基于HSI高光谱数据的耕地土壤重金属镉、铅含量遥感反演

发布时间：2017-09-04 00:16

  本文关键词：基于HSI高光谱数据的耕地土壤重金属镉、铅含量遥感反演

  更多相关文章： 高光谱遥感反演 耕地土壤 镉含量 铅含量 参数填图

【摘要】：如何快速地获取土壤重金属含量及其空间分布信息,是土壤污染防治工作的基础,它已成为土壤重金属污染研究领域的热点问题之一。高光谱分析技术因其光谱分辨率高、波段多且连续性强等特点,能获取精细的地物光谱曲线,不仅为非破坏性土壤重金属监测提供了新的途径,也为土壤重金属高光谱遥感监测提供理论依据。本文利用HSI高光谱遥感数据提取采样点土壤光谱信息,在对土壤样本光谱曲线进行预处理的基础上,探讨了耕地土壤镉、铅含量与光谱变量的相关性及其特征波段,初步建立了耕地土壤镉、铅含量反演模型。同时利用地形因子,修正了反演模型,实现了研究区耕地土壤镉、铅含量填图与预测。全文主要研究结果如下：(1)利用HSI高光谱遥感数据提取的研究区紫色土和水稻土两种类型土壤的样本光谱曲线具有相似的光谱吸收反射特征,均在660nm附近有一个较宽的吸收带,在890-900nm范围内,光谱曲线斜率偏大。土壤光谱预处理结果表明,研究区耕地土壤光谱变量的特征波段主要位于466nm、480nm、526nm、552nm、580nm、 620nm、640nm、660nm、678nm、690nm、701nm、716nm、807nm、827nm、862nm和900nm处。(2)土壤原始光谱反射率经预处理后,有效突出了特征波段,增强了与镉、铅含量的关联。研究区耕地土壤原始光谱与镉、铅含量呈负相关,而倒数对数光谱与镉、铅含量均呈正相关,但连续统去除、一阶微分、二阶微分光谱变量与镉、铅含量既有正相关又有负相关。其中,镉、铅含量与微分光谱相关性最强,镉含量与一阶微分光谱最高相关波段为561nm,呈极显著负相关；而铅含量与二阶微分光谱最高相关波段为598nm,也呈极显著负相关。(3)在五种光谱预处理方法下,偏最小二乘回归模型反演镉、铅含量的建模精度优于多元逐步回归模型；在两种建模方法下,微分光谱变量模型反演镉、铅含量的建模精度高于其他光谱变量模型。镉含量反演模型中,基于二阶微分光谱的偏最小二乘回归模型建模精度最高,建模决定系数和均方根误差分别为0.353和0.046；铅含量反演模型中,基于一阶微分光谱的偏最小二乘回归模型建模精度最高,其决定系数和均方根误差分别为0.388和0.003。(4)镉含量预测模型中,基于一阶微分光谱的多元逐步预测模型检验精度最高,为84.30%,镉含量预测模型检验精度均在82%以上：铅含量预测模型中,基于倒数对数光谱的多元逐步回归模型检验精度最高,检验精度达到92.21%,铅含量反演模型整体预测效果较好,检验精度均在90%以上。根据反演模型建模精度表明,研究区耕地土壤镉含量反演最优模型是基于二阶微分光谱的偏最小二乘回归模型,铅含量反演最优模型是基于一阶微分光谱的偏最小二乘回归模型。(5)加入曲率和坡度等地形因子后,镉、铅含量反演修正模型的建模稳定性和精度提高,建模决定系数分别为0.370和0.406,检验精度分别为84.72%和91.87%,预测平均误差分别为0.0006和0.0001,模型预测趋势偏低。利用该模型进行参数填图,得到研究区耕地土壤镉、铅含量分别在0.184-0.534mg/kg、20.360-34.840mg/kg之间,与普通克里格插值结果相比,在中部的分布较一致,在西部和东南部明显低于普通克里格差值结果。
【关键词】：高光谱遥感反演 耕地土壤 镉含量 铅含量 参数填图
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X53;X87
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-22
• 1 立题依据12-13
• 2 国内外研究现状13-19
• 2.1 HSI高光谱数据的预处理和应用13-16
• 2.1.1 HSI高光谱数据预处理13-15
• 2.1.2 基于HSI高光谱遥感数据的反演研究15-16
• 2.2 基于高光谱分析技术的土壤重金属含量反演16-19
• 2.2.1 土壤光谱预处理方法16-17
• 2.2.2 土壤光谱特征波段17-18
• 2.2.3 建模分析方法18-19
• 2.3 模拟遥感影像的重金属含量反演19
• 3 研究内容与技术路线19-22
• 3.1 研究内容19-21
• 3.1.1 土壤光谱信息提取及特征波段分析19-20
• 3.1.2 土壤重金属反演模型的建立20
• 3.1.3 土壤重金属反演最优模型选取及参数填图20-21
• 3.2 技术路线21-22
• 第二章 研究区概况与研究方法22-33
• 1 研究区概况22
• 2 研究方法22-33
• 2.1 土壤样品采集与测定22-24
• 2.2 遥感数据及其预处理24-26
• 2.2.1 遥感数据介绍24
• 2.2.2 HSI高光谱遥感影像预处理24-26
• 2.2.3 采样点光谱提取26
• 2.3 辅助资料及辅助信息提取26-28
• 2.3.1 辅助资料26
• 2.3.2 辅助信息提取26-28
• 2.4 光谱数据预处理28-29
• 2.4.1 光谱连续统去除处理28
• 2.4.2 光谱倒数对数处理28
• 2.4.3 光谱微分处理28-29
• 2.5 建模分析方法29-30
• 2.5.1 多元逐步回归分析29
• 2.5.2 偏最小二乘回归分析29-30
• 2.6 模型评价指标分析30-31
• 2.7 重金属参数填图31
• 2.8 软件平台31-33
• 第三章 土壤光谱信息提取及特征波段分析33-49
• 1 高光谱遥感影像预处理33-41
• 1.1 数据格式转换33
• 1.2 条带噪声去除33-35
• 1.3 大气校正35-36
• 1.4 图像配准36-37
• 1.5 混合像元分解37-41
• 1.5.1 光谱数据降维37-38
• 1.5.2 端元提取38-39
• 1.5.3 丰度估计39-41
• 1.5.4 采样点土壤光谱提取41
• 2 土壤样本光谱特征41-43
• 3 土壤光谱特征波段提取43-48
• 3.1 连续统去除光谱特征波段44
• 3.2 倒数对数光谱特征波段44-45
• 3.3 一阶微分光谱特征波段45-46
• 3.4 二阶微分光谱特征波段46-48
• 4 小结48-49
• 第四章 镉含量反演模型研究49-63
• 1 镉含量描述性统计分析49
• 2 镉含量与各光谱变量相关分析49-51
• 3 镉含量反演模型建立51-55
• 3.1 多元逐步回归模型建立51-53
• 3.2 偏最小二乘回归模型建立53-55
• 4 模型分析与对比55-56
• 5 精度检验56-58
• 6 镉含量填图58-62
• 7 小结62-63
• 第五章 铅含量反演模型研究63-77
• 1 铅含量描述性统计分析63
• 2 铅含量与光谱特征波段相关性分析63-65
• 3 铅含量反演模型建立65-68
• 3.1 多元逐步回归模型建立65-66
• 3.2 偏最小二乘回归模型建立66-68
• 4 模型分析与对比68-69
• 5 精度检验69-72
• 6 铅含量填图72-76
• 7 小结76-77
• 第六章 全文主要结论与研究展望77-79
• 1 全文主要结论77
• 2 研究展望77-79
• 参考文献79-85
• 致谢85

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 丛艳静;;荔城平原区耕地土壤重金属含量插值模型研究[J];阴山学刊(自然科学版);2007年03期

2 杨蕊梅;于天富;;大同县耕地土壤重金属含量状况及质量评价[J];农业环境与发展;2010年05期

3 刘芳;;棉田残留地膜污染现状及防治对策[J];农村科技;2010年06期

4 ;防止地膜残留的新方法[J];农村实用工程技术;1995年01期

5 陈斌，吉训凤，，赵峰，季应明;关于耕地土壤质量管理的思考[J];农业环境与发展;1995年02期

6 孙克刚,王继印,杨稚娟,张泽彦,毕建国,张春生;河南省耕地土壤硫素现状、硫肥增产效应及土壤硫素平衡概况[J];磷肥与复肥;2004年04期

7 姜勇,张玉革,梁文举,闻大中;耕地土壤中交换态钙镁铁锰铜锌相关关系研究[J];生态环境;2003年02期

8 杨梅;刘洪斌;武伟;;重庆三峡库区耕地土壤重金属含量的空间变异性研究[J];中国生态农业学报;2006年01期

9 王彬武;李红;蒋红群;孙丹峰;;北京市耕地土壤重金属时空变化特征初步研究[J];农业环境科学学报;2014年07期

10 张余良;陆文龙;张伟;李悦;;长期微咸水灌溉对耕地土壤理化性状的影响[J];农业环境科学学报;2006年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 孙治旭;刘鸣;胡涛;;云南省耕地土壤重金属含量分析[A];全国耕地土壤污染监测与评价技术研讨会论文集[C];2006年

2 彭嘉桂;章明清;林琼;杨杰;张秋芳;;闽西北红壤区耕地土壤硫肥力及硫肥效应研究(摘要)[A];中国地壤学会第十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会文集（面向农业与环境的土壤科学专题篇）[C];2004年

3 王元仲;高云凤;李冬梅;;河北省耕地土壤重金属污染监测与评价研究[A];全国耕地土壤污染监测与评价技术研讨会论文集[C];2006年

4 邓良基;胡玉福;张世熔;王昌全;夏建国;;四川盆地西缘耕地土壤质量变异研究——以雅安市雨城区为例(摘要)[A];中国地壤学会第十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会文集（面向农业与环境的土壤科学专题篇）[C];2004年

5 邱建军;唐华俊;陈庆沐;陶陶;Changsheng Li;;中国农业耕地土壤碳平衡与碳排放研究[A];中国青年农业科学学术年报[C];2002年

6 刘惠清;孙蕾;;农安县耕地土壤Hg污染的空间分异分析[A];中国环境科学学会2009年学术年会论文集（第二卷）[C];2009年

7 杨佩珍;金继运;王国忠;毕经伟;;上海市耕地土壤养分空间变异研究[A];中国土壤学会第十一届全国会员代表大会暨第七届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集（中）[C];2008年

8 章明清;彭嘉桂;林琼;杨杰;颜明娟;;闽东南耕地土壤长期供钾特性研究[A];第八届全国青年土壤暨第三届全国青年植物营养与肥料科学工作者学术讨论会论文集[C];2002年

9 魏丹;;不同培肥措施对石灰性黑钙土水毁耕地土壤理化因子及产量的影响[A];中国地壤学会第十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会文集（面向农业与环境的土壤科学专题篇）[C];2004年

10 张登红;杨新莲;;山西省大同市耕地上有机质和速效钾的变化趋势[A];中国地壤学会第十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会文集（面向农业与环境的土壤科学专题篇）[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 记者 冯华;我国耕地土壤“家底”摸清[N];人民日报;2013年

2 沈静芳;早建耕地数据库[N];内蒙古日报（汉）;2005年

3 通讯员 陈天长;13.5万亩耕地土壤将明显改善[N];闽西日报;2011年

4 中化化肥公司高级顾问 奚振邦 研究员;正面认识化肥对耕地土壤的影响[N];农资导报;2004年

5 李丽辉;特大防汛抗旱资金3.15亿元紧急拨付[N];人民日报;2008年

6 尼勒克县喀拉苏乡农业推广站 马兆萍 尼勒克县喀拉苏乡农机新技术推广站 阿依达尔;干旱地区土地耕作存在的问题及解决办法[N];新疆科技报(汉);2007年

7 王澎;高标准农田建设有了“国标”[N];农资导报;2014年

8 ;提高耕地质量已迫在眉睫[N];经济日报;2005年

9 ;提高耕地质量已迫在眉睫[N];济宁日报;2005年

10 通讯员陈斌 记者陆学进;夏粮单产连续4年全省第一[N];南通日报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 郝桂娟;大兴安岭东麓旱作丘陵区耕地质量演变与可持续利用[D];中国农业科学院;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 贾丽;吉林省镍矿区耕地土壤／玉米体系中重金属的污染特征及迁移规律[D];吉林大学;2016年

2 蒋威;基于不同数据类型的区域耕地土壤有机质含量估测方法研究[D];福建农林大学;2016年

3 钟燕;基于HSI高光谱数据的耕地土壤重金属镉、铅含量遥感反演[D];四川农业大学;2016年

4 张莹;苏南典型地区耕地土壤质量时空变化研究[D];南京农业大学;2006年

5 王秋彬;长期施肥条件下吉林省主要耕地土壤质量的时空演变特征研究[D];吉林大学;2012年

6 杨梅;重庆市耕地土壤重金属的空间变异性研究[D];西南农业大学;2005年

7 麻万诸;浙江省耕地肥力现状及管理对策[D];浙江农林大学;2011年

8 杨林;基于GIS技术的亚热带不同区域耕地土壤酸化及其差异研究[D];福建农林大学;2012年

9 赵艳;宜兴市耕地土壤质量空间特征研究[D];南京大学;2012年

10 徐军生;克山县黑土区退化坡耕地综合治理技术研究[D];中国农业科学院;2011年

本文编号：788201