高光譜技術(shù)在南疆鹽漬化土壤鹽分檢測(cè)中的應(yīng)用

張楠楠+張曉+范澤華+白鐵成

摘 要：土壤鹽漬化是一個(gè)重要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。高光譜技術(shù)可提供地物的連續(xù)光譜信息，利于分析細(xì)微差別，為定量研究土壤鹽分含量提供了便利。阿克蘇地區(qū)位于新疆南疆塔里木河流域上游，水力資源匱乏，鹽漬化問(wèn)題十分嚴(yán)峻。該研究基于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采集土壤的高光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)建立模型來(lái)定量分析土壤鹽分含量。首先對(duì)原始光譜進(jìn)行光譜與處理，接著用相關(guān)系數(shù)法等方法找出土壤鹽分的特征波長(zhǎng)，并以此建立預(yù)測(cè)模型，可用偏最小二乘法等方法來(lái)建立模型。這些研究對(duì)于運(yùn)用高光譜技術(shù)定量分析土壤鹽漬化有一定的意義。

關(guān)鍵詞：近紅外高光譜 檢測(cè) 土壤鹽分

中圖分類(lèi)號(hào)：TP70 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0128-02

土壤鹽漬化可造成土壤肥力衰退、作物生產(chǎn)力下降、生態(tài)環(huán)境惡化，是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[1-3]。對(duì)鹽漬化土壤進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)利用、改良、治理，要求能夠快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地獲取大面積鹽漬化土壤的鹽分信息。傳統(tǒng)土壤鹽漬化的監(jiān)測(cè)采用野外定點(diǎn)調(diào)查方法，其費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且破壞性強(qiáng)、測(cè)點(diǎn)少、代表性差[4]，難以滿足快速、動(dòng)態(tài)地獲取大面積鹽漬化土壤鹽分信息的要求。新疆南疆綠洲區(qū)為土壤鹽漬化大區(qū)，鹽堿土具有面積大、類(lèi)型多、積鹽重、形成復(fù)雜的特點(diǎn)[5]。

1 南疆鹽漬化土壤鹽分檢測(cè)的重要意義

目前，新疆南疆地區(qū)因?yàn)E用水土資源，已經(jīng)造成了生態(tài)環(huán)境的日益惡化，地下水和地表水的礦化度顯著提高，水生生物數(shù)量銳減，植被覆蓋度急劇下降，沙塵暴頻發(fā)。因此，根據(jù)土壤鹽漬化的現(xiàn)狀需進(jìn)行農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整與土壤資源的進(jìn)一步規(guī)劃。傳統(tǒng)土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)在野外采用人為土壤定點(diǎn)考察方法，由于其取樣速度慢、室內(nèi)分析過(guò)程繁瑣而致使整個(gè)過(guò)程變得費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且樣點(diǎn)少，代表性差，無(wú)法達(dá)到大面積、快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)土壤鹽漬化的要求，而高光譜遙感技術(shù)以其宏觀、綜合、動(dòng)態(tài)、快速等特點(diǎn)，已成為監(jiān)測(cè)土壤鹽漬化的一種先進(jìn)探測(cè)手段。高光譜遙感為南疆土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)提供了新的途徑和手段。此研究的開(kāi)展，目的在于為高光譜航天和航空遙感給出近地面高精度的實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)與理論依據(jù)，從而使高光譜遙感技術(shù)在南疆土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)中的精度得到一定程度提升，從而為該區(qū)域土壤鹽漬化的治理與土壤資源的規(guī)劃提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和有效的科學(xué)依據(jù)。但其前提是需在實(shí)驗(yàn)室條件下運(yùn)用高光譜成像技術(shù)對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)試和分析，得到其準(zhǔn)確的敏感波段和掌握建模算法。

2 高光譜成像技術(shù)的檢測(cè)原理

2.1 概念

高光譜成像技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)技術(shù)，包括光學(xué)、光電子學(xué)和計(jì)算機(jī)信息處理等，其將光譜技術(shù)與成像技術(shù)完美地結(jié)合起來(lái)。與可見(jiàn)光相比，近紅外波段具備全天候?qū)崟r(shí)性，不受惡劣的天氣環(huán)境、自然災(zāi)害等影響的特點(diǎn)，且某些物質(zhì)在紅外波段具有其特有的診斷性特征譜，因此，近紅外高光譜成像技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，并已應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)氣象學(xué)領(lǐng)域。

2.2 高光譜成像技術(shù)的工作原理

高光譜成像技術(shù)獲得目標(biāo)信息時(shí)，還獲取每個(gè)像元的數(shù)十個(gè)至數(shù)百個(gè)窄波段光譜信息。成像光譜儀則可獲取三維數(shù)據(jù)信息，其成像方式主要有：色散型、濾光片型等。色散型成像光譜儀主要用棱鏡和光柵這兩種元件，其技術(shù)較為成熟；濾光片型成像光譜儀采用相機(jī)加濾光片的方式，原理簡(jiǎn)單，正在普及中。

2.3 高光譜成像技術(shù)的特點(diǎn)

高光譜成像技術(shù)主要具備以下特點(diǎn)：（1）高分辨率。光譜分辨率為納米級(jí)，一般為10～20 nm，有的達(dá)到2.5 nm。（2）譜圖合一。獲得的圖像包含輻射強(qiáng)度和光譜特征。（3）光譜波段多，在某一光譜波段內(nèi)可連續(xù)成像。

3 近紅外高光譜成像技術(shù)檢測(cè)南疆鹽漬化土壤中鹽分含量的步驟

3.1 土壤樣品的選取與采集

在南疆阿克蘇地區(qū)所選的典型樣點(diǎn)進(jìn)行土樣采集，取表層土壤，深度為0～10 cm，確定樣方面積為3.0 m×3.0 m，采用5點(diǎn)法采樣，即在每個(gè)樣方的4角和中心各取1個(gè)土樣，混合均勻，取500 g土樣。放入塑料袋中，并做好標(biāo)記。經(jīng)過(guò)室內(nèi)陰干和研磨過(guò)篩，分成兩份，一份用于土壤鹽分測(cè)定，一份用于近紅外光譜測(cè)定。

3.2 高光譜檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)備

先打開(kāi)主電源，再接通成像光譜儀的電源，將暗室的燈光旋鈕開(kāi)到最大；調(diào)節(jié)成像光譜儀在合適的高度；將裝有配套軟件的電腦與高光譜儀器的網(wǎng)口和USB口連接起來(lái)；打開(kāi)軟件，檢查各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否正常。

3.3 土壤光譜數(shù)據(jù)采集

成像光譜儀系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置正確之后，將土壤樣品放置于可左右移動(dòng)的平臺(tái)上，可先用預(yù)覽來(lái)查看樣品放置的位置是否正確、圖像是否清晰。若符合預(yù)期，可進(jìn)行土壤高光譜圖像數(shù)據(jù)采集。

4 土壤中鹽分含量的測(cè)定及模型的建立

土壤含鹽量的測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》[6]中電導(dǎo)法測(cè)定，計(jì)算結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算土壤全鹽含量。

在測(cè)出土壤鹽分含量時(shí)，運(yùn)用高光譜成像儀進(jìn)行掃描，得出原始光譜，運(yùn)用平滑處理、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、對(duì)數(shù)變換、SG卷積平滑和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量交換等預(yù)處理方法對(duì)原始光譜進(jìn)行處理。運(yùn)用相關(guān)系數(shù)法、連續(xù)投影算法等方法找出土壤鹽分的特征波長(zhǎng)，并以此建立預(yù)測(cè)模型，可用偏最小二乘法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法來(lái)建立模型。

5 模型評(píng)價(jià)

為了有效評(píng)價(jià)模型精度，文章選取決定系數(shù)、均方根誤差、準(zhǔn)確率進(jìn)行模型分析檢驗(yàn)。其中，R2取值在0到1之間，選用模型的擬合度越好，其值越接近1；RMSE用于模型驗(yàn)證，反映了預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的偏離度，值越小模型精度越高；Precision的值越接近1，模型正確率越高。

6 結(jié)語(yǔ)

利用有效信息建立高光譜數(shù)據(jù)與土壤鹽分的定量模型已經(jīng)成為研究鹽漬化的重點(diǎn)。由于高光譜數(shù)據(jù)的信息量較大，如果能夠剔除數(shù)據(jù)噪聲，選擇合適的波段進(jìn)行建模分析，不僅能夠簡(jiǎn)化模型，節(jié)約建模時(shí)間，也可以提高模型的預(yù)測(cè)精度。基于相關(guān)分析法選擇的波段數(shù)量較少，難以保證光譜信息被有效利用，而全譜建模分析容易產(chǎn)生過(guò)擬合現(xiàn)象，使模型的預(yù)測(cè)能力大大下降。因此，需要選擇合適的方法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征波段選擇。此課題今后研究的方向?yàn)檫\(yùn)用更好的算法來(lái)減少高光譜的信息量，精確找出土壤鹽分的特征波長(zhǎng)，來(lái)提高建模的精確度。

參考文獻(xiàn)

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