高光谱估算土壤有机质含量的波长变量筛选方法.pdf

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1、第32卷2016正第13期7月农业工程学报TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringV01．32No．13Jul．201695高光谱估算土壤有机质含量的波长变量筛选方法于雷1，一，洪永胜1'2，周勇1，2，朱强l'2，徐良3，李冀云1’2，聂艳1,2(1．华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，武汉430079；2．华中师范大学城市与环境科学学院，武汉430079；3．华中师范大学湖北经济与社会发展研究院，武汉430079)摘要：土壤高光谱数据量大、波段维数高，存在光谱信息无效、冗余和重叠现象，导致基于全波段构

2、建的土壤有机质含量反演模型不稳定、精度难以提升。因此，探寻筛选关键波长变量的方法，通过滤除干扰、冗余、共线信息，提高模型预测性能，是目前土壤高光谱研究的热点之一。该文对江汉平原公安县的土壤样本进行室内理化分析、光谱测量与处理等工作获取了实证数据，采用无信息变量消除法(uninformativevariableselimination，UVE)易i]除无效变量，利用竞争性自适应重加权算法(competitiveadaptivereweightedsampling，CARS)滤除冗余变量，运用连续投影算法(successiveproiectionsalgorithm，SPA)消除共线变量，并

3、尝试将不同类型的筛选方法进行耦合筛选关键波长变量，应用偏最小二乘回归(partialleastsquaresregression，PLSR)分别建立土壤有机质含量估算模型，对比各种变量筛选方法的优缺点，最终，构建筛选土壤高光谱数据关键变量的方法体系。研究结果表明，除SPA方法的模型精度低于全波段外，其他6种变量筛选方法的建模效果均优于全波段；在3种单个变量筛选方法中，CARS方法优于UVE、SPA变量筛选方法，能有效地筛选出重要波长变量，其预测集相对分析误差RPD值为2．84；综合比较各种变量筛选方法，发现CARS—SPA方法从全波段2001个波长中筛选出37个特征波长建立的土壤有机质含

4、量的PLSR模型效果最好，其模型预测集的决定系数尺z和相对分析误差RPD值分别为0．92、3．60，所选波段仅为全波段的1．85％。CARS—SPA—PISR模型简单、预测效果好，可作为该区域土壤有机质含量估测的重要方法，对今后土壤近地传感器设备的开发具有一定的指导作用。关键词：土壤；有机质；模型；波长；高光谱；江汉平原doi：10．11975／j．issn．1002—6819．2016．13．014中图分类号：S127；TP79；S153．6"21文献标志码：A文章编号：1002—6819(2016)一13-0095—08于雷，洪永胜，周勇，朱强，徐良，李冀云，聂艳．高光谱估算土壤有机

5、质含量的波长变量筛选方法『J1．农业工程学报，2016，32(13)：95—102．doi：10．11975／j．issn．1002—6819．2016．13．014http：／／www．tcsae．0rgYuLei，HongYongsheng，ZhouYong，ZhuQiang，XuLiang，LiJiyun，NieYan．Wavelengthvariableselectionmethodsforestimationofsoilorganicmattercontentusinghyperspectraltechnique[J]．TransactionsoftheChineseSocie

6、tyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2016，32(13)：95—102．(inChinesewithEnglishabstract)doi：10．11975／j．issn．1002—6819．2016．13．014http：／／www．tesae．org0引言土壤有机质是土壤的重要组成部分，其含量的高低是衡量土壤肥力的重要指标fl】。快速、准确地监测土壤有机质含量对于土壤肥力诊断及农业可持续发展具有重要意义。基于光谱学原理获取土壤属性参数的方法具有方便快捷、大面积、无污染、成本低等优点，已受到众多学者越来越广泛的关注[2

7、_3l。高光谱技术也以其光谱分辨率高、波段信息量丰富的特点在估算土壤有机质、水分和氮素等含量上表现出强大的优势，但是土壤高光谱的近红外波段是合频和倍频的吸收区域，光谱信息重叠严重；而且光谱仪器在采集高光谱数据中受电磁噪声、样品背景等外界因素的影响，导致光谱变量之间存在大量的无关冗余信息。若将全波段信息都用于建模，则反演模型的计算收稿日期：2015—10—28修订日期：2016—04—25基金项目：国家自然科学基金项目(4140123