作者单位
摘要
1 华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室,湖北 武汉 430079
2 浙江大学 杭州国际科创中心,浙江 杭州 311200
3 浙江大学 农业遥感与信息技术应用研究所,浙江 杭州 310058
4 农业农村部光谱检测重点实验室,浙江 杭州 310058
土壤中红外(MIR)光谱能快速、无污染、低成本地估算土壤有机碳等理化属性。随着各种尺度土壤光谱库的建立,使用其进行快速土壤分析引起广泛关注,但光谱库的通用模型在局部尺度上的预测效果不理想。开发“局部化”光谱建模方法是提高土壤光谱库性能的有效途径。本文提出了一种新的方法,通过光谱相似度计算和建模子集构建,旨在从库中快速建立最优局部建模集以提高预测精度。比较了欧氏、马氏、余弦三种距离算法衡量待测样本与库样本之间的相似度并生成距离矩阵;使用连续统去除法从距离矩阵中提取库容曲线中的特征点。利用偏最小二乘回归建立土壤MIR光谱与有机碳含量间的定量关系。结果表明,三种距离算法结合连续统去除得到的第一特征点均可得到较佳的预测精度。马氏距离不仅模型精度最高(R2 = 0.764,RMSE = 1.021%)而且用到的库样本数最少(14%库容)。本方法可改善MIR光谱分析的成本效率并能提高局部尺度的预测能力。
土壤碳 相似度 距离矩阵 连续统去除 偏最小二乘回归 soil carbon similarity distance matrix continuum-removal PLSR 
红外与毫米波学报
2023, 42(6): 815
作者单位
摘要
1 华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430079
2 浙江大学杭州国际科创中心, 浙江 杭州 311200
3 中国科学院、 水利部成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室, 四川 成都 610041
掌握土壤在空间和时间上的表征至关重要。 土壤可见-近红外(Vis-NIR)光谱可以估算土壤有机碳(SOC)等属性, 与传统的实验室理化分析相比, 光谱技术能有效实现土壤信息的快速获取。 土壤光谱库为建立经验模型提供了大量具有丰富变异性和多样性的样本作数据基础。 但受限于库中土壤样本的异质性和模型的适应性, 通常区域或局部尺度模型的稳健性欠佳。 已有的研究主要通过目标样本部分入库的方式改善库的性能, 但影响了光谱技术的低成本优势。 该研究在不入库的前提下基于土壤光谱的相异度, 探究经典距离算法结合土壤光谱库构建局部预测模型的可行性, 并比较分析局部模型样本容量对预测精度的响应。 基于全球土壤光谱库(GSSL)的677个土柱, 从每个国家随机取十分之一的土柱(97个)组成局部目标测试集(Test), 其余580个作土壤光谱库(SSL)。 分别采用欧氏距离(ED)、 马氏距离(MD)、 和光谱角(SAM)来分别度量Test与SSL间的光谱相异度并生成距离矩阵。 按距离矩阵的前0.04%, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%, 1%和5%从SSL中提取与Test最相似的光谱样本构建共计9个容量的局部建模集(Local), 使用偏最小二乘回归(PLSR)建立Vis-NIR和SOC含量的预测模型并通过Test验证模型精度, 通过光谱的主成分空间考察并解释各种距离算法下Local的“容量-精度”变化。 结果表明, 在待测样本不入库的情况下, 三种距离算法构建的Local模型相较于全局模型的预测精度均有一定提升, 但三者的“容量-精度”的拐点存在显著差异。 SAM兼顾了光谱的波形和幅度因此较MD、 ED更具优势; 其前0.2%比例的Local不仅预测精度最优, 且用于建模所需的样本容量最少。 因此认为, SAM法更适用于从土壤光谱库中构建局部模型, 距离矩阵的前0.2%可作为局部模型的容量参考。
光谱库 相异度 距离矩阵 容量 偏最小二乘 Spectral library Dissimilarity Distance matrix Sample size PLSR 
光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1614
作者单位
摘要
1 华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430079
2 INRAE, Unité InfoSol, 45075 Orléans, France
3 UMR SAS, INRAE, Agrocampus Ouest, 35042 Rennes, France
4 浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所, 浙江 杭州 310058
土壤是陆地碳循环的中枢, 充分发挥土壤固碳潜力有助于减缓全球气候变化。 土壤有机碳 (SOC) 的高度分异性同时体现在空间和垂直分布上, 但是许多前期研究往往只考虑了空间分异, 而忽略了垂直分异。 尤其在青藏高原这种高寒山区, 土壤样品采集难度较大且费用昂贵。 可见近红外 (Vis-NIR) 光谱作为传统土壤实验室化学分析的辅助手段, 能够较为快速和精准地估测SOC含量。 但是土壤水分等环境因素会掩盖或改变SOC的Vis-NIR光谱吸收特征进而削弱模型预测精度。 外部参数正交化 (EPO) 和分段直接标准化 (PDS) 算法可以有效校正水分对光谱的影响, 但其在野外新鲜土柱上的表现还不得而知。 本研究旨在探索不同水分影响校正算法对野外剖面土壤光谱的校正能力, 对采自中国青藏高原海拔2 900~4 500 m色季拉山的共26个1 m深土柱。 沿深度以5 cm×5 cm为测量单元, 从各单元中心采集共计386个野外原状湿样Vis-NIR光谱, 并在实验室内测得相应386个研磨干样的Vis-NIR光谱以及SOC含量。 经EPO和PDS算法校正土壤水分对光谱的影响后, 通过随机森林建立土壤光谱和SOC含量的定量预测模型, 并使用靴襻法评估不同校正处理下预测模型的不确定。 土柱整体及垂直分布的精度结果表明, 经PDS法转换的农田和草地土柱湿样光谱均表现出良好的水分校正效果, 而EPO法仅对农田土柱有效。 水分影响校正算法在不同土壤深度上也存在显著差异, EPO和PDS对农田和草地表层样本的水分校正均效果明显。 两种校正方法的效果显示出地类和土层深度的依赖性。 本研究为利用Vis-NIR光谱技术在高寒山区野外快速准确估算土壤碳含量的垂直分异提供了必要参考。
土壤有机碳 外部参数正交化 分段直接标准化 随机森林 青藏高原 Soil organic carbon (SOC) External parameter orthogonalisation (EPO) Piecewise direct standardization (PDS) Random forest (RF) Qinghai-Tibet Plateau 
光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1234
作者单位
摘要
1 西藏农牧学院资源与环境学院, 西藏 林芝 860114
2 浙江大学环境与资源学院农业遥感与信息技术应用研究所, 浙江 杭州 310005
土壤侵蚀降低土地生产力, 导致土壤环境恶化, 其中水力侵蚀是土壤侵蚀中最主要的一种形式。 土壤可侵蚀性K值是评价土壤被降雨侵蚀难易程度的一项重要指标。 使用河南、 福建和浙江三省研磨干样可见-近红外(Vis-NIR)漫反射光谱数据, 将其转换为吸收率后进行Savitzky-Golay(SG)平滑去噪; 对土壤有机质(SOM)和机械组成进行精准预测后, 分别采用EPIC和RUSLE2模型估算K值, 并对预测精度进行比较分析, 所得结论如下: (1)建立土壤有机质和机械组成高光谱最佳预测模型, 土壤质地(砂粒、 粉粒和黏粒)预测采用支持向量机(SVM)模型, SOM预测采用局部加权回归(LWR)模型, 模型四分位相对预测误差(RPIQ)为2.27, 3.17, 2.18和3.44; (2)通过土壤质地估算的土壤渗透性等级分类效果较好, Kappa系数为0.62, 同时估测的土壤质地类型与实测土壤质地类型分布特征相近, 质地主要类型均是粉黏土、 砂黏壤土、 壤土、 壤砂土和砂壤土; (3)EPIC和RUSLE2两种模型均具有较为精确的估测能力, EPIC模型预测精度更高, 均方根误差(RMSEP)为0.006 6 (t·ha·h)/(ha·MJ·mm), RPIQ达1.58, 而RUSLE2模型精度相对较低(其中RPIQ为1.43), 因此推荐使用EPIC模型结合Vis-NIR光谱技术估测土壤可侵蚀性K值。 本研究为今后快速准确预测K值提供思路, 并为大面积监测土壤侵蚀提供辅助手段。
土壤可侵蚀性K值 Soil erodibility K value EPIC EPIC RUSLE2 RUSLE2 
光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1076
陈颂超 1,2,*彭杰 1纪文君 1周银 1[ ... ]史舟 1,2
作者单位
摘要
1 浙江大学环境与资源学院, 浙江 杭州 310058
2 中国科学院南京土壤研究所, 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 江苏 南京 210008
土壤有机质是农田肥力评估的重要指标, 要实现快速获取大面积土壤有机质的含量需要建立高效、 稳健的预测模型。 光谱技术能够快速诊断土壤有机质, 以水稻土为例, 从校正样本选择方法的对比, 研究了可见-近红外、 中红外和可见-近红外-中红外三种不同波段光谱对土壤有机质的预测能力。 可见-近红外和中红外区域的光谱反射率转换成吸收率后通过Savitzky-Golay平滑法去噪, 通过三种校正样本选择方法建立相应的偏最小二乘回归预测模型。 通过Rank-KS法建立的三种波段的有机质预测模型均优于Rank法和KS法, 中红外波段光谱的模型预测能力强于可见-近红外和可见-近红外-中红外波段的预测模型, 基于Rank-KS法建立的中红外波段有机质预测模型取得了最好的预测效果, RMSEP仅为3.25 g·kg-1, RPD达到4.24, 依据VIP得分筛选出可见-近红外和中红外波段的水稻土有机质重要建模波段。 因此, 中红外光谱建模技术能够对水稻土有机质进行快速定量分析, Rank-KS法可提高模型的预测能力, 为今后农田肥力评价和科学施肥提供技术支持。
水稻土 有机质预测 可见光-近红外光谱 中红外光谱 Paddy soil Prediction of SOM Visible-near infrared spectra Mid-infrared spectra 
光谱学与光谱分析
2016, 36(6): 1712

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