基于空-天遥感数据尺度转换的土壤盐渍化监测方法研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woshilidefu
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
土壤盐渍化已成为制约灌溉农业发展的重要因素之一,因此,准确快速获取土壤盐渍化信息对现代农业的可持续发展具有重大意义。遥感技术因其无损、高效等特点,可以对土壤状况进行实时监测,已成为现代农业精准化的重要手段。其中,卫星遥感因其具有大范围监测的优点在国内外得到了广泛的应用,无人机遥感作为新型遥感平台,可通过设置飞行高度获得多时相、多尺度的高时空分辨率遥感影像,但无人机在大范围监测土壤盐渍化方面存在着缺陷,如何将无人机遥感的高空间分辨率与卫星遥感的大范围监测相结合,受到诸多学者的关注。另外,随着技术的提升和空间传感器的多样化,给农业遥感带来了大量的数据,为土壤盐渍化的监测提供了丰富数据支持,但提供丰富信息的同时带来大量的信息冗余,监测精度未必提高。所以,在多源数据下,如何选择适宜的尺度进行目标监测,对于从无人机到卫星空间分辨率的合理转换研究,以及对土壤盐渍化的精准监测都具有非常重要的理论意义,而目前针对这方面的研究还鲜有报道。因此,本研究以河套灌区沙壕渠灌域5月份(裸土期)和7月份(植被覆盖)两种情况下不同盐渍化程度的表层土壤为研究对象,使用无人机和卫星不同传感器观测土壤和植被光谱特征,分析光谱反射率与实测土壤盐分的相关性,利用数学建模方法构建无人机数据和GF-1卫星遥感数据源下的土壤盐渍化反演模型,在精度验证的基础上,对比不同模型对土壤盐分的估测精度。并利用尺度转换方法进行无人机数据的升尺度研究和多源数据下土壤盐分监测的最优尺度选择,探究尺度转换前后模型对土壤盐分的反演精度。研究结果以期为提高遥感监测盐渍化精度提供一定的理论支持,并希望对遥感尺度问题有一定的促进作用。得到的结果主要如下:(1)构建了不同光谱波段和光谱指数下的土壤盐分反演模型。通过对无人机和GF-1卫星数据光谱波段反射率的分析,发现其与土壤盐分的相关系数均呈先增大后减小的趋势;无人机数据源下构建的模型精度均高于GF-1卫星数据,两种数据源下选取的光谱波段构建的最优反演模型均是多元线性回归模型,其最优模型的建模集和验证集R2分别为0.372和0.39,RMSE为0.197。当光谱波段结合光谱指数共同组成反演土壤盐分模型的光谱因子时,GF-1卫星数据下的最优模型为多元线性回归模型;无人机数据下的最优模型为逐步回归模型,其最优模型的建模集和验证集R2可达0.454和0.479,RMSE为0.195,可见加入光谱指数后的模型效果优于单独光谱波段的模型效果。(2)点扩散函数法优于传统的重采样法。通过平均值和标准差等尺度效应的分析,发现经点扩散函数法升尺度后的影像与原始影像最接近,最邻近法升尺度后的影像与原始影像相差较大。经过不同尺度转换方法对反演土壤盐渍化精度的高低对比分析,发现不同的尺度转换方法下,有着不同的最优监测模型,最终确定裸土期条件下监测土壤盐渍化的最优转换方法及最优模型。总体来说,点扩散函数转换方法下的分位数回归模型的效果最好,其建模集和验证集的R2均在0.53以上,RMSE小于0.15。(3)基于Ts HARP的升尺度方法可提高GF-1卫星遥感反演土壤盐分的模型精度。在两种遥感数据的光谱波段和盐分指数中,蓝波段B1、近红外波段B5、盐分指数SI、盐分指数S5和改进的光谱指数NDVI-S1与表层土壤盐分的相关性较好,相关系数均在0.35以上;基于这5个变量因子,分别建立了无人机多数据和GF-1数据的土壤盐分反演模型,对比分析,无人机反演表层土壤盐分的最优模型分别是逐步回归模型,其建模集和验证集R2分别为0.452和0.473,GF-1卫星数据反演表层土壤盐是多元线性模型,其建模集和验证集R2分别为0.383和0.347。通过Ts HARP的升尺度方法,将无人机数据与实测盐分数据建立的趋势面应用到GF-1数据中,经过转换残差校正,升尺度后模型的建模集和验证集R2可达到0.72和0.71。可见,基于Ts HARP的升尺度方法可提高GF-1卫星遥感反演土壤盐分的模型精度。(4)基于分形理论选取了无人机影像分辨率与GF-1卫星影像分辨率之间的最优尺度(空间分辨率),并建立了最优尺度下的土壤盐分反演模型。利用常见的植被指数NDVI确定了适用范围为0.1m—16m的空间尺度转换模型:log2NDVI=0.012238Scale-3.1485,且表明在这个范围内的NDVI总体变化趋势为先增大后减小,并确定了最优空间分辨率为2m。最优分辨率下建立的反演模型,与0.1m分辨率无人机数据源直接建立的模型相比,建模集和验证集R2至少可以提高0.1,RMSE可以降低0.07左右;与分辨率16m的GF-1卫星数据相比,建模集和验证集的R2至少提高0.16,RMSE和Bias也显著降低。
其他文献
土壤盐渍化是影响内蒙古河套灌区土地资源经济效益和作物产量的关键因素,因此,进行及时、精确的土壤含盐量预报对土壤盐渍化精准治理具有重要意义。土壤含盐量模拟预报是一项
在过去的十年里,深度学习算法的快速发展使得包括人脸表情识别在内的计算机视觉技术取得了出色的表现。人脸表情识别广泛应用于各个领域,例如教育、医疗和安防等。尽管基于深
高速铁路的发展带来了巨大的便利,铁路事业高速发展的同时,铁路安全问题也值得关注。国内现有的铁路安全,主要是依靠视频监控和人工巡检相结合的方法。由于中国的铁路轨道错综复杂,分布广泛,列车具有较高的行驶速度,同时工作人员存在缺乏专业素养、操作不当,疏忽大意等现象。而我国的铁路网规模较大,很难通过人工检测的方法判断所有线路是否有行人非法闯入和逗留。因此,为提高铁路安全性、可靠性,同时节省人力成本,轨道视
光学相干断层扫描成像(Optical Coherence Tomography,OCT)和高光谱成像(Hyperspectral Imaging,HSI)是两种新型的生物医学光学成像技术,可以实现对在体生物组织的无损成像,
超快光纤激光器的快速发展与可饱和吸收体(SAs)密切相关,利用二维材料制成可饱和吸收体应用在光纤激光器中,已成为当下最受欢迎的实现超短脉冲的方式之一。新型二维材料主要包
架空输电线路的覆冰监测一直是保障电网安全运行的重要课题。2008年和2018年的两次严重冰冻灾害天气给全国的架空输电线路带来了严重的覆冰灾害,主要原因之一是由于架空输电
高压细水雾灭火系统替代卤代烷等传统灭火剂,被广泛应用于船舶火灾的消防与控制中。油池火作为船舶机舱火灾重要火源类型之一,高压常规细水雾会强化油池火燃烧,引发火焰蔓延,同时其布置空间大、安装成本高等特点,一定程度上降低了控制船舶火灾有效性。为进一步提高细水雾在船舶消防中的适用性,本文针对高压细水雾系统的不足,以低压细水雾为基础,研究含KCl、NaCl、CaCl_2细水雾抑制油池火的性能,对船舶低压细水
光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种利用光学低相干干涉原理来对组织内部结构进行成像的技术。OCT技术凭借着其高分辨率、在体、无损和高灵敏度等特
近年来,有机发光二极管(OLEDs)的性能已经得到较大提高,并且有部分OLED产品开始商业化。但是,要想在未来完全取代无机发光二极管(LED),白光有机发光二极管(WOLEDs)还需在诸多
同一振动状态的光子组成的曲面称为波阵面,在某一时刻,光源发出的波阵面称为波前。光波波前中携带着与物体内部折射率、密度或表面轮廓等相关的重要信息,波前检测就是一种可