基于多源光谱数据的干旱区土壤含盐量定量反演研究

发布时间：2017-12-06 19:13

  本文关键词：基于多源光谱数据的干旱区土壤含盐量定量反演研究

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【摘要】：土壤盐渍化是当今世界重要的生态环境问题,尤其是在干旱、半干早地区常见的环境问题。严重的土壤盐渍化会导致土地退化,对生态环境和农业的可持续发展产生消极影响。新疆于田绿洲土壤盐渍化问题较为突出,对当地的农业生产和社会经济的发展产生威胁,基于实测数据和遥感数据的定量分析方法能够提供不同时空尺度上的土壤属性实时信息,为干旱区土壤盐渍化评估与实时监测提供可靠模型,为绿洲农业可持续发展及其决策提供科学依据和数据支撑。本文以于田县北部的达里雅博依湿地自然保护区为研究区,对与多光谱影像同步采集的土壤样品进行理化性质的测定,分析土壤盐渍化程度,分别在室内和野外测量土壤光谱反射率,分析研究区盐渍土的基本光谱特征。分析土壤光谱反射率随土壤含盐量的变化规律,土壤光谱反射率与土壤含盐量、含水量、p H值、电导率之间的相关性。根据分析结果,结合盐渍土的基本光谱特征,选择对土壤含盐量、含水量、p H值、电导率敏感的波段,利用偏最小二乘回归(PLSR)和逐步多元线性回归(SMLR)分析法建立基于实测光谱数据的土壤含盐量、含水量、p H值、电导率的反演模型。在分析实测光谱反射率与多光谱影像反射率的相关性及多光谱影像土壤含盐量、含水量、p H值、电导率的敏感波段的基础上,建立基于World View-2多光谱影像的土壤含盐量、含水量、p H值、电导率的反演模型,以决定系数R~2,建模总均方根误差RMSE,残留预测偏差RPD作为模型精度评价的指标对模型进行了评价,最后作出土壤含盐量、含水量、p H值、电导率空间分布图。本文主要结论如下:(1)土壤盐渍化程度分析结果表明:研究区的土壤含盐量、含水量、p H值和电导率含量普遍较高,差异较大,土壤p H值范围为7.61-9.86,呈碱性。各土壤盐分参数的空间分布是不均匀,在空间的分布上呈现出一定聚集的趋势。(2)利用室内光谱、野外实测光谱、World View-2多光谱影像数据,分析盐渍土的基本光谱特性和土壤反射率随土壤盐分含量的变化规律以及室内光谱和野外实测光谱反射率的一阶导数和二阶导数光谱曲线特征。室内光谱和野外实测光谱分析结果显示,土壤样品的反射率在400-600nm波段急剧上升,600-800nm波段反射率缓慢上升,而在800-1900nm波段反射率上升更趋缓慢,1900以后反射率先下降后升高,于2150nm处达到极大值,以后又开始下降。World View-2多光谱影像反射率在450-625nm波段光谱反射率急剧上升,630-745nm波段反射率缓慢上升,而745-1040nm波段反射率更缓慢。不同含盐量的盐渍土室内光谱和野外反射光谱曲线反映了在600nm、800nm、1000nm、1400nm、1900nm、2100nm、2200nm、2400nm附近的吸收峰随含盐量的增加有所加深。光谱反射率的一阶导数和二阶导数是土壤盐分反演的最佳变换形式,它能使光谱反射曲线上的细微光谱特征放大,易于观察,在1000nm、1800nm、2050nm处,小尖刺,在1400nm、1950nm、2400nm处,出现较明显的尖刺,说明这些波段与土壤含盐量的相关性较大。(3)土壤盐分含量与室内光谱、野外实测光谱一阶导数和二阶导数以及与World View2多光谱影像反射率进行相关分析,分别建立基于室内光谱和野外实测光谱反射率的PLSR和SMLR模型。相关分析结果显示,室内光谱反射率一阶导数与土壤含盐量的相关系数在1950nm处达到极值,野外实测光谱反射率一阶导数与土壤含盐量的相关系数在795-1000nm波段范围达到极值。在室内光谱反射率二阶导数与土壤含盐量的相关系数中,450-1000nm波段范围是土壤含盐量的主要光谱响应区域,在野外实测光谱反射率二阶导数与土壤含盐量的相关系数中,800-1350nm波段范围是土壤含盐量的主要光谱响应区域,二阶导数对土壤含盐量敏感波段的选择的贡献大于一阶导数。World View-2多光谱遥感影像反射率与土壤含盐量的相关系数在705-745nm、770-895nm、860-1040nm波段范围达到极值。(4)利用PLSR和SMLR方法分别建立基于室内光谱和野外实测光谱的土壤含盐量反演模型:综合模型的稳定性以及预测能力来看,土壤电导率是反演土壤含盐量的最佳盐分参数,基于野外实测光谱数据的偏最小二乘回归模型是土壤盐分含量的最佳反演模型,模型的决定系数R~2为0.75,均方根误差RMSE为0.05,残留预测偏差RPD为1.46。(5)室内光谱反射率与野外实测光谱反射率的相关性最好,相关系数为0.99,野外实测光谱反射率与多光谱反射率的关系较密切,相关系数最大值为0.90。土壤含盐量不同时,室内光谱、野外实测光谱、World View-2多光谱遥感影像反射率随波长的变化趋势基本一致。(6)将World View-2多光谱影像的三个土壤盐分敏感波段、NDVI、SI等五个参数作模型的输入参数建立基于多光谱影像的PLSR和SMLR反演模型,结果表明土壤含盐量高值区域主要集中在克里雅河的西南部及北部区域。低值区向克里雅河周围的较高值区域移动,且移动趋势明显。土壤含盐量的高值区和低值区的分布状况与土壤电导率的高值区和低值区的分布状况一致,而土壤含盐量的分布状况与土壤含水量与p H值的分布状况相反,土壤含盐量的高值区主要集中在土壤含水量和p H值的低值区。基于World View-2多光谱影像的偏最小二乘回归模型是土壤含盐量的最佳反演模型,模型的决定系数R~2为0.78,均方根误差RMSE为0.06,残留预测偏差RPD为3.04,土壤电导率是反演土壤含盐量的最佳盐分参数。
【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】：S156.41

【参考文献】

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本文编号：1259660