between spectral reflectance of original and wavelet denoising and organic matter content


图2(a)和(b)中可以看出(以77号样本为例,其他样本处理效果与此类似),小波处理使得原始数据中的噪声得到去除,在1 400 nm附近和2 0002 500 nm表现明显。由图2(c)可以发现原始光谱反射率数据与有机质含量呈负相关且相关性不高,小波分析去噪提高了光谱反射率与有机质含量的相关性。因此,采用小波去噪后的光谱反射率数据代替原始数据建立估测模型。

2.2 参数提取

图2的数据得知,在波段590770 nm之间,光谱反射率与有机质含量相关系数较高,是光谱敏感波段,为减小数据处理量,选择波段600700 nm之间的光谱反射率数据,编程实现包络线去除法,并对参数进行提取。以66号土壤样本为例,图3为包络线去除前后光谱反射率对比,其他样本处理后的曲线趋势与此类似。

图3

图3   包络线去除结果对比

Fig.3   Continuum removal results


实验共提取高度面积、深度面积、高差面积、最大高度、最大深度、最大高差、对称度和位置等多项指标因子。按照相关性由高到低的顺序,选取位置、对称度、深度面积、最大深度、最大高差和最大高度等6个参数作为建模因子,但是各个因子与有机质含量相关性不高,不能直接用于建模,故采用不同数据变换方法对各因子进行变换处理(表2)。

表2   相关系数对比

Tab.2  Comparison of correlation coefficient

变换方法APDSMPMHMDLM
原始-0.205-0.217-0.196-0.151-0.1710.230
SQ-0.288-0.380-0.286-0.172-0.3650.296
RE0.2960.3570.3560.2560.386-0.295
EXP0.482-0.534-0.518-0.472-0.4840.305
LOG-0.390-0.362-0.211-0.209-0.3180.295
ES0.431-0.437-0.368-0.428-0.4990.401
LS-0.539-0.596-0. 432-0.631-0.6280.521
DE1-0.282-0.329-0.287-0.273-0.2860.224
LGD1-0.462-0.3090.5080.4140.5110.424
EXD10.337-0.3210.4090.4580.406-0.245

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2.3 建模因子变换结果比较

由于原始因子与有机质含量的相关性不高,通过1.2.3节中的方法对建模因子数据进行变换处理。计算各因子与有机质含量的相关系数(表2)结果表明,提取参数经LS变换后,除最大深度外,其他参数与有机质含量的相关系数均达到0.5以上,能有效提高提取参数与土壤有机质含量的相关性。此外,EXP,ES,LGD1和EXD1的变换效果也较好。

2.4 建模结果及对比分析

分别计算27个模型的sig,R2RMSE,图4为3种建模方法所建模型的R2RMSE对比结果,具体数值如表3所示。

图4

图4   3种模型的R2RMSE对比

Fig.4   Comparison of three models’R2and RMSE


表3   27种估测模型检验样本集结果统计

Tab.3  27 hyperspectral estimation models’ results of test samples

参数方法SQREEXPLOGESLSDE1LGD1EXD1均值
R2BP0.8110.8070.8850.8120.8280.9330.8520.8390.8410.845
MLR0.7780.8040.8350.7310.8590.8790.7920.8450.7860.812
LSR0.8150.7970.8710.8260.8330.8870.8610.8470.8020.839
RMSEBP0.1140.1170.0810.1100.1020.0690.0920.1070.1050.099
MLR0.1220.1210.0990.1310.0930.0920.1180.1210.1230.113
LSR0.1190.1250.0970.1140.1150.0850.0840.0920.1140.105
sigBP0.0150.0190.0010.0110.0060.000.0030.0130.0070.008
MLR0.0270.0310.0330.0420.0020.0010.0130.0060.0350.021
LSR0.0190.0280.0010.0210.0050.0010.0020.0070.0160.011

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图4(a)可以发现,BP与LSR模型的R2均较高,除几种情况(RE和LGD1变换对2种建模方法效果相近; ES变换结合MLR模型效果优于BP和LSR模型)外,均明显优于MLR模型,说明建模因子与土壤有机质含量之间不是简单的线性关系,MLR模型可靠性不高。同时,比较BP模型和LSR模型,发现对应多种数据变换方法,二者所建模型的R2差别不大,但是LS变换对BP模型更敏感,所建模型的R2明显优于其他模型。由图4(b)可以看出,BP模型的RMSE较小,MLR模型的RMSE较大,说明BP模型的估测精度高于MLR模型。综合发现,BP模型结合LS变换所建模型的R2最大,RMSE最小,因此本实验确定的最佳估测模型为BP+LS模型。表3中数据也显示,所有模型的sig值均小于0.05,说明所建估测模型均是显著的,结果可靠,所做比较具有意义。比较各模型R2RMSE的均值结果可以发现,从整体而言,BP模型和LSR模型均优于MLR模型,且BP模型更优于LSR模型。

图5为BP+LS模型实测值与估测值的对比结果,横坐标表示有机质含量的实测值,纵坐标为BP+LS模型得到的有机质含量的估测值,由表3中数据可知,BP+LS模型的R2可达0.933,检验样本的RMSE为0.069。

图5

图5   估测值与实测值对比结果

Fig.5   Comparison of predicted and measured values


图5中虚线为估测点的趋势线,直线为y=x指标线,在直线下方的点表明有机质含量的估测值低于实测值,而直线上方的点表明有机质含量的估测值高于实测值。从图6可以看出,当有机质含量<0.6%时,估测值普遍高于实测值; 当有机质含量在0.6%0.8%之间时,估测值大多低于实测值; 当有机质含量>0.8%时,估测值高于实测值。当有机质含量偏小或者偏大时,BP+LS模型得到的有机质含量的估测值多高于实测值,但总体而言,差别不大,模型精度较高。LS变换有效提高了建模因子与有机质含量的相关性,同时,BP神经网络具有较强的非线性映射能力,能较好地模拟土壤有机质含量和地面实测高光谱反射率之间的关系,此外,BP神经网络在建模时,能通过学习自动实现输出数据的合理规则,因此BP+LS估测模型具有较高的精度和可靠性。

3 结论

1)数据质量对建模效果影响显著。通过比较原始光谱数据和小波去噪后光谱反射率数据与有机质含量的相关系数,发现经小波分析处理后,在590770 nm之间,光谱反射率与有机质含量的相关性显著提高。研究提高数据质量及数据与目标因子相关性的理论和方法具有重要意义。

2)比较不同数据变换的结果,发现数据变换可以提高数据和土壤有机质含量的相关性,但是建模因子对不同数据变换方法响应程度不同,不恰当的变换可能使参数的相关系数不增反降,综合比较,对数的平方变换是一种有效的变换方法,对3种建模方法效果均较好,在同类模型中精度和可靠性最高,因为对数的平方运算能较好地消除数据异方差问题,缩小差距。

3)针对建模因子与有机质含量相关性不高的问题,改变了以往对光谱反射率数据进行变换的思路,提出了对提取的建模因子直接进行数据变换,然后利用变换后的数据建立高光谱土壤有机质含量估测模型的方法。本文利用土壤地面实测高光谱数据(3502 500 nm和有机质含量数据,通过小波分析和包络线去除法提取特征参数,选取与有机质含量相关系数较高的参数作为建模因子,经过9种数据变换方法处理后,结合BP神经网络法、多元线性回归法和最小二乘回归法共建立27个土壤有机质含量估测模型,对比各模型的评价指标,最终确定BP神经网络+对数的平方变换模型为最佳估测模型。

本文探究了多种数据变换方法和建模方法的组合在高光谱土壤有机质含量估测中的效果和精度,并最终确定了相对最优的建模方法和估测模型,对该领域高光谱技术的应用推广具有一定的参考意义。但由于本文没有顾及土壤水含量对有机质含量估测的影响,仍存在一定的局限性,未来将继续深入研究。

参考文献

王晓 .

土壤含水量高光谱特性与估测模型研究

[D]. 泰安:山东农业大学, 2012.

[本文引用: 1]

Wang X .

Studies on Soil Moisture Hyper-spectrum Characteristics and Estimating Model

[D]. Taian:Shandong Agricultural University, 2012.

[本文引用: 1]

邱华旭, 黄张裕, 李希灿 .

土壤性质指标光谱反演数据变换模型研究

[J]. 测绘科学, 2013,38(3):131-133.

URL     [本文引用: 1]

本文采用土壤含铁量和有机质含量作为性质指标,对反射率作常规模 型变换,变换后的数值与性质指标的相关系数最大值有一定提高.又进行反射率一阶微分乘以平方根一阶微分等几种创新模型变换,以及将变换效果较好的个别波段 选出进行交叉组合模型变换,变换后的数值与性质指标的相关系数最大值又有一定提高.实验证明,反射率一阶微分乘以平方根一阶微分模型以及选出波段交叉组合 变换模型可以有效提高反射率与土壤性质指标的相关性.

Qiu H X, Huang Z Y, Li X C .

Data transformation model analysis on spectral retrieved deduction of soil properties index

[J]. Science of Surveying and Mapping, 2013,38(3):131-133.

[本文引用: 1]

郭超凡, 郭逍宇 .

基于可见光波段包络线去除的湿地植物叶片叶绿素估算

[J]. 生态学报, 2016,36(20):6538-6546.

DOI:10.5846/stxb201507091460      URL     [本文引用: 1]

研究采用芦苇和香蒲叶片光谱及实测叶绿素含量数据,选取波段谱带范围为可见光波段400—760nm(为了避免近红外波段受叶片水分含量的影响,降低构建模型的稳定性),利用相关分析与逐步回归分析的统计学分析方法,建立叶面尺度下不同包络线去除衍生转换光谱:BD(band depth)、CRDR(continuum-removed derivative reflectance)、BDR(band depth ratio)、NBDI(normalized band depth index)与叶绿素含量估算模型。通过对入选波段的统计表明在550—750nm,特别是700—750nm(红边)波段范围内产生了较多的有效波段,是今后进行生物参量反演的重点波段范围。舍一交叉验证结果表明芦苇、香蒲和混合样本绿素含量估测的最佳模型分别为BD、CRDR和NBDI模型,其交叉验证决定系数依次为0.87、0.83和0.81,交叉验证均方根误差RMSE依次为0.16、0.15和0.33。并在此基础上利用独立样本非参数检验和多因子方差分析,探讨相关因素对于叶绿素含量估算模型精度的影响。结果表明物种差异、数据类型差异对于叶绿素回归模型的影响较大,而光谱类型差异及光谱数据与数据类型交互作用对于回归模型精度的影响较小。

Guo C F, Guo X Y .

Estimation of wetland plant leaf chlorophyll content based on continuum removal in the visible domain

[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016,36(20):6538-6546.

[本文引用: 1]

Kokaly R F, Clark R N .

Spectroscopic determination of leaf biochemistry using band-depth analysis of absorption features and stepwise multiple linear regression

[J]. Remote Sensing of Environment, 1999,67(3):267-287.

DOI:10.1016/S0034-4257(98)00084-4      URL     [本文引用: 1]

We develop a new method for estimating the biochemistry of plant material using spectroscopy. Normalized band depths calculated from the continuum-removed reflectance spectra of dried and ground leaves were used to estimate their concentrations of nitrogen, lignin, and cellulose. Stepwise multiple linear regression was used to select wavelengths in the broad absorption features centered at 1.73 ??m, 2.10 ??m, and 2.30 ??m that were highly correlated with the chemistry of samples from eastern U.S. forests. Band depths of absorption features at these wavelengths were found to also be highly correlated with the chemistry of four other sites. A subset of data from the eastern U.S. forest sites was used to derive linear equations that were applied to the remaining data to successfully estimate their nitrogen, lignin, and cellulose concentrations. Correlations were highest for nitrogen (R2 from 0.75 to 0.94). The consistent results indicate the possibility of establishing a single equation capable of estimating the chemical concentrations in a wide variety of species from the reflectance spectra of dried leaves. The extension of this method to remote sensing was investigated. The effects of leaf water content, sensor signal-to-noise and bandpass, atmospheric effects, and background soil exposure were examined. Leaf water was found to be the greatest challenge to extending this empirical method to the analysis of fresh whole leaves and complete vegetation canopies. The influence of leaf water on reflectance spectra must be removed to within 10%. Other effects were reduced by continuum removal and normalization of band depths. If the effects of leaf water can be compensated for, it might be possible to extend this method to remote sensing data acquired by imaging spectrometers to give estimates of nitrogen, lignin, and cellulose concentrations over large areas for use in ecosystem studies.We develop a new method for estimating the biochemistry of plant material using spectroscopy. Normalized band depths calculated from the continuum-removed reflectance spectra of dried and ground leaves were used to estimate their concentrations of nitrogen, lignin, and cellulose. Stepwise multiple linear regression was used to select wavelengths in the broad absorption features centered at 1.73 ??m, 2.10 ??m, and 2.301 ??m that were highly correlated with the chemistry of samples from eastern U.S. forests. Band depths of absorption features at these wavelengths were found to also be highly correlated with the chemistry of four other sites. A subset of data from the eastern U.S. forest sites was used to derive linear equations that were applied to the remaining data to successfully estimate their nitrogen, lignin, and cellulose concentrations. Correlations were highest for nitrogen (R2 from 0.75 to 0.94). The consistent results indicate the possibility of establishing a single equation capable of estimating the chemical concentrations in a wide variety of species from the reflectance spectra of dried leaves. The extension of this method to remote sensing was investigated. The effects of leaf water content, sensor signal-to-noise and bandpass, atmospheric effects, and background soil exposure were examined. Leaf water was found to be the greatest challenge to extending this empirical method to the analysis of fresh whole leaves and complete vegetation canopies. The influence of leaf water on reflectance spectra must be removed to within 10%. Other effects were reduced by continuum removal and normalization of band depths. If the effects of leaf water can be compensated for, it might be possible to extend this method to remote sensing data acquired by imaging spectrometers to give estimates of nitrogen, lignin, and cellulose concentrations over large areas for use in ecosystem studies.

陈增文, 陈光水, 钟羡芳 , .

基于高光谱遥感的土壤有机碳含量估算研究进展

[J]. 亚热带资源与环境学报, 2009,4(1):78-87.

DOI:10.3969/j.issn.1673-7105.2009.01.011      URL     [本文引用: 1]

土壤有机碳库是人类可以对其施加影响的最大生物圈碳库,其储量的估算和动态变化研究是全球碳循环研究中的重要内容.传统的各种估算和监测方法存在一定的问题,而利用高光谱遥感估算土壤有机碳含量具有便捷快速、节约成本、非破坏性和准确度高的优势,同时,从机载高光谱传感器获取的土壤图像数据对于估算大尺度区域土壤有机碳含量和跨时空动态研究具有相当大的潜力.但是,基于高光谱遥感数据的监测受到很多因素的影响,包括土壤有机碳含量的差异、成土母质、土壤含水量、土壤质地等以及与土壤有机碳光谱响应特性较为接近的氧化铁的影响.另外,野外土壤表面状态(如植被覆盖、表面粗糙度、土壤含水量和沙石等)以及大气、光照和辐射条件等也都对研究结果和估算精度产生较大的影响.今后该领域的研究应致力于对各影响因素的深入研究,同时寻求更多有效的计量方法提高估算模型的稳定性,并最终应用高光谱遥感数据开展区域尺度土壤有机碳含量的估算.

Chen Z W, Chen G S, Zhong X F , et al.

Review on estimation of soil organic carbon content based on hyperspectral measurements

[J]. Journal of Subtropical Resources and Environment, 2009,4(1):78-87.

[本文引用: 1]

彭杰, 张杨珠, 周清 , .

土壤理化特性与土壤光谱特征关系的研究进展

[J]. 土壤通报, 2009,40(5):1204-1208.

URL     [本文引用: 1]

如何利用高光谱遥感技术快速、准确的监测土壤的理化特性是实现精准农业的必要前提,也是今后农业发展的必然趋势.本文综合国内外的研究结果较系统的阐述了土壤水分含量、土壤质地、土壤氧化铁含量、土壤有机质含量与土壤光谱特征的关系,并提出了该研究领域所存在的一些问题和今后的发展方向.

Peng J, Zhang Y Z, Zhou Q , et al.

The progress on the relationship physics-chemistry properties with spectrum characteristic of the soil

[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2009,40(5):1204-1208.

[本文引用: 1]

廖钦洪, 顾晓鹤, 李存军 , .

基于连续小波变换的潮土有机质含量高光谱估算

[J]. 农业工程学报, 2012,28(23):132-139.

DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.23.018      URL     Magsci     [本文引用: 1]

土壤有机质含量快速估算对于土壤肥力评价、土壤信息化管理和精准施肥具有重要意义。该文通过对北京顺义地区64个土壤样品高光谱曲线进行连续小波变换,估算了该地区潮土有机质质量分数,并与4种常用光谱变换方法进行了比较。结果表明,潮土具有与其他类型土壤类似的光谱曲线,经过去包络线处理后,在可见与近红波段都出现了明显吸收峰;采用连续小波变换方法所确定的潮土有机质估算的敏感波段为1 194、486和866 nm,对应小波分解尺度为2,3和4;利用小波能量系数与有机质质量分数所构建的多元线性回归模型的决定系数R2为0.67,模型实测值与预测值的检验精度R2为0.75,RMSE为0.21;而采用4种常用光谱变换方法建立的潮土有机质估测模型的R2最高只有0.09,说明连续小波变换方法更适合于潮土有机质质量分数估测。Kringing插值分析表明,应在顺义地区东南部增加取样点,以提高模型估算精度。该研究可为潮土土壤肥力的快速测定提供参考。

Liao Q H, Gu X H, Li C J , et al.

Estimation of fluvo-aquic soil organic matter content from hyperspectral reflectance based on continuous wavelet transformation

[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012,28(23):132-139.

Magsci     [本文引用: 1]

Liu H J, Zhang Y Z, Zhang B , et al.

Novel hyperspectral reflectance models for estimating black-soil organic matter in Northeast China

[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2009,154(1-4):147-154.

DOI:10.1007/s10661-008-0385-4      URL     PMID:18560985      [本文引用: 1]

This paper presents a novel method for estimating black-soil organic matter (SOM) in the black-soil zone of northeast China from hyperspectral reflectance models. Traditional black-soil property measurements are relatively slow, but the pressures of agricultural production and environmental protection require a quick method to collect black-soil organic matter content. SOM estimation using soil hyperspectral reflectance models can meet this requirement, based on the spectral characteristics of black-soil in Northeast China. On the basis of the spectral reflectance and its derivatives, hyperspectral models can be built using correlation analysis and multivariable statistical methods. The concepts of curvature and ratio indices are also applied to compare and test the stability and accuracy of data modeling. The results show that the response of black-soil spectral reflectance from 400–1,10002nm to organic matter content is more marked than that from 1,100–2,50002nm. Specifically, the main response range of black-soil organic matter is between 620–81002nm, with a maximal spectral response at 71002nm. By comparing different models, we found that the normalized first derivate model is optimal for estimating SOM content, with a determination coefficient of 0.93 and root mean squared errors (RMSE) of 0.18%.

Karnieli A, Verchovsky I, Hall J K , et al.

Geographic information system for semi-detailed mapping of soils in semi-arid region

[J]. Geocarto International, 1998,13(3):29-42.

DOI:10.1080/10106049809354650      URL     [本文引用: 1]

The paper presents a GIS model for mapping soils in the semi arid region of Israel. The model is based on a priori knowledge of the soil generating factors in the study area, namely (1) the parent‐material (lithology) which determines the origin of the soil; and (2) the relief (including the drainage patents) which is responsible for erosion, deposition, and leaching processes along the catena. A special attempt was made to represent soil belts in small subwatersheds with different parent‐material. The width of these belts can be varied as a function of the local relief. We believe that GIS techniques, in contrast to conventional survey and mapping methods, have the potential to overcome the manpower and fiscal restrictions which limit monitoring of large areas and areas which are for different reasons difficult to access. However, systematically generalizing a spatial model for a large area may introduce some errors, either due to local variations which were not taken into account, or regional variations.

沈润平, 丁国香, 魏国栓 , .

基于人工神经网络的土壤有机质含量高光谱反演

[J]. 土壤学报, 2009,46(3):391-397.

DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.2009.03.003      URL     [本文引用: 1]

研究了土壤有机质含量与土壤高光谱之间的关系,在对原始光谱进行了预处理分析后,运用多元线性逐步回归法(MLSR)和人工神经网络法(ANN)建立了土壤有机质含量的反演模型,并对模型进行了验证。结果表明:人工神经网络所建立的反演模型普遍优于回归模型,网络集成模型优于单个BP网络模型,网络集成是提高反演模型准确性与稳定性的有效途径。网络集成模型为最优模型,总均方根误差为1.31,可以用于土壤有机质含量的快速测算。

Shen R P, Ding G X, Wei G S , et al.

Retrieval of soil organic matter content from hyper-spectrum based on ANN

[J]. Acta Pedologica Sinica, 2009,46(3):391-397.

[本文引用: 1]

于雷, 洪永胜, 周勇 , .

连续小波变换高光谱数据的土壤有机质含量反演模型构建

[J]. 光谱学与光谱分析, 2016,36(5):1428-1433.

URL     [本文引用: 1]

土壤有机质含量是反映土壤肥力的重要指标, 对其进行动态监测是实施精准农业的重要措施。 近年来, 众多学者尝试采用土壤近地传感(proximal soil sensing), 尤其是近地高光谱技术, 在田间和实验室获取不同形态土壤的高光谱数据, 不断引入新方法建立适用于不同地域和不同土壤类型的有机质含量的反演模型。 该研究在实验室内利用ASD FS3采集了土壤高光谱数据, 采用“重铬酸钾-外加热法”测得了土壤有机质含量; 分析了土壤原始光谱反射率(R)与有机质含量的相关性, 选取R2&gt;0.15的敏感波段的反射率; 利用CWT对土壤原始光谱反射率(R)、 光谱反射率的连续统去除(CR)进行不同尺度的分解, 分析小波系数与土壤有机质含量的相关性, 选取R2&gt;0.3的敏感波段的小波系数; 利用R选取的波段信息和R-CWT, CR-CWT的选取的小波系数, 分别建立偏最小二乘回归(PLSR)、 BP神经网络(BPNN)、 支持向量机回归(SVMR)三种不同的土壤有机质含量反演模型。 结果表明: 相比R与土壤有机质含量的决定系数R2, R-CWT, CR-CWT变换后得到的小波系数与土壤有机质含量的决定系数R2分别提高了0.15和0.2左右; CR-CWT-SVMR的模型效果最为显著, 预测集的R2和RMSE分别为0.83, 4.02, RPD值为2.48, 具有较高的估测精度, 能够全面稳定地估算土壤有机质含量; CR-CWT-PLSR的模型精度与CR-CWT-BPNN, CR-CWT-SVMR相比虽有一定差距, 但是其计算量要明显小于非线性的BPNN和SVMR方法, 具有模型简单、 运算速度快等特点, 对开发与设计田间传感器具有较大的应用价值。

Yu L, Hong Y S, Zhou Y , et al.

Inversion of soil organic matter content using hyperspectral data based on continuous wavelet transformation

[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2016,36(5):1428-1433.

[本文引用: 1]

彭小婷, 高文秀, 王俊杰 .

基于包络线去除和偏最小二乘的土壤参数光谱反演

[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2014,39(7):862-866.

DOI:10.13203/j.whugis20130202      URL     Magsci     [本文引用: 1]

基于江苏省宜兴市100个土样的可见光-近红外高光谱反射率400 2 450nm数据结合包络线去除continuum removalcr与偏最小二乘回归partial  least  squares  re gressionplsr 构建了土壤重金属砷as和有机质om含量的反演模型 结果表明相比普通plsr模型模型决定系数r2和预测根均方误差rmsep分别为0.5123.090和0.6215.934cr-plsr构建的模型预测能力有明显的改善r2和rmsep分别为0.7632.323和0.9114.599 cr有效增强了5509001 4201 900和2 200nm等波段处的反射光谱特征根据模型回归系数分析cr有效突出的波段正是as和om的cr-plsr模型所共用的重要波段研究表明cr能够协助plsr模型重要波段的选择利用遥感技术结合cr-plsr能够有效提高土壤重金属as和om含量的反演精度从而为土壤质量的遥感监测提供参考

Peng X T, Gao W X, Wang J J .

Inversion of soil parameters from hyperspectra based on continuum removal and partial least squares regression

[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014,39(7):862-866.

Magsci     [本文引用: 1]

孔玲军 . MATLAB小波分析超级学习手册[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2014: 100-160.

[本文引用: 1]

Kong L J. Super Learning Manual of Wavelet Analysis Based on MATLAB[M]. Beijing: Posts and Telecom Press, 2014: 100-160.

[本文引用: 1]

Ben-Dor E, Banin A .

Visible and near infrared(0.4 -1.1 μm) analysis of arid and semiarid soil

[J]. Remote Sensing of Environment, 1994,48(3):261-274.

DOI:10.1016/0034-4257(94)90001-9      URL    

ABSTRACT Near-infrared analysis (NIRA) methodology was applied to the reflectance spectra of arid and semiarid soils in the visible and near infrared (VIS-NIR; 0.4 1.1 m) spectral region. The method is termed visible and near-infrared analysis (VNIRA). Although the spectra of the soils were characterized as monotonous and featureless, the methodology has yielded a prediction equation for estimating several soil constituents from the reflectance curves. The constituents were: CaCO3, Fe2O3, Al2O3, SiO2, LOI (lost-on-ignition), Fed (free iron oxides), and K2O. Several mathematic manipulations were applied to the raw data in order to derive the optimal prediction equation. Spectral compression into 6, 8, 15, 71, and 350 spectral bands and a spectral derivation technique were applied to four separate soil groups, which were selected on the basis of their chemical characteristics. The wavelengths selected by the method for the optimal prediction equation were assigned to constituents that consisted of spectral features within the VIS-NIR region. An intercorrelation between spectrally featureless constituents and constituents with special features was found to be the major mechanism by which to predict constituents that had no spectral features within this part of the spectrum. It was shown that low spectral resolution is not necessarily a limiting factor in obtaining quantitative information about the chemistry of soil samples. All the examined soil constituents except Fed (which needed 700 spectral bands) required between 15 and 350 spectral bands for optimal prediction. It was concluded that the VIS-NIR (0.4 1.1 m) is a suitable spectral region for obtaining quantitative information about soil chemistry. Although the VNIRA performance is not as precise as the chemical performance, the precision obtained is likely to be useful for rapid soil characterization and remote-sensing applications. We strongly recommend the use of both the VNIRA and the NIRA methods to better interpret high resolution remote-sensing data.

李希灿, 王静, 李玉环 , .

基于模糊集分析的土壤质量指标高光谱反演

[J]. 地理与地理信息科学, 2008,24(4):25-28.

URL    

通过对横山县84个土样350~2500nm波段的光谱曲线分析,进行土壤质量12项指标的光谱反演。为获得有效光谱反演指标,利用单相关分析方法计算土壤质量指标与光谱反射率的相关系数并绘制相关系数曲线,根据极大相关性选择最佳波段作为光谱反演指标;剔除异常样本后,利用模糊识别理论建立土壤质量指标反演模型,通过优化得到模型的最佳参数。土壤质量12项指标光谱反演模型的平均检验误差均小于15%,说明模型的精度较高。

Li X C, Wang J, Li Y H , et al.

High spectral retrieved deduction of soil quality index based on fuzzy sets analysis

[J]. Geography and Geo-Information Science, 2008,24(4):25-28.

沈士喆, 张小龙, 衡伟 .

一种自适应阈值的预筛选Harris角点检测方法

[J]. 数据采集与处理, 2011,26(2):207-213.

DOI:10.3969/j.issn.1004-9037.2011.02.016     

为克服Harris角点检测算法中漏检正确角点和提取出较多伪角点的问题,以及在对不同图像处理时,非极大值抑制无法设置通用阈值的现象,本文在进行非极大值抑制时采用自适应阈值,从而可得较多的正确角点。为进一步抑制角点检测中的伪角点数目并提高处理大图像的算法效率,加入预筛选得备选角点这一步骤,通过在进行Harris角点检测之前就先去除部分肯定不可能是角点的像素点,以减少最终得到的伪角点数,并有效地减少了运算量,提高了效率。实验结果显示改进的Harris角点检测算法的运行时间仅为原始算法的30%,且可以得到更多的精确角点和更少的伪角点,具有很好的角点检测性能。

Shen S Z, Zhang X L, Heng W .

Improved Harris corner detection algorithm based on auto-adaptive threshold and pre-selection

[J]. Journal of Data Acquisition and Processing, 2011,26(2):207-213.

邓小炼, 王长耀, 亢庆 , .

一种基于角点提取的遥感影像地面控制点自适应匹配算法

[J]. 宇航学报, 2006,27(1):45-50,88.

DOI:10.3321/j.issn:1000-1328.2006.01.010      URL    

提出基于特征角点的控制点自适应匹配算法:依据图像数据灰度特征自动确定相应阈值,从基准影 像上提取控制点。采用动态模板进行不等距搜索,确定潜在目标控制点;构建三角网,利用等角变换判别目标控制点;构建仿射变换方程来筛选目标控制点。该算法 无需设定灰度相关系数最大值阈值即可判别目标控制点。选取ASTER和TM两种成像差异显著的图像数据,对该算法进行试验,结果表明。该算法可以准确提取 有价值的特征角点,具有较高的控制点识别精度和运算效率,具有较强的适应性和应用价值,较之传统匹配算法有明显优势。

Deng X L, Wang C Y, Kang Q , et al.

An adaptive matching algorithm for ground control point of remote sensing image based on corner extraction

[J]. Journal of Astronautics, 2006,27(1):45-50,88.

何挺, 王静, 林宗坚 , .

土壤有机质光谱特征研究

[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2006,31(11):975-979.

DOI:10.3321/j.issn:1671-8860.2006.11.009      URL     Magsci    

对在宜兴市和横山县采集的174个土样400 nm~2 500 nm波段的光谱曲线进行了研究。为了有效去除背景噪声对目标光谱的影响,并将非线性关系线性化,首先对土壤光谱进行了14种变换,然后运用光谱微分技术、逐步回归分析等方法研究了土壤光谱反射特性与土壤有机质之间的关系。结果表明,反射率对数的一阶微分这一变换形式对土壤有机质含量最为敏感。建立了相应的回归预测模型,模型方程判定系数达到0.885,较好地利用土壤光谱反射特性预测了土壤有机质的含量。

He T, Wang J, Lin Z J , et al.

Spectral features of soil organic matter

[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2006,31(11):975-979.

Magsci    

郭斗斗, 黄绍敏, 张水清 , .

多种潮土有机质高光谱预测模型的对比分析

[J]. 农业工程学报, 2014,30(21):192-200.

DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.21.023      URL     Magsci    

为了对比不同方法建模效果的差异,筛选潮土有机质高光谱最佳预测模型,该研究采集国家潮土土壤肥力与肥料效益长期监测站不同施肥处理耕层土样83份,采用25种光谱预处理方法(15种单一预处理方法,10种预处理方法相加算法)结合3种建模方法(多元线性回归、偏最小二乘回归、支持向量机回归),构建不同的潮土有机质高光谱预测模型。对比模型预测结果表明,最佳光谱建模方法是偏最小二乘回归法,该方法结合多种预处理方法均获得了较高的模型预测精度和可靠性,25个检验模型的平均决定系数、均方根误差值RMSEv和相对分析误差RPD值分别为0.913、1.264 g/kg和3.299。使用预处理方法相加算法能更好地提升模型精度,相比使用单一预处理方法,3种建模方法的检验模型平均决定系数分别提高了0.049、0.033和0.071,RMSEv分别降低了0.318、0.204和0.528 g/kg,RPD值分别提高了0.530、0.307和1.144。先用多元散射校正法再进行5个平滑点数的一阶导数预处理在3种建模方法中表现均较好(平均决定系数=0.934,平均RMSEv=1.17 g/kg,平均RPD=3.59),可作为潮土有机质预测模型的通用预处理方法。偏最小二乘回归模型结合最大值标准化预处理所建模型(决定系数=0.948,RMSEv=0.972 g/kg,RPD=4.276)精度高、可靠性强,且建模过程数据运算更为简便,是筛选出的最佳潮土有机质高光谱预测模型。该研究结果对潮土有机质高光谱预测建模有一定的指导作用,并为筛选最佳高光谱预测模型提供技术参考。

Guo D D, Huang S M, Zhang S Q , et al.

Comparative analysis of various hyperspectral prediction models of fluvo-aquicsoil organic matter

[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014,30(21):192-200.

Magsci    

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