引言

土壤營(yíng)養(yǎng)元素的含量是提高農(nóng)作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素。對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)施精細(xì)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的土壤營(yíng)養(yǎng)元素的測(cè)定方法為化學(xué)法，化學(xué)法測(cè)量結(jié)果精度高，但需要消耗大量的時(shí)間和人力，難以滿(mǎn)足土壤營(yíng)養(yǎng)元素實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。高光譜技術(shù)光譜分辨率高、光譜通道數(shù)多，能夠更加真實(shí)、全面地反映物體的固有光譜特性及其差異，從而能夠提高土壤營(yíng)養(yǎng)元素的預(yù)測(cè)精度。高光譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于土壤營(yíng)養(yǎng)元素的預(yù)測(cè)與反演。

目前，幾乎所有實(shí)驗(yàn)室條件下的土壤營(yíng)養(yǎng)元素的高光譜反演都要首先對(duì)土壤樣本進(jìn)行磨碎和過(guò)篩處理，而直接采集和利用原始土壤高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的較少；其次幾乎所有的光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法都以平均 光譜曲線(xiàn)（Ａ）及其數(shù)學(xué)變換為主，而結(jié)合光譜成像技術(shù)的特點(diǎn)，提取并使用特征統(tǒng)計(jì)參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差Ｓ、方 差Ｖ）進(jìn)行建模的極少。

本文以山西典型褐土土壤為研究對(duì)象，所有土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，未經(jīng)研磨過(guò)篩處理，直接裝入樣品杯進(jìn)行測(cè)量。并采用高光譜成像技術(shù)獲取近紅 外高光譜圖像，并提取平均光譜曲線(xiàn)（Ａ）、標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)（Ｓ）和方差曲線(xiàn)（Ｖ）等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。然后分別采用以平均光譜曲線(xiàn)（Ａ）、平均光譜曲線(xiàn)的一階導(dǎo)數(shù) （Ｆ）、Ａ與Ｆ的乘積（Ａ＊Ｆ）、Ａ與Ｆ的商（Ａ／Ｆ）為基礎(chǔ)的２０種光譜預(yù)處理方法，結(jié)合ＰＬＳ方法進(jìn)行建模，并對(duì)驗(yàn)證集進(jìn)行驗(yàn)證。本文旨在構(gòu)建一種結(jié) 合高光譜成像技術(shù)特點(diǎn)的，針對(duì)未經(jīng)研磨和過(guò)篩處理的褐土土壤總氮含量的定量預(yù)測(cè)模型，并為土壤其他營(yíng)養(yǎng)元素的快速預(yù)測(cè)提供參考。

材料與方法

2.1 土壤樣本

試驗(yàn)用土壤樣本共149個(gè)，采集自某農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，土壤類(lèi)型均為褐土土壤，采集深度為0~20ｃｍ，為農(nóng)田耕層土壤。土壤樣本經(jīng)自然風(fēng)干處理，手動(dòng)捏碎較大的土壤顆粒并剔除較大的非土壤雜質(zhì)（例如農(nóng)作物根莖葉等殘留）后，采用四分法取樣，一式兩份：其中一份直接用于實(shí)驗(yàn)室條件下土壤高光譜圖像的采集；另外一份用于實(shí)驗(yàn)室采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定土壤總氮含量。在PLS建模時(shí)需要將土壤樣本分類(lèi)建模集和驗(yàn)證集兩類(lèi)。通常的做法是隨機(jī)抽取總樣本的80％到90％作為建模集，剩下的部分作為驗(yàn)證集。

因此，本文隨機(jī)選取約80％（119個(gè)）的土壤樣本作為建模集，用于土壤總氮含量預(yù)測(cè)模型的建模；剩余20％（30個(gè)）作為驗(yàn)證集，用于預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)法測(cè)定結(jié)果，土壤總氮含量的特征統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表１。

表１土壤總氮含量的特征統(tǒng)計(jì)

建模集、驗(yàn)證集與所有土壤樣本的總氮含量的范圍、均值、校準(zhǔn)差和差異系數(shù)均較為接近，即建模集和驗(yàn)證集均能較好反映土壤樣本的統(tǒng)計(jì)特性。

2.2 數(shù)據(jù)提取

高光譜成像技術(shù)能夠同時(shí)獲取土壤樣本的光譜信息和圖像信息。高光譜圖像上的每一個(gè)像素點(diǎn)，都有一條光譜范圍為950~1650ｎｍ，共148個(gè)波段的漫反射光譜曲線(xiàn)與之相對(duì)應(yīng)。本文采用軟件提取高光譜圖像上土壤樣本范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)的漫反射光譜曲線(xiàn)。對(duì)每個(gè)波段所有像素點(diǎn)的光譜反射率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲取其算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差。將所有波段的統(tǒng)計(jì)參數(shù)連接起來(lái)，即可獲得對(duì)應(yīng)土壤樣本的平均光譜曲線(xiàn)（Ａ）、標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)（Ｓ）和方差曲線(xiàn)（Ｖ）。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

平均光譜曲線(xiàn)（Ａ）及平均光譜曲線(xiàn)的一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)（Ｆ）能夠反映土壤總氮對(duì)光譜反射率的影 響；而標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)（Ｓ）和方差曲線(xiàn)（Ｖ）能夠一定程 度反映土壤樣本的表面特性。因此本文選取平均光譜曲線(xiàn)（Ａ）、平均光譜曲線(xiàn)的一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)（Ｆ）、標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)（Ｓ）和方差曲線(xiàn)（Ｖ）等４種曲線(xiàn)作為基本預(yù)處理方法，然后選取其中的一種或多種基本預(yù)處理方法的組合對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。詳細(xì)的預(yù)處理方法見(jiàn)表２。

表２光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法匯總

2.4 建模與評(píng)價(jià)

偏最小二乘（PLS）方法是結(jié)合多元線(xiàn)性回歸和主成分分析的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，是近紅外光譜預(yù)測(cè)反演土壤營(yíng)養(yǎng)元素最常用、最有效的建模方法之一。本文選取主因子個(gè)數(shù)的方法為：調(diào)整主因子個(gè)數(shù)，使模型對(duì)建模集的驗(yàn)證結(jié)果為決定系數(shù)（Ｒ２）不小于0.9；且最大主因子個(gè)數(shù)不超過(guò)２０個(gè)。該P(yáng)LS主因子數(shù)的選取方法可以使所建模型對(duì)建模集的驗(yàn)證效果基本相同，因此，模型的好壞只需要對(duì)比分析不同模型對(duì)驗(yàn)證集的驗(yàn)證效果即可。

本文采用建模集決定系數(shù)（Ｒｃ２）、驗(yàn)證集決定系數(shù)（Ｒｐ２）、建模集均方根 誤差（RMSEｃ）、驗(yàn)證集均方根誤差（ＲＭＳＥｐ）、建模集相對(duì)分析誤差 （ＲＰＤｃ）、驗(yàn)證集相對(duì)分析誤差（ＲＰＤｐ）等指數(shù)來(lái)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中：決定系數(shù)（Ｒ２）越大越好，但不能超過(guò)１，越接近１表明模型的預(yù)測(cè)能力越強(qiáng)。均方根誤差（ＲＭＳＥ）越小越好。相對(duì)分析誤差（ＲＰＤ）越大越好。當(dāng)ＲＰＤ≥２．０時(shí)，表明模型較好，可用于土壤總氮含量的定量預(yù)測(cè)；當(dāng)ＲＰＤ在1.0~2.0之間時(shí)，表明模型預(yù)測(cè)效果較差；當(dāng)ＰＲＤ≤１．０時(shí)，表明模型預(yù)測(cè)效果極差，無(wú)法用于定量分析。

結(jié)果與分析

3.1 不同總氮含量的光譜響應(yīng)特征

按實(shí)驗(yàn)室化學(xué)法實(shí)測(cè)總氮含量對(duì)所有土壤樣本進(jìn)行分類(lèi)，分別統(tǒng)計(jì)總氮含量低于７００ｍｇ·ｋｇ－１，７００～８００ｍｇ·ｋｇ－１，８００～９００ ｍｇ·ｋｇ－１，９００～ １０００ｍｇ·ｋｇ－１及１１００ｍｇ·ｋｇ－１以上的光譜反射率，計(jì)算每類(lèi)土壤樣品的平均光譜曲線(xiàn)；并對(duì)平均光譜曲線(xiàn)求導(dǎo)，獲取每類(lèi)平均光譜曲線(xiàn)的一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)。其結(jié)果如圖１、圖２所示。

圖１ 不同總氮含量的平均光譜曲線(xiàn)

圖２ 不同總氮含量的平均光譜曲線(xiàn)的一階

由圖1可知，土壤的平均光譜反射率隨波長(zhǎng)的增加逐漸增大；在1400ｎｍ附近有顯著的水吸收特征，這可能與自然風(fēng)干后的土壤樣本內(nèi)仍有少量水分殘留有關(guān)。當(dāng) 總氮含量低于1000ｍｇ·ｋｇ－１時(shí)，平均光譜反射率隨總氮含量的增加而增加；當(dāng)總氮含量高于1000ｍｇ·ｋｇ－１時(shí)，光譜反射率隨總氮含量的增加急劇減??；且光譜波長(zhǎng)越短，反射率減小的越多。平均光譜曲線(xiàn)隨總氮含量先增加后減小的特點(diǎn)，可能導(dǎo)致兩個(gè)總氮含量差異極大的土壤樣本的平均光譜曲線(xiàn)非常接近，從而影響預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。由圖２可知，一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)隨著總氮含量的增加逐漸增加?？偟吭冢罚埃埃恚纭ぃ耄纾币韵碌囊浑A導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)比在７００～８００ｍｇ·ｋｇ－１之間的一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)略有增加，在圖２中顯示為基本完全重合。當(dāng)總氮含量高于1000ｍｇ·ｋｇ－１時(shí)，一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)隨總氮含量的增加出現(xiàn)顯著的增加。由于一階導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)隨總氮含量的增加單調(diào)增加，因此使用一階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行建模，可能能夠獲得更好的預(yù)測(cè)效果。

未完待續(xù)。。。。。。。。

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審核編輯 黃宇