低空無人機(jī)多光譜遙感數(shù)據(jù)的土壤含水率反演

王海峰，張智韜，付秋萍，陳碩博，邊 江，崔 婷(.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 7200；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 7200； .新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 80052)

0 引 言

土壤含水率是森林、草原和農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容，而我國(guó)灌溉用水量約占總用水量的80%以上，但有效利用指數(shù)僅為40%，在相當(dāng)一部分地區(qū)，仍采用大田漫灌的灌溉方式，造成了水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。從20世紀(jì)90年代以來提出的以“增加農(nóng)產(chǎn)品總量、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、提高資源利用率和減小環(huán)境污染”為目的的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，對(duì)農(nóng)田墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了新的要求[1,2]。然而，一些傳統(tǒng)的土壤含水率測(cè)定方法，如烘干法稱重法過程復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；電測(cè)法操作簡(jiǎn)便并可定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，但無法大面積測(cè)定。因此，研究一種簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的大范圍測(cè)定土壤含水率的方法非常重要。土壤反射率是由土壤的組成成分及其結(jié)構(gòu)的內(nèi)在散射和吸收性質(zhì)決定的，并且主要隨土壤粗糙度和水分含量而變化[3]。近些年來，基于土壤的光譜反射特性對(duì)水分含量實(shí)現(xiàn)反演的遙感技術(shù)迅速發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)大面積測(cè)定土壤含水率的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[4]。一些專家學(xué)者通過不同的參數(shù)來表征土壤水分，Lambin等[5]提出利用地表溫度和歸一化植被指數(shù)(NDVI)的比值來動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地表干旱程度。鄭小坡等[6]針對(duì)反演土壤含水量受土壤類型影響較大的問題，提出并構(gòu)建歸一化光譜斜率吸收指數(shù)(NSSAI)來提高裸土土壤含水量的反演精度。夏權(quán)等[7]通過計(jì)算增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)，較好反演了不同耕層的土壤水分。張智韜等[8]利用TM5和TM7波段數(shù)據(jù)構(gòu)建歸一化土壤濕度指數(shù)(NDSMI)，建立了遙感影像對(duì)土壤含水率的監(jiān)測(cè)模型，反演精度達(dá)到80%以上。也有許多學(xué)者研究了土壤水分與反射率的關(guān)系，Bowers等[9]對(duì)一系列的土壤進(jìn)行了光譜反射率的測(cè)量，顯示隨著土壤水分的增加，土壤反射率降低。Etienne等[10]建立了土壤光譜與含水率之間的關(guān)系模型，得出波長(zhǎng)約為68 cm的P波段對(duì)土壤水分的監(jiān)測(cè)效果最佳。劉偉東和Baret[11]的研究表明濕度小于田間持水量時(shí)，土壤濕度與反射率之間呈現(xiàn)較好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系。劉煥軍等[12]對(duì)黑土土壤水分光譜通過光譜分析方法與統(tǒng)計(jì)分析方法，得出土壤含水量與光譜反射率之間是指數(shù)或線性關(guān)系。宋韜等[13]通過尋找并建立單一敏感波段與土壤水分的一元回歸模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤水分的快速準(zhǔn)確檢測(cè)。陳禎[14]提出一種隨土壤體積質(zhì)量變化而相伴變化的土壤體積含水率與歸一化減土反射率之間的指數(shù)曲線模型，消除了土壤類型對(duì)土壤含水量反演的影響。孫越君等[15]采用爬山算法對(duì)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，建立了土壤水分與光譜反射率數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式，反演效果比較理想。這些研究成果一定程度上簡(jiǎn)化了土壤含水率的測(cè)定方法，但仍無法避免“時(shí)效性差、成本高、操作較復(fù)雜”等缺點(diǎn)。

本研究借助簡(jiǎn)便、快捷的無人機(jī)平臺(tái)，搭載多光譜相機(jī)獲取不同土壤含水率六個(gè)波段處的光譜反射值，尋找出光譜對(duì)于土壤含水率的敏感波段，建立了基于單個(gè)敏感波段的數(shù)學(xué)模型來反演土壤含水率，并對(duì)方程進(jìn)行驗(yàn)證。目的是尋求一種可以快速準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)土壤含水率的方法。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

試驗(yàn)使用大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的經(jīng)緯M600多旋翼無人機(jī)，搭載美國(guó)Tetracam公司生產(chǎn)的Micro-MCA多光譜相機(jī)作為遙感數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，如圖1所示。機(jī)載傳感器主要參數(shù)見表1。數(shù)據(jù)分析軟件采用SPSS22.0和DPS7.05。

圖1 無人機(jī)及機(jī)載傳感器Fig.1 Unmanned aerial vehicle and airborne sensor

表1 Micro-MCA多光譜相機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of Micro-MCA multispectral camera

1.2 樣本采集與制備

試驗(yàn)土壤采集自楊凌渭河三級(jí)階地，在0～30 cm均勻采樣后用塑料袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室供試。將土樣自然風(fēng)干后適當(dāng)磨細(xì)，過2 mm孔徑篩，然后裝入直徑約16 cm，高度約11 cm的花盆中，配成質(zhì)量含水率θp為3%～30%、梯度約為3%、高度分別為5和10 cm的樣品共60個(gè)。將土樣密封放置一段時(shí)間，使水分在土壤中充分?jǐn)U散。同時(shí)取部分剩余土樣進(jìn)行理化性質(zhì)分析得土壤容重為1.36 g/cm3，pH值7.46，有機(jī)質(zhì)含量10 g/kg，含鹽量0.52 g/kg。

1.3 土壤光譜的測(cè)量

試驗(yàn)在2017年3月29日、3月30日、3月31日進(jìn)行，三天內(nèi)天氣狀況良好。試驗(yàn)地點(diǎn)位于西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的灌溉試驗(yàn)站。試驗(yàn)時(shí)間為下午三點(diǎn)，無人機(jī)拍攝高度選定為6 m，每次拍攝前操控?zé)o人機(jī)飛至土樣上方懸停5～10 s，待機(jī)身穩(wěn)定后進(jìn)行拍攝，保證獲取圖像的質(zhì)量。采集光譜前用標(biāo)準(zhǔn)白板(反射率100%)進(jìn)行標(biāo)定，共采集六種不同波長(zhǎng)的土樣光譜：490 nm(藍(lán)光)、550 nm(綠光)、680 nm(紅光)、720 nm(近紅外)、800 nm(近紅外)、900 nm(近紅外)。為保證光譜數(shù)據(jù)具有代表性，每次試驗(yàn)均進(jìn)行3～4次拍攝，并計(jì)算其平均值作為土壤樣本最終的光譜反射率數(shù)據(jù)。在相機(jī)自帶的軟件PixelWrench2中對(duì)遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理，在ENVI5.1軟件中提取反射率數(shù)據(jù)。

1.4 土壤含水率的測(cè)量

每次試驗(yàn)拍攝完成后，立即通過稱重法來計(jì)算每一個(gè)花盆土樣的整體質(zhì)量含水率θw。稱重后取每個(gè)花盆土樣適量的表層土帶回實(shí)驗(yàn)室，用烘干法測(cè)得表層土質(zhì)量含水率θm。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

因?yàn)楸敬卧囼?yàn)共進(jìn)行了3 d，所以兩種高度的土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為90個(gè)，隨機(jī)選取2/3的樣本(n=60)為建模集，1/3的樣本(n=30)為驗(yàn)證集。對(duì)于模型的精度評(píng)定采用擬合度R2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，R2越接近1，說明回歸方程對(duì)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合優(yōu)度越高；反之，R2越接近0，擬合優(yōu)度越低。預(yù)測(cè)效果通過預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)r、預(yù)測(cè)均方根誤差RMSEP和相對(duì)分析誤差RPD3個(gè)參數(shù)來檢驗(yàn)，計(jì)算公式見公式(1)～式(3)。預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)r越大，預(yù)測(cè)均方根誤差RMSEP越小，相對(duì)分析誤差RPD越大，表征模型的預(yù)測(cè)反演效果越好。其中，當(dāng)相對(duì)分析誤差在2.5以上時(shí)，表明模型具有極好的預(yù)測(cè)能力;當(dāng)相對(duì)分析誤差在2.0～2.5之間時(shí)，表明模型具有很好的定量預(yù)測(cè)能力;當(dāng)相對(duì)分析誤差在1.8～2.0之間時(shí)，表明模型具有較好的定量預(yù)測(cè)能力;當(dāng)相對(duì)分析誤差在1.4～1.8之間時(shí)，表明模型具有定量預(yù)測(cè)能力;當(dāng)相對(duì)分析誤差在1.0～1.4之間時(shí)，表明模型僅具有區(qū)別高值和低值的能力;當(dāng)相對(duì)分析誤差小于1.0時(shí)，表明模型不具備預(yù)測(cè)能力[16]。

(3)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率的敏感波段

計(jì)算各波段光譜數(shù)據(jù)與不同深度土壤含水率的相關(guān)系數(shù)，并作相關(guān)系數(shù)在P=0.01水平上的顯著性檢驗(yàn)(單側(cè))，如圖2所示。從圖2中可以得出，6個(gè)波段與土壤含水率的相關(guān)系數(shù)均通過了P=0.01顯著性檢驗(yàn)，并且都表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)。6個(gè)波段的光譜反射率對(duì)于不同深度土壤含水率的敏感波段是不同的：其中，5 cm深度土壤表層和整體含水率的敏感波段分別為波段1和波段6，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.826和-0.820，10 cm深度土壤表層和整體含水率的敏感波段均為波段3，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.762和-0.604。選用各深度土壤含水率對(duì)應(yīng)的敏感波段建立土壤水分一元回歸模型。

圖2 不同深度的土樣與各波段反射率相關(guān)系數(shù)圖Fig.2 Correlation coefficients between different depths of soil samples and reflectance of different bands

2.2 一元回歸模型的建立

用建模集中的樣本與對(duì)應(yīng)的敏感波段建立不同的一元回歸模型，分別嘗試建立了線性回歸模型、指數(shù)回歸模型、對(duì)數(shù)回歸模型、乘冪回歸模型、二次多項(xiàng)式回歸模型。對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)性分析和F顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

從中可以得到，不同土壤含水率與對(duì)應(yīng)的敏感波段建立的一元回歸模型中，二次多項(xiàng)式回歸模型的擬合度R2是最高的，擬合度R2分別達(dá)到0.947、0.763、0.831、0.566，除了在反演10 cm深度土壤整體含水率時(shí)的相關(guān)性一般外(0.5≤R2<0.7)，對(duì)其他深度土壤含水率的反演均有較強(qiáng)的相關(guān)性(R2≥0.7)。而在剩余的4種一元一次回歸模型中，對(duì)數(shù)模型的擬合度最高，擬合度R2分別達(dá)到0.794、0.702、0.664和0.434，但只有在反演5 cm深度土壤表層和整體含水率時(shí)可以達(dá)到較強(qiáng)的相關(guān)性。在不同土壤含水率下對(duì)兩種回歸模型比較得出，二次回歸模型較對(duì)數(shù)回歸模型的擬合度R2分別可以提高19.27%、8.81%、25.18%和30.33%。其余三種模型之間無明顯的優(yōu)劣區(qū)分。通過不同含水率對(duì)應(yīng)的敏感波段所建立的回歸模型均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。

表2 基于敏感波段的一元回歸模型Tab.2 The single regression models based on sensitive bands

注：Y為土壤質(zhì)量含水率；X1、X3和X6分別為敏感波段1、3、6的反射率。

2.3 模型驗(yàn)證分析

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)效果，將驗(yàn)證集中的光譜數(shù)據(jù)帶入模型中，然后將模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值做相關(guān)分析，求出二者的擬合回歸方程。從中選取擬合結(jié)果較好的一元二次回歸模型和一元對(duì)數(shù)回歸模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)檢驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 一元對(duì)數(shù)回歸模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plots of predicted and measured values of one element logistic regression models

圖4 一元二次回歸模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plots of predicted and measured values of one element quadratic regression model

從圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)，模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)r與建模時(shí)的擬合度R相比沒有發(fā)生大的浮動(dòng)，說明模型并未發(fā)生“過擬合”現(xiàn)象，并且模型的“魯棒性”較好[17]。其中，一元二次回歸模型的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)r分別達(dá)到0.9297、0.854 2、0.929 6、0.699 4，較對(duì)數(shù)回歸模型分別高出4.39%、1.41%、19.82%、13.56%，從中可以看出一元二次回歸模型對(duì)10 cm深度土壤含水率的預(yù)測(cè)效果優(yōu)勢(shì)更明顯。預(yù)測(cè)均方根誤差RMSEP均在允許范圍內(nèi)(0.1以下)，但一元二次回歸模型的預(yù)測(cè)均方根誤差較小，預(yù)測(cè)精度較高。對(duì)相對(duì)分析誤差比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于表層土壤含水率的反演，一元二次回歸模型具有很好的預(yù)測(cè)能力(RPD>2.0)，對(duì)數(shù)回歸模型只有在5 cm深度土壤表層含水率反演中有很好的預(yù)測(cè)能力。對(duì)于5 cm深度整體土壤含水率的反演，一元二次回歸模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，而對(duì)數(shù)回歸模型僅具有定量預(yù)測(cè)能力。對(duì)于10 cm深度整體土壤含水率，兩種回歸模型都只有區(qū)別高低值的能力，說明模型難以對(duì)較深土壤(>5 cm)的含水率進(jìn)行反演預(yù)測(cè)。

3 結(jié) 語

(1)通過相關(guān)系數(shù)法可以尋找出多光譜對(duì)于土壤含水率的敏感波段，不同深度土壤含水率的敏感波段不同。

(2)利用單一敏感波段建立與土壤含水率不同的一元回歸模型。分析得出，一元二次回歸模型具有最佳的擬合優(yōu)度，并通過驗(yàn)證得出該模型對(duì)于較淺的土壤表層含水率有很好的預(yù)測(cè)能力。一元對(duì)數(shù)回歸模型的擬合度次之，對(duì)于土壤表層含水率也具有較好的預(yù)測(cè)能力。

(3)由于現(xiàn)有的可見光-近紅外波段對(duì)土壤的穿透性較差，故利用單一敏感波段建立的一元回歸模型反演效果隨土壤深度的增加急劇下降，所以該模型僅可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)5 cm深度以內(nèi)土壤含水率的反演。對(duì)深層土壤含水率的反演研究，仍需進(jìn)一步探索。

(4)由于一元回歸模型在實(shí)際應(yīng)用中的方便快捷性，所以本試驗(yàn)研究成果為今后利用無人機(jī)多光譜遙感實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度土壤表層墑情的大范圍、快速監(jiān)測(cè)具有重要意義。

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