基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法
2023-09-17 09:54:55 3
基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其包括以下步驟：（1）採集土樣並進行處理；（2）對土樣進行含鹽量測試；（3）對土樣進行光譜測試並得出土樣的實際反射光譜數據；（4）進行光譜數據處理及吸收特徵參數提取；（5）處理光譜指數；（6）進行模型構建與精度評價。本發明基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法操作步驟簡單、合理，成本低，能夠有效反映土壤鹽漬化的真實狀況，為耕作土壤的鹽漬化評價、改良、治理、種植結構調整的決策依據提供新的獲取途徑，適於推廣與應用。
【專利說明】基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及土壤鹽分監測【技術領域】，尤其涉及一種基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法。
【背景技術】
[0002]鹽潰化是荒漠化和土地退化的主要類型之一，我國鹽潰土總面積約為3600X 104hm2，佔全國可利用土地面積的4.88%，耕地中鹽潰化面積達到920.9X 104hm2，佔全國耕地面積的6.62%。因此，對鹽潰化耕地進行治理與改良及種植結構的調整、對鹽潰化自然土壤資源合理開發與利用，對我國農業的可持續發展具有至關重要的作用。而這些決策的制定與執行的根本依據是土壤鹽潰化信息。如何快速、準確、低廉的獲取大面積鹽潰化土壤的動態信息，並據此合理制定鹽潰化土壤治理、改良、開發利用等方面的決策，是農業科學研究領域的新主題。傳統的人工地面監測方法，由於其費時、費力、費錢、因測點少無法反映大面積土壤鹽潰化的真實狀況等方面的不足，顯然無法滿足大面積鹽潰化土壤監測的需求。高光譜遙感技術現已成為獲取大面積鹽潰化信息的重要手段，但現有關於土壤鹽潰化的光譜定量反演研究中，鮮見利用連續統去除\連續統去除一階微分\連續統去除光譜指數\連續統去除一階微分光譜指數等方面的數據來進行相關研究的報導；大部分研究都是集中於自然土壤，關於耕作土壤鹽潰化高光譜遙感監測方面的報導少見，耕作土壤相對於自然土壤來說，受人類活動的幹擾更強烈，如灌排、土壤改良、耕作等，造成其鹽分含量相對較低，但鹽分組成變動較大，因此，耕作土壤鹽潰化的高光譜遙感監測更具挑戰性。然而，連續統去除可以有效凸顯各種物質的吸收特徵，同時已有研究表明鹽分具有明顯的吸收特徵。因此，利用連續統去除方法來研究鹽分的光譜反演既有理論依據，同時也具有方法創新。
[0003]上述可知，有必要將連續統去除法應用於土壤鹽潰化的高光譜遙感監測研究。
【發明內容】
[0004]本發明是為了解決現有土壤鹽分測定方法費時、費力、費錢、因測點少無法反映大面積土壤鹽潰化的真實狀況等方面的不足的問題而提出一種操作簡單、方便，成本低，能夠有效反映土壤鹽潰化的真實狀況，可為耕作土壤的鹽潰化評價、改良、治理、種植結構調整的決策依據提供新的獲取途徑的基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法。
[0005]上述的一種基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於，包括以下步驟:
[0006]一種基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於，包括以下步驟:
[0007](I) 土樣的採集與處理，即根據代表性、典型性和集中性原則選取合適的採樣區域採集土樣，再將土樣帶回實驗室，清除非土壤成分物質後自然風乾，將風乾後的樣品經研磨過篩，以為後續進行光譜測試和鹽分含量的測定做準備；(2) 土樣的含鹽量測試，即將上述步驟(I)處理後的土樣採用殘渣烘乾法對土樣的含鹽量進行測定；(3) 土樣的光譜測試，即將上述步驟(2)中測試後的土樣放在一個能控制光照條件的暗室內，採用光譜儀進行土壤測試，其中，測試之前先進行白板校正，每個土樣採集多條光譜曲線，通過算術平均後得出該土樣的實際反射光譜數據；(4)光譜數據處理及吸收特徵參數提取，即將上述步驟(3)中測試後的土樣首先去除每個土樣的光譜曲線噪聲較大的邊緣波段350~399nm、2400~2500nm ;然後採用小波去噪法對土壤光譜進行濾波去噪和數據變換，數據變換包括一階微分處理和連續統去除處理；接著通過連續統去除處理後，提取出吸收峰總面積、最大吸收深度以及面積歸一化最大吸收深度；(5)光譜指數的處理，即經上述步驟(4)後，再根據相關性分析結果，選擇連續統去除的波段構建連續統去除歸一化指數、連續統去除差值指數、連續統去除比值指數；選擇連續統去除一階微分的波段構建連續統去除一階微分歸一化指數、連續統去除一階微分差值指數、連續統去除一階微分比值指數；(6)模型構建與精度評價，即經上述步驟(5)後，先採用偏最小二乘回歸的方法建模，然後採用交叉驗證法進行模型驗證，接著對模型的精度進行合理評價，以得出模型的預測能力。
[0008]所述基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其中:所述步驟(6)中模型的精度採用以下指標來評價，具體包括建模決定係數紀、交叉驗證決定係數RCT2、預測決定係數Rp2、相對分析誤差RPD和均方根誤差RMSE。
[0009]所述基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其中:所述均方根誤差RMSE分為建模均方根誤差RMSE。、交叉驗證均方根誤差RMSEct和預測均方根誤差RMSEp ;所述建模決定係數R。2、預測決定係數Rp2、相對分析誤差RPD越大，所述建模均方根誤差RMSE。、交叉驗證均方根誤差RMSEw和預測均方根誤差RMSEp越小，說明模型建模、預測的精度越高，反之，則說明模型建模、預測的精度越低。
[0010]所述基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其中:所述步驟(5)中的光譜指數是指某些特定波段的光譜值的組合；所述選擇連續統去除的波段是選擇連續統去除的673nm、755nm波段；所述選擇連續統去除一階微分的波段是選擇連續統去除一階微分658nm、678nm 波段；
[0011]所述連續統去除歸一化指數定義為NICR，其計算公式為:
[0012]
【權利要求】
1.一種基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)土樣的採集與處理 根據代表性、典型性和集中性原則選取合適的採樣區域採集土樣，再將土樣帶回實驗室，清除非土壤成分物質後自然風乾，將風乾後的樣品經研磨過篩，以為後續進行光譜測試和鹽分含量的測定做準備； (2)土樣的含鹽量測試 將上述步驟(1)處理後的土樣採用殘渣烘乾法對土樣的含鹽量進行測定； (3)土樣的光譜測試 將上述步驟(2)中測試後的土樣放在一個能控制光照條件的暗室內，採用光譜儀進行土壤測試，其中，測試之前先進行白板校正，每個土樣採集多條光譜曲線，通過算術平均後得出該土樣的實際反射光譜數據； (4)光譜數據處理及吸收特徵 參數提取 將上述步驟(3)中測試後的土樣首先去除每個土樣的光譜曲線噪聲較大的邊緣波段350~399nm、2400~2500nm ;然後採用小波去噪法對土壤光譜進行濾波去噪和數據變換，數據變換包括一階微分處理和連續統去除處理；接著通過連續統去除處理後，提取出吸收峰總面積、最大吸收深度以及面積歸一化最大吸收深度； (5)光譜指數的處理 經上述步驟(4)後，再根據相關性分析結果，選擇連續統去除的波段構建連續統去除歸一化指數、連續統去除差值指數、連續統去除比值指數；選擇連續統去除一階微分的波段構建連續統去除一階微分歸一化指數、連續統去除一階微分差值指數、連續統去除一階微分比值指數； (6)模型構建與精度評價 經上述步驟(5)後，先採用偏最小二乘回歸的方法建模，然後採用交叉驗證法進行模型驗證，接著對模型的精度進行合理評價，以得出模型的預測能力。
2.如權利要求1所述的基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於:所述步驟(6)中模型的精度採用以下指標來評價，具體包括建模決定係數R。2、交叉驗證決定係數Rw2、預測決定係數RP2、相對分析誤差RPD和均方根誤差RMSE。
3.如權利要求2所述的基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於:所述均方根誤差RMSE分為建模均方根誤差RMSE。、交叉驗證均方根誤差RMSEct和預測均方根誤差RMSEp;所述建模決定係數R。2、預測決定係數Rp2、相對分析誤差RPD越大，所述建模均方根誤差RMSE。、交叉驗證均方根誤差RMSEct和預測均方根誤差RMSEp越小，說明模型建模、預測的精度越高，反之，則說明模型建模、預測的精度越低。
4.如權利要求1所述的基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於，所述步驟(5)中的光譜指數是指某些特定波段的光譜值的組合； 所述選擇連續統去除的波段是選擇連續統去除的673nm、755nm波段； 所述選擇連續統去除一階微分的波段是選擇連續統去除一階微分658nm、678nm波段； 所述連續統去除歸一化指數定義為NICR，其計算公式為:
5.如權利要求1所述的基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於:所述吸收峰總面積定義為吸收峰的積分面積；所述最大吸收深度定義為吸收峰內連續統去除的最小值；所述面積歸一化最大吸收深度定義為所述最大吸收深度與吸收峰總面積的比值。
6.如權利要求1所述的基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於:所述步驟(3)中光譜儀的波長範圍是350~2500nm，光譜解析度在350~1000nm為3nm，在1000~2500nm 為 IOnm ； 所述步驟(3)中是採用功率為50w的滷素燈作為光源，距土壤樣品表面70cm，天頂角30°，使提供到土壤樣本幾乎平行的光線； 所述步驟(3)中土壤樣本分別放置在直徑10cm、深1.5cm、內部全部塗黑的培養皿內，用直尺將土樣表面刮平，傳感器探頭位於土壤樣本表面垂直上方15cm處，採用25。視場角探頭，探頭接受土壤光譜的區域為直徑6.7cm的圓，以保證探頭接收的均為土壤的反射光譜； 所述步驟(3)中土樣的實際反射光譜數據是通過每個土樣是採集10條光譜曲線算術平均後得出。
7.如權利要求1所述的基於連續統去除法的土壤鹽分測定方法，其特徵在於:所述步驟(I)中的土壤樣本採用網格採樣法進行採樣，土樣帶回實驗室後，清除小石塊及作物殘留物等非土壤成分物質，於實驗室自然風乾，風乾後的土壤樣品經研磨後過2_篩，以用作光譜測試和鹽分含量的測定。
【文檔編號】G01N21/31GK103954567SQ201410152042
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月15日 優先權日:2014年4月15日
【發明者】彭傑, 卜東升, 向紅英, 王家強, 柳維揚, 遲春明, 牛建龍 申請人:塔裡木大學