博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤剖面盐分变化及其高光谱响应研究

来源 :新疆师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Robert_1967
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土壤剖面中能量迁移、物质转化频繁,开展区域土壤盐分监测工作,追踪土壤盐分信息的变化过程,尚需重视土壤剖面盐分变化规律,这对盐害防治、盐渍土利用和农业可持续发展至关重要。土壤的光谱反射率是对上壤性质的表观综合反映,可在短时间内有效监测土壤盐分的动态变化。近地光谱测量数据作为光谱数据库的生命线,是建立定量理化参数统计和机理估算模型的前提,更是与航天、航空遥感数据建立“星—空—地”联合应用的数据基础,而如何从波段多、数据量大、冗余度高的土壤高光谱数据中挖掘有效的盐分变化特征响应信息,成为快速、准确监测土壤盐分含量的关键。本文以博斯腾湖西岸湖滨绿洲为研究区,通过野外土壤样品采集和实验室理化分析,探讨土壤盐分的季节变化、剖面变化和空间分布特征,结合光谱学分析技术表征干湿季节不同盐分剖面类型土壤盐分反射特征差异,通过数学放大算法构建一维层面单波段和二维层面两波段组合指数的盐分特征响应光谱指标,并分别建立基于偏最小二乘回归(PLSR)和支持向量机回归(SVR)的土壤含盐量高光谱定量估算模型,运用独立样本进行模型精度验证。主要结论如下:(1)研究区干湿季节平均土壤含盐量主要聚集在表层,随土层深度增加逐渐下降。秋季0~10cm表层平均含盐量为2.66g·kg-1,春季增加至4.27g·kg-1,分别是底层50~100cm含盐量的1.95、2.32倍。春季剖面各层土壤含盐量高于秋季,以10~20cm层积盐率在整个剖面达最大为80.81%。土壤盐分剖面类型主要分为表聚型、震荡型和均匀型三种。土壤剖面各层SSC的主要受控特征离子:Cl-、Na++K+、SO42-。0~10cm层土壤盐分组成类型以硫酸盐-氯化物型、硫酸盐型为主,盐渍化等级以轻度和中度盐渍化为主,远离湖滨带湿地的内部农田及开都河下游分支边缘,盐分、SO42-、Cl-、Na++K+含量相对较低,剖面各层差异不明显且平均值低,而湿地边缘带北部及南部区域为盐分、SO42-、Cl-、Na++K+含量高值区,特征离子空间分布在秋季较为一致,但在春季空间差异性增大(2)干湿季不同盐分剖面类型土壤光谱曲线在形态和变化趋势上基本一致,连续统去除变换使盐渍土光谱具有差异分明、不同深度的吸收特征谷,分别位于415nm、510nm、690nm、910nm、1140nm、1400nm、1800nm、1910nm、2200nm及2330nm处。春季土壤随着盐分含量增加平均反射率明显高于秋季,而平均变异系数则相反,尤其体现在590nm、800nm、1810nm、2150nm处。表聚型剖面土壤平均光谱曲线分布差异最明显,剖面从上到下各层次光谱反射率有减小趋势;震荡型剖面土壤平均光谱曲线差异性居中,呈无规律排布;均匀型剖面土壤平均光谱曲线最集中。(3)17种数学增强变换光谱中,一阶微分光谱、平方根一阶微分光谱、对数倒数一阶微分光谱、倒数对数一阶微分光谱使光谱反射率与土壤盐分的相关性明显增强,最佳敏感波段分别位于1230nm、1230nm、1083nm、2307nm处,其中相关系数R最高达0.63,(p<0.01)。在0.01显著水平下,DSI指数特征响应波谱区为:X:1760~1800nm、Y:1720~1810nm范围,相关系数R2最高值DSI(1780,1765)达0.54;RSI指数特征响应波谱区为:X:1760~1810nm和Y:1720~1790nm范围,相关系数R2最高值RSI(1785,1756)达0.48;NDSI指数特征响应波谱区主要位于:X:1760~1810nm和Y:1720~1790nm范围、X:1960~2000nm和Y:1230~1330nm范围,相关系数R2最高值NDSI(1780,1742)达0.57。(4)相比PLSR线性建模方法,以SVR方法建立的非线性土壤盐分含量预测模型精度较高。基于对数倒数一阶微分光谱显著特征波段,结合网格搜索(GS)法进行参数寻优,构建的SVR盐分模型精度较好,稳定性强,模型RV2为0.85,RMSEV为0.59g·kg-1,RPD为2.49。基于归一化指数光谱显著特征波段组合,结合GS方法参数寻优,构建的SVR盐分预测模型精度最高,稳定性最强,预测精度指标RV2高达0.86,RMSEV为0.55g·kg-1,RPD为2.61。
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