Sentinel-2多光譜衛(wèi)星遙感反演植被覆蓋下的土壤鹽分變化

杜瑞麒，陳俊英※，張智韜，徐洋洋，張 興，殷皓原，楊 寧

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；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，楊凌 712100）

0 引 言

在干旱-半干旱地區(qū)，土壤鹽漬化問題嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展，及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)土壤鹽分含量的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)治理土壤鹽漬化以及提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義[1-5]。目前，遙感技術(shù)已被證明具備監(jiān)測(cè)土壤鹽分含量的能力。從光學(xué)角度來看，當(dāng)前常用的傳感器主要分為多光譜攝影機(jī)[6]、多光譜掃描儀[7]、航空攝影機(jī)（航攝儀）[8]、全景攝影機(jī)[9]、合成孔徑側(cè)視雷達(dá)[10]。相比于其他傳感器，多光譜具有成像視角較廣和頻帶預(yù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在區(qū)域尺度上更容易實(shí)現(xiàn)土壤鹽分含量的實(shí)時(shí)采集和制圖，如中分辨率成像光譜儀[11-13]、Landsat衛(wèi)星[14]、IKONOS衛(wèi)星[15]、和高分1號(hào)衛(wèi)星[16]。然而，由于多光譜衛(wèi)星回訪時(shí)間較長及空間分辨率較低，使得在監(jiān)測(cè)精度上存在一定局限。于2015年發(fā)射的Sentinel-2衛(wèi)星是唯一一顆在紅邊范圍上有3個(gè)波段的衛(wèi)星，在監(jiān)測(cè)植被健康信息上有較大優(yōu)勢(shì)[17-19]。

當(dāng)?shù)乇泶嬖谥脖粫r(shí)，裸土和植被均會(huì)對(duì)光譜反射率產(chǎn)生影響，對(duì)利用遙感技術(shù)反演植被覆蓋條件下土壤鹽分含量帶來困難，如王飛等[20]基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)中國新疆典型綠洲地區(qū)的土壤鹽分含量時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于植被覆蓋程度較高的農(nóng)田，預(yù)測(cè)效果并不突出，而在沙漠地區(qū)更符合實(shí)際情況。為此，很多學(xué)者通過探究作物生育期內(nèi)植被生長狀態(tài)與光譜反射率之間的關(guān)系，將光譜反射率計(jì)算成光譜指數(shù)以構(gòu)建相應(yīng)的土壤鹽分含量反演模型，如黃權(quán)中等[21]基于 Landsat 8 OLI影像構(gòu)建鹽分光譜指數(shù)（Spectral Index，SI），以反演中國河套灌區(qū)農(nóng)田土壤鹽分含量，決定系數(shù)為0.46。然而，當(dāng)前研究忽略了不同植被生長狀態(tài)對(duì)同一土壤深度的土壤鹽分含量響應(yīng)的差異性，而這可能是導(dǎo)致反演效果仍不理想的原因。與此同時(shí)，植被生長狀態(tài)也會(huì)受土壤含水率的影響，尤其在干旱-半干旱地區(qū)，植被生長狀態(tài)會(huì)因受到水分脅迫而有所改變，進(jìn)而影響光譜反射率，如梁靜等[22]發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星光譜反射率與室內(nèi)測(cè)量的光譜反射率的聯(lián)合建?？山档椭脖簧L狀態(tài)和土壤含水率對(duì)光譜反射率的干擾，明顯提高土壤鹽分含量的估算精度。因此，有必要選擇一個(gè)能同時(shí)考慮土壤含水率、土壤鹽分含量和植被生長狀態(tài)這3個(gè)因素的算法，從而精準(zhǔn)地提取出土壤中的鹽分含量。相比其他算法，決策樹算法可根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)信息精準(zhǔn)分類，在監(jiān)測(cè)土壤鹽分含量方面上具有應(yīng)用潛力，如孫濱峰等[23]通過構(gòu)建以歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）為分支標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)系數(shù)和馬氏距離為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的決策樹來識(shí)別中國江西省永豐縣的生態(tài)系統(tǒng)（濕地、森林、草地、農(nóng)田），分類精度可達(dá)89.11%。

綜上，本研究利用Sentinel-2衛(wèi)星獲取的多光譜影像，基于采樣與試驗(yàn)獲取土壤樣本的土壤含水率和土壤鹽分含量，通過構(gòu)建以NDVI為分支標(biāo)準(zhǔn)的鹽分深度決策樹和以NDVI和表層土壤（＜20 cm）的含水率為分支標(biāo)準(zhǔn)的類別決策樹，以確定每個(gè)土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度和類別，并應(yīng)用自適應(yīng)提升算法（Adaptive boosting algorithm，Adaboost）、支持向量機(jī)（Support Vector Machines，SVM）、偏最小二乘法（Partial Least Square Regression，PLSR）、漸進(jìn)梯度決策樹（Gradient Boosting Decision Tree，GBDT）和隨機(jī)森林（Random Forest，RF）5種機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)不同類別的土壤樣本分別構(gòu)建土壤鹽分含量反演模型，以期為多光譜衛(wèi)星監(jiān)測(cè)植被覆蓋條件下土壤鹽分含量的動(dòng)態(tài)變化提供有效方案。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于河套灌區(qū)解放閘灌域的沙壕渠。解放閘灌域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部（40°13'49"N，107°04'26"E），東接包頭市，西到烏蘭布和沙漠，南臨黃河，北至陰山（圖1a），控制面積為21.6萬hm2，現(xiàn)有灌溉面積為14.2萬hm2。研究區(qū)屬于典型的大陸性氣候，年降雨量為158 mm，年蒸發(fā)量超過2 000 mm，土壤以粉質(zhì)黏壤土為主，種植作物主要以玉米和葵花為主。該區(qū)域內(nèi)約60%的土地受到不同程度的鹽漬化影響，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)活動(dòng)的健康可持續(xù)發(fā)展[6]。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

1.2.1 土壤樣本的采集與測(cè)定

本研究于2019年的6－8月在河套灌區(qū)沙壕渠進(jìn)行土壤樣本采集工作，待實(shí)地勘察之后，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)土壤鹽漬化程度的不同，均勻布設(shè)100個(gè)采樣點(diǎn)（圖1b）。土壤樣本的采集時(shí)間為2019年6月13日、2019年7月21日、2019年8月13日（共計(jì)300個(gè)土壤樣本），采樣土壤深度為＜20、20～40和＞40～60 cm。

待采集完畢后，將土壤樣本進(jìn)行烘干處理，根據(jù)式（1）計(jì)算土壤表層（＜20 cm）處的含水率（Soil Moisture Content，SMC，%）；土壤樣本在烘干之后進(jìn)行研磨，經(jīng)過土水比1:5進(jìn)行溶液的配置和溶液靜置沉淀后，使用電導(dǎo)率儀（DDS-307A，上海佑科儀器公司）測(cè)定土壤溶液的電導(dǎo)率（Electric Conductivity，EC，mS/cm），再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[6]式（2）計(jì)算土壤鹽分含量（Soil Salinity Content，SSC，%）。

式中SQorigin為土壤樣本的質(zhì)量，g；SQdried為烘干后土壤樣本的質(zhì)量，g。

1.2.2 Sentinel-2衛(wèi)星影像的獲取與處理

本研究在美國地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）官方網(wǎng)站（https://www.usgs.gov/）上下載與采樣時(shí)間同步的Sentinel-2衛(wèi)星影像，然后利用Sen2cor、SNAP（Sentinel Application Platform）和ENVI軟件（the Environment for Visualizing Images）對(duì)衛(wèi)星影像分別進(jìn)行大氣校正、格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀?。床ǘ?～12的光譜反射率）。

1.3 最佳反演深度和土壤樣本類別確定

一般而言，不同土壤深度下土壤鹽分含量與光譜反射率之間關(guān)系的顯著性存在差異，且該差異與歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）有關(guān)[24-26]。為此，本研究通過構(gòu)建以NDVI為分支標(biāo)準(zhǔn)的決策樹來確定每個(gè)土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度。

本研究收集的土壤樣本共計(jì)300個(gè)，每個(gè)土壤樣本對(duì)應(yīng)3種土壤深度的土壤鹽分含量，故共計(jì)3300種深度組合。為篩選出最佳鹽分深度決策樹，需遍歷所有深度組合構(gòu)建的鹽分深度決策樹。為降低該計(jì)算量，本研究假定不同土壤樣本的歸一化植被指數(shù)在同一范圍時(shí)，土壤鹽分含量的最佳反演深度也一致[24-26]。基于此假定，本研究以NDVI為分支標(biāo)準(zhǔn)、分支數(shù)為3和每個(gè)分支樣本數(shù)不低于70的分支結(jié)構(gòu)來構(gòu)建鹽分深度決策樹。因此，所有土壤樣本會(huì)被2個(gè)閾值（NDVI1和NDVI2）劃分為3個(gè)數(shù)據(jù)集，3個(gè)數(shù)據(jù)集的NDVI范圍分別為[0，NDVI1)、[NDVI1，NDVI2)和[NDVI2，1)。根據(jù)土壤樣本的實(shí)際劃分情況，鹽分深度決策樹的閾值組合如表1所示。

SMC和SSC對(duì)光譜反射率均會(huì)產(chǎn)生影響，給SSC的反演帶來誤差，有必要考慮SMC對(duì)光譜反射率的影響，以實(shí)現(xiàn)土壤鹽分含量的精準(zhǔn)反演[27-28]。在實(shí)際情況下，SMC與SSC并無直接關(guān)系，故很難將SMC直接作為自變量來構(gòu)建土壤鹽分含量反演模型。與此同時(shí)，光譜反射率也會(huì)受到植被生長狀態(tài)的影響。研究表明，根據(jù)NDVI劃分土壤樣本類別并分別構(gòu)建土壤鹽分含量反演模型的做法可取得理想反演效果[29]。對(duì)此，本研究通過構(gòu)建以NDVI和土壤表層SMC為分支標(biāo)準(zhǔn)的決策樹來實(shí)現(xiàn)土壤樣本的類別劃分，以降低植被生長狀態(tài)和土壤含水率對(duì)反演土壤鹽分含量的影響。

同樣地，為降低計(jì)算量，本研究假定不同土壤樣本的NDVI和SMC在同一范圍時(shí)，植被生長狀態(tài)和土壤含水率對(duì)土壤鹽分含量的影響一致[24-26]?；诖思俣?，本研究設(shè)決策樹共有2層分支，第一層以NDVI為分支標(biāo)準(zhǔn)，分支數(shù)為2；第二層以SMC為分支標(biāo)準(zhǔn)，每層分支數(shù)不超過2，且每個(gè)分支的樣本個(gè)數(shù)不低于70。理論上，所有土壤樣本至少會(huì)被類別決策樹劃分為4個(gè)類別，但由于每個(gè)分支內(nèi)的樣本數(shù)不得低于70，故所有土壤樣本會(huì)被2個(gè)閾值（NDVI,SMC）劃分為3個(gè)類別，并且有2種劃分情況：劃分1中，3個(gè)類別的NDVI和SMC范圍分別為[NDVI1,1)和[SMC2,1)、[NDVI1,1)和[0,SMC2)、[0,NDVI1)和[0,1)；劃分2中，3個(gè)類別的NDVI和SMC范圍分別為[0,NDVI1)和[SMC1,1)、[0,NDVI1)和[0,SMC1)、[NDVI1,1)和[0,1)。根據(jù)土壤樣本的實(shí)際劃分情況，NDVI1和SMC2的閾值組合共有16種（表1）。

表1 鹽分深度決策樹和類別決策樹的閾值組合Table 1 Threshold combination of salinity depth decision tree and classification decision tree

在篩選最佳鹽分深度決策樹和類別決策樹時(shí)，本研究分別以深度決策樹相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient of depth decision tree，RD）和類別決策樹相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient of classfication decision tree，RC）為指標(biāo)來評(píng)估其構(gòu)建效果，并選擇評(píng)估指標(biāo)達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的鹽分深度決策樹和類別決策樹為最佳鹽分深度決策樹和最佳類別決策樹。RD和RC的計(jì)算如式（3）和式（4）所示。

式中Bi為Sentinel-2衛(wèi)星第i個(gè)波段的光譜反射率；Sdepth為指定土壤深度的土壤鹽分含量，%；Rn為第n個(gè)分支內(nèi)Sentinel-2衛(wèi)星第i個(gè)波段的光譜反射率與指定土壤深度的土壤鹽分含量的相關(guān)系數(shù)；SRD為最佳反演深度下土壤鹽分含量，%，其中最佳反演深度由最佳鹽分深度決策樹得出；Rm為第m個(gè)分支內(nèi)Sentinel-2衛(wèi)星第i個(gè)波段的光譜反射率與最佳反演深度下土壤鹽分含量的相關(guān)系數(shù)。

1.4 機(jī)器學(xué)習(xí)方法

本研究所用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法有自適應(yīng)提升算法（Adaboost）、支持向量機(jī)（SVM）、偏最小二乘法（PLSR）、漸進(jìn)梯度決策樹（GBDT）和隨機(jī)森林（RF）。

自適應(yīng)提升算法是一種從一系列弱分類器中產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)分類器的通用方法[30]。支持向量機(jī)是一種通過推廣誤差上界最小化來增強(qiáng)模型泛化能力的理論方法，本研究選取的核函數(shù)為徑向基核函數(shù)，核函數(shù)參數(shù)和懲罰系數(shù)由序列最小優(yōu)化算法（Sequential Minimal Optimization，SMO）篩選而出[31]。偏最小二乘法通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配[32]。漸進(jìn)梯度決策樹是一種通過多輪迭代實(shí)現(xiàn)的決策樹算法[33]，能靈活處理連續(xù)和離散型數(shù)據(jù)，有效地防止過擬合現(xiàn)象。隨機(jī)森林是一種利用多個(gè)決策樹對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別與分類的集成算法[34]，能在運(yùn)算量沒有顯著提高的前提下提高預(yù)測(cè)精度，在數(shù)據(jù)缺失和非平衡情況下比較穩(wěn)健。

1.5 土壤鹽分反演模型

1.5.1 構(gòu)建流程

由前人研究[6]可知，基于光譜指數(shù)監(jiān)測(cè)土壤鹽分含量反演效果較好。為盡可能嘗試所有光譜指數(shù)，本研究采用遍歷法對(duì)Sentinel-2衛(wèi)星的11個(gè)波段（波段2～12）的光譜反射率進(jìn)行隨機(jī)組合（共165種組合），并按照張磊等[17]研究中提供的8個(gè)光譜指數(shù)形式（Spectral Index Calculation，SIC）計(jì)算相應(yīng)的光譜指數(shù)，最終一共得到了1 320種光譜指數(shù)，其中光譜指數(shù)的計(jì)算如式（5）～式（12）所示。

式中SICz為第z種計(jì)算形式的光譜指數(shù)，z=1,2,…,8；Rλ1、Rλ2和Rλ3為Sentinel-2衛(wèi)星波段2～12中隨機(jī)3個(gè)波段的光譜反射率。在此基礎(chǔ)上，本研究以光譜指數(shù)與最佳反演深度下土壤鹽分含量之間的相關(guān)系數(shù)為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，篩選出最佳的光譜指數(shù)作為土壤鹽分含量反演模型輸入的自變量。

本研究基于5種機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建土壤鹽分含量反演模型，為保證建模集和驗(yàn)證集均能代表土壤樣本鹽分含量的統(tǒng)計(jì)特征，利用 Kennard-Stone（K-S）算法對(duì)300個(gè)土壤樣本按照3:2的比例劃分為建模集（180個(gè)土壤樣本）和驗(yàn)證集（120個(gè)土壤樣本）。

1.5.2 精度評(píng)價(jià)

本研究引入決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）、相對(duì)分布誤差（Residual Predictive Interquartile Range，RPIQ）和相對(duì)分析誤差（Residual Predictive Deviation，RPD）來綜合評(píng)估擬合效果，其中R2越接近1，RMSE越接近0，RPIQ越接近0.38（驗(yàn)證集土壤鹽分含量實(shí)測(cè)值的RIPQ為0.38），RPD越大，則說明土壤鹽分含量反演模型的精度越高，其中RPIQ和RPD的計(jì)算如式（13）和式（14）所示。

式中S為驗(yàn)證集土壤鹽分含量的標(biāo)準(zhǔn)差，%；Q3為第三四分位數(shù)，即驗(yàn)證集中土壤樣本鹽分含量由小到大排序后，位于第90（驗(yàn)證集中土壤樣本數(shù)量的75%）的土壤樣本鹽分含量，%；Q1為第一四分位數(shù)，即驗(yàn)證集中土壤樣本鹽分含量由小到大排序后，位于第30（驗(yàn)證集中土壤樣本數(shù)量的25%）的土壤樣本鹽分含量，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域土壤鹽分含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)所有土壤樣本的鹽分含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如表2所示。由表2可知，2019年6－8月研究區(qū)域內(nèi)土壤鹽分含量的中位數(shù)范圍為0.95%～1.68%，參照土壤鹽漬化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[3]可知，研究區(qū)域?qū)儆谥囟塞}漬化（＞0.5%～1.0%）。研究區(qū)域內(nèi)土壤鹽分含量的均方差范圍為0.58%～0.82%，最大值范圍為2.33%～3.35%，最小值范圍為0.15%～0.21%，說明研究區(qū)域內(nèi)土壤鹽分含量的分布不均勻，存在局部土壤鹽分含量過高的現(xiàn)象。與6月相比，研究區(qū)域內(nèi)土壤鹽分含量在7月和8月相對(duì)較低，土壤鹽分含量的分布相對(duì)均勻，這可能是因?yàn)?－8月期間頻發(fā)的降水使土壤水分和鹽分發(fā)生劇烈的運(yùn)移，從而改變研究區(qū)域內(nèi)土壤鹽分含量的分布。

表2 研究區(qū)域內(nèi)土壤鹽分含量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of soil salinity content in study area%

2.2 基于鹽分深度決策樹確定土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度

通過構(gòu)建鹽分深度決策樹可確定每個(gè)土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度，構(gòu)建結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)NDVI1和NDVI2分別為0.13和0.26時(shí)，波段2～12的RD均能達(dá)到最大。與此同時(shí)，利用式（3）可計(jì)算出每個(gè)土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度，具體而言，當(dāng)0≤NDVI＜0.13時(shí)，土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度為＜20 cm；當(dāng)0.13≤NDVI＜0.26時(shí)，土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度為20～40 cm；當(dāng)0.26≤NDVI＜1時(shí)，土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度為＞40～60 cm。

2.3 基于類別決策樹確定土壤樣本的類別

本研究通過構(gòu)建以NDVI和SMC為分支標(biāo)準(zhǔn)的類別決策樹來確定每個(gè)土壤樣本的類別（圖3），以增強(qiáng)土壤鹽分含量對(duì)植被生長狀態(tài)的敏感性和降低土壤含水率對(duì)1光譜反射率的干擾。當(dāng)（NDVI1，SMC2）2為（0.30，0.21）時(shí)，波段2～12的RC均能達(dá)到最大（圖3b）。因此，3個(gè)類別的土壤樣本的NDVI范圍依次為[0,0.30）、[0,0.30）和[0.30,1），SMC范圍依次為[0.21,1）、[0,0.21）和[0,1）。

2.4 土壤鹽分含量反演模型的精度評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)土壤鹽分含量反演模型的精度，本研究將驗(yàn)證集中土壤鹽分含量的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，并利用R2、RMSE、RPD和RPIQ評(píng)價(jià)精度，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，基于5種機(jī)器學(xué)習(xí)方法的土壤鹽分含量反演模型的R2范圍為0.51～0.70，RMSE范圍為0.25%～0.39%，RPD范圍為1.30～1.67，RPIQ范圍為0.34～0.35（驗(yàn)證集中土壤樣本鹽分含量實(shí)測(cè)值的RPIQ為0.38），根據(jù)反演精度由高到低的順序，5種機(jī)器學(xué)習(xí)方法的排序依次為RF、Adaboost、GBRT、SVM和PLSR，其中RF的決定系數(shù)為0.70，均方根誤差為0.25%，相對(duì)分布誤差為0.35，相對(duì)分析誤差為1.67，表明基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的土壤鹽分含量反演模型可取得一定的反演效果。相比于其他機(jī)器學(xué)習(xí)方法，基于RF和Adaboost的土壤鹽分含量反演模型精度較為接近，說明RF和 Adaboost這兩種機(jī)器學(xué)習(xí)方法具有較強(qiáng)的泛化能力，能在不同的土壤含水率、鹽分含量和植被生長狀態(tài)下均實(shí)現(xiàn)理想且穩(wěn)定的反演效果，在反演土壤鹽分含量上擁有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。

為評(píng)價(jià)土壤鹽分含量反演模型在反演不同土壤深度的土壤鹽分含量上的表現(xiàn)，本研究將每個(gè)土壤樣本鹽分含量的實(shí)測(cè)值與土壤鹽分含量反演模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，并利用R2和RMSE評(píng)價(jià)精度，結(jié)果如表3所示。由表3可知，土壤鹽分含量反演模型在不同土壤深度上（＜20、20～40和＞40～60 cm）的R2依次為0.72、0.56和0.77，驗(yàn)證集中RMSE依次為0.24%、0.65%和0.22%，表明土壤鹽分含量反演模型在＜20 cm和＞40～60 cm土壤深度上表現(xiàn)較好，且差異較小，在20～40 cm上表現(xiàn)較差。

表3 不同土壤深度的土壤鹽分含量反演結(jié)果評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation of inversion results of soil salinity content at

2.5 決策樹對(duì)土壤鹽分含量反演模型精度的影響

在植被覆蓋條件下，土壤含水率、鹽分含量和植被生長狀態(tài)均能對(duì)光譜反射率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致很難量化土壤鹽分含量對(duì)光譜反射率的影響，給土壤鹽分含量的反演帶來困難。為此，本研究以構(gòu)建類別決策樹的方式，將土壤含水率作為先驗(yàn)信息，以降低土壤含水率對(duì)光譜反射率的影響。與此同時(shí)，本研究通過鹽分深度決策樹來考慮不同植被生長狀態(tài)對(duì)同一土壤深度的土壤鹽分含量響應(yīng)的差異，降低植被生長狀態(tài)對(duì)光譜反射率的影響。為能更清晰地了解鹽分深度決策樹和類別決策樹對(duì)土壤鹽分含量反演精度的影響，本研究在未考慮決策樹情況下直接建立土壤鹽分含量反演模型，將該模型的精度與考慮決策樹的土壤鹽分含量反演模型的精度比較，其結(jié)果如表4所示。光譜反射率對(duì)土壤鹽分含量的敏感性，精度得到明顯提升。研究表明，光譜反射率對(duì)植被根系所處土壤深度下土壤鹽分含量更加敏感，而該土壤深度下土壤鹽分含量與植被生長狀態(tài)存在一定關(guān)系[36-37]。因此，當(dāng)未考慮決策樹直接建立土壤鹽分含量反演模型時(shí)，由于忽略每個(gè)土壤樣本在植被生長狀態(tài)上的差異，同一土壤深度的土壤鹽分含量與光譜反射率相關(guān)性較低，從而出現(xiàn)精度不高的問題。對(duì)此，有必要考慮決策樹建立土壤鹽分含量反演模型，使能根據(jù)每個(gè)土壤樣本的植被生長狀態(tài)來確定土壤鹽分含量的最佳反演深度，增強(qiáng)Sentinel-2衛(wèi)星在監(jiān)測(cè)土壤鹽分含量方面上的應(yīng)用潛力。

表4 決策樹對(duì)土壤鹽分含量反演精度的影響Table 4 Effects of decision trees on inversion accuracy of soil salinity content

3 結(jié) 論

由表4可知，未考慮決策樹時(shí)，土壤鹽分含量反演模型的精度較差，其中R2為0.38，RPD為0.87，RPIQ為0.32，RMSE為0.44；考慮決策樹時(shí)，土壤鹽分含量反演模型的R2為0.70，RPD為1.67，RPIQ為0.35，分別比未考慮決策樹時(shí)提高0.32、0.80、0.03，RMSE為0.25，比未考慮決策樹時(shí)降低0.19，表明決策樹可有效地增強(qiáng)

針對(duì)植被覆蓋條件下土壤鹽分含量反演精度較低的問題，本研究利用Sentinel-2衛(wèi)星同步獲取光譜數(shù)據(jù)，以構(gòu)建決策樹的方式來確定每個(gè)土壤樣本鹽分含量的最佳反演深度和類別，并按照不同類別土壤樣本分別構(gòu)建土壤鹽分含量反演模型，以降低土壤含水率和植被生長狀態(tài)對(duì)土壤鹽分含量反演的影響，主要結(jié)果如下：

1）鹽分深度決策樹和類別決策樹能增強(qiáng)光譜反射率對(duì)土壤鹽分含量的敏感性，基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的土壤鹽分含量反演模型可取得理想的反演效果，土壤鹽分含量反演模型精度由高到低依次為隨機(jī)森林、自適應(yīng)提升算法、漸進(jìn)梯度決策樹、支持向量機(jī)和偏最小二乘法，其中隨機(jī)森林的決定系數(shù)為0.70，相對(duì)分析誤差為1.67，均方根誤差為0.25%，相對(duì)分布誤差為0.35。

2）土壤鹽分含量反演模型的精度在不同土壤深度上存在差異，土壤鹽分含量反演模型精度由高到低依次為＞40～60 cm、＜20 cm和20～40 cm。