引言

高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展為高效快速地監(jiān)測(cè)土壤氮磷含量提供了新的技術(shù)手段。不同學(xué)者根據(jù)所研究區(qū)的實(shí)際狀況，提出了適用于本地區(qū)的土壤氮磷含量預(yù)測(cè)模型，但多數(shù)模型對(duì)于不同的研究區(qū)所選取的 敏感波段和建立的預(yù)測(cè)模型也往往有一定差異。在上述模型中很難找到一種適用于所有地區(qū)的通用方法，而且多數(shù)模型僅僅處于試驗(yàn)研究階段，需要大量的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)修正。本文以三峽庫(kù)區(qū)王家溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用118個(gè)土壤樣本的室內(nèi)反射光譜及其土壤總氮和總磷含量的化學(xué)測(cè)定數(shù)據(jù)，選取了適用于本研究區(qū)的特征波段，并在此基礎(chǔ)上建立了土壤總氮和總磷的預(yù)測(cè)模型。

土壤樣品的野外采集和實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析

2008年9月，在三峽庫(kù)區(qū)王家溝小流域內(nèi)( 面積 257.91hm2 ) 采集耕層( 0 ～ 20cm) 土壤樣本共 118 個(gè)。采樣方式是利用GPS獲取采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)，以采樣 點(diǎn)為中心進(jìn)行多點(diǎn)混合采樣。采好的土壤樣本裝入塑料袋中編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干。風(fēng)干后，將干結(jié)的土塊敲碎，粗略剔除土壤以外的侵入體）如植物的根系或石粒等雜質(zhì)) ，再經(jīng)過(guò)研磨和過(guò)篩處理。所有的土壤樣品都被分成兩份: 一份用于化學(xué)組分含量的測(cè)定，另一份用于光譜反射率的測(cè)定。本研究土壤化學(xué)分析工作是由西南大學(xué)土壤農(nóng)化與生命 元素分析實(shí)驗(yàn)室完成的。土壤樣品的總氮與總磷含量的測(cè)定分別采用的是半微量開(kāi)氏定氮法和采用堿熔融法。

預(yù)處理

從圖1可以看出，所有樣本的光譜曲線在約 1000 nm 和 1800nm 波段處都出現(xiàn)了階躍性變化。這主要是由于光譜儀在紫外 /可見(jiàn)光和近紅外/短波 紅外波長(zhǎng)部分采用了不同的探測(cè)元件，在不同的探測(cè)元件分區(qū)結(jié)合處往往會(huì)出現(xiàn)一定偏差所致。因此，利用利用光譜分析軟件對(duì)原始光 譜曲線進(jìn)行了斷點(diǎn)擬合。除了在 400 ～ 800nm 波段急劇上升外，在其他波段處曲線變化相對(duì)較為平緩，其反 射和吸收峰并不明顯，這往往不利于各樣品光譜曲線之間的特征比較。因此，可對(duì)光譜曲線進(jìn)行包絡(luò)線消 除處理，將光譜反射和吸收特征歸一到較為一致的背景。所有土壤樣品進(jìn)行包絡(luò)線去除后得到的反射光譜曲線如圖 2 所示。

圖1 土壤樣本的典型反射光譜

圖 2 土壤樣本去包絡(luò)的反射率

原始反射率 R 與土壤全氮和全磷的相關(guān)系數(shù)如 圖 3 所示。由圖 3 可以看出，TN 和 TP 與土壤原始反 射率的相關(guān)系數(shù)都很低，其絕對(duì)值的最大值都不超過(guò) 0. 3。這說(shuō)明，原始的光譜反射率與土壤 TN 和 TP 之 間不具有顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖3 土壤全氮和全磷與原始反射率的相關(guān)系數(shù)

對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得到的光譜反射率數(shù)據(jù) R’與土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行相關(guān)分析，得到結(jié)果如圖 4 所示。

圖 4 土壤全氮和全磷與預(yù)處理后的反射光譜的相關(guān)性

從圖 4 可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)處理以后土壤養(yǎng)分含量與吸收光譜具有較高的相關(guān)性。

利用偏最小二乘方法消除多波段之間的多重共線性，并根據(jù)預(yù)測(cè)殘差平方和交叉驗(yàn)證方法，選取 3 和 2 個(gè)主成分?jǐn)?shù)分別用于 TN，TP 的PLS 建模分析。為了更好地分析模型預(yù)測(cè)的效果，將 模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值繪制成散點(diǎn)圖，如圖 5 和圖 6 所示。

圖5 土壤 TN 濃度預(yù)測(cè)模型的標(biāo)定和驗(yàn)證

圖 6 土壤 TP 濃度 PLS 回歸模型的標(biāo)定和驗(yàn)證

結(jié)論

文中在對(duì)去包絡(luò)的反射率進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上， 建立了土壤全氮和全磷的高光譜預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，在對(duì)去包絡(luò)的反射率經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，與土壤全氮和全磷的相關(guān)性有明顯增強(qiáng)。根據(jù)預(yù)處理的反射率建立的土壤總氮的預(yù)測(cè)模型具有較高精度。但土壤總磷預(yù)測(cè)模型的精度仍然不能令人滿意。今后的研究可繼續(xù)研究近紅外甚至是中紅外光譜用于預(yù)測(cè)總磷的有效方法。

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審核編輯黃宇