滨海土壤盐分“除水”高光谱估测方法研究

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土壤盐渍化严重影响了我国滨海地区农业生产和生态环境。高精度的土壤盐渍化动态监测是准确掌握滨海地区土壤生态现状的关键。高光谱遥感凭借光谱分辨率高、图谱合一及信息量大等显著优势,为土壤盐分定量估测提供了重要技术支撑。水分作为土壤的重要组成部分,是土壤盐分估测中几乎不可避免的光谱干扰因素,也是导致其估测精度降低的重要原因之一。以去除水分干扰为前提的土壤盐分定量估测研究,对指导滨海盐渍地生态修复,改善土壤生态条件具有重要的理论与现实意义。本文以黄河三角洲滨海盐渍区为研究区,在实验室可控环境下,对烘干、研磨和过筛处理后的145个表层(0-20 cm)盐渍土样本进行重湿润,模拟不同梯度的土壤含水情况(1-50%),获取实测高光谱数据,提出了能够弱化或剔除土壤水分影响的高光谱估测方法,命名为土壤盐分“除水”高光谱估测方法,分析了水分和盐分胁迫下的土壤光谱响应特征,分别构建了滨海土壤盐分“除水”高光谱指数模型和统计模型。主要研究内容与结论如下:(1)理清了盐渍土水分、盐分与土壤光谱之间的定量关系滨海地区土壤水分具有高含量和高变异性特征,限制了不同含水率盐渍土光谱研究,降低了土壤盐分高光谱定量估测准确性。利用不同含水率梯度的盐渍土反射率数据,开展了水分和盐分胁迫下的土壤光谱分析。结果表明,水分是含盐量在0.56-5 g/kg之间盐渍土光谱反射率降低的主导因素;当土壤含水率到达50%,土壤孔隙中的水含量趋于饱和,土壤反射率开始上升。在相同含水率条件下,随着土壤含盐量不断增加至10 g/kg以上,盐分开始改变由水分所主导的反射率变化趋势。进一步分析结果表明,水分掩盖了部分由土壤盐分引起的光谱变化,是导致土壤盐分定量估测精度降低的重要原因;位于840 nm、1915 nm以及2025 nm附近的光谱在水分干扰下仍保持了对土壤盐分的较高敏感性,被视为具有“除水”潜力的土壤盐分敏感波段,为滨海地区土壤盐分“除水”估测提供了新思路。(2)创建了土壤盐分“除水”高光谱指数模型和统计模型针对滨海地区水分干扰导致的土壤盐分估测精度降低的现实问题,提出了土壤盐分“除水”高光谱指数模型,该模型分别基于原光谱和Savitzky-Golay一阶微分(SG-FD)预处理光谱,利用光谱反射率(R)、差值指数(D)、比值指数(SR)和归一化指数(ND)形式构建,并利用Spearman相关分析对其“除水”机理进行了解释。结果表明,基于SG-FD预处理光谱的d SR和d ND指数模型的土壤盐分“除水”估测精度最佳,构成指数的最优波长均位于1901 nm和1992 nm。d SR和d ND指数模型“除水”原因在于一方面SG-FD预处理提高了土壤光谱与盐分含量之间的相关性;另一方面,二者有效提取并利用了位于840 nm、1435 nm、1915 nm以及2025 nm边缘附近具有“除水”潜力的土壤盐分敏感波长,该模型为滨海地区土壤盐分“除水”估测提供了新方法。除指数模型外,还提出了土壤盐分“除水”高光谱估测统计模型,该模型分别基于分段直接标准化(Piecewise Direct Standardization,PDS)转换后的PDS光谱、正交信号校正(Orthogonal Signal Correction,OSC)滤波后的OSC光谱和未经处理的SG-FD光谱结合偏最小二乘回归(Partial Least Square Regression,PLSR)构建,并联合Spearman相关分析和模型变量投影重要性(Variable Importance for Projection,VIP)分析对其“除水”机理进行了解释。结果表明,统计模型的土壤盐分估测性能排序为OSC-PLSR>PLSR>PDS-PLSR。OSC-PLSR模型“除水”原因是一方面OSC滤波提高了土壤光谱与土壤盐分含量之间的相关性;另一方面OSC-PLSR模型精确提炼了位于1410 nm、1500 nm以及2100nm附近的重要波长,同时提升了土壤盐分高相关性波长与模型重要波长之间的吻合程度,该模型为滨海地区土壤盐分“除水”估测提供了另一种新的方法。针对黄河三角洲滨海盐渍区土壤盐分“除水”估测的应用需求,确定了最适用的模型方法。讨论了在相同含水率条件下,高光谱指数模型和统计模型的性能差异及原因。结果表明,OSC-PLSR统计模型方法更为稳定和可靠,原因在于该模型基于OSC光谱构建,实现了直接在光谱层面上的滤波“除水”操作。
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