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。     

基于地面实测高光谱数据的三江源中东部草地植被光谱特征研究

草地不仅是畜牧业的生产基地,而且是生态安全屏障保护和牧民生活与草原文化传承的基础,具有生态、生产和生活功能。然而,草地日益退化导致的生态经济问题越来越突出。因此,实时、准确地监测草地的退化具有重要意义。根据所测定的各种地面植被的光谱数据,分析了三江源中东部典型草原区常见草种的光谱特性;利用一阶微分法、连续统去除法和归一化微分比的方法对草地植被光谱反射曲线进行了处理,提取了典型草地植被的光谱特征;通过光谱分析法能准确识别藏嵩草和小嵩草优势种,取得了较好的精度。为高光谱遥感草地监测提供了有力依据。     

卫星遥感反演土壤有机质研究进展

土壤有机质是评价土壤质量的关键指标,了解土壤有机质含量及其空间分布,对实现土壤养分精准管理、促进农业可持续发展具有重要意义。近年来,遥感技术的迅猛发展为土壤属性定量化研究提供了丰富的数据源,卫星遥感反演土壤有机质逐渐吸引了更多的关注。文章针对土壤有机质反演的相关研究,阐述了土壤遥感及传感器发展历程、土壤有机质遥感反演机理;系统归纳了直接法、间接法以及实测高光谱与卫星遥感相结合3种反演方法的发展现状;将不同研究方法的优势及不足进行对比,并详细分析制约土壤有机质反演精度的关键因素,最后对卫星遥感反演土壤有机质的发展趋势进行展望。     

丹江口库区土壤镍含量高光谱反演方法

为探讨土壤高光谱法反演土壤重金属含量的可行性,以丹江口库区具有代表性的55个土壤样品为研究对象,应用高光谱技术对研究区土壤镍含量进行反演方法研究.对土壤的原始光谱数据,进行6种形式的微分变换.按最大正相关性和最小负相关性共筛选了 12维光谱特征,利用随机森林回归(random forest regression,RFR...     

褐潮土的光谱特性及用土壤反射率估算有机质含量的研究

本文通过ASDFR便携式光谱仪对132个风干土壤样品的光谱反射率进行了实验室测定。根据土样光谱反射率变化,获得了褐潮土土壤剖面的不同诊断层反射光谱特征。结果表明,在400～1200nm范围之间,土壤有机质含量与土壤光谱反射率有较好的相关性。利用导数光谱方法建立了预测土壤有机质含量的方程,提出了预测北京地区褐潮土有机质光谱的最佳波段。在波长447nm处采用反射率和A值(反射率倒数的对数)所建立的预测方程的预测精度较高。采用反射率的一阶微分建立的预测方程的最佳波段在516nm处。而A值一阶微分光谱在615nm处相关性最好。作为一项参考指标用光谱分析法评价土壤中有机质含量,以期对精准农业中土壤养分或肥力的预测具有一定的指导作用。     

高光谱反演叶片叶绿素及全氮含量

植物的含氮量和叶绿素含量指示了植被的健康状况.本文利用野外采集的叶片样本获取叶片的光谱反射率及叶绿素和全氮的含量,分析和利用高光谱数据反演叶片叶绿素及全氮含量的可行性及精度.鉴于高光谱数据存在冗余这一特性,本次试验采取了偏最小二乘法来对光谱数据进行回归分析,进行叶绿素和氮素含量的估算.同时,本文也比较了叶片叶绿素含量和氮素含量在不同单位表达形式下,偏最小二乘法对其的估算精度.试验结果表明,基于偏最小二乘法分析叶片反射率估测叶片的叶绿素含量及全氮含量具有很好的结果,精度全都达到85%以上,具有应用价值.     

可见光—近红外光谱估算三江源区不同土壤全氮含量

近年来可见光—近红外反射光谱已被广泛应用于估算土壤全氮含量,为大范围区域土壤全氮含量获取提供了一种快速、有效的方法。基于实验室测定的三江源区146个表层土壤(0~30cm)样品的反射光谱数据(350~2 500nm)与全氮含量数据;利用偏最小二乘回归(PLSR)和反向传播神经网络(BPNN)两种模型方法与光谱反射率(REF)及其4种数学预处理变换相结合,分别建立分土壤类型样本和总体样本全氮估算模型;评估利用可见光—近红外光谱技术预测三江源区土壤全氮含量的能力。结果表明:BPNN模型的R2cal、R2val及验证RPD的平均值分别为0.87、0.81与2.28;而PLSR模型则相应为0.75、0.72和1.95;表明BPNN模型预测能力整体上要优于PLSR模型。BPNN与光谱各种形式的结合均具有良好、或接近良好预测全氮的能力;而PLSR与REF、倒数对数(Log(1/R))及波段深度(BD)的结合仅少部分具有良好估算能力、大部分则为粗略估算能力,一阶微分(FDR)和二阶微分(SDR)估算精度均较低,尤其是SDR(R20.5,RPD=1.10~1.27)均不具备估算能力。总体样本所建模型稳定性好于分土壤类型,分土壤类型建模差异性明显;此外,总体来看,BPNN模型比PLSR建模精度高、模型稳定性好,但PLSR模型可操作性强于BPNN模型。     

卫星红外高光谱反演大气水汽含量

利用高光谱大气红外探测仪AIRS模拟及观测数据,发展基于主成分分析技术的多层前馈神经网络反演算法,进行大气中水汽柱总量(IWV)的反演计算、模拟及实测验证。首先,基于全球晴空大气廓线训练样本SeeBorV4.0,利用快速辐射传输模式CRTM进行了辐射传输模拟计算,得到全球高光谱分辨率模拟辐亮度;其次,利用主成分分析技术对模式模拟和AIRS实测高光谱数据进行降维、去噪及去相关处理,并采用多层前向神经网络算法反演大气水汽柱总量;最后,利用数值试验、AIRS实测L1B数据及其水汽产品,对反演算法进行了验证。通过与AIRS官方大气产品的统计分析,本算法反演均方根误差为0.387 g/cm²,最大偏差为0.82 g/cm²,空间分辨率保留了AIRS像素原分辨率(比AIRS官方大气产品高3倍)。     

基于无人机高光谱影像的三江源草种精细识别研究

草种精细识别对三江源区草地生态系统退化监测具有重要意义。基于无人机高光谱遥感系统,获取三江源草地退化典型区的高光谱影像。在对原始光谱特征利用XGBoost进行优化选择的基础上,结合扩展形态学属性剖面特征,利用稀疏多项式逻辑回归与自适应稀疏表示两种分类方法分别对影像上的不同可食与毒杂草种进行精细识别,在此基础上提出形状自适应的后处理方法对识别结果进行平滑处理。结果表明：①利用XGBoost方法选择出重要性高的光谱特征能提升高光谱数据的识别效果并节省运行时间;②利用空间—光谱特征的识别方法相较于仅利用光谱特征的方法可以有效改善草种识别效果,使总体精度提升4%~5%;③利用两种稀疏表示方法在小样本的情况下对草种精细识别的精度分别达到94.07%、93.15%,利用形状自适应后处理方法能有效提高多种毒杂草种的识别精度,使得总体精度分别提升约1.64%和1.12%。基于特征挖掘的稀疏表示分类方法能实现高精度的无人机高光谱影像草种精细识别,为更大范围的草原物种精细识别提供了技术支撑。     

基于Hyperion影像的高光谱水汽含量反演的算法比较研究

基于高光谱遥感图像数据的大气参数反演和一体化辐射校正具有重要研究意义和应用价值。首先,通过6S模型辐射传输计算分析了EO-1/Hyperion遥感影像在940和1 130nm附近水汽吸收区域的光谱吸收特点。其次,采用两通道比值法和三通道比值法,比较了不同波段组合的大气含水量高光谱遥感反演精度并进行了敏感性分析,模拟实验结果表明采用三波段比值算法的相关系数和均方根误差均优于对应的两波段算法。最后,利用张掖地区2008年3景EO-1Hyperion高光谱遥感影像,反演了大气含水量,并与地基CE-318太阳分光光度计测量数据进行对比验证,结果表明:1 124nm水汽吸收通道反演精度优于940nm,两通道和三通道比值法的均方根误差分别为0.369和0.128g/cm2,三通道比值方法优于两通道比值方法,与地面观测结果一致。     

不同灌溉方法对保护地土壤有机质及氮素影响的研究

分层采集连续7年分别用渗灌、滴灌和沟灌灌溉的保护地0～80cm土层土壤样品,测定有机质、全氮及无机态氮和有机态氮含量,研究灌溉方法对土壤氮素形态及其数量剖面分布的影响。结果表明,三种灌溉处理0～80cm剖面土壤有机质含量变化范围为8.47～36.48 g kg-1,渗灌与滴灌有机质剖面分布相似,二者与沟灌差异较大;沟灌除30～40cm层次有机质含量低于渗灌和滴灌外,其它层次有机质含量均高于渗灌和滴灌处理。土壤全氮含量变化范围为0.72～3.97 g kg-1,在0～20cm土层不同灌溉方法之间差异显著,渗灌最大,沟灌次之,滴灌最小。无机硝态氮、铵态氮含量的变化范围分别为19.16～1442.06 mg kg-1和0～15.28 mg kg-1,在0～20cm土层各处理之间差异较为明显,以渗灌最大,沟灌次之,滴灌最小。有机态氮含量的变化范围为683.79～2512.87 mg kg-1,各处理之间的差异主要表现在0～30cm土层,其中0～10cm土层以渗灌处理有机态氮含量最高、沟灌次之,滴灌最低,10～30cm沟灌处理有机态氮含量却高于渗灌和滴灌处理。     

不同施肥与栽培条件下土壤有机质演变规律

在棕壤上（耕淀简育湿润淋溶土）连续８年长期定位试验，研究了裸地和覆膜条件下不同施肥处理时土壤有机质含量和品质的变化规律，结果表明：在本试验施肥水平条件下，有机肥和化肥单独施用和配合施用均可提高土壤有机质含量，覆膜各处理有机质含量增加程度均高于相应裸地各处理，无论覆膜与否，各施肥处理均提高土壤中易氧化有机质含量，提高易／总，降低Ｋａ，增加复合体有机质的含量、原土复含量和追加复合量、松结态腐殖质含量和松结态腐殖质中易氧化有机质和括性腐殖质含量，但覆膜后，各处理的增加程度均超过相应的裸地各处理。     

设施栽培条件下土壤养分及有机质组成变化趋势的研究

以黄泛平原壤质潮土不同年限的设施栽培土壤为研究对象,探讨了设施栽培条件对土壤养分及土壤有机质组成的影响。结果表明,设施栽培土壤碱解氮、速效磷、速效钾、盐分含量均明显高于大田,其含量主要取决于施用化学肥料的种类和数量,随栽培年限的增加而增加;土壤有机质、腐殖酸、胡敏酸含量随种植年限有升高趋势;HA/FA与栽培年限显著相关,表示设施栽培条件下,土壤熟化程度随有机肥料的逐年施用而有所提高,但HA/FA变化幅度不大,这可能与设施栽培形成的高温高湿条件及施用有机肥料中难分解物质的含量有关。     

土壤细颗粒对有机质的保护能力研究

本文主要综述了土壤细颗粒(<20μm或<50μm)对土壤有机质的保护能力,详细阐述了土壤储存细颗粒态有机质的能力模型及其意义,探讨了影响土壤细颗粒对有机质的保护能力的主要因素。     

山东主要土类有机质及其与供磷特性的关系

山东省3大土类中棕壤的有机质含量最高,平均为10.69g kg-1,其次为褐土和潮土;高产农田的有机质含量平均为10.9g kg-1,高于中低产田。相关分析结果表明,土壤的主要养分含量中有机质含量与土壤有效磷含量的密切正相关,进一步分析表明,土壤的有机质含量与土壤全磷、有机磷、有效磷、磷酸化酶活性和土壤微生物转化难溶性磷的强度均呈正相关,而与磷吸附最大缓冲容量MBC、固磷百分率、解吸能Qm呈负相关;逐步回归结果表明有机质对棕壤中的中度活性有机磷MLOP、潮土中的Ca2-P、褐土中的A l-P、高产农田中的A l-P,中低产田的Fe-P均显著的正相关;而且这种相关性均是高产农田大于中低产田。有机质不仅直接丰富了高产农田的磷库,而且通过提高磷酸化酶的活性,降低土壤磷的吸附、固定,促进解吸,增加了土壤磷的有效性。     

20年来我国潮土区与黑土区土壤有机质变化的对比研究

对潮土区和黑土区的土壤样品进行采集和分析,结合第二次土壤普查资料,研究潮土区和黑土区土壤有机质的时空变化特征。结果表明潮土区土壤有机质含量呈现提高的趋势,黑土区土壤有机质含量呈现降低的趋势。出现这种变化的结果都与耕作制度,尤其是施肥管理水平等人为因素有密切的关系。     

长期不同施肥制度下土壤有机质质量动态变化规律

通过8年定位试验,研究了长期不同施肥制度下土壤有机质质量动态变化规律。结果表明,采用有机肥(物)料配施常量NPK化肥,土壤有机碳、易氧化有机碳、腐殖酸碳及其占总有机碳比率、HAC、FAC和HAC/FAC不断提高,Kos持续下降,其变化速率表现为递减;长期不施肥和单施常量NPK化肥则造成Kos持续上升,其余指标以递减速率下降。不同施肥制度下土壤有机质质量指标的动态变化可利用渐近函数模拟。在试验的不同阶段,土壤腐殖酸碳总量的亏损或盈余向HAC分配比例的变化态势各异,长期不施肥处理随时间的延长渐减,单施常量NPK化肥处理基本上分配至HAC;有机肥(物)料配施化肥则呈现出后期>前期>中期的趋势。     

土壤中颗粒状有机质对重金属的吸附作用

为了解土壤颗粒状有机质(POM)对重金属富集机理,用室内分析方法研究了土壤POM对Cu、Cd、Co、Pb、Ni和Zn等6种常见重金属的吸附作用.研究表明,土壤中颗粒状有机质(POM)对重金属有较高的吸附潜力,吸附过程是一个快速反应,在100分钟内可接近平衡.POM对重金属的吸附强度随pH的变化而变化,在pH5～7范围达到较高水平,pH＜5和pH＞8均可降低POM对这些重金属的吸附;POM对重金属的吸附明显高于相同粒径的矿物质,也高于或接近于细土(＜0.053mm).重金属元素共存时,POM对重金属的吸附强度由大而小顺次为Cu＞Pb＞Cd＞Cr＞Co＞Zn＞Ni.移去土壤颗粒态有机质将显著降低土壤对重金属的吸附,增加土壤重金属的淋失风险.POM对重金属的强吸附性能可能是土壤中POM重金属富集的主要机理之一.     

沙质土壤含水率高光谱预测模型建立及分析

利用HR768型光谱仪,实地测定了古尔班通古特沙漠南缘60个样点的土壤光谱和土壤含水率。对测定的光谱数据选择土壤水分较敏感的红外波段与土壤含水率进行线性回归,结果表明：实测土壤光谱经对数变换后土壤光谱与其含水率拟合效果不理想,用去包络线且一阶微分方法对实测土壤光谱数据进行处理后,再与相应土壤含水率进行回归,其回归效果较好,决定系数R²达0.855该方法具有实用性强、易操作的特点,为沙漠区土壤含水率的反演提供新的方法和思路。