基于高光谱的长江中下游沿江地区土壤化学元素含量反演研究

为探究高光谱遥感技术在土壤元素快速定量化检测中的应用,解决传统土壤元素含量测定效率低下的问题,本文以长江中下游沿江芜湖段为典型研究区,实地采集615个土壤表层样品（0～15 cm）,经实验室化学成分测定和光谱采集,利用多种数据预处理方法和回归建模方法,建立铬（Cr）、镉（Cd）、钾（K）、磷（P）、氮（N）、有机质含量的高光谱估算模型。结果表明：经对原始光谱进行预处理以及多种光谱数学变换,元素含量与光谱的相关性均有不同程度的提高,不同元素具有差异性,总体建模结果均大于通过原始光谱直接建模效果。各元素的预测模型精度均大于86%,模型的预测效果较好,可为土壤元素快速定量化检测提供技术参考。     

基于高光谱的土壤养分含量反演模型研究

为实现土壤养分（有机质SOM、全氮TN、全磷TP、全硫TS）含量的快速测定,以建三江创业农场为例,对土壤原始反射率进行了一阶微分（FD）、倒数对数（RL）、倒数一阶微分（FDR）、多元散射校正（MSC）和连续统去除（CR）变换,分析6种光谱变量与土壤养分的相关性,将在α=0.01水平上显著相关的波段作为特征波段,运用多元逐步回归（SMLR）、偏最小二乘回归（PLSR）和BP神经网络（BPNN）三种分析方法分别建立有机质、全氮、全磷和全硫的高光谱预测模型,并利用决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）和相对分析误差（RPD）对预测模型进行评价.结果显示,PLSR和BPNN建立的土壤养分含量预测模型均优于SMLR,能极好地预测有机质和全氮含量,同时具有粗略估算全硫含量的能力.三种方法中仅有CR-BPNN能对全磷含量进行粗略估算.对有机质、全氮、全磷和全硫预测效果最佳的模型及其验证集决定系数分别为：MSC-PLSR （0.86）、MSC-PLSR （0.75）、CR-BPNN （0.56）、FDR-BPNN （0.67）.     

基于粒子群优化支持向量机的矿区土壤有机质含量高光谱反演

为了监测复垦矿区土壤的有机质含量, 综合利用光谱分析、统计学习理论与方法以及智能优化理论与方法, 研究了矿区复垦土壤有机质含量与土壤光谱之间的关系, 在此基础上建立了土壤有机质含量高光谱反演模型, 实现土壤有机质含量定量检测.首先对原始土壤光谱数据进行预处理, 然后进行相关性分析, 提取450 nm、500 nm、650 nm、770 nm、1 460 nm和2 140 nm作为特征波段, 最后利用多元线性回归(multiple linear regression, MLR)、偏最小乘回归(partial least squares regression, PLSR)和粒子群优化支持向量机回归(particle swarm optimization support vector machine regression, PSO-SVM)方法建立了土壤有机质含量的高光谱定量反演模型, 并对模型进行验证.3种模型的验证结果如下: MLR、PLSR和PSO-SVM模型的R2分别为0.79、0.83和0.85, RMSE分别为5.26、4.93和4.76.实验结果表明, 无论从模型的稳定性还是预测能力上, PSO-SVM都要优于其他两个模型.      

滇西兰坪铅锌矿区土壤重金属含量的高光谱反演分析

滇西兰坪金顶超大型铅锌多金属矿床是我国最重要的铅锌矿产集中开发区之一。始于20世纪80年代的矿业开发活动逐渐增强,导致该区土壤重金属污染问题不断加重。本文系统开展了兰坪矿区土壤样本的Zn、Pb、As、Cd共4种重金属含量与光谱响应测试实验,详细分析了土壤样本中4种重金属的敏感波段位置及其与土壤中粘土矿物、铁氧化物及碳酸盐矿物之间的赋存关系,构建了4种重金属含量与土壤实测光谱之间的多元线性回归模型。结果表明:(1)区内4种重金属元素含量均超标,且具显著的相关性;(2)重金属含量与土壤光谱反射率、反射率的一阶微分及连续统去除变量具有较高的相关性;(3)用实测光谱的逐步回归方法预测土壤重金属含量的反演模型具有较高的精度,R2均高于0.816。本结果可为大尺度土壤重金属含量监测及其它污染信息提取提供借鉴。     

干旱半干旱区土壤含水量反演与验证

基于MODIS遥感影像和表观热惯量法,以新疆为研究区,建立了适用于干旱半干旱区1 m土体的土壤含水量反演模型。模型根据高表观热惯量,高土壤含水量,低表观热惯量,低土壤含水量这一理论,通过日地表温差和宽波段反照率确定土壤含水量的时空变化。假设通过1 m土体的土壤水通量正比于上下底层土壤含水量的差值,利用水平衡方程建立土壤表面和底层土壤含水量关系方程,并利用中国土壤类型特点确定优化模型。通过验证结果表明,壤土和壤质粘土这两类土壤含水量接近真实值,砂土在区域验证中,模拟与实测差值为2.16%,整个模型模拟精度较好,能够准确地从时空上反演干旱半干旱地区1 m土体的土壤水分情况。     

基于航空高光谱遥感数据的黑土地有机质含量反演:以黑龙江省建三江地区为例

掌握黑土地有机质含量对黑土资源利用与保护具有重要意义,而高光谱卫星影像的缺乏制约了区域尺度土壤有机质反演研究的开展.以黑龙江省建三江黑土区为例,采用CASI/SASI航空高光谱数据、ASD（analytical spectral devices）地面光谱数据和土壤样品有机质含量数据,基于有机质含量与光谱反射率的相关性和定量关系,构建最优的回归模型并开展研究区土壤有机质含量遥感反演.结果表明:偏最小二乘法回归模型比多元逐步回归模型更稳定（判定系数分别为0.885和0.653）,且精度更高（均方根误差分别为0.424和0.744）;采用偏最小二乘模型反演的结果与地面化探结果基本一致.      

高光谱土地退化指数研究

提出了两种针对Hyperion 数据的土地退化指数计算方法:沙化土壤指教(SSI)和土壤退化指教(SDI),并以典型地区的数椐进行验证.结果表明:两种指数均能够真实地反映出地面土地退化信息,计算方便且切实可行,充分显示出了高光谱遥感技术在土地退化监测中的应用潜力.     

高光谱遥感定量反演成矿元素含量的研究进展

随着遥感技术的不断发展,高光谱遥感也相应取得了较大的进步,而其应用于找矿方面也越来越广阔。在有土壤覆盖物的多金属矿区,遥感土壤地球化学方法也相应地取得了较大的发展。多金属矿区土壤覆盖物的重金属元素含量测量是判断矿区成矿元素地球化学异常的标志,同时为找矿预测打下基础。使用遥感手段定量化的提取矿区表层覆盖物（土壤）中地球化学信息是找矿预测的必经之路。文章从理论、技术及定量化反演方法三个方面对高光谱遥感应用于土壤地球化学研究取得的新进展进行归纳和总结,并展望遥感土壤地球化学的应用前景。     

基于高光谱数据提取水体叶绿素a浓度的混合光谱模型

从模型的精度和稳定性方面,与传统的经验模型比较显示,利用原始数据的一阶微分数据进行叶绿素a浓度混合光谱模型反演最佳。最后,以此模型对三种不同年份测量的地面高光谱数据进行了叶绿素a浓度的提取。实验结果表明混合光谱模型可以作为遥感监测水体叶绿素a含量的定量模型。     

应用遥感技术连续监测地表土壤含水量

根据地表湿度与地表温度之间的关系,以及气温变化对这种关系的影响分析,经过气象卫星热红外波段信息与地表温度的有效转换,建立起一个连续监测地表土壤含水量的遥感模型。该模型只需无云条件下的白天气象卫星资料,综合考虑了各种植被覆盖条件,所以模型操作简单、易于推广,具有大范围监测土壤含水量的实用性。     

高光谱遥感在土壤重金属污染监测中的应用

高光谱技术的快速发展为宏观、快速获取土壤中的重金属元素信息提供了有力支撑。选择云南大红山铜矿作为研究区,对其土壤进行采样,其中水样、底泥样和土壤样各30个,共90个样本。使用ASD光谱仪对样品进行光谱分析,借助ENVI软件对原始测量数据进行平滑与去噪处理,利用与重金属相关的官能团在VNIR和SWIR波段光谱吸收特征的变化提取光谱吸收特征参数。通过与预处理后研究区的HyMap遥感图像数据进行光谱相似度及光谱参数相似度的对比,验证了将ASD实测光谱与HyMap高光谱遥感数据结合监测研究区重金属污染的可行性。认为高光谱遥感在土壤重金属监测方面有着广泛的应用前景。     

基于多角度高光谱指数的花岗岩中长石含量反演研究

花岗岩中长石含量的定量估算有助于其定名和分类,为后续相关地质过程研究提供基础数据。在可见光—近红外—短波红外波段范围内（0. 35~2. 5 μm）,传统基于光谱吸收特征参数反演矿物种类和含量的方法,不适用于像长石这类无诊断性吸收特征的矿物。同时,基于物理的辐射传输模型由于计算复杂,在较大程度上限制了该方法在矿物定量反演中的应用。本文基于多角度高光谱数据,通过不同光谱预处理方法及光谱指数类型的组合实验,创建用于估算花岗岩中长石比例的光谱指数模型。结果表明,使用2035 nm波段的反射率二重差分型（CRDDn2035）指数模型,在不同实测数据集中均具有良好表现,估算精度达到0. 81。本研究创建了一种适用于估算长石占比的光谱指数模型,为定量反演具有弱吸收特征的岩矿信息提供了新的技术手段与思路。     

无人机高光谱遥感技术在自然资源调查中的应用进展

无人机高光谱遥感技术是遥感领域的重要研究方向,可快速、高效地获取地物空间信息和光谱信息,具有机动灵活、成本低廉等优势,近些年来受到广泛关注。文章总结了无人机高光谱成像仪的特点及发展现状,阐述了基于高光谱成像仪的无人机遥感系统组成和研究现状,重点介绍了无人机高光谱遥感技术在地质矿产填图、水体质量监测、森林资源调查、土壤质量评估等自然资源调查领域的最新应用进展。文章针对当前无人机高光谱遥感技术存在的问题,提出了系统微小型化、多波段集成和多源数据融合的未来发展预测,指出其在一体化自然资源调查监测技术体系中将具有更广泛的应用前景。     

不同尺度的土壤含水量主被动微波联合反演方法研究

土壤含水量是水文、农业和气象等领域的关键参数,而微波遥感是目前监测土壤含水量最有效的手段之一。本文利用主动微波与被动微波数据,结合其他多源遥感数据,运用随机森林算法分别在主动微波数据分辨率尺度和被动微波数据分辨率尺度下完成主被动微波数据的土壤含水量联合反演。首先对被动微波尺度的地表覆盖类型与归一化植被指数(NDVI)参数进行空间分辨率优化,再利用回归ReliefF方法对两种尺度所用的输入变量的重要性进行评估,并对输入变量进行优选,最后对比主被动微波数据土壤含水量联合反演和单独利用主动/被动微波数据进行反演的精度,分析主被动微波联合反演方法的有效性。结果表明：在主动微波尺度,主被动微波联合反演的精度相比单独利用主动微波数据反演的精度有所提升,相关系数r由0.691升至0.744,RMSE由0.084 8 cm³/cm³降至0.079 6 cm³/cm³;在被动微波尺度,主被动微波联合反演的精度反而比单独利用被动微波数据反演的精度更低,相关系数r由0.944变为0.939,RMSE由0.043 5 cm...     

航空高光谱反演耕地土壤重金属分布特征——以苏北灌河地区为例

为探索航空高光谱遥感开展大比例尺、大面积土壤重金属含量和分布特征快速调查的技术方法和工作流程,以苏北灌河地区为例,利用国产高光谱成像仪和自主集成的航空高光谱遥感测量系统获取影像光谱数据,通过数据预处理、CARS特征波段选择及BP神经网络建模反演等方法,建立了从数据获取到数据分析评价的工作流程,反演了土壤重金属元素含量,展示了其空间分布特征.与传统地球化学调查数据进行对比分析,结果显示高光谱反演成果与地球化学调查的重金属浓度空间分布特征吻合度较高,验证了航空高光谱反演耕地土壤重金属分布特征的可靠性.在区域性耕地土壤重金属污染调查评价方面,航空高光谱遥感能够快速、及时地获取土壤污染及相关信息,并具有很好的实用性和经济性.     

干旱半干旱区土壤含盐量和电导率高光谱估算

以新疆南疆地区渭干河-库车河三角洲绿洲不同盐渍化程度的土壤为研究对象, 将土壤样品的含盐量与电导率数据和使用ASD FieldSpec Pro FR光谱仪测得土壤样品高光谱数据作为本研究原始数据. 首先, 对原始土壤光谱反射率曲线进行Savitzky-Golay滤波以消除光谱曲线噪声可能引起的误差, 对得到的光谱曲线进行对数、 倒数等15种光谱变换; 其次, 对土壤样品含盐量与电导率关系进行分析, 并通过两者与土壤光谱反射率不同光谱变换形式的相关性比较分析, 遴选出一阶微分、 对数倒数一阶微分、 连续统去除和连续统去除一阶微分四种相关性较好的变换形式; 最后, 以此变换形式对含盐量和电导率进行建模, 并对二者进行了高光谱估算精度的比较. 结果表明: 渭干河-库车河三角洲绿洲的含盐量与电导率的相关性较高, 达到0.9975; 电导率与四种不同光谱变换形式之间的相关性要优于含盐量, 特别在一些土壤盐渍化的敏感波段尤为突出; 无论是含盐量还是电导率, 多元逐步回归模型均优于一元线性模型, 且以电导率建立的两种回归模型的决定系数均高于含盐量. 研究表明, 土壤电导率对高光谱信息的反应比含盐量更敏感, 同时, 以电导率建模的估算精度比含盐量更高. 因此, 以电导率替代含盐量进行土壤盐渍化高光谱估算研究是一种精度更高、 速度更快的方法, 可为提高土壤盐渍化高光谱估算提供理论依据.     

基于Excel平台土壤含水量多元回归预测模型

土壤含水量是表述土壤干湿程度,反映旱情最直接的重要指标。土壤含水量预测能够反映未来某一时段农牧业旱情发展趋势,为开展旱情预警、各级领导和政府部门指挥抗旱减灾提供决策性依据。以降水、蒸发、风速等实测信息源为影响因子,以Excel为技术平台,创建了土壤含水量多元回归预测模型。该预测模型创建方法简单易行,便于改造和移植,有进一步推广价值。     

基于地面实测光谱的水系沉积物重金属含量反演

水系沉积物中的重金属元素含量调查是矿区环境受污染程度的重要依据,同时水系沉积物的物源组成也是近年来找矿突破的重要环节之一。通过分析水系沉积物中羟基官能团与重金属游离态阳离子之间的吸附反应,结合地面实测高光谱数据,发现与重金属元素含量相关性较好的波谱波段为500~780 nm与2 100~2 300 nm,建立基于地面实测光谱技术反演水系沉积物中重金属元素含量的回归方程,最后利用反距离权重方法成功提取碾子沟-洛金洼多金属矿区3条冲沟水系沉积物中Cu、Zn等重金属元素含量。结果显示：重金属Cu和Zn模型检验精度（R²）分别为0.618和0.636;研究区内冲沟源头山地林地附近流域沉积物中的重金属含量相对中下游矿区周边农用地较低,同时沉积土壤中的重金属含量随着冲沟流向呈升高趋势。重金属含量较高的中游农用地附近应加以治理,含量异常的中下游区域为今后的找矿方向。     

长春市南湖叶绿素a浓度高光谱估测模型研究

利用野外高光谱仪(ASD Field Spec radiometer)在长春南湖进行了反射光谱测量和同步水质采样分析,通过研究水体藻类叶绿素a浓度与其高光谱反射特征之间的相关关系,采用单波段反射率、反射率比值法和一阶微分法分别建立了叶绿素a的高光谱定量模型。结果表明:三者与叶绿素a线性相关程度都比较高,决定系数在0.70左右,而且其显著水平P<0.01,都可以用于叶绿素a的定量遥感,其中单波段模型效果最好。为今后利用高光谱传感器在南湖进行叶绿素a浓度大面积遥感反演提供了研究基础。