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基于光谱变换的高光谱指数土壤盐分反演模型优选

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农业工程学报 2018年第1期34卷 110-117页

作者：张贤龙张飞张海威李哲海清陈丽华新疆大学资源与环境科学学院乌鲁木齐830046 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室乌鲁木齐830046 新疆智慧城市与环境建模自治区普通高校重点实验室乌鲁木齐830046 中亚地理信息开发利用国家测绘地理信息局工程技术研究中心乌鲁木齐830002 新疆艾比湖湿地国家级自然保护区管理局博乐833400

该文探索基于光谱变换建立光谱指数,进而建立土壤盐分反演模型的可行性。运用倒数、导数、对数等15种光谱变换对土壤含盐量进行反演,并利用原始光谱的波段反射率构造光谱指数对土壤盐分进行建模。在15种高光谱变换中,一阶微分R'和一阶... 详细信息

该文探索基于光谱变换建立光谱指数,进而建立土壤盐分反演模型的可行性。运用倒数、导数、对数等15种光谱变换对土壤含盐量进行反演,并利用原始光谱的波段反射率构造光谱指数对土壤盐分进行建模。在15种高光谱变换中,一阶微分R'和一阶对倒数(log1/R')变换下土壤盐分估算模型的精度较高。但总体而言,基于单一光谱变换和光谱指数的模型模拟精度均较低。采用光谱变换建立光谱指数,并进一步建立土壤盐分反演模型,结果表明,基于(log1/R')光谱变换构建归一化植被指数,然后建立的土壤盐分精度最高,经验证,其R2为0.89,均方根误差为3.34 g/kg,高于单一方法构建的模型,可为半干旱地区土壤盐分反演提供参考。

关键词：土壤盐分遥感光谱变换光谱指数反演

基于光谱变换的宁夏银北地区可溶性阴离子反演

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中国土壤与肥料 2022年第8期 94-103页

作者：陈睿华孙媛尚天浩张俊华宁夏大学地理科学与规划学院宁夏银川750021 榆林市自然资源调查与规划中心陕西榆林719000 宁夏大学生态环境学院宁夏银川750021

可溶性阴离子是土壤盐分的重要组成部分,对植物生长发育有重要影响。为探讨野外实测光谱对土壤可溶性阴离子的反演精度,以宁夏银北平罗县盐渍化土壤为研究对象,对野外实测光谱选用6种常规变换[平滑R、平滑倒数1/R、平滑对数lg(R)、平滑... 详细信息

可溶性阴离子是土壤盐分的重要组成部分,对植物生长发育有重要影响。为探讨野外实测光谱对土壤可溶性阴离子的反演精度,以宁夏银北平罗县盐渍化土壤为研究对象,对野外实测光谱选用6种常规变换[平滑R、平滑倒数1/R、平滑对数lg(R)、平滑倒数的对数lg(1/R)、平滑一阶微分R′、平滑二阶微分R″]预处理,然后分别利用相关性分析和逐步回归法筛选离子敏感特征波段,最后采用主成分回归(PCR)、偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机(SVM)建立土壤各阴离子反演模型。结果表明:1)研究区土壤中Cl-和SO_(4)^(2-)含量较高,CO_(3)^(2-)含量最低,属于氯化物-硫酸盐盐渍土。2)原始反射率经R″变换后与土壤阴离子的相关性最强,与CO_(3)^(2-)、HCO_(3)^(-)、Cl-和SO_(4)^(2-)相关系数分别达到0.572、0.741、0.802和0.545。3)与相关性分析相比,逐步回归(SR)更好地解决了光谱间共线性的问题,反演精度更高。4)与PCR、PLSR相比,SVM所建可溶性阴离子反演模型效果最佳。土壤CO_(3)^(2-)、Cl-、SO_(4)^(2-)反演效果最佳的模型均为R″-SR-SVM,其中对CO_(3)^(2-)的反演模型建模决定系数(R_(c)^(2))为0.984、验证决定系数(R_(p)^(2))为0.560、相对分析误差(RPD)为6.76;SO_(4)^(2-)的反演模型R_(c)^(2)为0.970、R_(p)^(2)为0.841、RPD为5.59;Cl-的反演模型R_(c)^(2)为0.925、R_(p)^(2)为0.940、RPD为3.62;HCO_(3)^(-)效果最佳的模型为R′-SR-SVM,R_(c)^(2)为0.970、R_(p)^(2)为0.840、RPD为5.59。研究结果可为该区域及同类地区土壤盐渍化反演提供理论依据。

关键词：可溶性阴离子光谱变换支持向量机偏最小二乘回归反演模型

结合光谱变换和Kennard-Stone算法的水稻土全氮光谱估算模型校正集构建策略研究

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光谱学与光谱分析 2017年第7期37卷 2133-2139页

作者：陈奕云赵瑞瑛齐天赐亓林张超武汉大学资源与环境科学学院湖北武汉430079 武汉大学苏州研究院江苏苏州215123 武汉大学地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079 武汉大学教育部地理信息系统重点实验室湖北武汉430079 浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所浙江杭州310058 中国科学院地理科学与资源研究所北京100101

土壤组分光谱估算过程中校正样本集的构建会影响模型的预测精度。当前结合反射光谱和Kennard-Stone(KS)算法的校正样本集构建策略忽视了土壤反射光谱是土壤属性的综合反映,构建的样本集通常无法很好地代表目标土壤组分的变异。光谱变换... 详细信息

土壤组分光谱估算过程中校正样本集的构建会影响模型的预测精度。当前结合反射光谱和Kennard-Stone(KS)算法的校正样本集构建策略忽视了土壤反射光谱是土壤属性的综合反映,构建的样本集通常无法很好地代表目标土壤组分的变异。光谱变换方法可以突出目标组分的光谱特征,为此,本文以湖北省江汉平原滨湖地区水稻土为研究对象,结合包括一阶微分(FD)、Savitzky-Golay(SG)、Haar小波变换、标准正态变量变换(SNV)和多元散射校正(MSC)在内的光谱变换方法和KS算法进行校正样本集建构,通过对比不同样本集构建策略对使用偏最小二乘回归(PLSR)建立的土壤全氮含量光谱估算模型预测精度的影响,研究光谱变换是否有助于提高基于KS算法构建的校正样本集的代表性。结果表明:不同光谱变换会影响校正样本集的构建。反射光谱经过SG或Haar小波变换后,再使用KS算法构建校正样本集与直接基于反射光谱使用KS算法构建的校正样本集相同,建立的估算模型精度不变,相对分析误差(RPD)分别为1.41和1.27。结合FD,SNV或MSC变换和KS算法构建的校正集与基于反射光谱使用KS算法构建的校正集不同,建立的估算模型RPD分别从0.95,1.48和1.42提高到1.13、1.78和2.20。研究表明SNV和MSC等光谱变换方法可以提高基于KS算法构建的校正样本集的代表性,并可有效提高模型预测精度。

关键词：光谱变换 Kennard-Stone算法校正集选择模型精度土壤全氮

基于光谱变换与SPA-SVR的玉米SPAD值高光谱估测

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东北农业大学学报 2021年第8期52卷 79-88页

作者：郭松常庆瑞崔小涛张佑铭陈倩蒋丹垚落莉莉西北农林科技大学资源环境学院陕西杨凌712100

叶绿素含量快速、无损监测是评估玉米生长状态有效方式之一。以抽雄期玉米为研究对象,研究原始光谱、普通一阶导数光谱、间隙一阶导数光谱、开平方根光谱以及连续统去除光谱的特征波段以及5个传统植被指数与玉米叶绿素含量之间关系。对... 详细信息

叶绿素含量快速、无损监测是评估玉米生长状态有效方式之一。以抽雄期玉米为研究对象,研究原始光谱、普通一阶导数光谱、间隙一阶导数光谱、开平方根光谱以及连续统去除光谱的特征波段以及5个传统植被指数与玉米叶绿素含量之间关系。对比分析不同模型(单因素回归模型、结合连续投影与多元线性回归、支持向量回归模型)对抽雄期玉米叶绿素含量预测能力。结果表明,光谱变换可增强特征波段与SPAD值相关性,同时还增加敏感波段数量、提升建模精度;连续投影算法对特征降维效果明显,各类多元模型最优光谱参数为5~9个;各类型光谱下均为多因素模型精度优于单因素模型。其中,基于普通一阶导数光谱的支持向量回归模型为最优模型,其建模R^(2)与验证R^(2)分别达到0.92与0.90。光谱变换在反演玉米叶绿素方面有较大潜力,连续投影与支持向量回归结合可产生较好建模效果。

关键词：玉米 SPAD值光谱变换连续投影算法支持向量回归

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基于微分变换的湿地植物高光谱全氮反演

环境科学研究 2022年第5期35卷 1268-1276页

作者：黎舟杨思林刘云根王妍张超肖羽芯徐红枫西南林业大学生态与环境学院云南昆明650224 西南林业大学云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室云南昆明650224 西南林业大学林学院云南昆明650224

叶片全氮含量是监测和诊断湿地植物生理状况及生长趋势的重要指标,利用高光谱技术监测湿地植物氮含量,对于理解湿地生态系统氮循环具有重要意义.为探究湿地植物叶片全氮含量遥感光谱的估算方法,以云南省大理西湖湿地公园优势植物芦苇(Ph... 详细信息

叶片全氮含量是监测和诊断湿地植物生理状况及生长趋势的重要指标,利用高光谱技术监测湿地植物氮含量,对于理解湿地生态系统氮循环具有重要意义.为探究湿地植物叶片全氮含量遥感光谱的估算方法,以云南省大理西湖湿地公园优势植物芦苇(Phragmites australis)和茭草(Zizania caduciflora)全氮含量为研究对象,对叶片光谱数据进行预处理并建立二者的关系模型,包括单变量模型、多变量模型(偏最小二乘回归模型和BP神经网络模型),并利用决定系数(r^(2))和均方根误差(RMSE)对模型精度进行检验.结果表明:①不同形式的光谱变换增强了植物全氮含量与光谱变量的细节特征,二者的短波红外波段相关性强于可见光近红外波段.芦苇二阶微分(R")反射率与全氮含量在1682 nm处相关性最强,相关系数为0.70;茭草平方根二阶微分[(√R)"]反射率与全氮含量在1190 nm处相关性最强,相关系数高达-0.80.②不同植物类型相比,利用茭草的变换光谱反射率建立的单变量和偏最小二乘回归模型建模精度都高于芦苇.③不同回归模型相比,BP神经网络模型的精度最高,其芦苇和茭草全氮含量估算模型的r^(2)均为0.96,均方根误差(RMSE)分别为0.63、0.47,是建立湿地植物光谱与全氮含量关系的最优模型.研究显示,BP神经网络模型对湿地植物氮含量的预测精度较高,且计算速度快,不仅可为人工智能技术在湿地监测与管理提供有力的科学依据,而且可以为湖泊水环境污染治理应用提供新思路.

关键词：光谱变换单变量模型偏最小二乘回归 BP神经网络

面向桉树和车桑子精准识别的高光谱特征变换方法比较分析

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测绘科学技术学报 2021年第4期38卷 380-383页

作者：李新澳甘淑胡琳沈聪颖汪军阳昆明理工大学云南昆明650093 信息工程大学河南郑州450001

相对于遥感影像,高光谱遥感影像具有光谱信息,为精准识别植被提供了新的技术支持。对高分五号(GF-5)高光谱数据进行光谱变换,结合植被指数,分析各种光谱变换方法对植被的识别能力。首先提取研究区主要的两种植被端元光谱,对实验区进行分... 详细信息

相对于遥感影像,高光谱遥感影像具有光谱信息,为精准识别植被提供了新的技术支持。对高分五号(GF-5)高光谱数据进行光谱变换,结合植被指数,分析各种光谱变换方法对植被的识别能力。首先提取研究区主要的两种植被端元光谱,对实验区进行分类,依据植被分布位置,确定这两种植被分别为桉树和车桑子;然后对植被的反射率光谱进行一阶、二阶微分,连续统去除和对数变换处理;最后基于4种光谱变换及反射率光谱计算两种植被的11种植被指数,依据两种植被对应植被指数的J-M距离,判断不同光谱曲线对植被的识别能力。结果表明,5种光谱曲线对植被识别能力由强到弱依次为二阶微分、一阶微分、连续统去除、原始光谱、对数变换。

关键词：高分五号高光谱光谱变换植被指数 J-M距离

基于光谱变换的低温胁迫下冬小麦叶绿素含量估测研究

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中国生态农业学报 2017年第9期25卷 1351-1359页

作者：张雪茹冯美臣杨武德王超郭小丽史超超山西农业大学旱作农业工程研究所太谷030801

近年来,冻害已成为影响我国冬麦区的农业气象灾害之一,及时、快速、准确地获取冬小麦叶绿素含量对于监测冬小麦冻害发生具有极其重要的意义。本研究通过低温胁迫试验,在拔节期对两个冬麦品种进行-6℃,4 h、8 h和12 h的胁迫处理后,测定... 详细信息

近年来,冻害已成为影响我国冬麦区的农业气象灾害之一,及时、快速、准确地获取冬小麦叶绿素含量对于监测冬小麦冻害发生具有极其重要的意义。本研究通过低温胁迫试验,在拔节期对两个冬麦品种进行-6℃,4 h、8 h和12 h的胁迫处理后,测定其冠层光谱反射率,并对原始光谱数据进行15种典型变换处理,分析比较不同光谱变换下冬小麦叶绿素含量的PLSR模型,筛选出能够表征低温胁迫下冬小麦叶绿素含量的最佳光谱变换方式。结果表明,随低温胁迫时间的延长,两个冬小麦品种叶绿素含量呈降低趋势,随着低温胁迫后天数的增加,各处理与对照的差异逐渐减小。胁迫后5 d,近红外区域反射率有较大升高,并随低温胁迫后时间的延长而升高;在可见光区域,短期内差异不明显。胁迫后10 d、20 d、35 d,黄、红波段逐渐趋于水平,同时近红外区域反射率差异逐渐缩小,可见光区域光谱反射率出现不同程度的上升。对原始光谱数据进行15种典型变换处理,发现原始光谱的倒数、对数、幂、平方根等变换难以提高与叶绿素含量的相关性,且建模效果较差。除原始光谱对数的一阶微分(T6)外,其他微分变换处理的叶绿素含量诊断模型都优于原始光谱。综合考虑模型的校正、验证效果、模型最佳因子数以及相对分析误差的大小,二阶微分变换处理(T15)叶绿素含量校正模型的R2和RMSE分别为0.930、0.340,验证模型的R^2为0.753,表明基于T15的光谱变换数据可实现低温胁迫下叶绿素含量的准确估算,为最佳光谱变换方式。

关键词：冬小麦叶绿素含量光谱变换低温胁迫偏最小二乘法

基于不同光谱变换的剑湖茭草鲜生物量估测研究

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西南林业大学学报（自然科学） 2019年第6期39卷 105-115页

作者：张超余哲修黄田张一罗恒春牛晓花西南林业大学林学院

通过实地采集剑湖湿地茭草反射光谱和现场测量鲜生物量,基于24种光谱变换对茭草反射光谱特征进行分析,选取16种光谱变换筛选全波段(350~2 350 nm)中对茭草鲜生物量敏感的特征波段,构建其鲜生物量估测模型。结果表明:不同形式的光谱变换... 详细信息

通过实地采集剑湖湿地茭草反射光谱和现场测量鲜生物量,基于24种光谱变换对茭草反射光谱特征进行分析,选取16种光谱变换筛选全波段(350~2 350 nm)中对茭草鲜生物量敏感的特征波段,构建其鲜生物量估测模型。结果表明:不同形式的光谱变换更容易分析光谱特征,对数倒数和倒数的变换增强了可见光波段的特征。对数倒数一阶微分变换增强了近红外波段的特征,倒数二阶微分和对数倒数二阶微分增强了短波红外的特征,4~5尺度的连续小波变换适合分析原始光谱特征。连续小波变换后最大相关系数为0.734;其次为二阶微分变换,最大相关系数为-0.730。基于立方根二阶微分变换构建的多元回归模型对茭草鲜生物量估测效果最佳,R2、RMSE、P和RPD分别为0.88、1 044.90 g/m2、83.95%、2.64。

关键词：茭草生物量光谱变换光谱特征估算模型湿地

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基于不同光谱变换的土壤盐含量光谱特征分析

土壤通报 2017年第3期48卷 560-568页

作者：朱赟申广荣项巧巧吴裕上海交通大学农业与生物学院和低碳农业研究中心上海200240 国家林业局上海城市森林生态系统国家定位观测研究站上海200240 都市农业(南方)重点实验室上海200240

跟踪初生盐渍土壤的微生物修复实验,采用同步实测得土壤盐含量和光谱数据,详细分析了基于34种光谱变换,修复过程中盐渍土的光谱特征。对于选取的6种光谱变换,采用全波段(400~1650 nm)和分析获得的最佳敏感波段分别建立了土壤盐含量的光... 详细信息

跟踪初生盐渍土壤的微生物修复实验,采用同步实测得土壤盐含量和光谱数据,详细分析了基于34种光谱变换,修复过程中盐渍土的光谱特征。对于选取的6种光谱变换,采用全波段(400~1650 nm)和分析获得的最佳敏感波段分别建立了土壤盐含量的光谱反演PLSR(partial least squares regression)模型。研究表明,光谱变换处理使土壤盐含量与平滑后的光谱反射数据的相关性明显增强,且最佳敏感波段范围进一步聚焦。本研究得到最佳光谱变换为导数变换,基于全波段的土壤盐含量预测模型以SGSD变换效果最好,与原始光谱相比,模型的r、RMSEP分别从0.537和1.928改善到0.823和1.256。而SGSD(Log R)是基于最佳波段所建立的盐含量预测模型的有效光谱变换方法,该研究为进一步实现盐渍土中盐含量快速定量分析提供了方法和数据参考。

关键词：盐渍化土壤微生物修复光谱变换偏最小二乘法