小波包-局部最相关算法提高土壤有机碳含量高光谱预测精度.pdf

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1、第33卷2017正第l期1月农业工程学报TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering、，01．33NO．1Jan．2017175小波包．局部最相关算法提高土壤有机碳含量高光谱预测精度张锐，李兆富※，潘剑君(南京农业大学资源与环境科学学院，南京210095)摘要：高光谱遥感可以实现水稻土排水期有机碳含量的快速预测，但土壤反射率受多种噪声的影响，有机碳光谱信号探测受阻，预测模型性能低下，如何在去除噪声的同时最大限度地保持有机碳光谱信号十分重要。以原状新鲜水稻土为研究对象，采用Biorl_3小

2、波系对反射光谱进行1～7层小波包变换，通过相关分析确定最大分解层；将原始反射率至最大分解层以内的各层光谱相关系数组成相关系数集，采用局部最相关算法(10calcorrelationmaximization，LCM)构造土壤有机碳最优光谱；最后基于最优光谱建立有机碳含量偏最小二乘预测模型并进行分析。结果显示：1)随着小波包分解层数的增加，土壤反射率与有机碳含量的相关性不断增强，到第6层达到最高，确定为小波包最大分解层；2)基于LCM构造的最优光谱比未去噪光谱平滑，LLd,波包去噪光谱保留了更多光谱细节；3)未去噪光谱、小波包去噪光谱和LCM最优光谱有机碳预

3、测模型的验证决定系数分别为0．693、0．727和0．781，均方根误差为1．952、1．840和1．679g／kg，残留预测偏差为1．85、1．97和2．17。小波包．局部最相关算法在去噪同时有效保持了土壤有机碳光谱信号，可提高水稻土有机碳含量高光谱预测精度。关键词：光谱分析；土壤；有机质；小波包；局部最相关doi：lO．11975／j．issn．1002—6819．2017．01．024中图分类号：S127文献标志码：A文章编号：1002—6819(2017)一01—0175—07张锐，李兆富，潘剑君．小波包．局部最相关算法提高土壤有机碳含量高光谱预

4、测精度[J]．农业工程学报，2017，33(1)：175—181．doi．-10．11975／j．issn．1002—6819．2017．01．024http：／／www．tcsae．orgZhangRui，LiZhaofu，PanJianjun．Couplingdiscretewaveletpackettransformationandlocalcorrelationmaximizationimprovingpredictionaccuracyofsoilorganiccarbonbasedonhyperspectralreflectance[J]．T

5、ransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2017，33(1)：175—181．(inChinesewithEnglishAbstract)doi．10．11975／j．issn．1002～6819．2017．01．024http：／／www．tcsae．org0引言近地高光谱遥感具有快速、环保、无破坏性的优点，是土壤有机碳含量快速估测的重要手段。水稻土排水期较短，原状湿土有机碳含量预测一直是其研究热点【1。21，但土壤光谱受到土壤表面粗糙

6、程度、土壤水分、各种环境噪声的影响，有机碳光谱信息探测困难，因此，有必要探究一种在尽可能少地损失光谱细节的基础上，较为彻底去除噪声的滤波手段，为有机碳含量预测提供良好的数据基础。常用的光谱去噪方法包括移动平均、Savitzky．Golay滤波、中值运算等，Morgan掣3]使用移动加权算法进行土壤有机碳含量估测；Srivastava掣41、Rienzi掣51和Nocita等【61分别使用二次多项式的3个、7个和20个采样单位窗口的Savitzky．Golay滤波进行有机碳监测中光谱数据平滑去噪，这些方法虽然能对反射率数据起到去噪和压缩效果，但如果噪声类型

7、类似于白噪声，特别是随机和低频的信号，则难以在噪声去除的同时不影响有用信号。收稿日期：2016—06—15修订日期：2016-11-09基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(KYZ201522)；江苏高校优势学科建设工程项目；国家自然科学基金项目(41571171)作者简介：张锐，研究方向为土壤资源高光谱定量遥感。南京南京农业大学资源与环境科学学院，210095。Email：1160877119@qq．tom※通信作者：李兆富，博士，副教授，研究方向为资源环境遥感。南京南京农业大学资源与环境科学学院，210095。Email：lizhaoful@nj

8、au．edu．ca一些研究通过光谱信号在频域上的分解发展出了小波变换，小波变换继