基于实测光谱数据的奇台绿洲土壤碱化程度反演研究

发布时间：2018-01-27 04:45

本文关键词： 实测高光谱反射率土壤碱化指标 SPOT6遥感影像反演模型　出处：《新疆大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：土壤盐碱化问题是目前世界范围内干旱半干旱地区农业生产面临的最主要的四类生态环境问题(水土流失、土壤风蚀沙化、土壤缺水、土壤盐碱化)之一。土壤盐碱化不仅会导致农业发展受限、农作物减产,更严重还会破坏环境和生态系统,使生态失衡。在全世界范围内,共有超过30%的陆地受到这一问题的困扰,其面积已超过10亿公顷。因此,土壤盐碱化问题已经成为世界各国共同面临的难题之一。我国是全球范围内受到土壤盐碱化影响程度较重的国家之一,有着不同程度的盐碱化土壤超过2000万公顷,而这些土壤又主要分布在干旱半干旱的绿洲及绿洲周围的农牧业灌溉区域,影响着当地的农牧业发展。新疆是国家的粮棉生产和贮备基地,也是面积最大的干旱半干旱区域,其农业经济的发展一直受到土壤盐碱化的制约,因此,掌握新疆盐碱化土壤的各项理化属性,对盐碱化程度和影响范围进行准确判断已势在必行。揭示新疆地区盐碱化土壤的时空变化规律,并以此为基础,建立建全土壤盐碱化改良的机制和政策,可更好地制定防治措施。这也对新疆农业经济的持续健康发展和新疆生态环境系统向着平稳有利的方向发展有着重要的现实意义。相比于传统意义上的土壤碱化状况调查费时费力、调查结果不准确及揭示土壤碱化时空动态分布较为不易等缺点,利用遥感技术获取的光谱和影像数据以及野外采集的土壤样本数据对碱化土壤的各项属性进行监测研究,能够达到较为理想的效果。本文以新疆奇台县绿洲区域为研究区,采用多种手段与方法,对土壤碱化程度进行探讨。从土壤中离子对土壤碱化的影响的角度,利用实测光谱数据、影像提取光谱反射率数据和实地采样数据,分析其相关性,从实测光谱反射特征曲线中提取出各离子的特征波段以及土壤碱化指标在可见光范围内的敏感波段,①利用多元线性回归的建模方法建立基于离子特征波段的碱化指标反演模型并检验,②利用多元线性回归方法、逐步回归法和偏最小二乘回归法等三种方法,建立基于可见光敏感波段的碱化指标反演模型,对比不同方法对于反演模型精度的影响,同时对模型进行检验,进而选取出最佳的碱化指标反演模型,为碱化土壤的监测提供不同的新的思路。并通过对高分辨率遥感影像SPOT6提取采样点的反射率值,经过6种变换处理(原始、倒数、对数、对数的倒数、平方、平方根),建立各碱化指标的反演模型,利用实测反射率的不同变换对反演模型进行检验,从而实现运用遥感影像技术对大范围的碱化土壤进行监测和预报。本研究主要成果与结论如下:(1)奇台县绿洲内碱化土壤的光谱特征曲线大体呈现波浪型。实测光谱反射率曲线与Mg~(2+)、Ca~(2+)两种离子含量的相关性并不明显,而与CO_3~(2-)的相关性最好。相比pH值和实测光谱反射率的相关性,总碱度TA和实测光谱反射率的相关性更好,且离子含量(Mg~(2+)、Ca~(2+)除外)、碱化指标分别与实测光谱反射率的相关性曲线均在红波段范围内(679nm附近)达到峰值。(2)基于离子特征波段的碱化指标的反演模型中,总碱度TA的模型精度最高,建模R~2和检验R~2分别为0.703和0.851,其模型精度比pH值高约14%。说明作为碱化指标的pH值并不一定适用于反映土壤的碱化程度。(3)研究区采样点的碱化指标数据呈现正态分布,且其变异系数从弱变异性至强变异程度均有分布,这使得模型更具普遍性。三种不同方法建立的碱化指标反演模型中,多元线性回归方法建立的模型精度最优,其中总碱度TA的建模精度和检验精度分别可达0.722和0.816,且相对分析误差RPD大于2,证明模型的预测能力及效果都较好。(4)SPOT6影像和实测反射率的倒数、对数以及平方根变换的相关性要优于两类原始反射率的相关性,提高了7%左右。相比原始影像反射率和各碱化指标的相关性,影像反射率对数的倒数和倒数变换分别与碱化指标SAR、RSC和pH值的相关系数均有所提高,而影像的对数和平方根变换与总碱度TA的相关性和影像原始反射率与TA的相关性则相差较小,其余的则下降较为明显。实测反射率的对数、平方根和倒数变换与各碱化指标的相关性比实测原始反射率与各碱化指标的相关性高(反射率倒数变换与TA的相关性除外)。(5)除碱化指标SAR外,其余三类碱化指标的影像反射率反演模型的验证结果与建模精度的结果一致,即影像提取反射率的对数变换建立的碱化指标TA反演模型,利用反射率倒数的变换建立的碱化指标RSC和pH值的反演模型在同类碱化指标中最好,其中pH值的建模R~2和检验R~2分别达到了0.600和0.577,其反演效果优于其他碱化指标,也反映了SPOT6影像对于反映土壤酸碱程度的pH值的效果更好。
[Abstract]:The problem of soil salinity is one of the most important problems faced by agricultural production in arid and semi - arid regions in the world . The results and conclusions are as follows : ( 1 ) The correlation between the measured spectral reflectance curve and the measured spectral reflectance is the best , and the correlation between the logarithm of the total alkalinity TA and the measured spectral reflectance is better than that of the two kinds of original reflectivities . ( 5 ) In addition to the alkalizing index SAR , the results of the image reflectivity inversion model of the remaining three types of alkalizing indexes are consistent with the result of modeling accuracy , that is , the base index TA inversion model established by the logarithmic transformation of the reflectivity of the image , and the inversion model of the alkalinity index rsc and the pH value established by the transformation of the inverse of the reflectance is the best in the same type of alkalizing index , wherein the modeling R - 2 and the test R - 2 of the pH value are respectively 0.6600 and 0.577 , and the inversion effect is better than other alkalizing indexes , and the effect of the SPOT6 image on the pH value reflecting the acid - base degree of the soil is better .

【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S156.4

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