無(wú)人機(jī)多光譜反演黃河口重度鹽漬土鹽分的研究

王丹陽(yáng)，陳紅艷，王桂峰，叢津橋，王向鋒，魏學(xué)文

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無(wú)人機(jī)多光譜反演黃河口重度鹽漬土鹽分的研究

王丹陽(yáng)1，陳紅艷1，王桂峰2，叢津橋3，王向鋒4，魏學(xué)文2

（1土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018；2山東省棉花生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)站，濟(jì)南 250000；3泰山區(qū)自然資源局，山東泰安 271000；4墾利區(qū)國(guó)土資源局，山東東營(yíng) 27500）

【目的】為提高土壤鹽分信息定量遙感提取精度，準(zhǔn)確掌握土壤鹽漬化程度與分布?！痉椒ā窟x擇墾利區(qū)黃河口鎮(zhèn)集中連片的重度鹽漬土區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，于2018年4月26日—28日采用搭載Sequoia多光譜相機(jī)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)近地遙感圖像采集，并進(jìn)行圖像拼接、輻射校正、正射校正和幾何校正等預(yù)處理；然后基于相關(guān)性分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析篩選土壤鹽分的敏感波段，構(gòu)建并篩選光譜參量；進(jìn)而分別采用多元線性回歸（multivariable linear regression，MLR）、支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）及偏最小二乘（partial least square，PLS）方法構(gòu)建土壤鹽分定量反演模型，并進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)；最后基于最佳模型進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分的分布反演與分析，并與反距離加權(quán)插值結(jié)果進(jìn)行精度比較。【結(jié)果】相較相關(guān)性分析，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析的反演模型精度及顯著性均有所提高；對(duì)比3種建模方法，SVM模型精度最高，PLS模型次之，MLR模型最低，最佳模型為基于灰色關(guān)聯(lián)度分析篩選變量的支持向量機(jī)模型，其建模R、分別為0.820、3.626，驗(yàn)證R、RPD分別為0.773、4.960、2.200；據(jù)此模型反演得到該區(qū)域土壤鹽分含量為0.323—21.210 g·kg-1，平均值為6.871 g·kg-1，重度鹽漬土占58.094%，與實(shí)地調(diào)查結(jié)果較為一致；反演結(jié)果與反距離加權(quán)插值結(jié)果的誤差80%控制在樣本鹽分含量平均值的20%以內(nèi)，亦較為相近?！窘Y(jié)論】基于無(wú)人機(jī)多光譜可實(shí)現(xiàn)重度鹽漬土鹽分信息的準(zhǔn)確提取。

無(wú)人機(jī)；多光譜；鹽漬土；灰色關(guān)聯(lián)度；黃河口

0 引言

【研究意義】隨著全球氣候的變化以及人類活動(dòng)的干擾，土壤鹽漬化仍是全球性最為常見和影響最為廣泛的土地退化現(xiàn)象之一[1-2]。據(jù)估計(jì)，鹽漬土占全球整個(gè)陸地面積的7.263%，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。因此，對(duì)鹽漬土實(shí)施定量、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，對(duì)其治理及生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】遙感尤其是高光譜的出現(xiàn)為鹽漬土的定量、快速分析提供了一種科學(xué)有效的方法。許多學(xué)者開展了基于地面高光譜進(jìn)行土壤鹽分定量分析的研究，取得了一系列較為理想的研究成果，表明了土壤鹽分定量光譜分析的可行性，為土壤鹽分定量反演奠定了基礎(chǔ)[4-11]。但由于地面光譜數(shù)據(jù)獲得的是點(diǎn)狀信息，難以實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域性土壤鹽分含量的及時(shí)監(jiān)測(cè)，因此越來(lái)越多的學(xué)者利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)土壤鹽分信息進(jìn)行定量反演，基于不同平臺(tái)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源建立了土壤鹽分反演模型，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了土壤鹽分的區(qū)域定量反演[12-20]。但由于衛(wèi)星影像受時(shí)相、天氣等因素影響，數(shù)據(jù)分辨率以及成像質(zhì)量往往不能夠滿足地區(qū)鹽漬土信息準(zhǔn)確分析的要求，而且衛(wèi)星影像的尺度較大、精度較低，尺度內(nèi)利用同一個(gè)反演模型無(wú)法滿足不同鹽漬化程度的精確監(jiān)測(cè)[21]。同時(shí)，無(wú)人機(jī)技術(shù)因其成本低、飛行高度可控、不易受天氣和地形等環(huán)境因素影響等優(yōu)點(diǎn)已開始被國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科技中，學(xué)者們嘗試?yán)脽o(wú)人機(jī)攜帶光譜儀采集近地圖像，獲取小區(qū)域高精度遙感圖像，進(jìn)而準(zhǔn)確分析地面監(jiān)測(cè)指標(biāo)。如Hassanesfahani等[22]利用無(wú)人機(jī)獲取可見光、近紅外等圖像，構(gòu)建了表層土壤濕度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.88；王海峰等[23]利用無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)獲取土壤水分反射率，建立了不同深度土壤水分的一元回歸模型，擬合度均在0.81以上；陳碩博[24]等利用無(wú)人機(jī)搭載六波段多光譜相機(jī)獲取小麥冠層反射率，利用其光譜差值反射率與不同深度的土壤差值含水率建立了回歸模型，證明了該方法可大面積快速獲取田間土壤水分。【本研究切入點(diǎn)】目前無(wú)人機(jī)技術(shù)已較廣泛地應(yīng)用于土壤水分的定量準(zhǔn)確遙感分析中[25-29]，但應(yīng)用于鹽漬土信息提取的研究較為薄弱，基于無(wú)人機(jī)多光譜的土壤鹽分特征光譜有待探明，土壤鹽分的無(wú)人機(jī)多光譜定量反演模型和技術(shù)路線有待分析研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為探明基于無(wú)人機(jī)多光譜的土壤鹽分特征光譜及定量反演模型、技術(shù)路線，本文針對(duì)重度鹽漬土，嘗試?yán)脽o(wú)人機(jī)多光譜圖像，分別采用相關(guān)性分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析探明土壤鹽分的特征光譜信息，運(yùn)用多元線性回歸（multivariable linear regression，MLR）、支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）及偏最小二乘（partial least square，PLS）方法構(gòu)建土壤鹽分反演模型，并進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小區(qū)域土壤鹽分定量反演，一方面可為土壤定量、準(zhǔn)確遙感反演奠定基礎(chǔ)，另一方面可為鹽漬土治理利用提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本文以東營(yíng)市墾利區(qū)黃河口鎮(zhèn)為試驗(yàn)區(qū)域。黃河口鎮(zhèn)位于山東省東營(yíng)市墾利區(qū)中部，毗鄰黃河口生態(tài)旅游區(qū)，是黃河的入?？?，因“黃河之水天上來(lái)，奔流到海不復(fù)回”而得名。土壤鹽漬化程度較高且土壤季節(jié)性返鹽與積鹽現(xiàn)象較為嚴(yán)重，為中重度鹽漬土典型區(qū)域。根據(jù)黃河口鎮(zhèn)土壤類型圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤鹽漬化情況以及無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行條件，選擇黃河口鎮(zhèn)西宋村中心幼兒園以南的重度鹽漬土區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)位于東經(jīng)118°40′50"—118°50′00"，北緯37°39′29"—37°39′40"，面積約為24.675 hm2，地形平坦，砂壤土且土質(zhì)松軟，鹽漬化程度較為嚴(yán)重（圖1）。

圖1 黃河口鎮(zhèn)及試驗(yàn)區(qū)空間位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

1.2.1 野外實(shí)測(cè)鹽分?jǐn)?shù)據(jù) 因試驗(yàn)區(qū)春季氣候溫暖干旱，降水量同比較少，土壤水分蒸發(fā)較快，地表積鹽現(xiàn)象嚴(yán)重，是鹽漬土和植被覆蓋特征較為明顯的關(guān)鍵時(shí)期，亦是提取土壤鹽分信息的最適時(shí)相，因此本研究于2018年4月26日—28日進(jìn)行野外實(shí)地采樣。

采樣時(shí)試驗(yàn)區(qū)為成片裸地區(qū)域，地表無(wú)植被覆蓋，均勻布設(shè)采樣點(diǎn)85個(gè)，校正控制點(diǎn)22個(gè)，采用EC110便攜式鹽分計(jì)（儀器在使用前已經(jīng)對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行了溫度校正）測(cè)定10 cm土壤表層的鹽分值，并通過(guò)手持GPS定位儀測(cè)定各個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)地坐標(biāo)，同時(shí)記錄方位、地形等環(huán)境因素信息。

1.2.2 無(wú)人機(jī)遙感圖像獲取及預(yù)處理 采樣時(shí)試驗(yàn)區(qū)天氣晴朗，光照條件充足均勻，天空狀態(tài)均一。利用大疆Matrice 600 Pro?六旋翼無(wú)人機(jī)（中國(guó)深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)，飛行載重為6 kg，無(wú)風(fēng)環(huán)境下最大飛行水平飛行速度為65 km·h-1）搭載Parrot Sequoia 農(nóng)業(yè)專用多光譜相機(jī)（含有4個(gè)120萬(wàn)像素窄帶和同步化單色傳感器）獲取試驗(yàn)區(qū)無(wú)人機(jī)多光譜遙感圖像。相機(jī)傳感器含有綠光（波長(zhǎng)550 nm，帶寬40 nm）、紅光（波長(zhǎng)660 nm，帶寬40 nm）、紅邊光（波長(zhǎng)735 nm，帶寬10 nm）和近紅外光（波長(zhǎng)790 nm，帶寬40 nm）4個(gè)波段。起飛前設(shè)定飛行高度50 m，空間分辨率為2.2 cm，對(duì)傳感器進(jìn)行航線設(shè)定（圖2），并采集白板數(shù)據(jù)用于后期的輻射校正。然后利用Pix4D mapper軟件完成圖像拼接、輻射校正及正射校正，在ENVI軟件中通過(guò)地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正及地理配準(zhǔn)，得到假彩色合成波段圖像（圖3）。

1.3 土壤鹽分敏感波段和光譜參量的篩選

將野外實(shí)測(cè)的采樣點(diǎn)按其GPS經(jīng)緯度信息導(dǎo)入試驗(yàn)區(qū)的假彩色合成波段圖像，確定其相應(yīng)像元，并提取該像元的各波段反射率值。分別將采樣點(diǎn)土壤鹽分實(shí)測(cè)值與圖像各波段反射率進(jìn)行相關(guān)性分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析，篩選土壤鹽分的敏感波段。灰色關(guān)聯(lián)度可以將多種因素視為一個(gè)灰色系統(tǒng)，利用關(guān)聯(lián)度辨別系統(tǒng)中各個(gè)因素的主次關(guān)系。因素的關(guān)聯(lián)度越大，二者的相似程度越高，進(jìn)而進(jìn)行多波段數(shù)學(xué)運(yùn)算組合如紅光+近紅、紅光×綠光等，構(gòu)建了33個(gè)光譜指數(shù)，再利用相關(guān)性分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析優(yōu)選光譜參量。

圖2 無(wú)人機(jī)飛行航線圖

圖3 試驗(yàn)區(qū)假彩色合成波段圖像和樣點(diǎn)分布圖

1.4 土壤鹽分反演模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

將85個(gè)樣本隨機(jī)分為2組，其中60個(gè)用于建模，25個(gè)用于驗(yàn)證。

1.4.1 模型構(gòu)建 基于建模樣本的土壤鹽分含量及優(yōu)選出的光譜參量，分別采用多元線性回歸（multivariable linear regression, MLR）、支持向量機(jī)（support vector machine, SVM）以及偏最小二乘法（partial least square, PLS）構(gòu)建土壤鹽分反演模型。

運(yùn)用SPSS 22軟件建立土壤鹽分的多元線性回歸方程。利用光譜參量的共線性、方差膨脹因子以及特征根系統(tǒng)綜合度量參量之間的多重共線性，將存在共線性的指標(biāo)剔除，然后再進(jìn)行回歸分析，得到多元線性回歸方程[30]。

支持向量機(jī)是以核函數(shù)為構(gòu)成模塊，隱式地將數(shù)據(jù)映射到高維空間。本文設(shè)定SVM類型為4（即v-SVR），核函數(shù)類型為2（即RBF），采用訓(xùn)練集交叉驗(yàn)證和網(wǎng)格搜索法（grid search）進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，依據(jù)均方差最小原則確定懲罰參數(shù)C和核參量g的值；相關(guān)計(jì)算采用Matlab R2014a軟件的libsvm 3.11 工具箱實(shí)現(xiàn)[31]。

偏最小二乘法是最常用的一種光譜建模方法，相當(dāng)于主成分分析、多元線性回歸以及典型相關(guān)分析的組合[32]，可在一定程度上有效地消除參量之間的多重共線性。采用Matlab R2014a軟件相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。

1.4.2 模型驗(yàn)證 利用25個(gè)驗(yàn)證樣本數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)，參數(shù)如下：建模精度采用建模集的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的決定系數(shù)（R）和均方根誤差（root mean squares error，）進(jìn)行評(píng)價(jià)；預(yù)測(cè)精度采用驗(yàn)證集R、和相對(duì)分析誤差（the ratio of prediction to deviation，RPD）來(lái)評(píng)價(jià)。當(dāng)RPD≥2.0時(shí)，表明構(gòu)建的模型預(yù)測(cè)結(jié)果較好，模型可用于土壤鹽分含量的反演預(yù)測(cè)[33]。通過(guò)模型精度對(duì)比，選定最佳模型用于土壤鹽分含量的空間分布反演。

1.5 土壤含鹽量的空間分布反演與精度分析

基于最佳模型和試驗(yàn)區(qū)預(yù)處理后的遙感圖像，進(jìn)行土壤鹽分的空間分布反演，并根據(jù)中國(guó)半濕潤(rùn)區(qū)土壤可溶鹽類以氯化物為主的濱海鹽漬土分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[31]進(jìn)行鹽漬土分級(jí)，得到試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分反演圖。同時(shí)，將樣點(diǎn)土壤鹽分含量利用反距離加權(quán)法進(jìn)行插值分析，得到試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分插值圖，與反演圖進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)基于無(wú)人機(jī)多光譜遙感的土壤鹽分反演精度。

2 結(jié)果

2.1 土壤樣本的描述性統(tǒng)計(jì)特征

全部85個(gè)樣本土壤鹽分介于0.243—23.400 g·kg-1，平均值為7.136 g·kg-1，標(biāo)準(zhǔn)差為5.105 g·kg-1；60個(gè)建模集土壤鹽分為0.243—23.400 g·kg-1，平均值為7.028 g·kg-1，標(biāo)準(zhǔn)差為5.013 g·kg-1；25個(gè)驗(yàn)證集土壤鹽分為0.256—23.100 g·kg-1，平均值為7.395 g·kg-1，標(biāo)準(zhǔn)差為5.216 g·kg-1。可見，建模集和驗(yàn)證集均保持與全部樣本集相似的統(tǒng)計(jì)分布，在確保樣本具有代表性的同時(shí)，可避免在模型構(gòu)建和驗(yàn)證中的偏差估計(jì)。

2.2 土壤鹽分的敏感波段及光譜參量

樣本土壤鹽分與波段反射率的相關(guān)性、灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果見表1，可見2種分析方法中，4個(gè)波段的敏感程度略有不同，基于相關(guān)性分析選擇的敏感波段為紅光、綠光以及紅邊波段，基于灰色關(guān)聯(lián)度分析選擇的敏感波段為紅光、綠光及近紅波段。綜合可見，紅光和綠光波段可作為土壤鹽分的敏感波段。

表1 敏感波段分析

*為在 0.05 水平上顯著相關(guān)，**為在 0.01 水平上極顯著相關(guān)。下同

* means the correlation is significant at 0.05 level, ** means the correlation is significant at 0.01 level,. The same as below

表2 光譜指數(shù)分析

2.3 土壤鹽分定量反演模型

基于建模樣本，以選取的光譜參量為自變量，土壤鹽分為因變量，分別采用多元線性回歸、支持向量機(jī)、偏最小二乘法構(gòu)建土壤鹽分定量反演模型（表3）。

相較于相關(guān)性分析，灰色關(guān)聯(lián)度選取光譜參量構(gòu)建的模型精度均有所提高，其中建模集R提高0.011—0.090，降低0.868—1.737，驗(yàn)證集R提高0.009—0.123，降低0.010—0.610，RPD提高0.120—0.340（表3）。結(jié)果表明通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度篩選光譜參量可在一定程度上提高土壤鹽分反演模型的精度。

對(duì)比3種建模方法，SVM模型精度最高，PLS模型次之，MLR模型最低。其中，基于灰色關(guān)聯(lián)度光譜參量的SVM模型建模R達(dá)到0.820，驗(yàn)證R為0.773，RPD達(dá)到2.210，通過(guò)對(duì)比，確定該模型為土壤鹽分反演的最佳模型。

圖4是最佳模型的建模、驗(yàn)證精度，可見預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，大部分樣本較好地分布在1：1線的兩側(cè)，表明該模型精度較高且較為穩(wěn)定。

2.4 土壤鹽分空間分布反演

基于最佳模型，進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分反演（圖5）。可見試驗(yàn)區(qū)土壤含鹽量反演值介于0.323—21.210 g·kg-1，平均值為6.871 g·kg-1，與研究樣本的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果較為接近。根據(jù)濱海鹽漬土分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將試驗(yàn)區(qū)土壤分為5級(jí)，并進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)（表4）?？梢?，試驗(yàn)區(qū)中、重度鹽漬土達(dá)到83.567%，其中重度鹽漬土達(dá)到58.094%，較為普遍地分布在整個(gè)區(qū)域，中部和東部更為集中連片；非鹽土和輕度鹽漬土只占總面積的12.511%，主要分布在區(qū)域西南部的小片區(qū)域。結(jié)果表明該區(qū)土壤鹽漬化十分普遍且較為嚴(yán)重，整體屬于重度鹽漬土區(qū)，與實(shí)際情況一致。

2.5 土壤鹽分空間分布反演精度分析

基于反距離加權(quán)法進(jìn)行土壤鹽分插值分析（圖6、表4），得到該區(qū)土壤鹽分含量位于0.243—23.400 g·kg-1，平均值為7.136 g·kg-1。中、重度鹽漬土占總面積的75.122%，而非鹽漬土只占2.476%，而且在空間分布上也表現(xiàn)出西南部鹽分較低、中東部鹽分較高的趨勢(shì)?？梢姴逯捣治鼋Y(jié)果與最佳反演模型和樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果皆較為相近。

圖4 最佳模型散點(diǎn)圖

表3 土壤鹽分反演模型

表4 試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分等級(jí)及其比例

圖5 土壤鹽分含量反演圖

圖6 基于反距離加權(quán)的土壤鹽分插值圖

為進(jìn)一步對(duì)比反演結(jié)果的差異程度，將2種分布圖的土壤鹽分含量進(jìn)行像元相減（插值圖-反演圖）運(yùn)算，獲得土壤鹽分含量差值空間分布圖（圖7）?？梢钥闯?，地統(tǒng)計(jì)結(jié)果和反演結(jié)果的差異介于-4.850—6.360；為進(jìn)一步比對(duì)反演得到的土壤鹽分含量空間分布的正確性，將各像元的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以實(shí)測(cè)樣點(diǎn)土壤鹽分含量平均值7.160 g·kg-1的10%（±0.716）、20%（±1.432）和30%（±2.184）作為差異等級(jí)水平，分別統(tǒng)計(jì)各自范圍內(nèi)的像元數(shù)量及其所占比例。像元反演差值在允許誤差10%以內(nèi)的占76.75%，在20%以內(nèi)的占88.04%，表明該反演結(jié)果與插值結(jié)果的誤差大多控制在20%以內(nèi)，結(jié)果較為相似?？梢姡鲜鲎罴涯Ｐ涂蓱?yīng)用于該地區(qū)土壤鹽分分布反演。

圖7 插值結(jié)果與反演結(jié)果的差值

3 討論

2種光譜篩選分析方法結(jié)果均表明可見光、近紅外波段與土壤鹽分具有良好的關(guān)系。黃河三角洲區(qū)域主要礦物組成為巖鹽、石膏，鹽分組成以鈉型鹽氯化物為主，主要陰離子為Cl-和SO42-，主要陽(yáng)離子為Na+、Ca2+[34-35]。前人研究指出雖然NaCl在可見光-近紅外波段沒有光譜特征，但NaCl與石膏存在相關(guān)性，石膏因在可見光-近紅外波段具有吸收特性可間接顯示土壤鹽分的光譜信息[36-37]；徐偉杰[38]的研究表明石膏在近紅外波段出現(xiàn)分子振動(dòng)吸收光譜特征，且可見光-近紅外能夠獲取SO42-的光譜信息。因此，前人研究表明可利用可見光-近紅外波段提取裸土遙感數(shù)據(jù)的光譜信息進(jìn)行土壤鹽分預(yù)測(cè)。而且，現(xiàn)有多位學(xué)者的研究表明，鹽堿化土壤在可見光和近紅外波段較非鹽堿化土壤有更強(qiáng)的反射率[19,38-40]，且重鈉質(zhì)鹽漬土壤的光譜反射率比一般重鹽漬土的反射率高[9,40-41]，如陳文嬌[41]提出鹽漬土在447、498、671nm附近均存在不同深度的吸收峰，與本文結(jié)論較為一致。

比較2種不同的分析方法，基于相關(guān)性分析的敏感波段為紅光、綠光以及紅邊波段，基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的敏感波段為紅光、綠光及近紅波段。這2種方法基于不同的系統(tǒng)理論，灰色關(guān)聯(lián)度根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度判斷關(guān)聯(lián)度，在變化趨勢(shì)上理清各波段對(duì)土壤鹽分的主次關(guān)系并排序[42]；而相關(guān)分析僅依賴客觀數(shù)據(jù)分析單一波段與土壤鹽分的相關(guān)性。因此，灰色關(guān)聯(lián)度分析的結(jié)果更為可靠。這也與前面所述可見-近紅外光譜用來(lái)提取土壤鹽漬化信息的內(nèi)在機(jī)理是一致的。

本研究以墾利區(qū)黃河口鎮(zhèn)重度鹽漬土為例，以無(wú)人機(jī)多光譜遙感圖像為主要數(shù)據(jù)源，利用相關(guān)性分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析篩選光譜參量，分別構(gòu)建MLR、SVM和PLS模型，通過(guò)最佳模型進(jìn)行空間分布反演，得到的結(jié)果與實(shí)地采樣和地統(tǒng)計(jì)插值分析結(jié)果較為一致，表明無(wú)人機(jī)多光譜可實(shí)現(xiàn)重度鹽漬土鹽分信息的準(zhǔn)確提取，但對(duì)于中、輕度鹽漬土是否會(huì)有相同的結(jié)果需要進(jìn)一步研究探索，也是下一步的工作方向。

基于地面高光譜的土壤鹽分定量估測(cè)是遙感反演的基礎(chǔ)，而基于無(wú)人機(jī)近地遙感的土壤鹽分反演是由地面高光譜定量分析到衛(wèi)星遙感反演的橋梁?，F(xiàn)有普遍高光譜鹽分監(jiān)測(cè)的研究已表明，可見光-近紅外波段光譜用于分析土壤鹽分的可行性，本研究初步嘗試了基于無(wú)人機(jī)多光譜的重度鹽漬土鹽分定量反演，但鹽漬土的光譜響應(yīng)特征又與土壤水分以及地理環(huán)境因素都存在相關(guān)關(guān)系，且土壤水分是土壤鹽分定量遙感分析的主要影響因素之一。因此，下一步將結(jié)合地面高光譜、無(wú)人機(jī)多光譜/高光譜數(shù)據(jù)，探討機(jī)地光譜融合及土壤水分因素的影響去除，以提高無(wú)人機(jī)反演土壤鹽分精度。

4 結(jié)論

（2）相對(duì)于相關(guān)性分析，基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的模型建模R提高了0.011—0.090，降低0.868—1.737，驗(yàn)證R提高了0.009—0.123，降低了0.010—0.610，RPD提高0.120—0.340，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度篩選光譜參量可在一定程度上提高土壤鹽分反演模型的精度。

（3）對(duì)比3種建模方法，支持向量機(jī)（SVM）建模精度最佳，偏最小二乘法（PLS）次之，多元線性回歸方程（MLR）最低；土壤鹽分定量反演的最佳模型為基于灰色關(guān)聯(lián)度篩選光譜參量的支持向量機(jī)模型，其建模集R、分別為0.820、3.626，驗(yàn)證集的R、、RPD分別為0.773、4.960、2.200。

（4）據(jù)此模型反演得到該區(qū)土壤鹽分含量為0.323—21.210 g·kg-1，平均值為6.871 g·kg-1，重度鹽漬土占58.094%，與實(shí)地調(diào)查較為一致。反演結(jié)果與反距離加權(quán)插值結(jié)果的誤差80%控制在樣本鹽分含量平均值的20%以內(nèi)，亦較為相近。

因此，基于無(wú)人機(jī)多光譜，先采用灰色關(guān)聯(lián)度分析篩選光譜參量，進(jìn)而采用支持向量機(jī)構(gòu)建反演模型可實(shí)現(xiàn)土壤鹽分信息的準(zhǔn)確提取。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Salinity Inversion of Severe Saline Soil in the Yellow River Estuary Based on UAV Multi-spectra

WANG DanYang1, CHEN HongYan1, WANG GuiFeng2, CONG JinQiao3, WANG XiangFeng4, WEI XueWen2

(1National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources/College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian 271018, Shangdong;2Shandong Cotton Production Technical Guidance Station, Jinan 250000;3Taishan Natural Resources Bureau, Taian 271000, Shangdong;4Kenli Land and Resources Bureau, Dongyin 27500, Shangdong)

【Objective】The purpose of this paper was to improve the extraction accuracy of soil salinity information based on remote sensing and understand accurately the degree and distribution of soil salinization. 【Method】Firstly, the severe and concentrated saline soil area of Huanghekou town, Kenli district, was selected as the experimental area, and the unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with Sequoia multispectral camera was adopted to acquire the near earth remote sensing image from April 26th to 28th, 2018, then the image preprocessing, including image splicing, radiation correction, orthorectification and geometric correction, was performed. Secondly, the sensitive bands of soil salinity were screened by correlation analysis and grey correlation analysis, respectively, and the spectral parameters were constructed and screened. Thirdly, the soil salinity quantitative analysis models were built by multivariate linear regression (MLR), support vector machine (SVM) and partial least square (PLS) method, then the models’ accuracy was evaluated and the best one was selected. Finally, the best model was applied to the inversion and analysis of soil salinity distribution in the experimental area, and the inversion accuracy was compared with the interpolation result by inverse distance weighting (IDW) method. 【Result】The results showed that the accuracy and significance of the estimation model based on gray correlation analysis were improved by compared with the correlation analysis; compared the three modeling methods, the prediction ability of the SVM was the best, followed by the PLS, the MLR models’ precision was the lowest, with the calibrationRandof 0.820 and 3.626, the validationR,and RPD of 0.773, 4.960 and 2.200, and the SVM model of soil salinity based on screened variables by grey correlation analysis was selected the best one; based on the best model, the soil salinity content in this region was between 0.323 and 21.210 g·kg-1with the average of 6.871 g·kg-1and the severe salinity accounted for 58.094%, which was consistent with the result of the field investigation; the 80% of the error between the inversion result and the interpolation result by the IDW method was controlled within 20% of the sample salt content average, which showed that the two kind of result were similar. 【Conclusion】It could be concluded that the accurate extraction of severe soil salinity information could be achieved on the UAV multi-spectra.

unmanned aerial vehicle; multi-spectra; saline soil; grey correlation; yellow river estuary

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.10.004

2018-12-28；

2019-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（41877003，41671346）、山東省自然科學(xué)基金（ZR2019MD039）、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017CXGC0306）、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAD23B0202）、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)“雙一流”獎(jiǎng)補(bǔ)資金（SYL2017XTTD02）

王丹陽(yáng)，E-mail：892218027@qq.com。通信作者陳紅艷，E-mail：chenhy@sdau.edu.cn