引言

高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展為高效快速地監(jiān)測土壤氮磷含量提供了新的技術(shù)手段。不同學(xué)者根據(jù)所研究區(qū)的實(shí)際狀況，提出了適用于本地區(qū)的土壤氮磷含量預(yù)測模型，但多數(shù)模型對于不同的研究區(qū)所選取的 敏感波段和建立的預(yù)測模型也往往有一定差異。在上述模型中很難找到一種適用于所有地區(qū)的通用方法，而且多數(shù)模型僅僅處于試驗(yàn)研究階段，需要大量的實(shí)地觀測數(shù)據(jù)來修正。本文以三峽庫區(qū)王家溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用118個土壤樣本的室內(nèi)反射光譜及其土壤總氮和總磷含量的化學(xué)測定數(shù)據(jù)，選取了適用于本研究區(qū)的特征波段，并在此基礎(chǔ)上建立了土壤總氮和總磷的預(yù)測模型。

土壤樣品的野外采集和實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析

2008年9月，在三峽庫區(qū)王家溝小流域內(nèi)( 面積 257.91hm2 ) 采集耕層( 0 ～ 20cm) 土壤樣本共 118 個。采樣方式是利用GPS獲取采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)，以采樣 點(diǎn)為中心進(jìn)行多點(diǎn)混合采樣。采好的土壤樣本裝入塑料袋中編號，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干。風(fēng)干后，將干結(jié)的土塊敲碎，粗略剔除土壤以外的侵入體）如植物的根系或石粒等雜質(zhì)) ，再經(jīng)過研磨和過篩處理。所有的土壤樣品都被分成兩份: 一份用于化學(xué)組分含量的測定，另一份用于光譜反射率的測定。本研究土壤化學(xué)分析工作是由西南大學(xué)土壤農(nóng)化與生命 元素分析實(shí)驗(yàn)室完成的。土壤樣品的總氮與總磷含量的測定分別采用的是半微量開氏定氮法和采用堿熔融法。

預(yù)處理

從圖1可以看出，所有樣本的光譜曲線在約 1000 nm 和 1800nm 波段處都出現(xiàn)了階躍性變化。這主要是由于光譜儀在紫外 /可見光和近紅外/短波 紅外波長部分采用了不同的探測元件，在不同的探測元件分區(qū)結(jié)合處往往會出現(xiàn)一定偏差所致。因此，利用利用光譜分析軟件對原始光 譜曲線進(jìn)行了斷點(diǎn)擬合。除了在 400 ～ 800nm 波段急劇上升外，在其他波段處曲線變化相對較為平緩，其反 射和吸收峰并不明顯，這往往不利于各樣品光譜曲線之間的特征比較。因此，可對光譜曲線進(jìn)行包絡(luò)線消 除處理，將光譜反射和吸收特征歸一到較為一致的背景。所有土壤樣品進(jìn)行包絡(luò)線去除后得到的反射光譜曲線如圖 2 所示。

圖1 土壤樣本的典型反射光譜

圖 2 土壤樣本去包絡(luò)的反射率

原始反射率 R 與土壤全氮和全磷的相關(guān)系數(shù)如 圖 3 所示。由圖 3 可以看出，TN 和 TP 與土壤原始反 射率的相關(guān)系數(shù)都很低，其絕對值的最大值都不超過 0. 3。這說明，原始的光譜反射率與土壤 TN 和 TP 之 間不具有顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖3 土壤全氮和全磷與原始反射率的相關(guān)系數(shù)

對經(jīng)過預(yù)處理后得到的光譜反射率數(shù)據(jù) R’與土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行相關(guān)分析，得到結(jié)果如圖 4 所示。

圖 4 土壤全氮和全磷與預(yù)處理后的反射光譜的相關(guān)性

從圖 4 可以看出，經(jīng)過預(yù)處理以后土壤養(yǎng)分含量與吸收光譜具有較高的相關(guān)性。

利用偏最小二乘方法消除多波段之間的多重共線性，并根據(jù)預(yù)測殘差平方和交叉驗(yàn)證方法，選取 3 和 2 個主成分?jǐn)?shù)分別用于 TN，TP 的PLS 建模分析。為了更好地分析模型預(yù)測的效果，將 模型的預(yù)測值和實(shí)測值繪制成散點(diǎn)圖，如圖 5 和圖 6 所示。

圖5 土壤 TN 濃度預(yù)測模型的標(biāo)定和驗(yàn)證

圖 6 土壤 TP 濃度 PLS 回歸模型的標(biāo)定和驗(yàn)證

結(jié)論

文中在對去包絡(luò)的反射率進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上， 建立了土壤全氮和全磷的高光譜預(yù)測模型。結(jié)果表明，在對去包絡(luò)的反射率經(jīng)過預(yù)處理后，與土壤全氮和全磷的相關(guān)性有明顯增強(qiáng)。根據(jù)預(yù)處理的反射率建立的土壤總氮的預(yù)測模型具有較高精度。但土壤總磷預(yù)測模型的精度仍然不能令人滿意。今后的研究可繼續(xù)研究近紅外甚至是中紅外光譜用于預(yù)測總磷的有效方法。

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審核編輯黃宇