不同降噪方式下基于高分五号影像的土壤有机质反演
发布时间：2021-10-01 02:36
通过遥感技术预测土壤有机质（Soil Organic Matter,SOM）的空间分布是精准农业和土地资源管理研究的重要内容,与粮食安全及环境监测密切相关。该研究主要研究采用高分五号（GF-5）反演土壤有机质的最佳降噪方式。以黑龙江省典型黑土区明水县为研究对象,获取GF-5高光谱遥感影像,对影像进行不同降噪处理,包括奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）,离散小波变换（Discrete Wavelet Transform,DWT）及中值滤波（Median Filtering,MF）降噪。然而,分别结合二维光谱指数,应用随机森林（Random Forest,RF）方法预测不同降噪方式的SOM含量。结果表明:1)所选择的不同降噪方法中,与SOM含量的相关性由高到低依次为DWT、SVD、MF,其中,基于MF降噪后的光谱反射率与SOM含量相关性低于原始反射率与SOM含量的相关性。2)基于降噪方式下的光谱曲线更加平滑,且不同有机质含量对应的光谱曲线形状相似。3)采用DWT降噪方式,基于影像波段和光谱指数,以RF为预测模型的SOM最优反演模型精度R...
【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
研究区位置及样点布置
图2为9个DWT分解层（L1～L9）的光谱反射率曲线。由L1～L4可见，DWT降低了光谱曲线中的噪声，使曲线变得更加平滑，特别是在2 200～2 450 nm之间较为明显。整体来看，L1～L4可以较好地保留原始光谱曲线的特征。在L5～L9中，DWT消除了光谱曲线中大部分的细节信息，使得不同SOM含量的土壤除反射率高低的差异外，无其他明显差异，因此，过高的分解层数不利于光谱细节的保留以及SOM预测精度的提升。原始光谱曲线中，在2 200～2 450 nm处存在“小毛刺”形状，这是由于原始反射率噪声传递导致的，DWT可以将这些高频信号进一步去除，减弱噪声传递现象。将整个波段范围反射率与SOM做相关分析，由于波段信息丰富，表1列出了相关系数最高的3个波段，这3个波段主要集中在600～700 nm之间。由表1可知，L1～L3均可提升光谱曲线与SOM含量的相关性，且当分解尺度为1层时，反射率与SOM含量的相关性最高。同时，这些相关性高的波段出现的位置与原始反射率（给出值）最接近，因此，将高光谱卫星影像进行1层DWT时，可以实现较高SOM预测精度，下文将选择1层DWT进行SOM反演。
土壤反射率随SOM含量的增加而降低（图3），且不同SOM含量的土壤反射光谱曲线形状大体一致。与OR相比，不同的降噪方法均有效降低了光谱曲线中的噪声，使曲线变得更加平滑。在600～1 300 nm范围内，反射率随着波长增加而增加，光谱曲线的形状差异比较明显，其中，在900～1 050 nm间出现1个反射峰，这个反射峰是由于2个传感器连接处的噪声较大造成的。在1 450～1 700 nm范围内，反射率随着波长增加呈现先降低，后升高的趋势，且能够较好地保留光谱细节；在1 950～2 450 nm内，反射率随着波长增加先升高后降低。对比来看，SVD及DWT均对光谱曲线的不同位置进行了平滑，有效地实现了对高光谱卫星影像的降噪；然而，通过MF降噪下的光谱曲线可知，SOM质量分数处于3.5%～4.0%与>4.0%～4.5%的光谱曲线不符合反射率随SOM含量增加而降低的规律，此外，该降噪方式缩减了不同SOM含量间光谱曲线的差异，不利于SOM含量的预测。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于自适应有限冲激响应-卡尔曼滤波算法的GPS/INS导航[J]. 靳标,李建行,朱德宽,郭交,苏宝峰. 农业工程学报. 2019(03)
[2]基于自适应小波偏微分方程的蝗虫切片图像去噪[J]. 李丽,张楠楠,梅树立,李晓飞. 农业工程学报. 2015(20)
[3]基于高分一号卫星数据的冬小麦叶片SPAD值遥感估算[J]. 李粉玲,王力,刘京,常庆瑞. 农业机械学报. 2015(09)
[4]基于多源环境变量和随机森林的橡胶园土壤全氮含量预测[J]. 郭澎涛,李茂芬,罗微,林清火,唐群锋,刘志崴. 农业工程学报. 2015(05)
[5]中国主要土壤高光谱反射特性分类与有机质光谱预测模型[J]. 史舟,王乾龙,彭杰,纪文君,刘焕军,李曦,Raphael A VISCARRA ROSSEL. 中国科学:地球科学. 2014(05)
[6]基于无人机影像的农情遥感监测应用[J]. 王利民,刘佳,杨玲波,陈仲新,王小龙,欧阳斌. 农业工程学报. 2013(18)
[7]黑土典型区土壤有机质遥感反演[J]. 刘焕军,赵春江,王纪华,黄文江,张新乐. 农业工程学报. 2011(08)
[8]黑土有机质含量野外高光谱预测模型[J]. 刘焕军,张新乐,郑树峰,汤娜,胡言亮. 光谱学与光谱分析. 2010(12)
[9]基于反射率模拟模型的黑土有机质含量估测[J]. 刘焕军,张柏,刘殿伟,宋开山,王宗明,杨飞. 光谱学与光谱分析. 2008(12)
博士论文
[1]高光谱遥感影像光谱降维与空谱联合分类方法研究[D]. 胡立栓.中国地质大学(北京) 2018
硕士论文
[1]基于光谱相关性的高光谱图像光谱域去噪算法研究[D]. 孟令军.华中科技大学 2015
本文编号：3417087
【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
研究区位置及样点布置
图2为9个DWT分解层（L1～L9）的光谱反射率曲线。由L1～L4可见，DWT降低了光谱曲线中的噪声，使曲线变得更加平滑，特别是在2 200～2 450 nm之间较为明显。整体来看，L1～L4可以较好地保留原始光谱曲线的特征。在L5～L9中，DWT消除了光谱曲线中大部分的细节信息，使得不同SOM含量的土壤除反射率高低的差异外，无其他明显差异，因此，过高的分解层数不利于光谱细节的保留以及SOM预测精度的提升。原始光谱曲线中，在2 200～2 450 nm处存在“小毛刺”形状，这是由于原始反射率噪声传递导致的，DWT可以将这些高频信号进一步去除，减弱噪声传递现象。将整个波段范围反射率与SOM做相关分析，由于波段信息丰富，表1列出了相关系数最高的3个波段，这3个波段主要集中在600～700 nm之间。由表1可知，L1～L3均可提升光谱曲线与SOM含量的相关性，且当分解尺度为1层时，反射率与SOM含量的相关性最高。同时，这些相关性高的波段出现的位置与原始反射率（给出值）最接近，因此，将高光谱卫星影像进行1层DWT时，可以实现较高SOM预测精度，下文将选择1层DWT进行SOM反演。
土壤反射率随SOM含量的增加而降低（图3），且不同SOM含量的土壤反射光谱曲线形状大体一致。与OR相比，不同的降噪方法均有效降低了光谱曲线中的噪声，使曲线变得更加平滑。在600～1 300 nm范围内，反射率随着波长增加而增加，光谱曲线的形状差异比较明显，其中，在900～1 050 nm间出现1个反射峰，这个反射峰是由于2个传感器连接处的噪声较大造成的。在1 450～1 700 nm范围内，反射率随着波长增加呈现先降低，后升高的趋势，且能够较好地保留光谱细节；在1 950～2 450 nm内，反射率随着波长增加先升高后降低。对比来看，SVD及DWT均对光谱曲线的不同位置进行了平滑，有效地实现了对高光谱卫星影像的降噪；然而，通过MF降噪下的光谱曲线可知，SOM质量分数处于3.5%～4.0%与>4.0%～4.5%的光谱曲线不符合反射率随SOM含量增加而降低的规律，此外，该降噪方式缩减了不同SOM含量间光谱曲线的差异，不利于SOM含量的预测。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于自适应有限冲激响应-卡尔曼滤波算法的GPS/INS导航[J]. 靳标,李建行,朱德宽,郭交,苏宝峰. 农业工程学报. 2019(03)
[2]基于自适应小波偏微分方程的蝗虫切片图像去噪[J]. 李丽,张楠楠,梅树立,李晓飞. 农业工程学报. 2015(20)
[3]基于高分一号卫星数据的冬小麦叶片SPAD值遥感估算[J]. 李粉玲,王力,刘京,常庆瑞. 农业机械学报. 2015(09)
[4]基于多源环境变量和随机森林的橡胶园土壤全氮含量预测[J]. 郭澎涛,李茂芬,罗微,林清火,唐群锋,刘志崴. 农业工程学报. 2015(05)
[5]中国主要土壤高光谱反射特性分类与有机质光谱预测模型[J]. 史舟,王乾龙,彭杰,纪文君,刘焕军,李曦,Raphael A VISCARRA ROSSEL. 中国科学:地球科学. 2014(05)
[6]基于无人机影像的农情遥感监测应用[J]. 王利民,刘佳,杨玲波,陈仲新,王小龙,欧阳斌. 农业工程学报. 2013(18)
[7]黑土典型区土壤有机质遥感反演[J]. 刘焕军,赵春江,王纪华,黄文江,张新乐. 农业工程学报. 2011(08)
[8]黑土有机质含量野外高光谱预测模型[J]. 刘焕军,张新乐,郑树峰,汤娜,胡言亮. 光谱学与光谱分析. 2010(12)
[9]基于反射率模拟模型的黑土有机质含量估测[J]. 刘焕军,张柏,刘殿伟,宋开山,王宗明,杨飞. 光谱学与光谱分析. 2008(12)
博士论文
[1]高光谱遥感影像光谱降维与空谱联合分类方法研究[D]. 胡立栓.中国地质大学(北京) 2018
硕士论文
[1]基于光谱相关性的高光谱图像光谱域去噪算法研究[D]. 孟令军.华中科技大学 2015
本文编号：3417087
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