基于植被光譜信息的龜裂堿土堿化程度預(yù)測研究

劉歡　賈科利　張俊華

摘要：以寧夏平羅縣龜裂堿土為研究對象，以實(shí)測植被光譜和土壤pH值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，通過對原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行小波閾值去噪，和對數(shù)、一階微分、多元散射校正、歸一化等8種變換，篩選土壤堿化程度最佳光譜變換方式和敏感波段，用一階傅里葉和三次多項(xiàng)式進(jìn)行回歸分析、比較，來構(gòu)建更加精確的龜裂堿土信息預(yù)測模型。研究表明：植被光譜反射率一階微分變換在波段861 nm處為最佳敏感波段，相關(guān)系數(shù)為0.86；多項(xiàng)式擬合比傅里葉擬合效果好；以最佳光譜指標(biāo)和土壤pH值為變量，構(gòu)建的pH含量三次多項(xiàng)式預(yù)測模型精度最高，在0.01顯著性水平上通過檢驗(yàn)，該模型可為干旱區(qū)半干旱地區(qū)土壤堿化程度遙感定量反演提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鹽漬化；龜裂堿土；光譜信息

中圖分類號：S153

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2017）20000105

1引言

土壤鹽堿化是土壤資源惡化的主要內(nèi)容之一，通常出現(xiàn)在降雨少的干旱地區(qū)，這種地區(qū)水分蒸發(fā)量大、地勢較低、地下潛水位偏高且可溶性鹽分含量多。鹽堿化是阻礙農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和世界生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重大難題，也是我國面臨的主要生態(tài)問題[1]。我國的鹽堿化土壤主要分布于西北干旱半干旱地帶[2]，鹽分多，作物難以生長，產(chǎn)生了很多荒地，受鹽堿損害比較嚴(yán)重[3]。土壤鹽堿化是造成我國許多耕地荒廢最主要原因之一，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降和綠地面積減少，土壤生態(tài)更加惡化，鹽堿化程度正在加深，其中每年重度堿化土壤以1.4%的比率增加 [4]，使得土壤資源更加緊張，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[5]，而干旱區(qū)鹽漬土預(yù)測研究也一直是土壤學(xué)科的熱門問題之一[6]。

為了掌握鹽堿化的變化規(guī)律及其對土壤的影響，確保干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，動態(tài)監(jiān)測對于維護(hù)干旱地區(qū)生態(tài)安全和穩(wěn)定十分必要，目前在土壤鹽堿化監(jiān)測領(lǐng)域依靠光譜手段來估測是很好的選擇。在鹽堿化高光譜定量監(jiān)測方面，已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行不斷的探索。陶蘭花等[7]以一階微分變換的土壤光譜指數(shù)構(gòu)建鹽分含量估測模型。張?zhí)碛拥萚8-11]以土壤實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合光譜遙感影像建立高光譜影像的土壤堿化指標(biāo)定量反演模型。李榮榮等[11]通過研究干旱區(qū)平原水庫下游鹽漬化土壤光譜時(shí)空分布特征發(fā)現(xiàn)鹽分指數(shù)具有強(qiáng)烈空間相關(guān)性。盧霞等[12] 認(rèn)為在不同的鹽分含量下，大米草冠層的不同光譜指數(shù)的變化程度也不相同。賈科利等[13，14]發(fā)現(xiàn)通過水稻植株的冠層反射率光譜指數(shù)能夠較好地提取土壤堿化信息。且經(jīng)過不懈的研究，賈科利[15]等通過回歸分析發(fā)現(xiàn)可以用綠色植物光譜特征指示土壤堿化程度，為土壤堿化程度遙感監(jiān)測提供新的科學(xué)依據(jù)和措施。

受周圍環(huán)境等因素的影響，許多學(xué)者將土壤光譜作為指標(biāo)直接研究土壤理化性狀，也已有不少學(xué)者研究了鹽堿化對植被光譜的影響，目前定量研究不同鹽堿化對植被光譜特征影響研究比較少。但是，①土壤鹽堿成分過多會抑制植被生長，治理和監(jiān)測鹽堿化很重要的原因就是其影響植被生長，所以鹽堿化和植被的生長有密切的關(guān)系；②遙感解譯時(shí)在植被覆蓋區(qū)依靠土壤光譜提取鹽漬化信息會影響監(jiān)測精度且比較繁瑣費(fèi)時(shí)；③在各位地理學(xué)家不斷探索下，已經(jīng)取得的從定性到定量研究的進(jìn)展。因此可以且有必要從土壤表層植被的光譜信息判斷土壤鹽堿化指標(biāo)的大小，植被光譜特征也可以視為提取鹽堿化信息合適的依據(jù)。目前土壤在龜裂堿土高光譜去噪領(lǐng)域，通常采用Savitzky-Golay平滑、加權(quán)平均法，小波變換以其獨(dú)特的時(shí)頻靈活性，在各個領(lǐng)域正在廣泛適用，但在龜裂堿土預(yù)測領(lǐng)域很少提及。因此，筆者以寧夏干旱區(qū)平羅縣作為試驗(yàn)區(qū)，通過小波閾值去噪和多種數(shù)據(jù)變換進(jìn)行光譜預(yù)處理來提高預(yù)測模型精度，以相關(guān)性分析篩選土壤pH值最佳變換形式和敏感波段，確定早期混合植被野外光譜與土壤pH值的關(guān)系，以多項(xiàng)式和傅里葉回歸建立pH含量的預(yù)測模型，可以為大面積的鹽堿化監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

2研究區(qū)概況

平羅縣位于東經(jīng)105° 57′42″ ～ 106° 58′02″，北緯38°36′18″～ 39° 51′13″之間，面積2086.13 km2，由黃河沖積平原和賀蘭山東麓洪積扇組成，屬于大陸性氣候，平羅年平均氣溫2.8 ℃～16.0 ℃，平均降水量173.2 mm，平均日照時(shí)數(shù)為3008.6 h，多年平均蒸發(fā)量為1755 mm。

龜裂堿土是研究區(qū)內(nèi)常見堿化土壤類型，有大量鹽分結(jié)晶土壤表面，基本為裸地；重度鹽堿化土壤表面是大量白色或灰白色的鹽結(jié)殼，土壤表層疏松 ，依稀生長著幾棵芨芨草、綠堿篷、賴草、紅柳等，植被密度不足35%；中度堿化土區(qū)域冰草、野枸杞、向日葵、綠堿篷數(shù)量相對較多，植被密度較大；輕度堿化土種植苜蓿、枸杞、小麥等作物，植被蓋度大于70%。

3數(shù)據(jù)來源與處理

3.1樣品采集與處理

本次測定于2016 年 4月27日，天氣晴朗、無風(fēng)，符合測量條件，用美國 Unispec-SC 便攜式光譜儀測量光譜數(shù)據(jù)，探測波段為 310～1130 nm，采樣間隔1 nm。測定時(shí)，采樣點(diǎn)隨機(jī)選?。ò煌瑝A化程度的龜裂堿土），每個點(diǎn)重復(fù)測量 5次，設(shè)置在距地面和植被上方 0.80 m 左右，儀器視場角為 8°，減少地面背景及其他地物對土壤光譜的影響。觀測前經(jīng)過專用平面白板校正，不能阻擋光線，用SPAD-502 測定樣品植株的葉綠素值。土壤樣本在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過自然風(fēng)干，除去植被殘?jiān)?、石塊等雜質(zhì)，研磨過篩，用電導(dǎo)儀測定土壤樣品電導(dǎo)率和pH值[16]。本次共有41個采樣點(diǎn)，其中的 30 個樣本作為建模數(shù)據(jù)，剩余 11個進(jìn)行模型檢驗(yàn)。

3.2光譜數(shù)據(jù)處理

3.2.1小波降噪

噪聲濾除是光譜數(shù)據(jù)處理中的重要環(huán)節(jié)，由于在野外實(shí)測中，會受到各種因素的影響，使得光譜曲線不夠光滑存在許多毛刺[17]。植被光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先除去干擾性最大的邊緣波段小于400 nm 與大于 1000 nm 的波長。endprint

利用小波閾值去噪，是小波分析在實(shí)際應(yīng)用中的重要方面，1995年，Donoho創(chuàng)造性的提出了對小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理的理論[18]，小波變換在時(shí)頻兩域都有聚焦信號局部細(xì)節(jié)的能力，且具有多分辨率的特點(diǎn)，在提取信號特征信息方面十分有利，被稱為信號分析領(lǐng)域的顯微鏡[19，20]。經(jīng)過試驗(yàn)，筆者選取bior1.5小波基，Rigrsure閾值軟閾值，第二種閾值調(diào)整方式，5層分解尺度小波閾值為最佳去噪方案進(jìn)行光譜去噪。

3.2.2土壤鹽漬化程度劃分

由于土壤pH值是體現(xiàn)土壤酸堿性的表示方法，并且pH值與堿化度、總堿度是評價(jià)土壤鹽堿化程度3個重要指標(biāo)[21]。根據(jù)朱忠鵬等[22]的堿化土壤分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)采集土壤樣本的實(shí)際情況，按pH值的高低將土壤樣本分為 3類（表1）。

4結(jié)果與分析

4.1不同堿化程度植被光譜特征

對野外采集的堿化土壤上覆植被光譜曲線按土壤的堿化程度進(jìn)行分類，并取不同堿化土壤上被反射光譜曲線形狀可以看出，盡管不同pH植被光譜曲線存在著一定程度的差異，但所有曲線的總體變化趨勢相似，表現(xiàn)為：在藍(lán)光波段范圍有一個比較小的波谷，綠光波段處（550 nm）附近有一小的反射峰值。650～700 nm之間是葉綠素吸收比較強(qiáng)，因此在紅光處（680 nm左右）有一吸收谷。760～1000 nm有很高紅外反射峰，反射率趨于平穩(wěn)，這兩峰與紅光波谷是植被光譜的典型特征。

圖1中可見，在可見光波段，重度堿化土在可見光波段反射率最大，輕度次之，中度最小；在近紅外波段，輕度堿化土反射率最大，重度次之，中度最?。贿@與張俊華等[24]研究結(jié)果有所差別，張等認(rèn)為在近紅外波段，植被的反射率大小隨堿化程度的增加而減小。這可能是由于本研究采用的是不同類型的植被光譜作為研究對象，鹽堿化對不同植物影響程度不同，環(huán)境更為復(fù)雜，且采樣時(shí)取土壤表層和1～20 cm深度的土壤，以平均值為此點(diǎn)pH值，數(shù)據(jù)源有所不同。在圖中可見光范圍內(nèi)400～550 nm波段之間波峰和波谷之間的波動幅度依次為0.0477，0.0201，0.0197，因此波動幅度隨堿化程度的增加而降低，曲線變緩；紅光波段波谷到波峰的增幅分別為0.2512，0.1018，0.0963，即堿化程度越低坡越陡；近紅外750～900nm 波段，光譜幾乎成平行直線，增幅依次為0.0021，0.0043，0.0099，兩者為正相關(guān)關(guān)系，增幅隨堿化程度的增加而增加，不同堿化植被光譜曲線斜率有明顯差異。

4.2植被光譜指標(biāo)和土壤pH值的相關(guān)分析

為了更好地分析植被光譜數(shù)據(jù)和土壤pH含量之間的關(guān)系，提高預(yù)測精度，篩選對土壤pH值反應(yīng)更加敏感的光譜特征波段，此實(shí)驗(yàn)對植被光譜反射率分別進(jìn)行一系列變換，將變換后的反射率也作為光譜指標(biāo)參與實(shí)驗(yàn)。通過計(jì)算光譜指標(biāo)與土壤pH值的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析， 篩選出土壤pH值的特征波段，由圖2可以看出，光譜反射率經(jīng)過微分等形式變換相關(guān)系數(shù)較高的波譜范圍出現(xiàn)在500～1000 nm，其中反射率一階微分、對數(shù)一階微分與堿化程度的相關(guān)系數(shù)均大于原始反射率，增強(qiáng)了植被特征信息；其他轉(zhuǎn)化方式，相關(guān)性較差，效果不太理想；植被光譜反射率的一階微分變換在波長861 nm 處為pH值最佳敏感波段，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86，p<0.01，高度顯著相關(guān)。

4.3預(yù)測模型的建立與驗(yàn)證

本研究利用matlab2013軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過相關(guān)性分析得到的最佳植被光譜指標(biāo)，以在861nm波段的反射率一階微分變換作為自變量，以土壤酸堿度pH值作為因變量，選取30個樣本，進(jìn)行傅里葉和2次多項(xiàng)式回歸，得到如下回歸方程（1、2）：

y1=-3.0537×x2+5.4329×x+7.9366 （1）

y2=8.869-0.8926×cos（x×6965）+0.208×sin（x×6965） （2）

建模樣本基本上聚集在擬合線附近，剔除異常值，樣本擬合系數(shù)分別為R2= 0.7561，0.7374，擬合效果如圖3、4。

計(jì)算測試樣本的預(yù)測值，求模擬值和擬合值的相關(guān)系數(shù)，驗(yàn)證結(jié)果如（圖5、6）。算得一階傅里葉和三次多項(xiàng)相關(guān)系數(shù)和假設(shè)檢驗(yàn)的P值分別為r= 0.6947，0.7496；p=0.017，0.0079。多項(xiàng)式擬合預(yù)測值和實(shí)測值的一致性較好，通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)，傅里葉回歸方程通過0.05顯著性驗(yàn)。因此本文建立的土壤堿化程度遙感監(jiān)測模型是有效的，在一定程度上可以用來預(yù)測土壤pH含量，且多項(xiàng)式比一階傅里葉模型的預(yù)測效果較好。

5結(jié)論與討論

本文利用地理學(xué)、遙感理論和統(tǒng)計(jì)分析方法，研究了寧夏平羅縣西大灘的pH值重要土壤參數(shù)的光譜反應(yīng)，得出以下結(jié)論。

（1）不同堿化程度植被光譜特征曲線形態(tài)上趨于一致， 在可見光波段：重度堿化土壤冠層植被反射率最大，輕度次之，中度最小，波谷波峰的增幅隨堿化程度的增加而降低；在近紅外波段，輕度堿化土反射率最大，重度次之，中度最小，增幅隨堿化程度的增加而增加。

（2） 861 nm處為土壤理化性pH值特征波段，一階導(dǎo)數(shù)為土壤pH值最佳光譜指標(biāo)。

（3）三次多項(xiàng)式比一階傅里葉方程回歸效果更好，此模型可以為該區(qū)域提取土壤堿化信息提供更加準(zhǔn)確、快速科學(xué)依據(jù)。

本文嘗試用小波閾值去噪，提高模型的預(yù)測的準(zhǔn)確性，用不同類型植被光譜間接預(yù)測土壤pH值，將傅里葉和三次多項(xiàng)式擬合效果進(jìn)行對比分析，以建立更加準(zhǔn)確的預(yù)測模型。植被光譜中包含的信息相對復(fù)雜，對野外土壤樣本直接估測存在較大的干擾因素，但是大部分的土壤表層本來就布滿了各種植被，通過混合植被監(jiān)測土壤也是不可缺少的。在下一階段，將綜合考慮植被和土壤等因子，分析土壤及其典型上覆植被野外實(shí)測光譜特征與遙感影像光譜間的異同點(diǎn)，將野外實(shí)測光譜反射率與遙感影像光譜進(jìn)行擬合，最后建立基于遙感影像的土壤鹽堿化信息提取模型，實(shí)現(xiàn)對干旱地區(qū)龜裂堿土堿化程度的及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測。endprint

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Prediction of Alkalization Degree of cracked Alkaline Soil Based on Vegetation Spectral Information

Liu Huan1， Jia Keli1， Zhang Junhua2

（1.College of Resource and Environment， Ningxia University，Yinchuan， Ningxia， 750021，China；

2.Institute of Environmental Engineering， Ningxia University， Yinchuan， Ningxia， 750021，China）endprint

Abstract： In the study， the paper takestypical soil salinization area in Pingluo County of Ningxia Hui Autonomous Region as the research object.Based on the measured spectral reflectance of vegetation and the value of pH in the laboratory as the basic data source，the original spectral data through threshold denoising and classification were used to analyze the spectral characteristics of different levels of soil salinization. The reflectance data were transformed to 8 kinds of spectral indices， such as logarithm， first-order derivative， multiplicative scatter correction and normalization， etc.Then，the correlation analysis was carried out between the obtained vegetation spectral and the value of pH to extract sensitive wavelengths of pH parameters. Fourier and polynomial regression analysis were employed to establish takir information prediction model.The correlation coefficient is used to verify the prediction effect of the two models. The results showed The wavelength of 861nm at the first order differential transformation of the spectral reflectance of vegetation is the best sensitive band； the correlation coefficient is 0.86. Polynomial fitting is better than Fourier fitting effect to the best spectral indices and soil pH as a variable. the content of the pH value of the building three times polynomial prediction model is the highest precision.The model can provide the basis for the quantitative remote sensing inversion of soil alkalization degree of semi-arid area.

Key words： salinization； alkaline soil； spectral informationendprint