基于可见/近红外光谱的黄河口区土壤盐分及其主要离子的定量分析

摘要：

【目的】定量、准确地监测盐渍土，对其防治和农业可持续发展至关重要，论文旨在明确黄河口区土壤盐分及其主要离子的特征光谱，建立适用于该区域的土壤盐渍化定量分析模型，提高其定量分析的精度和稳定性。【方法】首先以山东省垦利县为研究区，于2014年10月5—9日野外采集代表性土样96个，对土样风干后，采用土壤化学分析方法室内分析盐分及其主要离子（Cl-、Na+、Ca2+）含量,并采用美国 ASD Fieldspec 3光谱仪测定土样可见/近红外高光谱数据，对光谱反射率进行去噪、一阶导数变换等预处理；然后基于盐分及其主要离子不同含量的样本光谱分析盐分及其主要离子的光谱响应，在此基础上，对样本的土壤盐分及其主要离子含量与反射率的一阶导数光谱进行逐波段的相关分析，按照相关系数高且显著的原则，选取各自的敏感波段，再根据敏感波段的交叉情况选取集中波段为特征波段，进而选取特征波段中具有极值相关系数的波段作为显著特征波段，综合确定表征土壤盐分及其主要离子（Cl-、Na+、Ca2+）的特征光谱；最后分别采用多元线性回归（multiple linear regression，MLR）、支持向量机（support vector machine，SVM）和随机森林（random forest，RF）方法构建土壤盐分及其主要离子的定量高光谱分析模型。【结果】研究区土壤盐分及其主要离子（Cl-、Na+、Ca2+）含量的光谱曲线形状和走势整体一致；土壤盐分及其主要离子（Cl-、Na+、Ca2+）的光谱响应谱区为1320—1495、1790—1920、2120—2290 nm；基于相关分析的土壤盐分及其主要离子的敏感谱区为1490—1520、1890—1930 nm；最后综合光谱响应及相关分析确定土壤盐分及其主要离子的特征波段为1493、1801、1911和2289 nm，显著特征波段为1493和1911 nm。模型结果显示基于2个显著特征波段反射率一阶导数的模型精度均与4个特征波段的模型精度相当，表明显著特征光谱作为盐分及其主要离子的特征光谱进行其定量分析的有效性。比较3种建模方法，RF 模型的预测效果最好，SVM 模型次之，而 MLR 模型精度最低；对于盐分、Cl-和 Na+，3种方法构建的模型均可有效地用于其定量分析，精度较高且稳定，然而 Ca2+预测精度还有待提高。通过综合比较分析，基于显著特征波段（1493和1911 nm）反射率一阶导数构建的随机森林（RF）模型对盐分、Cl-和 Na+均具有较好的估测精度和稳定性，也可用于 Ca2+的定量估测。【结论】基于光谱响应及相关分析综合确定盐分及其主要离子的显著特征光谱（1493和1911 nm 反射率一阶导数），进而采用随机森林方法构建盐分及其主要离子的定量估测模型，适用于黄河口区土壤盐渍化信息的有效提取。

关键词：土壤盐渍化、可见/近红外光谱、黄河口区、随机森林、支持向量机

所属期刊栏目：49

分类号：O657.33;TS207.3;S123

资助基金：国家自然科学基金;中国博士后科学基金

在线出版日期：2016-08-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共11页

页码：1925-1935