基于包络线去除和偏最小二乘的土壤参数光谱反演

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 removal,CR)与偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR),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0.512,3.090和0.621,5.934),CR-PLSR构建的模型预测能力有明显的改善(R2和RMSEP分别为0.763,2.323和0.911,4.599)。CR有效增强了550、900、1 420、1 900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。     

土壤Cu含量高光谱反演的BP神经网络模型

以高光谱数据为基础,针对传统土壤重金属反演模型拟合度低、预测效果差的缺点,提取光谱预处理后的特征波段数据进行相关性分析,选取860nm一阶微分光谱反射率建立基于Matlab的重金属Cu含量BP神经网络预测模型,模型的拟合优度为0.721,预测精度达82.3%,高于传统单元线性回归模型0.414的拟合优度与76.1%的预测精度。研究表明,BP神经网络模型具有良好的拟合优度与预测能力,能更有效预测土壤中重金属Cu的含量。     

基于反射光谱预测土壤重金属元素含量的研究

本文利用实验室实测的土壤反射光谱以及铅、镉、汞等重金属元素数据,进行土壤重金属元素含量快速预测的可行性研究。本文利用偏最小二乘回归方法,研究了反射率(R)、一阶微分(FDR)、反射率倒数的对数(lg(1/R))和波段深度(BD)等对预测精度的影响,对这几种光谱指标预测土壤重金属含量的能力进行了分析和评价,同时分析了多光谱数据估算土壤重金属元素含量的可行性。结果表明,反射率倒数的对数lg(1/R)是估算土壤重金属元素含量最好的光谱指标,尤其是Cd和Pb,检验精度R超过0.82。有机质、铁锰氧化物和黏土矿物对土壤重金属元素的吸附是可见光—近红外—短波红外光谱估算其含量的机理。多光谱数据同样具有估算土壤重金属元素含量的能力,但实际数据则要考虑多种因素的影响。     

光谱解混下耕地土壤铬含量GMDH模型反演

针对遥感影像反射率与重金属元素间的光谱响应弱,土壤重金属经典反演模型精度较低等问题,本文以Sentinel-2号遥感影像为数据源,利用像元二分模型进行影像光谱解混,筛选出相关性较高的特征光谱作为光谱参量,构建基于像元线性解混和不同光谱变换下土壤反射率与重金属Cr含量的PLS模型和GMDH模型。研究结果表明,解混后的光谱与重金属Cr含量间的显著相关波段数增多,相关性增强。基于解混后的土壤光谱与重金属Cr含量构建的GMDH模型,其模型稳定性较好,预测能力更强,精度更好。该方法拓展了传统的利用遥感影像进行反演的思路,可为大范围监测土壤重金属的污染状况提供有益参考。     

随机森林回归模型用于土壤重金属含量多光谱遥感反演

本文以陕西省柞水县大西沟矿区为研究区域,通过实地采集土壤样本,结合在Landsat 8多光谱遥感影像上提取的辐射亮度值和光谱衍生指数,以及从ASTER GDEM提取的3种地形因素,通过相关性分析确定了建模因子,并以K折交叉验证法建立了砷、铜、铅3种重金属元素的随机森林回归模型。试验结果表明,所建立模型的预测精度优于多元线性回归模型和CART模型,可见随机森林回归模型适用于在小样本情况下的矿区重金属含量反演。经现场调查,空间反演结果与实际情况较符合,证明了基于多光谱遥感的随机森林回归模型在矿区土壤重金属反演中的准确性。     

基于Landsat8 OLI影像光谱的土壤盐分估算模型研究

针对艾比湖流域盐渍化土壤盐分定量监测的需要,利用Landsat8 OLI多光谱影像进行土壤盐分估算模型研究,以提高土壤盐分反演的精度。通过分析不同含盐量土壤的影像光谱反射率特征和不同变换形式的光谱反射率与盐分的相关性,寻求对盐分含量敏感的光谱波段;采用多元逐步回归算法,分别建立基于OLI影像光谱与ASD光谱仪重采样光谱的土壤盐分估算模型,并对影像光谱模型进行校正。结果表明:ASD重采样光谱数据的对数倒数一阶微分变换的土壤盐分估算模型精度较高,模型的决定系数(R2)为0.779;校正后的OLI影像光谱土壤盐分估算模型的R2从0.28提高到0.777 6,且均方根误差值仅为0.281。本研究实现了从实地测量光谱尺度向遥感多光谱尺度的转换,为土壤盐渍化的遥感定量监测提供了科学参考。     

基于小波变换的土壤重金属铬含量定量反演

耕地污染日益严重,耕地土壤的重金属高光谱信息属于非线性的微弱信号。小波变换作为常用的非线性微弱信号处理手段,在保留更多微弱信号的基础上可以更好的提取出土壤重金属的微弱光谱信息。文中研究在Db4小波对土壤原始光谱进行分解与重构的基础上提取特征波段,利用特征波段与重金属含量的相关性建立偏最小二乘模型反演土壤重金属铬含量。研究表明,利用Db4小波函数对原始光谱进行分解和重构可以有效提取土壤重金属铬的特征光谱信息;利用小波分解与重构所提取的特征光谱信息与重金属铬含量之间的相关性所建立的PLS模型的决定系数明显高于基于传统一阶微分处理土壤光谱所建立的PLS模型的决定系数。     

不同类型土壤Cu含量高光谱联合反演建模

为探明不同类型土壤重金属Cu的敏感波段及构建普适性高光谱定量反演模型,该文以湖南省红壤、水稻土和潮土3种主要类型土壤为研究对象,在光谱预处理及组合变换基础上,采用相关性分析和逐步回归筛选重金属Cu敏感波段,并分别构建一元回归和逐步回归联合反演模型。结果表明,相较于原始光谱,组合变换光谱与土壤重金属相关性明显提高;通过逐步回归筛选重金属Cu的敏感波段位于400～850 nm和1 800～2 200 nm区域;相较于一元线性回归,逐步回归模型预测精度显著提升,应用对倒一阶微分光谱中400、590、620、670、790、850、1 790、2 270 nm波段反射率构建逐步回归模型反演精度达到最优,满足重金属Cu含量监测精度需求,同时为发展基于高光谱影像大面积反演不同土壤类型重金属Cu含量提供理论支撑。     

基于集合经验模态分解的土壤重金属Cd定量反演

针对高光谱定量反演土壤重金属含量的模型精度不足的问题,本文从时频空间的角度引入时频分析法——集合经验模态分解（EEMD）。采用EEMD法分解土壤高光谱,获得不同频率的本征模态（IMF）分量,通过分析IMF分量与重金属含量的相关性,提取特征光谱,构建EEMD-SVM定量反演模型。研究结果表明,通过EEMD法分解土壤光谱,可有效地提取土壤光谱中的微弱信息;构建EEMD-SVM模型可较好地反演土壤重金属Cd含量,模型的决定系数R²为0.920 3,明显高于基于一阶微分处理光谱数据后构建的SVM模型的R²（0.786 6）。即说明在土壤重金属定量反演领域,EEMD可作为一种新的光谱处理方法。     

土壤重金属铬含量高光谱灰色关联度估测

快速、准确地测定土壤重金属含量,对防治土壤重金属污染、改善土壤环境和保障食品安全有着重要意义。以山东省烟台市采集的70个土壤样本为基础,首先分析土壤重金属铬含量的分组光谱特性;然后利用6种变换方法对土壤光谱反射率进行变换,根据极大相关性原则选取反演因子;最后利用灰色关联度模型初步估测铬含量,并对估测结果进行修正,采用决定系数和平均相对误差评价模型的有效性。结果表明,土壤光谱反射率随铬含量的升高而降低,二者呈负相关性;利用灰色关联度模式识别方法对重金属铬含量进行估测后的决定系数为R~2=0.656,平均相对误差为16.590%,而利用灰色关联度修正模型对估测值进行修正后,决定系数为R~2=0.912,平均相对误差为6.632%。研究表明,利用灰色关联度修正模型定量估侧土壤重金属铬含量有效。