不同粒径湿地土壤高光谱特征及碳氮磷含量反演模型研究

河流湿地是非常重要的湿地类型,其中河流湿地土壤能够有效维持河流湿地生态系统的稳定性。土壤碳氮磷是支撑湿地土壤质量和植被生长的关键营养元素,利用高光谱遥感数据对其进行估算对实现湿地土壤养分信息的快速和准确检测具有重要意义。土壤粒径作为土壤最重要的属性之一,对土壤样本的光谱反射率有着重要影响,并且是影响土壤结构、阳离子交换能力、植物养分可用性等的重要因素。以陕西黄河湿地省级自然保护区为研究区,于2022年 8-9 月采集477份湿地表层土壤样本,经过室内过筛处理后得到1.0 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm四种不同粒径的土壤样本。基于原始光谱数据及一阶微分转换光谱数据对土壤碳、氮、磷含量建立不同粒径的偏最小二乘回归、随机森林、高斯过程回归3种预测模型,比较建模R²以及RMSR选择最优模型,并筛选敏感波段构建模型进行评价。研究结果显示: (1) 光谱反射率数值随土壤粒径的减小而增大,0.1 mm粒径的预测模型相比于其他粒径始终有着更好的精度; (2) 基于一阶微分光谱建立的土壤有机碳、全氮、全磷含量估算模型均具有更高的精度; (3) 基于敏感波段建立的偏最小二乘回归模型,建模R²范围0.62-0.98,验证R²范围0.36-0.94,相比其他模型具有更优秀更稳定的反演效果。研究结果表明通过控制土壤粒径建立土壤碳、氮、磷含量的估算模型是可行的,选择合适的粒径大小能够提高反演模型估算精度。而偏最小二乘回归作为具有较高精度的反演模型可以帮助提高模型的稳定性和预测能力,从而更准确地估算土壤中的碳、氮、磷含量。研究结果为基于高光谱遥感的不同粒径处理的湿地表层土壤碳、氮、磷定量反演提供坚实的理论支撑与技术支持。     

基于PCA敏感波段筛选与SVM建模的银川平原土壤有机质高光谱估算

为确定银川平原土壤有机质(SOM)含量的最佳估算模型,实现SOM的快速、准确监测,本研究以银川平原5 km×5 km网格法采集的171个表层土壤样品为对象,测定SOM含量及其野外350～2500 nm高光谱反射率.对光谱经重采样和预处理后得到标准正态变量(SNV)、峰值归一化(MAN)、一阶微分(FDR)、对数的倒数(...     

甘肃敦煌西湖湿地植物群落平均盖度与土壤含盐量耦合关系

实地调查了甘肃敦煌西湖国家级自然保护区的湿地植物群落和环境因子,综合比较了各种多样性指数及环境因子,并应用SPSS统计软件的多元方差分析功能筛选出自变量x(含盐量)和因变量y(平均盖度).应用了曲线参数估计法对24个湿地植物群落样方的平均盖度和土壤含盐量进行多次回归模型拟合,最终提出了最优的拟合模型为Logarithmic对数曲线模型,曲线方程:y=1.076-0.391lnx,P(Sig.=0.009)<0.01,并提出模型存在的不足及改进之处,旨在为我国西北干旱地区的湿地植物多样性保护提供科学依据.     

基于实测高光谱与Sentinel-2B数据的银北土壤Na+含量估测

为了探讨不同传感器对土壤Na+含量的估测能力,本研究以宁夏银北地区典型样点土壤实测光谱和Sentinel-2B影像光谱为对象,运用逐步回归(SR)和主成分回归分析(PCA)方法对光谱数据进行敏感参量筛选,然后采用偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机(SVM)和反向传播神经网络模型(BPNN)分别建立实测光谱和影像数据...     

基于分数阶微分优化光谱指数的土壤电导率高光谱估算

土壤电导率与含盐量具有高度相关性,精准的土壤电导率监测有助于了解区域土壤的盐渍化程度,对区域盐渍化防治与调控,农业可持续发展以及生态文明建设具有重要意义。为寻求预测土壤电导率的最佳高光谱参数,实现土壤盐分信息的高效监测,本研究对土壤样品进行室内高光谱和电导率测定,利用两波段优化算法对简化光谱指数(nitrogen planar domain index, NPDI)进行波段优化,筛选不同高光谱数据(原始高光谱反射率及其对应的5种数学变换)运算下的最敏感高光谱参数,从而建立土壤电导率高光谱估算模型。结果表明:1)NPDIs与土壤电导率之间的相关性显著,在原数据及其平方根、倒数、对数倒数、1.6阶微分变换形式下,优化光谱指数对土壤电导率的敏感程度更强,相关系数绝对值均超过0.80,且基于1.6阶微分变换的(R_(2020nm)+R_(1893 nm))/R_(1893 nm)波段组合相关系数绝对值最高,达到0.888。2)基于1.6阶微分波段优化的预测模型效果最佳,预测精度为R■=0.84,RMSE_(Pre)=2.07mS/cm,RPD=2.94,AIC=158.11。因此,对高光谱数据的适当数学变换有利于优化光谱指数更好地估算土壤电导率,进一步实现土壤盐渍化高精度动态监测。     

基于分数阶微分技术的土壤水盐信息高光谱反演

准确高效获取土壤水盐信息是盐碱地改良和可持续利用的前提。本研究以地面野外高光谱反射率和实测土壤水盐含量为数据源,利用分数阶微分(FOD)技术对原始光谱反射率进行步长为0.25的处理,从光谱数据与土壤水盐信息相关性层面筛选FOD阶数,构建二维光谱指数,采用支持向量机回归(SVR)和地理加权回归(GWR)建立土壤水盐含量反演模型并进行验证。结果表明：FOD技术可以在一定程度上减弱高光谱噪声并挖掘潜在光谱信息,提高高光谱反射率与土壤含水量(SMC)、pH值和含盐量的相关性,相关系数最高分别提升0.98、1.35和0.33。与一维光谱相比,FOD结合二维光谱指数筛选的特征波段组合对SMC、pH值和含盐量的响应更敏感,分别以1.5、1.0和0.75阶为最优,其中,SMC最大相关系数绝对值的最佳组合波段为570、1000、1010、1020、1330和2140 nm; pH值为550、1000、1380和2180 nm;含盐量为600、990、1600和1710 nm。相较于原始光谱反射率,SMC、pH值和含盐量最优阶次估算模型验证决定系数(R_p²)最高...     

福州市土壤铬含量高光谱预测的GWR模型研究

通过系统分析不同光谱分辨率和光谱变换对土壤铬高光谱预测模型的不确定性影响,筛选出最优的光谱分辨率及光谱变量进行土壤铬含量预测的地理权重回归(GWR)模型构建,利用该模型进行福州市土壤铬含量预测,并将预测结果与普通最小二乘法回归(OLS)结果进行比较分析,探讨GWR模型在土壤铬高光谱预测中的适用性及局限性。结果表明:(1)在10 nm分辨率尺度下,以土壤全铬含量为因变量,反射率的二阶微分和反射率倒数的二阶微分为自变量构建的GWR模型对土壤铬预测的效果最好。GWR模型的R~2和调节R~2分别为0.821和0.716,较OLS模型分别提高了0.529和0.450,而AIC值为720.703,较OLS模型减少了22个单位,残差平方和仅为OLS模型的1/4,说明GWR模型的预测效果较OLS模型有了显著提高。(2)土壤铬预测模型的精度受光谱分辨率影响。对于OLS预测模型来说,3 nm分辨率的模型预测效果最好,而对于GWR预测模型来说,10nm分辨率的模型不仅预测效果最好,其相较于OLS模型的改善作用显著,为土壤铬含量GWR预测的最佳光谱分辨率。(3)光谱的一阶微分变换可以有效增强土壤铬的光谱特征,而其余的光谱变换对土壤铬的光谱特征则未起到增强作用,但可以很好地提高模型的预测效果。(4)研究得出土壤铬GWR模型预测的最佳光谱分辨率为10 nm,为EO-1 Hyperion影像的光谱分辨率,而且随着采样点的增加,GWR模型的预测效果趋于稳定,适合空间异质性大的区域尺度土壤铬预测。故该模型与高光谱影像结合,实现模型从实验室尺度向区域尺度的推广,为格网尺度土壤铬的空间预测提供可能。     

基于Hyperion影像植被光谱的土壤重金属含量空间分布反演——以青海省玉树县为例

本研究主要探讨了利用Hyperion影像植被光谱估算土壤重金属含量的可行性.以野外采集的三江源区玉树县48个表层土壤样品As、Pb、Zn、Cd实验室测定含量值,以及从两景Hyperion影像提取的48个土壤样本点相应的176个植被光谱反射率波段及构建的5种植被指数为数据源,利用偏最小二乘回归方法(PLSR)建立土壤各重金属含量与上述两套Hyperion影像上提取的变量之间的估算模型.模型分别为176个植被光谱反射率波段与土壤各重金属含量间的估算模型(植被光谱反射率模型),和以5种植被指数作为自变量,与土壤各重金属含量建立的估算模型(综合植被指数模型).运用验证样本的4种重金属元素实测含量值的标准差与均方根误差的比值(RPD)作为检验标准,As、Pb两种模型RPD均小于1.4,不具备粗略估算能力;Zn、Cd两种模型RPD分别为1.53、1.46与1.46、1.42,均具备粗略估算能力.根据上述结果将Zn的光谱反射率估算模型与Hyperion影像相结合反演得到土壤重金属Zn含量的空间分布,Zn含量在214国道、308省道和乡镇附近偏高,主要受到较强的人类活动影响.表明运用Hyperion高光谱影像植被光谱反射率可以间接估算土壤Zn、Cd元素含量.     

基于多光谱遥感影像的表层土壤有机质空间格局反演

利用多光谱LandSat TM遥感影像反演辽宁省阜新镇表层土壤有机质的空间格局,筛选出与土壤有机质分布相关的TM波段,分析并确定表层土壤有机质含量与TM1、TM2、TM3、TM4、TM5、TM6、TM7波段亮度值(digital number,DN)的相关关系,建立了土壤有机质含量的光谱预测模型.结果表明:研究区表层土壤有机质含量与TM4、TM5波段DN值呈极显著的负相关关系(r分别为-0.617和-0.623,P0.001),与TM3、TM5波段DN值之间满足负二次多项式回归关系(R2=0.9134,P0.001);基于TM3、TM5波段DN值的回归模型对研究区表层土壤有机质含量的预测结果可靠(R2=0.9151,P0.001).研究区表层土壤有机质含量10g·kg-1的农田主要分布在山地边缘地带,而平坦地区农田表层土壤有机质含量一般10g·kg-1,部分达到15～20g·kg-1.     

闽江河口湿地土壤全磷高光谱遥感估算

磷是湿地生态系统必需和限制性元素,利用高光谱遥感数据对其进行估算对实现湿地土壤磷素快速和准确定量具有重要意义。选取闽江河口湿地作为研究区,于2013年5月,采集16个土壤剖面80个样本作为估算与验证模型样本;基于光谱指数建立土壤全磷(TP)含量估算模型,其中光谱指数包括原始光谱反射率(R)、比值土壤指数(RSI)、归一化土壤指数(NDSI)和有机质诊断指数(OII)。此外进一步分析反射光谱与不同形态磷,TP与有机质之间关系,以期初步揭示河口湿地土壤TP估算的机理。研究结果表明,闽江河口湿地土壤TP含量与R相关系数较高的区域分布在360-560 nm,并在406 nm处达到最大值-0.816;光谱指数RSI(R_(430),R_(830))、RSI(R_(460),R_(810))、RSI(R_(560),R_(580))、NDSI(R_(430),R_(830))、NDSI(R_(460),R_(830))、NDSI(R_(560),R_(580))和OII(R_(446))与土壤TP含量均有较高的相关系数,能较好的用于TP含量的估算;各估算模型决定系数(r~2)和均方根误差(RMSE)分别在0.657-0.805和0.052-0.067之间;验证模型r~2和RMSE分别在0.606-0.893和0.037-0.044之间。分潮滩建立TP含量估算模型是可行的,并且能提高部分光谱指数的估算精度。土壤TP含量的估算精度与磷素的组成有关,其中与铁吸附态磷关系较为密切,钙吸附态和铝吸附态磷关系较弱。土壤TP与有机质和氧化还原环境的存在密切关系可能是湿地土壤TP含量估算的重要机理。     

滨海盐土土壤水分的高光谱参数及估测模型

基于滨海盐土5个试验点的土壤含水量和室内土壤表面高光谱反射率,综合分析了350～2500 nm波段范围内土壤含水量与土壤光谱之间的关系,并基于比值光谱指数(RSI)、归一化光谱指数(NDSI)和差值光谱指数(DI)确定了光谱参数,进而构建土壤含水量估测定量模型.结果表明： 滨海盐土原始光谱反射率与土壤含水量呈显著负相关关系,且最大负相关出现在1930 nm(r=0.86)附近.对RSI、NDSI和DI的直线回归方程、幂函数回归方程进行对比,以RSI(R₁₄₀₇,R₁₄₅₉)为自变量构建的土壤含水量指数函数线性回归方程决定系数最大(0.780),标准误较小(0.016),拟合方程为y=0.00001e^9.72053x.估测模型能够更好地监测滨海盐土土壤水分状况.基于RSI(R₁₄₀₇,R₁₄₅₉)构建的模型可实现对江苏省滨海盐土土壤水分的精确监测.     

三角洲平原水库堤坝土壤水和可溶性盐空间分布特征

以辽宁省大洼县三角洲平原水库坝体不同坡向、坡位、剖面深度的土壤为研究对象,分析了土壤含水率和可溶性盐总量在水平空间与垂直空间上的变异与分布特征。结果表明:与含水率相比,土壤可溶性盐总量的变异相对较高;二者均为中等变异性且变异性的趋势较一致。坝体南坡土壤的平均可溶性盐总量、平均含水率均大于北坡。不同土层之间平均可溶性盐总量从大到小的顺序为:中层>下层>表层;而平均含水率随土壤剖面深度增加而增加。不同坡位间可溶性盐总量没有显著性差异;上坡位与中坡位的平均含水率基本持平,下坡位最高。研究结果可为辽河三角洲地区平原水库堤坝及其周边盐碱土治理与植被恢复提供依据。     

天津盐渍化农田土壤盐分变化特征

通过对天津农田土壤合盐量及盐分组成的分析,研究了该区盐渍化农田盐分的组成状况和累积特征.结果表明:与蓟县背景对照土壤相比,东丽、津南和汉沽三区盐渍化农田的盐分组成均呈现很大的差异性;非盐渍化农田盐分呈表层累积特征,含盐量随土壤剖面深度的增加而减小,而盐渍化农田表层呈强烈的洗盐、脱盐现象,底层则呈明显的积盐现象;非盐渍化和盐渍化农田盐分的阴离子组成均以HCO3-为主,而阳离子组成则由无盐渍化农田的以Ca2+为主逐渐过渡到盐渍化农田的以Na+为主;盐渍化农田剖面盐分的空间变异性较强,Na+、C1-与SO42-均为表层低深层高,且pH、残余碳酸钠(RSC)、钠吸附比(SAR)及碱化度(ESP)也均比非盐渍化农田高,并呈现出盐化和碱化同步发生的特征.     

山西省农业生态经济系统能值分析

采用能值分析方法对2005年山西省农业生态经济系统的投入产出状况、运行效率和环境负荷进行了系统分析.结果表明：2005年,山西省农业生态系统仍处于主要依赖人力有机能和环境资源的传统农业阶段;研究区系统能值投资率（EIR）为1.07,能值产出率（EYR）为0.99,环境负载率（ELR）为6.55;在农业结构调整方面,畜牧业取得了长足发展,而小杂粮、蔬菜和干鲜果的能值产出仍较小,远未成为优势产业;研究区农业生态系统整体的回报效率较低,承受的压力较大.山西省今后应继续转移农业剩余劳动力、控制人口增长,同时加大农业科技辅助能值投入、提高环境资源的利用效率,使系统能值的投入产出向高水平发展.     

黄河三角洲垦利县夏季土壤水盐空间变异及土壤盐分微域特征

黄河三角洲作为我国重要的后备土地资源区,土壤盐渍化问题突出,切实掌握季节性土壤水盐状况及其微域特征是该区土壤盐渍化防控和土地资源高效利用的重要基础。选择黄河三角洲垦利县,通过野外调查实测与室内化验分析获取土壤水盐含量数据,利用统计分析、GIS空间插值、实地观测与数据分析对比等方法,分析了研究区夏季土壤水盐状况及其微域变异规律。结果显示:研究区夏季土壤水盐含量总体较高,含盐量以中度盐渍化为主,随着土层深度的增加含盐量呈上升趋势,且各层土壤含盐量呈显著正相关性;含盐量较高的地区主要分布在该区东北部和中东部,含盐量较低的地区主要分布在西南部和中部;土壤含盐量从大到小的植被类型依次为光板地→碱蓬→高粱→芦苇→茅草→水稻→棉花→玉米;土壤盐分微域变化特征明显,含盐量受距路边远近、不同耕作措施、地形部位、植被群落等因素影响较大,表现出微域规律性和复杂性。该研究基本摸清了研究区夏季时相的土壤水盐状况及其微域特征,为黄河三角洲农作物栽培管理及土壤资源可持续利用提供了科学依据。     

A parametric distribution for the fraction of outdoor soil in indoor dust

For a chemical that does not have a source inside a house, the ratio of its dust concentration indoors to its soil concentration outdoors is equal to the fraction of house dust that is composed of soil. To estimate the fraction of soil in house dust, we compiled ratios of the concentrations of a chemical in dust and soil from the scientific literature. We find that a lognormal distribution fits the data extremely well. This distribution is suitable for use in public health risk assessments for single‐family homes in temperate climates.     

TVDI模型的农业旱情时空变化遥感应用

温度植被干旱指数(TVDI)是一种通过反演土壤湿度来反映农业干旱状况的重要方法,其中能量平衡和植被指数的变化是影响TVDI模型精度的主要因子。在研究比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)和修正土壤调节植被指数(MSAVI)和下垫面温度(Ts)的基础上,引入DEM数据并对Ts做地形校正,减少了地形起伏对能量平衡的影响,建立不同植被指数的Ts-Ⅵ特征空间,选择与土壤湿度相关性最好的温度植被干旱指数(TVDI),获取研究区2005年作物生长季(5—9月)的干旱状况,并用同步的气象信息对干旱状况进行验证。结果表明:根据不同时期采用不同植被指数的TVDI模型,经过地形校正后能够更好地反映研究区的农业干旱状况。     

昭苏县土壤含水量高光谱建模预测及其与植被生产力的关系

土壤是生态系统中不可或缺的组成部分,同时也是植物生长与发育的依托。土壤含水量直接影响土壤—植被生态系统中的水分和养分循环,从而决定植物的生长状态。因此,植被的生长状况与土壤含水量之间存在密切的关联。为了深入了解这种关系,本研究选取昭苏县3种优质牧草（冷蒿草、牛筋草和高羊茅）的地面实测高光谱数据作为研究对象,运用倒数、导数、对数等14种光谱变换方法,通过相关性分析找出与土壤含水量高度相关的特征波段,进行植被高光谱的土壤含水量建模预测,目的是要筛选敏感波长和最佳的反演模型。同时,利用CASA模型计算草地实际净初级生产力（ANPP）,以分析土壤含水量与植被生产力的关联程度。结果表明：（1）昭苏县3种优质牧草在可见光波段光谱反射特征相似,而近红外波段差异较大,并且除25%—30%土壤含水量区间外,随着土壤水分增加,植被光谱反射率呈现明显下降趋势。（2）经过14种光谱变换后,昭苏县3种优质牧草的光谱反射率与土壤含水量间的相关性得到提高,尤其在R″、（1/R）′、（log R）′、（log 1/R）′、(R^1/2)″等光谱变换形式下,相关性较高,且特征波段数量较多。（3）在（1/R）′、（1/R）″、（log 1/R）″、(R^1/2)″等8种高光谱变换形式中,(R^1/2)″和（log 1/R）″变换下土壤含水量估算模型精度较好。（4）在过去20年间,昭苏县草地ANPP呈明显下降趋势,草地退化主要集中在平原地带,而植被生产力的减少是多因素作用的结果,土壤含水量只是一个微弱的影响因子。总之,本研究为土壤含水量反演及其与植被生产力关系研究中提供新思路,为土地可持续利用和管理策略的指定提供重要参考。     

Carbon dioxide evolution of an upland rice and barley,double cropping field in central Japan

Carbon dioxide evolution rates from a double cropping, upland rice and barley field were determined in central Japan from June 1992 to May 1994, and regression models were developed to predict soil respiration rate. Diurnal patterns of hourly soil respiration rates (SRh) showed a similar trend with those of soil surface temperatures. Daily soil respiration rate (SRd) obtained by integrating SRh varied from 0.3 to 15.6 g CO₂ m⁻² for the 2 years. In the summer cropping period, SRd was positively correlated with daily mean soil surface temperature and negatively correlated with volumetric water content in soil. Moreover, this relationship was able to be expressed as a multiple-factor model with an Adj-R² of 0.925. On the other hand, in the winter cropping period, SRd was able to be represented by a single factor model using soil surface temperature with an Adj-R² of 0.854. Based on these relationships, seasonal changes in soil respiration rate were estimated. Total soil respiration rates in 1992 and 1993 estimated for the summer cropping period were 1260 g CO₂ m⁻² and 1094 g CO₂ m⁻², and for the winter cropping period 624 g CO₂ m⁻² and 676 g CO₂ m⁻², respectively. It was considered that the lower values during the summer cropping period in 1993 depended on lower soil surface temperature and higher soil water content.