土壤盐渍化光谱响应特征及反演模型研究

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研究修复过程中盐渍化土壤的光谱特性是利用遥感技术在区域尺度上进行盐渍化土壤修复过程监测和修复效果评价的工作基础。本研究跟踪修复山东东营盐渍化土壤的实验过程,通过对微生物修复土壤过程不同阶段,土壤盐分(Soil salt content,SSC)及可溶性盐离子Na+、Cl-含量的分析测试,结合同步的光谱测量,半定量地分析微生物修复过程中盐渍化土壤主导盐分离子的光谱响应特征,进而建立以最佳波段为自变量的SSC及离子含量反演模型,为促进土壤盐渍化修复的实时、快速监测提供科学依据和方法。本研究得到如下结论:  (1)土壤粒径变化对红外波段的平均反射率影响较大。可见光、全波段平均反射率均在土壤粒径<0.25 nm时,呈现出更明显的增长趋势,而红外波段则在土壤粒径<0.15 mm时,增长趋势更为明显。在可见光波段、红外波段以及全波段,平均反射率最大变化幅度分别出现在粒径从0.25 mm降到0.15 mm时、从0.15 mm降到0.05 mm时和从0.25 mm降到0.15 mm时,分别达到了7.23%、7.24%和4.27%。土壤粒径与土壤全波段光谱反射率呈负相关关系,规律性较强。微分变换能增强个别波段相关性。  (2)不同粒径的处理并没有改变土壤的光谱曲线特征,经过不同粒径处理的土壤其光谱的4个特征吸收峰完全一致。450 nm、490 nm处的吸收峰值随土壤粒径的减小呈多项式变化,此处吸收深度的变化是由土壤机械组成(也称作土壤质地)引起。不同类型的土壤,其粒径变化与土壤光谱反射率具有基本相同的变化规律,随着土壤粒径的减小,土壤光谱反射率均呈幂函数增长。  (3)整个盐渍化土壤的修复过程中,修复时间、18个不同修复处理之间,以及处理和时间交互作用间盐分因子含量及其光谱反射率都存在显著性差异,修复对于盐渍土的改善具有较好的效果。土壤全波段光谱反射率对盐渍土主导盐分和盐离子SSC、Cl-、Na+含量变化具有很好的指示作用,SSC与平均反射率的下降幅度几近一致,Cl-含量下降趋势与反射率下降趋势完全一致。SSC及盐分离子含量与光谱反射率呈正相关在近红外波段尤为显著。  (4)利用逐步缩小采样间隔的方法,进行逐步分析然后再结合相关系数和决定系数两个判断指标所获取的敏感波段,从数目、波段的宽窄以及精确度上明显优于以往方法。具体表现为:SSC的敏感波段为1370~1445nm和1447~1608nm,Cl-和Na+的敏感波段分别为1336~1461nm和1471~1561nm。以相应最佳波段内的平均反射率为自变量的线性模型均能较好的反演SSC、Cl-、Na+含量,其中R2最高值达到了0.95,RMSEC、RMSEP最大值分别为1.076、0.591。对于新的显著变量筛选方法 Lasso算法的引入,并没有取得优于其他方法的效果,但为今后的进一步研究提供了新的思路。  (5)基于微生物修复盐渍化土壤的实验研究,为定量半定量地研究土壤主导盐分因子光谱响应特征及其敏感性提供了坚实的基础;调整光谱采样间隔分析光谱最佳响应波段方法的应用,是建立有效的不同盐分(离子)含量和光谱反演模型的重要支撑。所建模型的高精度一方面证明了盐分(离子)光谱响应最佳波段的精确,另一方面也证明了本文方法的可行性。  (6)在对盐渍土光谱数据分析和光谱特性研究的基础上,以采样定理为主要原理方法,定量的确定了光谱曲线遥感反演构建的采样间隔。该采样间隔既能保证光谱信息的完全保留又能尽可能的降低光谱数据的冗余,进一步的可以应用该方法至区分各类地物的波谱曲线。在对 ENVI软件的波谱工具研究的基础上,借助软件建立了小型的盐渍土光谱数据库,为更精确更广泛的数据库的建立提供了科学积累。  综上,基于修复过程的盐渍土光谱响应特征研究表明,盐渍土光谱特征对于盐渍土主导盐分离子含量的变化具有明显指示特征,建立的基于敏感波段的关系模型可为盐渍土的快速诊断监测和遥感定量研究提供参考,积累构建的盐渍土光谱数据库建立可为盐渍化土壤光谱特性的研究提供数据支持。
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