黑土有机质含量的高光谱估测模型研究

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1、————————————————————————黑土有机质含量的高光谱估测模型研究————————————————————————StudyonHyper-SpectralModelsforPredictingBlackSoilOrganicMatterContent作者姓名：印影专业名称：地球探测与信息技术指导教师：姜琦刚教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年05月29日黑土有机质含量的高光谱估测模型研究中文摘要（作者：印影指导教师：姜琦刚）东北黑土是不可再生的宝贵资源，关系到东北地区乃至全国的粮食生产、经济发展以及生态环境，然而对黑土的过度开发以及不

2、合理的耕作方式等造成了土壤的贫瘠化，水土流失严重。因此有必要及时对土壤属性进行测定与质量评价，保护黑土资源刻不容缓。高光谱遥感技术的发展为土壤理化参数的获取提供了一种便捷、高效的手段。相比传统方法，更省时省力，降低成本；相比常规多光谱遥感，能提高反演精度。其较高的光谱分辨率能为分析土壤表层情况、内在属性等提供详细的数据，目前已经在估测土壤有机碳、水分、氮、磷、钾等相关元素含量方面有较为广泛的应用。本文以东北典型黑土区的农田土壤为研究对象，以68个黑土样本的实测高光谱数据和有机质含量为主要数据源。土壤光谱曲线是其各个属性成分综合作用的结果，分析土壤的反射光谱特

3、征是进行有机质含量估测的基础。在对黑土光谱数据进行断点校正、平滑去噪和变换处理后，首先比较分析了不同有机质含量等级下、不同光谱分辨率下，黑土室内光谱曲线特征的差异，并将室内、野外黑土光谱进行了对比，利用单相关分析，得出有机质的响应波段范围。然后，基于光谱分析技术和统计学原理，利用黑土光谱数据及其变换形式分别建立了多元逐步回归、偏最小二乘和支持向量机回归模型来对有机质含量进行估测，并分析对比了各种模型的精度。主要得到以下结论：黑土室内光谱曲线整体光滑平缓，反射率随着波长增大而逐渐升高，属于有机质控制类型，有机质影响着整个波段的光谱特征，尤其是可见光波段。室内与

4、野外的黑土光谱曲线特征基本相似，由于不受外在环境影响，光谱曲线更加光滑规整，一些细节特征更加明显。有机质响应波段范围较宽，当采样间隔增至10nm时，曲线更为光滑，光谱特征几乎没有改变；当采样间隔大于20nm时，黑土光谱的吸收特征随着光谱分辨率的降低逐渐削弱。有机质含量与黑土光谱反射率呈负相关，显著相关波段为550～680nm，吸光度一阶微分变换对增强相关性的作I用最大，在1274nm处，相关系数达到-0.8。在多元逐步回归模型中，吸光度一阶微分及连续统去除一阶微分的建模效果较好，将黑土有机质含量的对数形式作为因变量后，每个模型的建模和预测精度都有提高。利用全

5、光谱数据建立的偏最小二乘回归模型，建模结果较多元逐步回归有很大改善，其中吸光度光谱一阶微分的PLSR模型结果最优，RPD为2.664，有较好的预测能力。不同光谱分辨率下的PLSR模型，随着光谱分辨率的降低，精度先提高后逐渐降低，在10nm采样间隔时，模型效果最好，说明重采样后不仅保留了原始的光谱特征，还减少了数据的冗余，削弱了噪声的影响。最小二乘支持向量机回归建模结果要优于前两种线性模型，特别是通过PLS提取特征主2成分后，不仅缩短了计算时间，模型稳定性和预测能力都得到增强，RC为0.993，RPD为3.682，缩小了建模和预测精度的差距。关键词：黑土，有机

6、质，高光谱，多元逐步回归，偏最小二乘回归，支持向量机IIStudyonHyper-SpectralModelsforPredictingBlackSoilOrganicMatterContentABSTRACT（Author：YinYingTutor：JiangQigang）TheblacksoilinnortheastChinaisakindofpreciousresourcewhichisnon-renewable.Itplaysaveryimportantroleingrainproduction,economicdevelopmentandtheec

7、o-environmentinnortheastChinaandeventhewholecountry.However,thelong-termhumanactivitiesofover-reclamationandirrationalcultivationresultedinsoilimpoverishment.Thewaterandblacksoilerosionisveryserious.So,itisnecessarytodeterminesoilpropertiesintime.Protecttheblacksoil,brooknodelay.Th

8、edevelopmentofhyperspectra