检索结果-南通市图书馆

基于REDCAP法的土壤有机碳高光谱反演模型代表性校正集的构建

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土壤通报 2024年

作者：王晓密唐琪成姿霖周梦杰叶玉枝湖南师范大学地理科学学院地理空间大数据挖掘与应用湖南省重点实验室

【目的】土壤属性在多元环境变量的影响下，通常呈现显著的空间分异性。现有校正集选择方法鲜少考虑土壤属性自身的空间分异特征，易导致校正集样本全局代表性不足，从而影响模型的预测精度和鲁棒性。本文拟在现有经典校正集选择方法的... 详细信息

【目的】土壤属性在多元环境变量的影响下，通常呈现显著的空间分异性。现有校正集选择方法鲜少考虑土壤属性自身的空间分异特征，易导致校正集样本全局代表性不足，从而影响模型的预测精度和鲁棒性。本文拟在现有经典校正集选择方法的基础上，进一步考虑空间分异模式对样本代表性的影响，提出一套改进的顾及空间分异模式的校正集选择策略。【方法】首先采用动态约束的区域聚类与分割算法（Regionalization with dynamically constrained agglomerative clustering and partitioning,REDCAP）挖掘土壤属性的空间分异模式，得到地理连续的区域划分，且在划分的子区域内部具有相似的土壤属性分布特征，子区域之间具有显著差异的土壤属性分布特征；然后，于各分异子区域内，采用经典校正集选择方法，包括浓度梯度（Rank）法、Kennard-Stone（KS）法以及SPXY法，选取具有局部代表性的样本；最后合并各子区域内的代表性样本，构建具有全局地理空间信息代表性及土壤属性代表性的校正集，并将方法记为REDCAP-Rank法、REDCAP-KS法和REDCAP-SPXY法。为验证本文提出方法的有效性，在德国北部区域开展应用，并与传统校正集选择方法建模结果进行对比分析。其中土壤有机碳预测模型采用偏最小二乘模型（PLSR），支持向量机模型（SVM）和随机森林模型（RF）。【结果】相比传统校正集选择方法，REDCAP-Rank法、REDCAP-KS法和REDCAP-SPXY法选取的校正集建模精度整体得到提升，其中，REDCAP-KS校正集选择方法相较于KS方法，预测模型结果精度均有提升，Rp2最高提升0.11,RPD增长百分比最高达14.47%; REDCAP-SPXY校正集选择方法相较SPXY方法，93.3%的预测模型结果精度得到提升，Rp2最高提升0.09,RPD增长百分比最高达13.04%。KS、REDCAPKS、SPXY、REDCAP-SPXY、Rank以及REDCAP-Rank六种方法中REDCAP-KS的建模效果最优，Rp2达到0.71,RPD达到1.80。【结论】基于REDCAP法的校正集选择策略能够选取具有地理空间信息代表性的样本，结合REDCAP-KS方法划分的样本集构建PLSR模型，能够较好的满足高光谱反演土壤有机碳预测需求。

关键词：土壤有机碳空间分异 REDCAP法偏最小二乘回归高光谱反演

基于CWT-sCARS的土壤铜含量高光谱反演

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蚌埠学院学报 2024年第2期13卷 17-23页

作者：张世文李唯佳李恩伟朱曾红孔晨晨安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院安徽淮南232001

光谱变量的有效程度与土壤铜含量的反演精度密切相关。基于原始反射率以及不同分解尺度下的小波系数,本研究采用连续小波变换(CWT)算法、稳定性竞争自适应重加权采样(sCARS)算法和随机森林(RF)算法对土壤铜含量进行了反演与验证。研究... 详细信息

光谱变量的有效程度与土壤铜含量的反演精度密切相关。基于原始反射率以及不同分解尺度下的小波系数,本研究采用连续小波变换(CWT)算法、稳定性竞争自适应重加权采样(sCARS)算法和随机森林(RF)算法对土壤铜含量进行了反演与验证。研究结果表明:连续小波变换可以有效提高光谱特征与土壤铜含量之间的相关性,不同分解尺度对应的最大相关系数中,最大值位于Scale 8分解尺度下1343 nm处,相关系数为0.60;使用sCARS算法可以显著减少特征变量的数量,结合CWT变换和sCARS算法可以显著减轻数据冗余,提高土壤Cu含量的反演精度。该研究可为利用高光谱遥感技术,快速、高精度反演土壤Cu含量提供重要参考。

关键词：高光谱反演连续小波变换稳定性竞争自适应重加权采样

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矿业废弃地重构土壤重金属含量高光谱反演

光谱学与光谱分析 2019年第4期39卷 1214-1221页

作者：沈强张世文葛畅刘慧琳周妍陈元鹏胡青青叶回春黄元仿安徽理工大学测绘学院安徽淮南232001 安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001 国土资源部土地整治中心北京100035 中国科学院遥感与数字地球研究所北京100094 中国农业大学资源与环境学院北京100193

矿产资源对工业和国民经济的发展有重要的作用,但是随着矿业开采规模的扩大,资源枯竭、经营不善而形成的矿业废弃地越来越多。由于长时间受到采矿的影响,矿业废弃地土壤中存在大量的重金属元素,高浓度重金属可能会对环境和人体产生影响... 详细信息

矿产资源对工业和国民经济的发展有重要的作用,但是随着矿业开采规模的扩大,资源枯竭、经营不善而形成的矿业废弃地越来越多。由于长时间受到采矿的影响,矿业废弃地土壤中存在大量的重金属元素,高浓度重金属可能会对环境和人体产生影响。土地复垦是整治污染、退化土壤再利用的重要方法,对重构后的土壤进行重金属含量检测是衡量土地复垦成效的重要指标,需要长期进行跟踪监测。传统的化学检测方法效率低、成本高、无法实现重金属大范围检测。高光谱是一种新兴的、发展潜力巨大的技术,在环境保护,资源利用,区域可持续发展等方面有着广泛的应用。经过近几十年的快速发展,仪器精度逐渐提高,检测方法逐渐成熟,为实现土壤重金属高效、便捷检测提供了可能。正常土壤重金属含量一般相对较低,采用光谱测量重金属含量较为困难,但铁矿开采区矿业废弃地由于土壤中的铁元素较多,会使土壤中的重金属的存在和聚集形式发生变化,影响重金属对光谱的响应,从而使土壤光谱反射率与重金属含量之间关系更加明显。以湖北省大冶市复垦矿区研究区,采样化学检测方法获取土壤重金属(As, Cr, Zn)含量;借助于美国ASD公司生产的FieldSpec4地物光谱仪(350～2 500 nm)获取土壤反射率,应用一阶微分、倒数对数、连续统去除法分别对反射率曲线进行预处理,提取出光谱特征波段,分析三种重金属元素与光谱特征间的相关性并建立逐步回归模型。研究表明,光谱数据预处理可使光谱特征波段更加明显,其中一阶微分和连续统去除法的效果最为明显。3种重金属元素的特征波段为495, 545, 675, 995, 1 425, 1 505, 1 935, 2 165, 2 205, 2 275和2 355 nm。将土壤重金属含量与光谱特征波段之间做相关性分析,三种重金属都表现出了与光谱曲线的相关性,相关系数大部分都达到了0.5以上,最大相关系数为0.663,由于重金属种类和预处理方式的不同会导致相关性系数存在明显的差异。利用与土壤重金属相关性最大的特征波段建立三种重金属反演模型,并以反演模型r大小选择每种重金属的最优反演模型。由于重金属种类的不同,模型的选择也有差异, Cr和Zn一阶微分逐步回归为最佳反演模型,重金属As连续统去除法逐步回归为最佳反演模型。通过检验,三种重金属中Cr反演效果最好, RMSE为2.67,其次是Zn和As。对比当前不同检测手段可知,基于土样和光谱数据预处理的土壤重金属含量地物光谱仪高光谱反演是比较理想的。可为矿业废弃地土壤重金属高光谱反演提供参考。

关键词：矿业废弃地重构土壤重金属高光谱反演

基于离散粒子群和偏最小二乘的水源地浊度高光谱反演

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农业机械学报 2018年第1期49卷 173-182页

作者：曹引冶运涛赵红莉蒋云钟王浩严登明东华大学国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心上海201620 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038

随着面源污染的加剧,导致水源地水体富营养化程度日趋严重,浊度作为衡量水体富营养化的一项重要指标,是水质评价的重要参数。为降低浊度偏最小二乘(Partial least squares,PLS)反演模型建模的不确定性,提高模型反演精度,提出了基于离散... 详细信息

随着面源污染的加剧,导致水源地水体富营养化程度日趋严重,浊度作为衡量水体富营养化的一项重要指标,是水质评价的重要参数。为降低浊度偏最小二乘(Partial least squares,PLS)反演模型建模的不确定性,提高模型反演精度,提出了基于离散粒子群(Discrete binary particle swarm optimization,DBPSO)和偏最小二乘的水体浊度反演模型。以2015年10月在南水北调东线重要水源地微山湖获取的水体浊度和准同步的HJ-1A HSI高光谱数据为例,利用HJ-1A HSI B26-B105(中心波长:518~870 nm)全谱段光谱反射率(Original spectral reflectance,OSR)和归一化光谱反射率(Normalized spectral reflectance,NSR)直接构建浊度OSR-PLS和NSR-PLS反演模型,同时利用离散粒子群算法优选输入浊度PLS反演模型的最佳原始波段反射率和归一化光谱反射率,在此基础上提出并构建浊度OSR-DBPSO-PLS和NSR-DBPSO-PLS反演模型;然后对上述模型进行精度评价,分析光谱归一化处理和特征波段优选对PLS模型反演精度的影响,选择精度最高的模型反演微山湖水体浊度分布。结果表明:NSR-PLS模型精度(R2=0.91)高于OSR-PLS模型(R2=0.50),对波段进行归一化处理能提高浊度PLS反演模型精度;DBPSO能够识别浊度PLS反演的最佳波段,浊度PLS建模所需的波段数由80个分别减少为44个(OSR波段)和36个(NSR波段),在此基础上构建的OSR-DBPSO-PLS模型(R2=0.96)和NSR-DBPSO-PLS模型(R2=0.97)均具有较高精度,显著高于直接利用全谱波段构建的浊度PLS模型反演精度;选择综合误差最小的NSR-DBPSO-PLS模型反演微山湖水体浊度,反演结果符合实际,该模型适用于HJ-1A HSI数据和内陆水体浊度反演。

关键词：水源地浊度高光谱反演离散粒子群偏最小二乘 HJ-1A HSI

基于高光谱反演的复垦区土壤重金属含量经验模型优选

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农业机械学报 2019年第1期50卷 170-179页

作者：陈元鹏张世文罗明郧文聚鞠正山李少帅自然资源部国土整治中心北京100035 安徽理工大学地球与环境学院淮南232001

以工矿复垦区为实验区域,基于ASD Field Spec 4高光谱遥感数据,结合实测的土壤重金属含量,利用回归分析与特征选择方法,开展了基于高光谱数据的土壤重金属含量反演研究与实验并进行了经验模型优选。通过对光谱曲线进行一阶微分、对数一... 详细信息

以工矿复垦区为实验区域,基于ASD Field Spec 4高光谱遥感数据,结合实测的土壤重金属含量,利用回归分析与特征选择方法,开展了基于高光谱数据的土壤重金属含量反演研究与实验并进行了经验模型优选。通过对光谱曲线进行一阶微分、对数一阶微分以及对数倒数的一阶微分等数学变换有效提高了光谱数据与土壤重金属含量的相关性。在此基础上采用偏最小二乘回归(Partial least squares regression,PLSR)、随机森林回归(Random forest regression,RFR)、支持向量机回归(Support vector machine regression,SVMR) 3种回归分析模型开展土壤重金属含量反演实验,结果表明偏最小二乘回归(PLSR)对研究区内土壤中重金属含量的反演最为有效,尤其对区域内主要障碍因子镉(Cd)元素含量的反演效果最佳,验证集决定系数R2为0. 76。基于粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)、遗传算法(Genetic algorithm,GA)、Relief F算法3种特征选择方法对偏最小二乘回归(PLSR)模型进行优化,结果表明粒子群算法(PSO)可有效降低特征波段变量维度,进一步提高模型反演精度,使决定系数R2由0. 76提高至0. 84。综上,基于高光谱数据,采用偏最小二乘回归(PLSR)与粒子群算法(PSO)相结合的方法,可有效对工矿复垦区土壤中的重金属含量进行测度,可为复垦区土地的质量和生态指标监测提供理论方法和技术支持。

关键词：工矿复垦区土壤重金属高光谱反演经验模型偏最小二乘回归粒子群算法

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铅锌矿石稀散元素镉含量的高光谱反演研究

光谱学与光谱分析 2023年第4期43卷 1275-1281页

作者：赖思翰刘严松李成林王地何星慧刘琦沈茜自然资源部构造成矿成藏重点实验室(成都理工大学) 四川成都610059 中国地质调查局成都地质调查中心四川成都610081 中国地质大学(北京) 北京100083 四川三合空间科技有限公司四川成都610094

稀散元素矿产资源是国民经济中的关键性矿产资源,元素含量的提取是矿产资源潜力评价、靶区优选的基础。现有稀散元素含量分析面临快速检测、潜力评价的需求,基于高光谱的稀散元素含量反演是解决此问题的一种途径。因此,采集西藏斯弄多-... 详细信息

稀散元素矿产资源是国民经济中的关键性矿产资源,元素含量的提取是矿产资源潜力评价、靶区优选的基础。现有稀散元素含量分析面临快速检测、潜力评价的需求,基于高光谱的稀散元素含量反演是解决此问题的一种途径。因此,采集西藏斯弄多-则学矿集区的铅锌矿石,开展铅锌矿石稀散元素镉(Cd)含量的高光谱反演方法与反演模型研究。选用ASD Field Spec 3地物光谱仪及配套软件进行光谱数据采集和预处理;在光谱特征分析基础上,开展一阶微分(FD)、二阶微分(SD)、倒数的对数(AT)、倒数对数的一阶微分(AFD)、倒数对数的二阶微分(ASD)光谱数据变换处理,结合皮尔森相关性系数(r)筛选特征波段,进行随机森林(RF)、人工神经网络(ANN)、支持向量机(SVM)模型构建与反演,选用决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)评价反演模型效果与预测精度。结果表明:样品反射率集中于40%~60%区间;1420、1920和2200 nm处形成吸收峰;特征波段覆盖可见光和近红外波段,771~2051 nm为特征波段的最优区间。SD光谱变换的降维效果最好,筛选出15个特征波段;其次为ASD和AFD光谱变换,分别筛选出8个和2个特征波段。FD与AT光谱变换未筛选出特征波段。SD筛选的特征波段用于反演,镉元素含量预测效果最好的是SD-ANN模型(R2=0.884,RMSE=2.679),其次是SD-SVM模型(R2=0.830>0.8,RMSE=1.382),SD-RF模型预测效果最差(R2=0.505反演,镉元素含量预测最好的是ASD-SVM模型(R2=0.857,RMSE=2.198),其次是ASD-ANN模型(R2=0.846,RMSE=2.625)。对比分析,镉元素含量的高光谱反演模型效果为:SD-ANN>ASD-SVM>ASD-ANN>SD-SVM>ASD-RF>SD-RF。该研究总结了铅锌矿石稀散元素镉的高光谱特征,建立了镉元素含量的高光谱反演方法及模型,为镉等稀散元素含量的高光谱反演、无损检测、快速分析提供了参考,为高海拔勘探区稀散元素矿产资源的潜力评价、靶区优选提供了科学支持。

关键词：稀散元素镉含量分析高光谱反演可见光-近红外光谱铅锌矿石

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西平县高标准农田Zn含量高光谱反演研究

农业环境科学学报 2022年第10期41卷 2223-2231页

作者：蔡太义王志刚杨刘帅王群黄会娟于海洋张传忠张灿刘鹏冯玉庆贺成龙张合兵河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南焦作454000 自然资源部第四地形测量队哈尔滨150000 河南农业大学农学院/河南省农田生态系统野外科学观测研究站郑州450046 河南省土壤调理与修复工程技术研究中心河南商丘476000 中向旭曜科技有限公司江苏无锡214400 河南省地质局矿产资源勘查中心郑州450053

为实现高标准农田土壤重金属Zn含量的快速测定,本文以西平县土壤Zn为研究对象,通过采集168个土壤样本进行室内实验,获得土壤高光谱数据(400~2 400 nm)并进行Savitzky-Golay平滑后,利用5种光谱变换,结合连续投影算法识别最佳特征波段,采... 详细信息

为实现高标准农田土壤重金属Zn含量的快速测定,本文以西平县土壤Zn为研究对象,通过采集168个土壤样本进行室内实验,获得土壤高光谱数据(400~2 400 nm)并进行Savitzky-Golay平滑后,利用5种光谱变换,结合连续投影算法识别最佳特征波段,采用偏最小二乘回归方法构建Zn元素最佳反演模型。结果表明:二阶微分(SD)在1 409 nm波段的相关性(-0.502)最大,一阶微分(FD)在2 323 nm波段的相关性(0.491)最大,去包络线(CR)在2 439 nm波段的相关性(0.476)最大;倒数对数(LOG)、一阶微分、二阶微分、平滑曲线(SG)、去包络线的拟合度(R2)在0.65~0.70之间,相对分析误差(RPD)处于1.71~2.29之间,其中去包络线的拟合度(R~2=0.70、RPD=2.29)最高。经过5种光谱变换后的光谱反射率可有效突出光谱反射率的变化特征,并用于构建反演模型;土壤重金属Zn的最佳模型是以去包络线光谱变换为最佳偏最小二乘模型。

关键词：高标准农田高光谱反演偏最小二乘法连续投影算法 Zn

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广西喀斯特地区土壤Ca含量高光谱反演研究

江西农业大学学报 2020年第1期42卷 203-212页

作者：倪隆康何文顾大形长江大学园艺园林学院湖北荆州434025 广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室/广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所广西桂林541006

【目的】土壤是植物生长所需的必要因子,岩溶区高浓度的土壤Ca含量则影响着当地植物的生长发育。研究基于高光谱反演技术为岩溶区土壤Ca含量的快速测量提供参考。【方法】利用广西典型喀斯特区土壤为研究对象,开展土壤反射率光谱与室内... 详细信息

【目的】土壤是植物生长所需的必要因子,岩溶区高浓度的土壤Ca含量则影响着当地植物的生长发育。研究基于高光谱反演技术为岩溶区土壤Ca含量的快速测量提供参考。【方法】利用广西典型喀斯特区土壤为研究对象,开展土壤反射率光谱与室内理化分析同步测量。在土壤原始光谱反射率的基础上,进一步对土壤光谱进行一阶导数和包络线去除处理,并利用光谱指数法和主成分回归分析法进行土壤Ca的反演研究。【结果】岩溶区土壤钙含量与土壤光谱之间具有非常高的相关性,在600 nm和2300 nm附近出现较高的峰值,且经过一阶导数和包络线去除处理后的土壤光谱反演效果要明显优于原始光谱。其中,一阶导数处理的指数模型RSI(607 nm,2370 nm)的R2达到0.67,均方根误差为26.34,反演效果最好;包络线去除处理的NDSI(599 nm,601 nm)的R2为0.57,均方根误差为18.24;原始光谱的NDSI(603 nm,604 nm)的R2为0.57,均方根误差为27.94。主成分回归分析的R2为0.57,均方根误差11.92,也具备较好的反演能力。【结论】指数反演中RSI指数具有波段指示意义明确,反演精度高等优点,而主成分回归分析的精度高,分析快,但无法筛选敏感波段。该研究结果证明了高光谱手段反演岩溶区土壤Ca含量的可行性,并为快速获取岩溶区土壤Ca含量的相关研究提供了指导意义。

关键词：喀斯特高光谱反演光谱指数土壤钙含量

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土壤pH值和全钾含量高光谱反演方法比较

江苏农业学报 2020年第1期36卷 92-98页

作者：沈从旺徐丽华西南大学资源环境学院

为了预测土壤pH值和全钾含量,采集111个土壤样本的高光谱信息,采用小波变换后去包络的方法对原始光谱信息进行预处理,利用相关性分析法选择土壤光谱特征波段,进行偏最小二乘法回归(PLSR)、主成分分析回归(PCR)、支持向量回归(SVR)3种方... 详细信息

为了预测土壤pH值和全钾含量,采集111个土壤样本的高光谱信息,采用小波变换后去包络的方法对原始光谱信息进行预处理,利用相关性分析法选择土壤光谱特征波段,进行偏最小二乘法回归(PLSR)、主成分分析回归(PCR)、支持向量回归(SVR)3种方法的土壤pH值和全钾含量高光谱反演精度的比较研究。结果显示,在水稻土和紫色土全钾含量和水稻土pH值的反演中,SVR方法都取得了比PLSR方法和PCR方法更好的反演效果。在紫色土pH值反演中,PLSR方法和PCR方法反演效果均优于SVR方法。比较不同类型土壤和不同土壤参数的反演效果发现,水稻土土壤pH值和全钾含量的反演效果均强于紫色土,全钾含量的反演效果优于pH值。本研究结果说明高光谱快速反演土壤pH值和全钾含量具有可行性。

关键词：支持向量回归 pH值全钾含量高光谱反演