基于高光譜特征參數(shù)優(yōu)選的土壤鹽分含量建模及其驗(yàn)證

李 志，蘇武崢，李新國(guó)，王銀方，毛東雷，麥麥提吐?tīng)栠d·艾則孜

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與科技信息研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054；3.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054)

0 引 言

【研究意義】土壤的信息化與數(shù)字化管理是智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析的前提[1]。土壤鹽分在土體中的運(yùn)移和積累引起的鹽漬化是全球土地退化的主要類型之一，而準(zhǔn)確追蹤土體鹽分信息變化，對(duì)防治土壤鹽漬化發(fā)生、治理鹽漬土以及實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2-3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近地高光譜技術(shù)以其快速無(wú)損獲取精細(xì)光譜信息、光譜分辨率高和波段連續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于土壤鹽分的定量估算，其方法體系為：土樣采集與制備、光譜數(shù)據(jù)獲取、光譜預(yù)處理、光譜數(shù)據(jù)變量篩選、模型的建立與驗(yàn)證[4-6]。引入遙感光譜指數(shù)，耦合2個(gè)或多個(gè)特征波段的反射率數(shù)值，從二維光譜空間表達(dá)土壤鹽分的高光譜響應(yīng)特征[7]。Chernousenko等[8]、Mashimbye等[9]和Suresh等[10]對(duì)土壤鹽分以及鹽基離子光譜敏感波段進(jìn)行分析提取，進(jìn)一步為高空遙感數(shù)據(jù)提供制圖參考。彭杰等[11]、張賢龍等[12]、王寧等[13]嘗試?yán)酶吖庾V數(shù)據(jù)，基于特征波段、光譜指數(shù)，采用回歸分析、偏最小二乘法等手段對(duì)新疆不同地區(qū)土壤鹽分進(jìn)行估算。【本研究切入點(diǎn)】翁永玲等[14]、蒲智等[15]、朱赟等[16]研究結(jié)果表明，利用高光譜手段表征土壤鹽分變化及定量估算是可行的，但不同變換形式光譜的敏感波段以及模型估算精度不盡一致。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以博斯騰湖西岸湖濱綠洲為研究區(qū)，野外土壤樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室理化分析，研究土壤剖面不同層次鹽分的干濕季節(jié)變化特征，結(jié)合光譜學(xué)分析技術(shù)表征干濕季節(jié)土壤鹽分變化下的高光譜響應(yīng)特征差異，采用數(shù)學(xué)放大算法構(gòu)建一維單波段和二維波段組合指數(shù)的鹽分特征響應(yīng)光譜指標(biāo)，并利用偏最小二乘回歸(Partial least squares regression，PLSR)方法建立土壤含鹽量的特征單波段和光譜指數(shù)估算模型并進(jìn)行精度驗(yàn)證。一維和二維層面特征光譜參數(shù)，分析土壤鹽分含量和近地反射光譜間的內(nèi)在定量關(guān)系，為研究區(qū)的土壤鹽分動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)測(cè)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)位于新疆焉耆盆地，地理坐標(biāo)介于41°45'～42°10'N，86°15'～86°55'E。氣候?qū)贉貛Т箨懶曰哪畾夂颍瑲鉁厝蛰^差、年較差大，年均氣溫達(dá)9.03℃，季節(jié)性表現(xiàn)一般春溫高于秋溫；降水稀少且季節(jié)變化大，氣候干燥，多年平均降水量83.5 mm，年蒸發(fā)量高于2 000 mm，其蒸降比可高達(dá)40∶1[17]。主要土壤類型有棕漠土、草甸土、沼澤土、灌耕潮土、鹽土、風(fēng)沙土等。植物類型以多枝檉柳(Tamarixramosissima)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、胡楊(Populuseuphratica)、花花柴(Kareliniacaspia)等為主[18]。研究區(qū)的地下水平均埋深為1.5～3.0 m。圖1

圖1 采樣區(qū)位置及樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Location of the sampling area and its sample layout

1.2 方 法

1.2.1 土樣采集與制備

基于野外調(diào)查，采用GPS定位技術(shù)，根據(jù)博斯騰湖湖濱帶土壤質(zhì)地、地貌特征、鹽分狀況、植被類型和生長(zhǎng)狀況以及土地利用方式等因素，針對(duì)土壤凍融前后、干濕變化明顯的2個(gè)季節(jié)，分別于2017年10月下旬(秋季，土壤凍融前)和2018年4月中旬(春季，土壤凍融后)從研究區(qū)選擇代表性地塊進(jìn)行統(tǒng)一定標(biāo)采集和制備土樣，共布設(shè)挖掘20個(gè)典型土壤剖面。結(jié)合研究區(qū)水埋深限制，參照李和平等[19]新疆土壤有效土層厚度劃分指標(biāo)，對(duì)每個(gè)剖面分層采集0～10、10～20、20～30、30～50 和50～100 cm深度土樣，每層選取4個(gè)點(diǎn)位采集土樣并充分混勻，利用四分法抽取約200 g裝袋，共計(jì)200份樣本。帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除可見(jiàn)雜物、植物根系，研磨，過(guò)20目孔篩，封存待測(cè)，先后用于光譜測(cè)試和土壤理化分析。

1.2.2 光譜測(cè)試及預(yù)處理

供試樣品在制備實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干土后立即進(jìn)行室外反射光譜測(cè)試，運(yùn)用ASD FieldSpec 3光譜儀進(jìn)行土壤光譜采集，保證每一批次供試樣品光譜采集時(shí)光源充足、太陽(yáng)高度角大致相同、風(fēng)力<3級(jí)、地面能見(jiàn)度≥10 km、淡積云量≤2%等。土樣平鋪(厚度約5 mm，直徑約10 cm)放置于對(duì)采集波段接近全吸收的深色牛皮紙上測(cè)定其反射光譜，每組樣品測(cè)試前進(jìn)行1次白板校正、DC暗電流采集和OPT優(yōu)化，每個(gè)土樣反復(fù)測(cè)量保存20條光譜曲線，通過(guò)ASD ViewSpecpro實(shí)現(xiàn)均值處理和連續(xù)跳躍點(diǎn)修正。選用Savitzky-Golay平滑法(窗口點(diǎn)數(shù)為15，多項(xiàng)式階數(shù)為2)進(jìn)行光譜平滑去噪。結(jié)合數(shù)據(jù)處理和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，剔除水汽吸收強(qiáng)烈和邊緣噪聲較大的波段區(qū)域：1 341～1 400、1 811～1 950和2 451～2 500 nm[12，20]。

1.2.3 樣本集劃分

制備標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃時(shí)、V(水):m(土)=5∶1比例下的土壤浸提液，鹽分含量測(cè)定方法參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》[21]。高光譜估算模型的性能評(píng)價(jià)受參與模型的訓(xùn)練樣本數(shù)大小決定[22]。為保證模型穩(wěn)定性和嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)所有200個(gè)供試土樣按照鹽分含量從高到低排序，隔1取3作為建模集。通過(guò)3∶1的建模集與驗(yàn)證集樣品劃分，鹽分含量分布情況一致。圖2

圖2 建模集和驗(yàn)證集的鹽分含量頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Statistics of salt content frequency distribution in model set and validation set

1.2.4 光譜數(shù)學(xué)增強(qiáng)

為提高光譜靈敏度，突顯光譜曲線的混合特征信息，對(duì)平滑去噪和剔除水汽吸收波段處理后的反射率數(shù)據(jù)(R)進(jìn)行平方根

倒數(shù)1/R、對(duì)數(shù)lgR、對(duì)數(shù)的倒數(shù)1/lgR、倒數(shù)的對(duì)數(shù)lg(1/R)及其分別一階微分、二階微分共17種形式光譜數(shù)據(jù)變換，以篩選一維層面最優(yōu)變換形式光譜提取敏感波段。

1.2.5 光譜指數(shù)構(gòu)建

光譜指數(shù)被認(rèn)為是估算土壤鹽分信息的重要手段之一，比原始光譜反射率(R)更敏感，可一定程度消除土壤亮度、色度等的影響，提高土壤鹽分信息估算的穩(wěn)定性[23，24]。研究進(jìn)一步利用光譜反射率系統(tǒng)構(gòu)造原始光譜任意2波段組合而成的差值指數(shù)(DSI)、比值指數(shù)(RSI)和歸一化指數(shù)(NDSI)，以實(shí)現(xiàn)光譜二維層面上的鹽分特征信息挖掘。表1

表1 參數(shù)定義Table 1 Definition of parameters

1.2.6 模型構(gòu)建及驗(yàn)證

分別選取一維、二維決定系數(shù)滿足相關(guān)閾值下的敏感波段反射率和敏感光譜指數(shù)作為自變量，結(jié)合變量投影重要性(Variable importance in projection，VIP)準(zhǔn)則進(jìn)一步挖掘模型最佳因子數(shù)，以鹽分含量為因變量，采用線性模型PLSR方法進(jìn)行反演建模[25]。建模精度采用建模集預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的建模決定系數(shù)Rc2和校正均方根誤差RMSEC來(lái)評(píng)價(jià)；預(yù)測(cè)精度采用驗(yàn)證集預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的預(yù)測(cè)決定系數(shù)Rv2、驗(yàn)證均方根誤RMSEV和相對(duì)分析誤差(relative prediction deviation，RPD)來(lái)評(píng)價(jià)。表2

表2 模型精度參數(shù)Table 2 Parameters of model accuracy

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分變化特征

研究表明，不同季節(jié)下各層土壤含鹽量的變化不盡相同。春季0～10 cm表層土壤含鹽量平均增加1.61 g/kg，積鹽率達(dá)60.68%，10～20 cm土層含鹽量平均增加1.34 g/kg，積鹽率在整個(gè)剖面達(dá)最大為80.81%，20 cm以下土層土壤積鹽率明顯下降，但都為正值。春季返鹽現(xiàn)象在0～100 cm內(nèi)皆存在，且以表層0～20 cm最為強(qiáng)烈。秋季土壤鹽分含量的變異性隨土層深度的增加先減小后增大，50～100 cm層變異系數(shù)在各土層最大為58.14%；而春季土壤鹽分含量的變異性隨土層深度的增加而減小。研究區(qū)秋、春2個(gè)季節(jié)各土層土壤鹽分含量的變異系數(shù)在33.26%～59.28%，屬中等強(qiáng)度空間變異。圖3

2.2 土壤高光譜特征

研究表明，不同土壤層、不同季節(jié)樣品的光譜反射率曲線形態(tài)及變化趨勢(shì)較為相似，在350～800 nm波段急劇上升，而在800～1 340、1 401～1 810和1 951～2 150 nm波段范圍反射率上升趨緩，于2 150 nm處達(dá)最大值后反射率逐漸下降。受大氣中OH-影響，存在2個(gè)異常明顯的水分吸收谷(位于1 341～1 400和1 811～1 950 nm附近)。不同土層，土壤光譜反射率差異性在350～590 nm可見(jiàn)光波段范圍較小，在800～2 500 nm近紅外波段范圍相對(duì)較大。0～10 cm表層土壤平均光譜反射率在整個(gè)波段范圍明顯高于其他層位，且以春季更加明顯。不同季節(jié)，隨著春季返鹽現(xiàn)象劇烈，土壤鹽分含量增加，在350～2 150 nm譜區(qū)土壤反射率高于秋季剖面土壤平均反射率，尤其體現(xiàn)在590、800、1 810和2 150 nm處。土壤剖面平均光譜反射率在全波段范圍內(nèi)的變異系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，秋季剖面土壤平均光譜反射率變異性在各波段均大于春季剖面土壤平均光譜反射率變異性，對(duì)應(yīng)其土壤剖面鹽分平均變異系數(shù)較大的特征。圖4

圖4 土壤剖面光譜反射曲線特征Fig.4 Characteristics of spectral reflectance curves of soil profiles

2.3 土壤高光譜特征參數(shù)變化及其與鹽分含量的相關(guān)性

2.3.1 土壤鹽分含量與不同變換形式光譜反射率的一維相關(guān)性分析

圖5 土壤鹽分含量與不同變換形式光譜反射率的一維相關(guān)性Fig.5 One-dimensional correlation analysis of soil salinity content and spectral reflectance of different transformed forms

表2 不同光譜變換形式下的土壤鹽分特征波段統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical analysis of characteristic bands of soil salinity under different spectral transformation forms

2.3.2 土壤鹽分含量與不同光譜指數(shù)的二維相關(guān)性

研究表明，基于DSI指數(shù)的高光譜R2矩陣圖中，土壤鹽分含量的特征響應(yīng)波段區(qū)間集中位于近紅外長(zhǎng)波區(qū)域，主要區(qū)間為：X：1 760～1 800 nm和Y：1 720～1 810 nm范圍，決定系數(shù)R2最高值達(dá)0.54?；赗SI指數(shù)的高光譜R2矩陣圖中，土壤鹽分含量的特征響應(yīng)波段區(qū)間集中位于近紅外長(zhǎng)波區(qū)域，主要位于：X：1 760～1 810 nm和Y：1 720～1 790 nm范圍，決定系數(shù)R2最高達(dá)0.48。RSI和NDSI與土壤鹽分含量的R2分布矩陣圖基本相似，基于NDSI指數(shù)的高光譜R2矩陣圖中，土壤鹽分含量的特征響應(yīng)波段區(qū)間集中位于近紅外長(zhǎng)波區(qū)域，主要位于：X：1 760～1 810 nm和Y：1 720～1 790 nm范圍、X：1 960～2 000 nm和Y：1 230～1 330 nm范圍，決定系數(shù)R2最高達(dá)0.57。DSI、RSI和NDSI分別以DSI(1 780，1 765)、RSI(1 785，1 756)和NDSI(1 780，1 742)相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)最好，NDSI、DSI、RSI特征光譜響應(yīng)指數(shù)(R2≥0.4，P<0.01)數(shù)量依次為32、25、38。表3

圖6 光譜指數(shù)DSI、RSI、NDSI與土壤鹽分的R2矩陣Fig. 6 R2 matrix of spectral index DSI, RSI, NDSI and soil salinity

表3 基于光譜指數(shù)的土壤鹽分特征波段組合Table 3 Soil salt characteristic band combination based on spectral index

2.4 基于高光譜特征參數(shù)的土壤鹽分含量估算模型優(yōu)選

研究表明，通過(guò)極顯著檢驗(yàn)(P<0.01)后的4種優(yōu)選光譜變換和3種光譜指數(shù)，模型輸入?yún)?shù)選擇上呈現(xiàn)不同，經(jīng)VIP算法篩選單波段PLSR模型最佳變量數(shù)分別為15、8、16、7，對(duì)應(yīng)特征響應(yīng)波段分別見(jiàn)圖7(a、b、c、d)。兩波段組合指數(shù)PLSR模型最佳自變量數(shù)分別為12、8、12，對(duì)應(yīng)特征響應(yīng)波段組合分別見(jiàn)圖8(a、b、c)。圖7,圖8

圖7 基于VIP算法篩選最佳模型光譜波段Fig.7 Screening the best model spectral band based on the VIP algorithm

圖8 基于VIP算法篩選最佳模型光譜指數(shù)Fig. 8 Screening the best model spectral index based on VIP algorithm

表4 土壤鹽分含量PLSR模型預(yù)測(cè)結(jié)果Table 4 Prediction results of soil salt content by PLSR model

研究表明，(1/lgR)′變換建立模型對(duì)土壤鹽分含量的預(yù)測(cè)能力最優(yōu)，預(yù)測(cè)精度為RV2為0.77，RMSEC為0.69 g/kg，RPD為2.01。NDSI建立模型對(duì)土壤鹽分含量的預(yù)測(cè)能力最優(yōu)，預(yù)測(cè)精度為RV2為0.77，RMSEC為0.64 g/kg，RPD為2.11，模型穩(wěn)定性最強(qiáng)。圖9

圖9 基于一維和二維最佳響應(yīng)參數(shù)光譜估算模型驗(yàn)證Fig. 9 Verification results based on one-dimensional and two-dimensional optimal response parameterspectral estimation models

3 討 論

4 結(jié) 論

4.1研究區(qū)土壤鹽分含量高低受季節(jié)變化的影響較為明顯，為干季高于濕季。土體剖面鹽分含量隨土層深度增加而降低，鹽分總體呈“表聚型”。各層鹽分含量變異系數(shù)均介于33.26%～59.28%，呈中等強(qiáng)度變異，干季表層變異大于底層，濕季表層土壤變異小于底層。

4.2干季土壤0～100 cm剖面返鹽現(xiàn)象導(dǎo)致鹽分含量增加，光譜在350～2 150 nm波段范圍，土壤平均反射率隨含鹽量的增加而高于濕季土壤平均反射率，以590、800、1 810和2 150 nm處表現(xiàn)最明顯。

4.4基于NDSI指數(shù)變換光譜反射率，通過(guò)相關(guān)性極顯著篩選，結(jié)合VIP算法篩選的指數(shù)為自變量建立的PLSR估算模型預(yù)測(cè)效果最佳，預(yù)測(cè)精度RV2達(dá)0.77，RMSEV為0.64 g/kg，RPD為2.11。