应用不同预处理方法建模测定土壤有机质和总氮含量

发布时间：2020-06-07 02:47

【摘要】：精准农业的实现需要实时准确地检测土壤的养分状况,合理施肥,提高作物产量。土壤的有机质和总氮是作物健康生长所必需的营养素,是评定土壤肥力的关键因素,因此,确定土壤的有机质和总氮对于精准农业具有非常重要的意义。传统的实验室测定土壤中有机质和总氮含量的方法测定速度比较慢,而且成本高,因为采用化学分析手段,还会对环境造成污染。随着当代光学和数据处理技术的发展,结合化学计量学方法的近红外光谱分析技术已变成了1990年以来成长最为迅速的数据处理技术,它完全克服了实验室传统测定组分方法的缺点,具有无损、成本低,测试方便、速度快、无污染等优势,非常适合检测土壤中有机质和总氮的含量。本课题研究获取了 189个山东地区的土壤样本,通过采集土壤近红外光谱、异常样本剔除、光谱预处理、建立PLS定量回归模型预测土壤有机质和总氮含量,最后根据相关系数和均方根误差的模型标准,选取最适合土壤有机质和总氮测定的光谱预处理方法。首先,采集并分析了样本的光谱。在波长1400、1900和2200 nm处,土壤近红外光谱有3个吸收峰,随着波长的增大,吸光度也会逐渐下降。利用主成分分析-马氏距离的方法对土壤的异常样本进行剔除,主成分分析的作用是减少数据量,消除谱线重叠与光谱矩阵共线,减少数据干扰;计算主成分分析后的数据的马氏距离,设定阈值,在阈值范围内的样本保留,在阈值以外的样本被剔除。然后,对土壤的近红外原始光谱采用各种预处理方法进行处理,消除噪声干扰。文章中分析了采用不同光谱预处理后近红外光谱的特征,但是仅仅凭借近红外光谱的特征不能比较出最优的光谱预处理方法,还需建立PLS定量回归模型,根据相应的模型指标,比较出最优光谱预处理方法。最后,分别采用归一化、平滑、一阶导数、二阶导数、归一化与平滑结合、归一化与导数结合、平滑与导数结合、归一化平滑导数结合得到的光谱数据建立PLS定量回归模型,其中平滑方法采用的是3点平滑、5点平滑和7点平滑。PLS定量回归模型的建立,最佳主成分个数的确定是关键的一步,本文采用K阶交互验证方法确定最佳的主成分的个数。建模结果发现3点平滑与一阶导数结合的方法最适合土壤中有机质和总氮含量的测定。其中,土壤有机质的PLS模型,训练集均方根误差RMSECV和相关系数Rt分别是0.1385和0.96496;预测集均方根误差RMSEP和相关系数RP为0.1819和0.9276。土壤总氮的PLS模型,训练集均方根误差RMSECV和相关系数Rt分别是0.0841和0.99435;预测集均方根误差RMSEP和相关系数RP为0.1157和0.9821。证明了方法组合的方式在测定土壤有机质和总氮含量方面是可行的。
【图文】：

过程图,近红外光谱,过程,阵列检测器

１．２邋ＮＩＲＳ在土壤科学领域应用中的研究逡逑１．２．１邋ＮＩＲＳ发展概述逡逑ＮＩＲＳ的成长过程如图１－１所示。从图１－１中能够发现，ＮＩＲＳ发展最快的时期逡逑主要应用在农业科学领域方面，少数体现在优先级相对较低的化学工业领域［９］。逡逑ＮＩＲＳ是一种光谱测量和化学计量学结合的手段，具有速度快、效率高、分析成本逡逑低、测试重现性好、无损测量、便于实现在线分析的特点ＮＩＲＳ需要具备的条逡逑件有ＮＩＲＳ仪器、化学计量学软件和预测模型。近红外光谱仪一般包括以下类型：逡逑滤光片、光栅扫描、阵列检测器、声光可调滤光器（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ邋Ｔｕｒｎａｂｌｅ邋Ｆｉｌｔｅｒ，逡逑ＡＯＴＦ）、傅里叶变换（Ｆｏｕｒｉｅｒ邋Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，邋ＦＴ），固定光路阵歹！ｊ检测器型仪器在短波逡逑区域多采用电荷z1合器件（Ｃｈａｒｇｅ邋Ｃｏｕｐｌｅｄ邋Ｄｅｖｉｃｅ，邋ＣＣＤ），长波区域多采用二极管逡逑阵列检测器（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ邋Ｄｅｔｅｃｔｏｒ邋Ａｒｒａｙ，邋ＰＤＡ），市面上己经有了邋ＰＤＡ型和ＣＣＤ型逡逑的近红外光谱仪器产品，它们分别应用于短波波段和长波波段［１Ｑ．ｎ］。利用ＮＩＲＳ仪逡逑器采集光谱后

光谱反射率,含水量,偏最小二乘,土壤样

法和偏最小二乘结合、遗传算法和偏最小二乘结合的特征波长选择方法分别确立逡逑土壤０Ｃ的ＰＬＳ模型，基于归一化预处理的预测精度是基因算法和ＰＬＳ结合的偏最逡逑小二乘模型（Ｇｅｎｅｔｉｃ邋Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ－邋Ｐａｒｔｉａｌ邋Ｌｅａｓｔ邋Ｓｑｕａｒｅｓ，邋ＧＡ－ＰＬＳ），该模型远远大于未逡逑知变量消除法和偏最小二乘结合建立的模型（Ｕｎｋｎｏｗｎ邋Ｖａｒｉａｂｌｅｓ－邋Ｐａｒｔｉａｌ邋Ｌｅａｓｔ逡逑Ｓｑｕａｒｅｓ，邋ＵＶ－ＰＬＳ）［４６］。Ｂｅｌｌｏｎ－Ｍａｕｒｅｌ邋等利用近红外（Ｎｅａｒ－Ｉｎｆｒａｒｅｄ邋Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，逡逑ＮＩＲ）和中红外（Ｍｉｄ－Ｉｎｆｒａｒｅｄ邋Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，邋ＭＩＲ）光谱技术测定土壤的ＯＣ，结果表明，逡逑利用中红外光谱技术结果更为准确，但是成本较高，，没有ＮＩＲ方便［４７］。Ｒｏｂｅｒｔｓ逡逑等通过近红外光谱法分析了土壤千湿度对土壤样本特征的影响，结果表明，对不逡逑同湿度的土壤样本进行光谱预处理不能提高校正率，因此必须对土壤样本进行风逡逑干处理［４８］。Ｍｏｕｒａ－Ｂｕｅｎｏ使用不同的光谱预处理（包括导数、各种归一化手段和非逡逑线性变换手段）和多变量校准方法（ＰＬＳ、多元线性回归（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ｌｉｎｅａｒ邋Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ，逡逑ＭＬＲ）、ＳＶＭ、随机森林（Ｒａｎｄｏｍ邋Ｆｏｒｅｓｔ，邋ＲＦ）），预测亚热带土壤样本中的有机质Ｃ逡逑含量，实验结果发现，预测效果ＰＬＳ邋＞邋ＳＶＭ邋＞邋ＭＬＲ邋＞邋ＲＦ州。逡逑：
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S153.6

【相似文献】