基于近紅外光譜分析的土壤水分信息的提取與處理.pdf

1、土壤水分是反映土壤-植物-大氣系統(tǒng)能量流動(dòng)與物質(zhì)交換的重要參數(shù)，是氣候、水、生物和土壤資源與環(huán)境形成、開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)的重要影響因素，是生物賴以生存的重要物質(zhì)源泉和環(huán)境條件，是影響農(nóng)事操作措施如耕作、作物栽種、農(nóng)膜覆蓋、灌溉排水、施肥噴藥等措施和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)管理效果的重要影響因素，也是農(nóng)田水利工程和土木工程實(shí)施效果的重要影響因素，還是有關(guān)農(nóng)業(yè)、土壤、環(huán)境、工程技術(shù)科學(xué)研究的必備參數(shù)。因此，進(jìn)行土壤含水量的監(jiān)測(cè)，適時(shí)、準(zhǔn)確地掌握土壤水

2、分含量及其動(dòng)態(tài)是非常重要的。當(dāng)前，世界水資源越來(lái)越短缺，水資源時(shí)空分配又極不平衡，水環(huán)境變差。中國(guó)的水資源和人均水資源量少，同時(shí)由于水資源質(zhì)量上受到污染、空間上分布不均、時(shí)間上分配不當(dāng)，其有效水資源量更顯貧乏。在水資源極缺的情況下，水資源的浪費(fèi)又非常大，特別是作為占社會(huì)總耗水量的絕大部分的農(nóng)業(yè)用水，其水資源有效利用率和生產(chǎn)率都較低。因此為確保水資源的合理開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)及其可持續(xù)發(fā)展，不斷提高水資源的利用率和生產(chǎn)率，保障農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)體系

3、的實(shí)施，急需研究一種適合生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的、控制面積大、監(jiān)測(cè)速度快、準(zhǔn)確、有效、連續(xù)、自動(dòng)、無(wú)損土體，不污染環(huán)境的、經(jīng)濟(jì)的土壤水分檢測(cè)技術(shù)，這是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，亦是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。而目前已在應(yīng)用的土壤水分檢測(cè)技術(shù)尚不能達(dá)到這一要求。本研究的選題即是圍繞這一要求開(kāi)展近紅外光譜檢測(cè)土壤水分的研究，其研究結(jié)果對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利建設(shè)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及一些工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究有著重要的意義。
　　 本項(xiàng)研究的主要研究結(jié)果是：

4、　　 （1）確證了土壤的光譜特性是土壤中多因子作用的結(jié)果，土壤水分含量是其中某些特征波段土壤光譜特性的控制因子。首次用添加土壤組成物質(zhì)（土壤有機(jī)質(zhì)和相關(guān)類型粘土礦物）的模擬試驗(yàn)和其它模擬試驗(yàn)（國(guó)際制土壤質(zhì)地分類粒級(jí)分級(jí)顆粒、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、土壤容重）的方法研究了土壤有機(jī)質(zhì)、土壤顆粒大小、土壤粘土礦物類型與含量、土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、土壤容重對(duì)土壤水分光譜的影響。結(jié)果表明，隨著土壤中供試粘土礦物與有機(jī)質(zhì)含量的增加和水穩(wěn)性團(tuán)聚體直徑的增大與土壤

5、容重的減小，其土壤光譜反射率減?。煌寥李w粒中隨著顆粒直徑的減小，其反射率增大，但至粘粒（<0.002mm）以后，其反射率又減小。
　　 （2）就土壤含水量變化過(guò)程中土壤容重與含鹽量濃度變化對(duì)土壤光譜反射率的影響，以及土壤pH值變化對(duì)土壤反射率的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，研究結(jié)果表明在土壤含水量引起容重與含鹽量濃度變化的情況下，其土壤反射率亦發(fā)生變化，這時(shí)隨著土壤變干，容重增大，其反射率也增大；土壤含水量較高，即土壤含鹽量濃度較低時(shí)，隨著含

6、鹽量濃度加大，其反射率減小，但當(dāng)土壤變干土壤中鹽分析出結(jié)晶時(shí)，隨著含鹽量的增加，其光譜反射率加大。本試驗(yàn)研究還表明，在改良紅壤酸性使之由酸性或微酸性變?yōu)橹行缘姆秶鷥?nèi)，土壤酸度的變化不會(huì)引起土壤光譜反射率的明顯變化。這些結(jié)果為構(gòu)建包含土壤組成成分與性質(zhì)影響的土壤反射率反演土壤含水量的模型和實(shí)施土壤改良措施提供科學(xué)依據(jù)。土壤容重變化還強(qiáng)烈影響土壤水分形態(tài)類型、土壤水分存在狀況、土壤水分運(yùn)動(dòng)和土壤水分利用狀況的變化。
　　 （3）研究

7、了變?nèi)葜赝寥篮颗c土壤容重變化關(guān)系模型的構(gòu)建，建立了變?nèi)葜赝寥廊葜仉S土壤含水量變化的指數(shù)模型和三直線模型，并對(duì)供試土壤三直線模型的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。首次研究了變?nèi)葜赝寥篮?容重-光譜反射率相伴變化關(guān)系,構(gòu)建了兩類模型，一類為隨容重變化的土壤體積含水量與光譜反射率之間的指數(shù)模型；另一類為通過(guò)土壤光譜反射率受土壤含水量和容重雙函數(shù)影響的機(jī)理分析建立的土壤含水量與光譜反射率和容重之間的曲面模型。變?nèi)葜赝寥离S容重變化的體積含水量與土壤光譜反

8、射率關(guān)系的指數(shù)模型，反映了容重變化對(duì)土壤含水量與光譜反射率關(guān)系的影響；曲面模型為同時(shí)反映反射率受土壤含水量和容重雙函數(shù)影響的情況下，變?nèi)葜赝寥乐亓亢颗c容重均在變化時(shí)反射率反演土壤含水量的模型，它為變?nèi)葜赝寥婪瓷渎史囱萃寥篮康臋C(jī)理分析和模型構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ)。
　　 （4）在土壤水分信息提取方面，比較研究了幾種光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法，其中包括剔除噪聲較大的波段、平滑濾波(移動(dòng)平均平滑、中值濾波平滑、SG卷積平滑、小波變換消噪

9、法)、求導(dǎo)數(shù)等方法，結(jié)果表明：利用小波變換消噪法結(jié)合求一階導(dǎo)數(shù)法，在土壤光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方面較其它方法能獲得更好的濾波效果，同時(shí)能保留有用信號(hào)的細(xì)節(jié)特征。
　　 （5）選擇了能良好反映土壤水分光譜特征的特征波段，在1100nm-2400nm的光譜范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)其中的11個(gè)待定特征波段進(jìn)行篩選，最終選定1400nm、1900nm、2050nm、2200nm4個(gè)波段作為土壤水分光譜的特征波段，其中，在隨土壤含水量降低而得的光譜反射率

10、增大的區(qū)域中于1400nm和1900nm處出現(xiàn)明顯吸收峰值，當(dāng)土壤含水量較低時(shí)于2200nm處亦出現(xiàn)明顯吸收峰值。
　　 （6）探索了土壤含水量與光譜反射率表示方法對(duì)其二者關(guān)系建模的影響，篩選出較好的匹配方法。在含水量方面選擇重量含水量、定容重體積含水量、變?nèi)葜伢w積含水量，在光譜反射率方面選擇實(shí)測(cè)反射率、相對(duì)反射率、減土反射率和歸一化減土反射率等表示方法比較，結(jié)果表明，以變?nèi)葜伢w積含水量和相對(duì)反射率與減土反射率匹配較好,變?nèi)葜伢w

11、積含水量與歸一化減土反射率匹配更好。在土壤反射率反演土壤含水量的模型構(gòu)建所用含水量與反射率的表示方法中，首次提出和采用變?nèi)葜赝寥篮颗c減土反射率、歸一化減土反射率的概念，試驗(yàn)表明其表述方法較好。
　　 （7）采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)兩種建模方法研究了土壤含水量與反射率之間關(guān)系模型的構(gòu)建，并對(duì)土壤含水量與反射率之間關(guān)系模型的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。在土壤反射率反演土壤含水量的模型構(gòu)建方面，利用小波變換在時(shí)頻兩域?qū)π盘?hào)進(jìn)行特征值提取

12、，從而能夠更全面地反映信號(hào)特征；為了消除土壤其它性狀對(duì)土壤反射率反演土壤含水量的影響，對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行了相對(duì)干土特征矢量的變化量歸一化處理，構(gòu)建了三種特征矢量：原信號(hào)相對(duì)特征值變化量、一階導(dǎo)數(shù)信號(hào)相對(duì)特征值、一階導(dǎo)數(shù)相對(duì)特征值變化量；利用遺傳算法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)兩種模型的參數(shù)進(jìn)行了有效優(yōu)化，并利用三種特征矢量對(duì)兩種模型進(jìn)行了建模和仿真，結(jié)果表明，在小樣本條件下，利用一階導(dǎo)數(shù)相對(duì)特征值變化量作為輸入信號(hào)特征矢量，遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的