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）.     

新疆渭干河-库车河三角洲绿洲地下水特征对天然植被的影响分析

依据实际观测资料和前人研究成果,对渭干河-库车河三角洲绿洲地下水特征对天然植被的影响进行分析.结果表明:受农业生产活动影响,研究区近10a间地下水位及水质发生了明显变化,地下水位约下降了1m左右,地下水矿化度平均降低0.54g·L-1,地下水变淡与地下水水位下降有着较好的相关性.由于地下水埋深较浅,渭干河-库车河冲积扇下部荒漠区矿化度较大,地表积盐,地下水水质成为天然植被的限制因素.由于防治土壤盐渍化,灌溉排泻地下水,在绿洲区大量开采利用地下水,以及河水对地下水补给不断减少等原因,造成三角洲下部绿洲外围荒漠区的地下水位逐渐下降,致使绿洲周边天然灌丛及草本植物的衰退.     

探地雷达在干旱区盐渍化土壤层定量探测中的应用

研究了在探地雷达定量探测盐渍化土壤中电磁波传播速度与土壤含盐量或电导率的相关关系,研究表明传播速度和盐渍化土壤的盐分或电导率具有显著的相关性。回归分析结果说明:利用传播速度可较好地定量表达盐渍化土壤的含盐量或电导率。     

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。     

冕宁牦牛坪稀土矿区土壤重金属污染光谱测定与特征分析

本研究采集冕宁牦牛坪稀土矿区34个样本点的土壤与高光谱数据,利用化学方法实测土壤重金属含量,计算各重金属之间皮尔森相关系数,建立Fe元素与各金属元素(Pb、Zn、Cd、Mn、Cu、As)估算模型;针对高光谱数据,进行光谱一阶微分、二阶微分、倒数对数、均方根变换、包络线去除、光谱深度计算等处理,获取特征波段,采用交叉有效性检验原则选择恰当的主成分个数,应用偏最小二乘法建立光谱一阶微分同Fe元素关系模型,最后通过计算建模样本与检验样本的相关系数及RMSE值判定各金属含量模型精度。旨在探索利用高光谱遥感技术反演土壤重金属含量的可行性,为应用高光谱遥感技术进行环境污染监测、信息提取和定量反演提供借鉴。     

土壤有机碳含量高光谱建模研究——以青藏高原三江源区为例

土壤有机碳(SOC)是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,也是评价区域土壤质量、土地退化程度和作物产量的重要指标。高寒生态系统土壤有机碳含量估算,对于高寒地区土壤碳库核算和土壤质量评价等都具有重要意义。本研究以青藏高原三江源区作为研究区,基于野外采集的272个土壤样本的SOC和土壤光谱室内测试数据,首先对原始光谱数据进行一阶微分(FD)、二阶微分(SD)、倒数对数(RL)、去包络线(CR)和多元散射校正(MSC)等多种数学变换;然后基于8种光谱变换数据与SOC含量的相关性分析提取特征波段,利用多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机(SVM)和随机森林(RF)4种方法,分别构建SOC含量的高光谱反演模型;对各种模型的模拟精度和稳定性进行评价,明确SOC含量反演的最佳光谱变换和模型组合模式。结果表明：三江源区SOC含量较高,且不同植被类型和不同土壤类型的SOC含量差异较大;总体上,单一数学变换形式中基于一阶微分(FD)变换构建的反演模型的模拟精度最高(尤其是FD-RF组合模型,其验证集R²=0.86,RMSE=8.40,RPD=2.64);多种数...     

电导率在土壤盐渍化研究中的应用——以张掖城市湿地为例

土壤浸出液的电导率与土壤全盐量呈正相关,含盐量越高,浸出液的渗透压越大,电导率也越大。通过张掖城市湿地盐渍化土壤分布区土壤浸出液电导率与土壤全盐量线型回归分析,其相关性十分显著。利用确定的相关关系,并可直接用电导率的数值来推测全盐量的到高低。     

基于CASI & SASI航空高光谱的雄安新区西南部农田土壤 重金属镍含量反演研究

农田土壤中重金属元素富集会严重制约农作物的生长,且对人类健康造成潜在威胁。高光谱遥感数据具有极高的光谱分辨率,因而可在土壤重金属污染元素信息的定量研究中发挥重要作用。本文以雄安新区西南部及其周边农田土壤作为研究对象,在实验室测定土壤重金属元素Ni的含量,并与土壤可见-近红外高光谱数据建立土壤重金属Ni含量的定量估测模型,进一步基于CASI&SASI航空高光谱数据快速反演研究区农田土壤重金属Ni的含量,获取其分布特征。本文研究并建立了研究区土壤重金属元素基于不同光谱变换形式的多元逐步回归、偏最小二乘回归和BP神经网络统计估算模型,通过模型验证与对比,探索研究区土壤重金属Ni元素含量的最优反演模型。研究结果表明: （1）基于各光谱变换的BP神经网络模型的建模和预测精度整体上大于偏最小二乘法和多元逐步回归法模型,模型拟合精度高,预测能力较好;（2）综合来看,一阶微分处理能普遍改善模型预测效果,其中BP神经网络模型的一阶微分变换结果最佳,对于Ni元素建模精度R2高达97.1%,验证集精度R2高达98%以上;（3）选用精度最好的BP神经网络模型,通过CASI&SASI高光谱数据对研究区重金属Ni含量进行反演,反演结果与实测Ni含量数据一致性很好。     

土壤理化参数的反射光谱分析

土壤可见光和近红外波段(400~2 500 nm)反射光谱信息包含了大量土壤物理化学参数,土壤反射光谱测量简单、快速,无需破坏样品,而且还可以通过高光谱遥感方法制图。文中使用江苏国土生态地球化学调查中获取的大量土壤样品,研究了土壤阳离子交换量(CEC)、有机质含量、pH值、铁氧化物类型、铁铝硅等常量元素含量等重要土壤生态地球化学参数的光谱反应。结果显示,土壤CEC是进行光谱预测非常成功的参数,1 400、1 900和2 200 nm附近一阶导数光谱(FD)值或短波方向反射率值均可以很好地反映土壤CEC的大小;土壤有机质含量、铁氧化物类型、铁铝硅含量均可以在反射率光谱或其一阶导数(FD)值找到相关波段;土壤导数光谱存在的A、B、C和D峰使反射光谱方法不仅能够定量铁氧化物总量,还能鉴别铁氧化物矿物类型(针铁矿和赤铁矿)及其相对含量;江都土壤光谱的656 nm附近FD值与pH有很大相关性,但是江苏样品显示pH值光谱经验预测具有区域依赖性,可能与土壤类型有关,说明pH与光谱参数之间的关系并非一般的线性关系,而有更复杂的机制。     

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。     

Studies on the reflectance spectral features of saline soil along the middle reaches of Tarim River: a case study in Xinjiang Autonomous Region, China

There has been growing interest in the use of reflectance spectroscopy as a rapid and inexpensive tool for soil characterization. In this study, 53 soil samples were collected from the oasis in the Weigan and Kuqa River delta along the middle reaches of Tarim River to investigate the level of soil chemical components in relation to soil spectral. An approach combining spectral technology and multi-variant statistical analysis was used to determine the reflectance spectral features of saline soil. The spectral data was first pretreated to remove noises and absorption bands from water, which eliminated influence from instrument errors and other external background factors. Several spectral absorption features were calculated for several saline soil samples to confirm that soil at the same salinity level had similar absorption spectral properties. Secondly, a correlation relationship between reflectance spectra and salinity factors was estimated by bivariate correlation method. Fourteen salinity factors including eight major ions and soil electrical conductivity (EC), soil salt content (SSC), pH, and total dissolved solid (TDS) in the saline soil were evaluated. Datasets of the salinity factors that correlated significantly with field data measurements of reflectance rate and the corresponding spectrum data were used to construct quantitative regression models. According to the multiple linear regression analysis, SSC, SO₄ ^2?, TDS, and EC had a correlation coefficient at 0.746, 0.908, 0.798, and 0.933 with the raw spectral data, respectively, which confirmed strong correlation between salinity factors and soil reflectance spectrum. Findings from this study will have significant impact on characterization of spectral features of saline soil in oasis in arid land.     

新疆吉木萨尔地区油气渗漏与盐碱化相关性的航空高光谱遥感探测研究

笔者在新疆吉木萨尔地区开展航空高光谱遥感油气探测示范研究的过程中,发现油气渗漏地区往往有盐碱化现象。据此,利用航空高光谱成像系统在该区取得的可见光-近红外和短波红外遥感数据,采用自主开发的波段分类填图方法,对吉木萨尔农田、荒地和戈壁地区的油气渗漏异常信息进行了提取,经野外验证和化学分析,圈定了7处油气渗漏异常区。同时,构建了盐碱化的高光谱识别模型,利用该模型进行了盐碱化信息填图,并对吉木萨尔同一覆盖区的盐碱化异常进行了提取,圈定了盐碱化异常区。通过对油气渗漏异常区与盐碱化异常区的叠置聚焦分析,发现二者空间位置有高度的重合性。笔者认为这一高光谱遥感探测发现,不仅具有探索的理论意义,而且具有实用价值。其实用价值主要体现在高光谱遥感油气探测中,通过烃碱信息的相互印证,可以减少油气信息的漏判,提高油气渗漏信息识别的准确性。同时,在缺少航空高光谱遥感数据的情况下,还可以利用卫星多光谱遥感数据源,通过提取盐碱化异常和圈定盐碱化异常区的途径,帮助缩小找油气的目标区,为油气资源的调查、评价和选区提供新的信息和依据。上述研究同时表明,自然界的盐碱化可能并非全是由"干旱蒸发"形成,很可能还存在与油气有关的盐碱化,在油气勘查中如何区分这两种类型的盐碱化,特别是应用高光谱遥感技术将二者区分开来,是值得深入探讨的科学问题。     

高光谱遥感水文地质应用新进展

高光谱遥感是一种利用成像光谱仪同时获取地物目标辐射、光谱和空间等多重信息遥感的技术,水文地质是高光谱遥感重要的应用领域之一,通过高光谱遥感图像分析,能够提取大区域包气带及含水系统的水文地质信息,可为水文地质环境的识别及实时监测、地下水资源高效管理、地下水数值模型构建等提供科学数据。通过调研凝练了高光谱遥感基本原理方法及其在水文地质方面的应用研究,重点总结了地下水环境污染和水文信息反演方面的高光谱遥感应用研究进展,分析了高光谱遥感水文地质应用所面临的挑战,并展望了高光谱遥感水文地质应用研究的发展趋势,主要包括:通过土壤和植被的光谱信息实现对研究区包气带土壤重金属污染状况的大面积、短周期连续快速监测;在高光谱图像中提取构造、地层岩性等地质和水文地质特征,以环境指示因子（如植被）为有效补充,获取饱和带地下水环境信息;通过高光谱图像识别植被类型、计算植被覆盖度、分析叶片反射光谱特征并建立模型反演土壤含水量和地下水位,为研究和保护缺水地区生态环境提供数据支撑。     

Hydro-salinity balance and mobilization in oasis irrigation areas at two different scales

Decades of intensive irrigation of farmlands in the oasis irrigated areas of Xinjiang, Northwest China has caused secondary salinization of vast areas of land since the mid-1980s. Based on the systematic analysis of the monitoring data of hydrology, soil, irrigation and salinity at two different scales in the case of Weigan River Plain Oasis in Xinjiang Province, algorithms derived from hydrosalinity balance principle were developed to estimate the salt mobilization and characteristics; salt and water mobilization and distribution were closely examined both in catchment scale and in field scale. The critical ratio of drainage to irrigation of Weigan River Plain Oasis was estimated to be 9.19%. Furthermore, analysis of the relationship between the two different scaling issues was illustrated. Finally, corresponding countermeasures for secondary soil salinization were proposed according to the different developmental stages and salinization status of water and soil resources.The findings of this paper is helpful in controlling the local hydrology, in limiting or diminishing salinization trends, as well as in providing academic and instructive meaning for the sustainable development of agriculture in oasis irrigation areas.     

高分五号航天高光谱遥感技术在甘肃龙首山铀矿找矿中的应用

为深入研究和探讨高分五号(GF-5)航天高光谱遥感技术在铀矿地质找矿中的应用效果和潜力,基于龙首山成矿带航天高光谱数据,开展高光谱数据处理和蚀变信息提取工作,创新实现了GF-5高光谱波段修复,通过构建标准光谱库和诊断光谱,运用MNF算法、PPI算法,结合SAM光谱角填图技术,完成蚀变矿物端元提取和光谱匹配,实现研究区钠长石、方解石、石英、绿泥石、赤铁矿和高岭土蚀变矿物的提取,综合区域铀矿成矿地质背景,通过开展地面波谱测量和野外调查,在验证蚀变准确度的基础上,剖析航天高光谱蚀变信息和成矿规律,构建了区域找矿定位模型,圈定找矿预测区3处,取得了较好的找矿效果,为国产GF-5高光谱遥感在地质找矿中的应用提供了参考。     

高分辨率遥感数据处理及其铀矿地质应用

高光谱和高空间分辨率遥感技术在铀矿地质勘查中具有重要作用,遥感数据挖掘与知识发现、新方法研究则是各种铀成矿要素光谱信息和空间特征识别的关键技术手段。本文基于曲波变换技术,开发了卫星高光谱数据（Hyperion）和高空间分辨率（SPOT5）的影像融合方法,融合影像在数据噪声消除、信息增强与信息提取方面应用效果显著;利用离散小波变换技术,高精度提取了主要铀成矿要素的光谱参数,建立了典型四价和六价铀矿物的光谱识别谱系。另外,通过钻孔岩心和探槽工程的高光谱编录、地质编录和物探编录,建立了典型蚀变带的物谱关系模型,重点分析了赤铁矿化蚀变（Fe3＋）光谱特征与铀含量之间的相关关系。上述遥感数据处理新技术新方法在桃山地区铀矿地质勘查中取得了理想效果。     

高光谱遥感在煤矿区的应用探讨

高光谱遥感在煤矿区具有广泛的应用潜力,在总结高光谱遥感技术发展及其应用现状的基础上,结合煤矿区资源环境特点,对数据获取、先验知识与光谱模型研建、定量模型建立、信息处理方法、精度评价等问题进行了分析,为应用高光谱遥感在煤矿区资源集约利用、生态环境保护、区域持续发展等方面的系统应用提供了技术和方法支持。     

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。     

新疆谢米斯台地区岩矿光谱特征提取及光谱分析

不同岩石矿物和矿化蚀变具有不同的光谱特征, 这是利用遥感技术进行岩石矿物和蚀变信息识别的基础。本研究在谢米斯台地区进行岩矿样品采集, 利用ASD野外光谱辐射仪采集光谱反射率数据, 通过去噪处理、标准化处理、微分处理和去包络线处理, 开展了典型岩矿样品、风化面与新鲜面样品和不同矿化蚀变的光谱特征提取和光谱分析。研究发现, 岩矿在380~1 100 nm波段的光谱特征, 主要是金属离子产生;在1 100~2 500 nm波段的光谱特征, 主要是阴离子基团中的羟基、碳酸根和水分子产生;矿化蚀变光谱具有可诊断性特征谱带, 是其矿物组成中的各种蚀变矿物特征信息的反映;受到矿物含量改变和外界环境因素的影响, 光谱的整体形态或局部特征都发生变化。岩矿光谱特征的提取和分析, 将提高和改善高光谱技术对不同区域同种类型的矿床勘查。     

基于完全谱形特征的成像光谱遥感岩矿识别技术及其应用

成像光谱以图谱合一、自动生成像元光谱进行直接识别岩矿而极具应用潜力.本文提出并利用基于地物完全谱形特征的成像光谱遥感多波段组合的主成分(PC,Principal Component Analysis)变换方法提取岩类与蚀变分布;相应地利用光谱角识别技术直接提取与矿有关的蚀变矿物;最终进行波段组合、波段运算、反差增强与RGB合成提取出相关岩矿信息进行成矿综合分析.利用岩矿谱形特征进行谱段组合的PC变换的第一分量(PC1)更多地包含岩矿的波谱特征;PC2噪声多,信息模糊,相对信噪比低.利用PC1提取岩矿信息可靠、准确.这是一种面向目标的定量与半定量相结合的岩矿识别技术,在后沟金矿区起到了良好的应用效果.