基于特征筛选结合PSO-BPNN和GA-BPNN算法的土壤重金属高光谱定量反演

以连州地区土壤重金属含量为研究对象,分析包括土壤原始光谱在内的经过数学变换后的光谱数据与重金属含量之间的相关性,再采用VISSA-IRIV算法进行光谱特征提取,分别建立偏最小二乘回归(PLSR)、BP神经网络(BPNN)、粒子群优化BP神经网络、遗传算法优化BP神经网络模型,对比获取土壤重金属元素Cr、Cu含量最优反演模型。结果表明：VISSA-IRIV算法实现了对光谱数据的高效降维;BPNN模型预测效果明显优于PLSR模型;经过优化的BP神经网络模型反演精度和稳定性得到了极大地提升,其中Cr、Cu元素的最佳反演模型组合分别为FD-GABPNN(R²=0.87、RMSE=13.82、RPD=2.95)、SNV-FD-PSO-BPNN(R²=0.92、RMSE=4.25、RPD=3.41)。该研究对土壤重金属含量的准确、快速分析提供了一种有效的方法,对实现土壤重金属污染治理具有重要的现实意义。     

高光谱遥感反演土壤重金属含量研究进展

土壤重金属污染是当今重要的世界性环境问题之一。如何快速高效地获取土壤重金属含量及分布信息是进行污染风险评价及预测研究的前提。高光谱遥感具有无损、实时获取信息的优势,利用高光谱技术反演土壤重金属含量仍处于探讨阶段,对其反演机理和建模方法的研究成果进行了介绍和分析。认为充分研究不同类型土壤对重金属的吸附特性,是深入理解重金属含量反演机理的基础。加强不同土壤类型、不同污染程度的案例对比分析,发展光谱信号处理方法,引入非线性建模算法,构建重金属形态量反演模型,是土壤重金属含量遥感估算研究的重要研究方向。     

基于偏最小二乘的土壤重金属铜含量高光谱估算

为探究高光谱数据估算土壤重金属铜含量的可行性，以石家庄市水源保护区褐土为研究对象，对不同光谱变换数据与重金属铜含量做了相关分析，建立了土壤重金属铜的单光谱变换指标偏最小二乘模型和多光谱变换指标偏最小二乘模型。结果表明：光谱反射率（R）经倒数一阶微分（RTFD）变换后与铜含量的相关性有所提高；光谱敏感波段为418、427、435、446、490、673、1 909、1 920和2 221 nm，基本位于土壤氧化铁、粘土矿物的特征吸收区域；对土壤重金属铜含量估算效果最好的单光谱变换指标偏最小二乘模型为RTFD模型，其模型决定系数（R²）为0.649，均方根误差（RMSE）为1.477；多光谱变换指标偏最小二乘模型R²和RMSE分别为0.751和1.162，建模效果优于单光谱变换指标模型。研究结果可为北方地区褐土类型土壤重金属铜的高光谱估算提供借鉴。     

基于偏最小二乘的土壤重金属铜含量高光谱估算

为探究高光谱数据估算土壤重金属铜含量的可行性,以石家庄市水源保护区褐土为研究对象,对不同光谱变换数据与重金属铜含量做了相关分析,建立了土壤重金属铜的单光谱变换指标偏最小二乘模型和多光谱变换指标偏最小二乘模型。结果表明：光谱反射率（R）经倒数一阶微分（RTFD）变换后与铜含量的相关性有所提高;光谱敏感波段为418、427、435、446、490、673、1 909、1 920和2 221 nm,基本位于土壤氧化铁、粘土矿物的特征吸收区域;对土壤重金属铜含量估算效果最好的单光谱变换指标偏最小二乘模型为RTFD模型,其模型决定系数（R²）为0.649,均方根误差（RMSE）为1.477;多光谱变换指标偏最小二乘模型R²和RMSE分别为0.751和1.162,建模效果优于单光谱变换指标模型。研究结果可为北方地区褐土类型土壤重金属铜的高光谱估算提供借鉴。     

基于高光谱遥感反射率的总氮总磷的反演

基于2005年4~10月实测高光谱数据,通过微分法和波段比值法对室内水样分析结果中的总氮和总磷浓度进行反演。结果表明:以1 nm为间隔的微分法中455 nm处的微分值对总氮浓度较为敏感,最大负相关达到-0.857,而最大正相关为波段比值(1015/528 nm)的0.803,利用上述两个因子作为自变量进行多元回归,得到总氮最佳反演模型。该模型绝对误差为0.16,实测值与预测值之间R²为0.839;波段比值(671 nm/680 nm)对总磷浓度较为敏感,达到最大负相关-0.889,选用其作为自变量进行二次多项式回归,得到总磷最佳反演模型,该模型绝对误差为0.003,实测值与预测值之间R²为0.934。     

滨海盐土重金属含量高光谱遥感研究

高光谱遥感凭借其极高的光谱分辨率在获取有机质、矿物质等土壤组分定量信息的研究中表现出非凡的潜力。以如东县洋口镇为研究区,通过对土壤反射光谱的测量和同步的土壤化学分析,研究了土壤重金属Cr、Cu、Ni与土壤粘土矿物、铁锰氧化物以及碳酸盐之间的赋存关系。利用光谱一阶微分、倒数对数和连续统去除法对土壤光谱的处理,获得了土壤成分的特征波段,通过土壤重金属与土壤光谱变量的相关分析,并利用逐步回归分析方法,确立了3种重金属元素的最佳遥感模型。结果表明,研究区3种重金属与波长429 nm、470 nm、490 nm、1 430 nm、2 398 nm、2 455 nm处光谱变量具有很好的相关性,在所建立的逐步回归模型中,以一阶微分处理的模型精度最高。研究结果可以为高光谱遥感技术反演土壤重金属含量,进一步应用空间或航空遥感进行大尺度环境污染遥感、遥测信息提取和反演提供技术支撑。     

江苏西溪贝丘遗址的高光谱遥感考古研究

针对江苏西溪贝丘遗址,通过样品采集对干净贝壳、自然状况下贝壳、土壤样品和地表裸地进行了光谱测量和分析。研究发现贝壳具有明显的光谱特征吸收峰,中心波长为2288nm处,吸收峰带宽在2098~2335nm范围内,与背景土壤粘土2180nm处的特征吸收峰和大多数碳酸岩类地表矿物质2350nm附近的吸收峰具有很好的可区分性。结合贝壳2288nm处特征吸收峰,利用该贝丘遗址发掘前的空间分辨率为6.6m的128波段OMIS航空高光谱遥感飞行数据成功地对该贝丘遗址信息进行有效地提取和圈定。本研究为利用高光谱遥感进行贝丘遗址考古提供了理论依据和有效技术途径。     

吐鲁番盆地葡萄园土壤重金属铅含量高光谱估算

土壤重金属铅污染作为现代工矿业发展的产物,已逐渐入侵到农业生产和农产品中。高光谱技术由于具有宏观、快速、高效的特点已成为土壤重金属监测的重要手段。以新疆吐鲁番盆地葡萄园土壤Pb元素为研究对象,分析土壤原始光谱在内的15种光谱变换下的土壤光谱反射率数据与土壤Pb含量的关系,构建土壤Pb含量偏最小二乘回归（PLSR）模型和地理加权重回归（GWR）模型,对比分析并探讨运用土壤高光谱估算葡萄园土壤Pb含量的可行性。结果表明：土壤原始光谱反射率通过光谱变换能有效增强葡萄园土壤Pb元素的光谱特征及模型估算精度,其中,平方根二阶微分（SRSD）变换的PLSR模型和GWR模型估算能力最优。采用GWR模型比PLSR模型更好的解释葡萄园土壤重金属Pb含量高光谱估算。从模型稳定性和精确性来看,在平方根二阶微分变换中GWR模型R²从PLSR模型的0.262提高至0.866, 平方根误差减少了1.009。采用GWR模型可有效提高估算葡萄园土壤Pb含量的精度,为中国葡萄园基地土壤重金属污染以及土壤环境安全研究提供有益借鉴。     

大豆叶面积的高光谱模型

以ASD FieldSpec-Vnir光谱仪实测不同生长季大豆的冠层反射率,同期采集对应大豆LAI,然后逐波段分析冠层光谱反射率、导数光谱与大豆LAI的相关关系;并采用单变量线性回归逐波段分析了冠层光谱反射率、导数光谱与大豆LAI确定性系数随波长的变化趋势,建立了以近红外与可见光波段冠层光谱反射率的比值植被指数RVI与大豆LAI的高光谱遥感估算模型。结果表明,冠层光谱反射率在350￣680nm、760￣1050nm波谱区与大豆LAI相关性较大,而在红边区680￣760nm的相关性变化较大;导数光谱在红边区与大豆LAI相关程度高。通RVI方式建立的遥感估算模型能较为准确估算大豆LAI,通过对红外与蓝波段建立的RVI指数与大豆LAI的回归模型,表明其预测大豆LAI的能力较好,有进一步研究的必要;通过对比发现,神经网络模型可以大大提升高光谱反演大豆LAI的水平,模型的确定系数R2为0.9661,而总均方根误差RMSE仅为0.446m2.m-2。     

水稻叶片叶绿素含量的光谱反演研究

通过研究不同叶绿素含量的水稻叶片的光谱特性，发现叶绿素含量与光谱特性之间具有明显的相关性，并建立了水稻叶片叶绿素含量的光谱反演模式。研究表明，水稻叶片光谱反射率及其一阶导数的峰值参数与叶绿素含量之间具有很强的相关性，复相关系数均达到0．4以上，经多元线性回归分析显示回归显著，线性相关密切，回归方程的复相关系数为0.63，可作为水稻叶片叶绿素含量反演的方法，并为大面积水稻冠层叶绿素含量遥感监测提供理论依据。     

农业高光谱遥感研究的现状与发展趋势

高光谱遥感是对地观测强有力的工具和现代遥感的重要发展方向,在农业上具有广泛的应用前景。简要介绍了农业高光谱遥感应用研究的原理及现状,存在的问题及发展趋势。     

在水分胁迫下棉花冠层叶片全氮含量的高光谱遥感估算模型研究

研究利用美国产ASD地物光谱仪,获取新疆北部地区棉花冠层关键生育时期的高光谱数据,采用红边积分面积变量估测棉花冠层叶片的全氮含量,对反射光谱进行一阶微分,应用一阶微分光谱数据,衍生出基于光谱位置变量的分析方法,以红边积分面积(SDr)为自变量,冠层全氮(TN)含量为因变量,做相关分析与处理,构建新陆早6号红边积分面积与冠层叶片TN含量的相关数学模型。研究在不同水处理条件下,对棉花冠层单叶叶绿素含量和单叶全氮含量做相关分析,结果表明:叶绿素含量与TN含量呈显著的正相关(R=0.8723,n=39),叶绿素含量能有效的估计棉花单叶TN含量;红边积分面积变量与冠层TN含量呈显著的相关性,相关系数是0.7394(n=40),利用构建的相关模型可以较为精确地估测棉花两个品种新陆早6号与8号冠层叶片的全氮含量,RMSE分别为0.3859和0.4272。研究认为红边积分面积变量具有预测棉花冠层全氮含量的应用潜力,研究得出利用3边面积变量构造的数学模型对反演作物冠层TN含量有较高应用价值。研究认为,红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系。研究结果证明:①随着棉花的生长发育,叶片的生理生化参数发生变化,冠层的生理生化参数随之发生变化;②.棉花叶片叶绿素含量与叶片的全氮含量相关性显著(R=0.8723,n=38),通过建立数学模型,可以估测叶片中全氮的含量;③由一阶微分光谱衍生出基于光谱“红边”位置变量的分析方法,使我们认识到“红边”的变幅、形状和面积包含了各个波段的信息,这些波段综合产生的变量所构造的模型,为棉花氮素营养参数的估计提供了预测能力;④如果棉花叶绿素含量高,说明水分充足、氮代谢旺盛,植株处于生长旺盛时期,红边向蓝光方向发生了位移。利用红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系。     

面向对象的高光谱遥感影像分类方法研究

在基于像素的高光谱影像分类方法的基础上,结合面向对象图像分析理论与方法,提出面向对象的高光谱遥感影像分类方法,并具体分析探讨了面向对象高光谱遥感影像分类的关键技术,包括多尺度分割、最优波段选择、人机交互和知识库的建立等。试验表明,面向对象的分类方法应用于高光谱影像较传统分类方法有较高的精度,有很大的应用潜力。     

珠江三角洲典型区域土壤重金属污染探查研究

以珠江三角洲典型区域研究高强度经济开发下土壤环境中重金属污染的状况。测定了84份样品中铜、锌、镉、铬、铅的含量水平。土壤中镉、铬、铅、镍、铜、锌的含量分别在0.166～0.433mgkg-1、2.28～94.28mgkg-1、20.36～143.3mgkg-1、2.29～63.55mgkg-1、4.8～65.1mgkg-1、10.06～131mgkg-1之间。从分析结果可以看出,镍、铅等元素在有些地方普遍偏高,且有的极为明显,已高出背景值108.3mgkg-1。其他元素也存在不同水平的富集,普遍高出背景值。     

在水分胁迫下棉花冠层叶片全氮含量的高光谱遥感估算模型研究

研究利用美国产ASD地物光谱仪,获取新疆北部地区棉花冠层关键生育时期的高光谱数据,采用红边积分面积变量估测棉花冠层叶片的全氮含量,对反射光谱进行一阶微分,应用一阶微分光谱数据,衍生出基于光谱位置变量的分析方法,以红边积分面积(SDr)为自变量,冠层全氮(TN)含量为因变量,做相关分析与处理,构建新陆早6号红边积分面积与冠层叶片TN含量的相关数学模型。研究在不同水处理条件下,对棉花冠层单叶叶绿素含量和单叶全氮含量做相关分析,结果表明:叶绿素含量与TN含量呈显著的正相关(R=0.8723,n=39),叶绿素含量能有效的估计棉花单叶TN含量;红边积分面积变量与冠层TN含量呈显著的相关性,相关系数是0.7394(n=40),利用构建的相关模型可以较为精确地估测棉花两个品种新陆早6号与8号冠层叶片的全氮含量,RMSE分别为0.3859和0.4272。研究认为红边积分面积变量具有预测棉花冠层全氮含量的应用潜力,研究得出利用3边面积变量构造的数学模型对反演作物冠层TN含量有较高应用价值。研究认为,红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系。研究结果证明:①随着棉花的生长发育,叶片的生理生化参数发生变化,冠层的生理生化参数随之发生变化;②.棉花叶片叶绿素含量与叶片的全氮含量相关性显著(R=0.8723,n=38),通过建立数学模型,可以估测叶片中全氮的含量;③由一阶微分光谱衍生出基于光谱“红边”位置变量的分析方法,使我们认识到“红边”的变幅、形状和面积包含了各个波段的信息,这些波段综合产生的变量所构造的模型,为棉花氮素营养参数的估计提供了预测能力;④如果棉花叶绿素含量高,说明水分充足、氮代谢旺盛,植株处于生长旺盛时期,红边向蓝光方向发生了位移。利用红边位移现象结合红边幅度的变化的研究,用于诊断棉花水分胁迫也是可行的,关键是建立相应合理的诊断指标体系。