基于多種高光譜指標(biāo)反演凍結(jié)土壤含水率的研究

王 勇，侯晨悅，楊錫震，張 博，劉 浩，白旭乾，陳俊英，栗現(xiàn)文

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

土壤含水率作為描述土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，與其作物的生長(zhǎng)發(fā)育息息相關(guān)。在當(dāng)前全球嚴(yán)重缺水以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念的背景下，快速精確地監(jiān)測(cè)土壤含水率對(duì)于高效用水至關(guān)重要[1]。我國(guó)橫跨高中低3 個(gè)緯度區(qū)，各地區(qū)間氣候差異較大，中北部季節(jié)性凍融區(qū)廣泛存在。而在季節(jié)性凍融區(qū)，土壤凍融會(huì)使土壤中的水、熱等狀況發(fā)生復(fù)雜的遷移變化，其中土壤的水分相變是重要部分[2]。面對(duì)季節(jié)性凍融區(qū)的氣候特點(diǎn)，如何高效監(jiān)測(cè)土壤凍結(jié)狀態(tài)下的含水率是亟需解決的重要問(wèn)題。

目前土壤含水率的監(jiān)測(cè)方法主要有烘干法、電阻法、中子法、時(shí)域反射擊法等，每種方法適用不同的情況和精度要求，同時(shí)操作難易程度、設(shè)備價(jià)格、耐用性等也需要綜合考慮[3,4]。近年來(lái)，高光譜技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用得到突破[5]，在植物和土壤含水率監(jiān)測(cè)方面也得到一定的發(fā)展[6]。徐金華[7]在研究中利用高光譜原始反射率（Raw Spectral Reflectance，REF）、原始光譜反射率一階微分（First-order Differential Reflectance，F(xiàn)DR） 和二階微分（Second-order Differential Reflectance，SDR）的歸一化指數(shù)來(lái)反演土壤含水率。Levy[8]等根據(jù)土壤的干、濕和鹽漬土的高光譜數(shù)據(jù)來(lái)反演土壤含水率。張智韜[9]等采用偏最小二乘回歸（Partial Least Squares Regression，PLSR）、逐步回歸（Stepwise Regression，SR）、嶺回歸（Ridge Regression，RR）3 種模型對(duì)4 種光譜指標(biāo)建立土壤含水率反演模型，得到較好效果。刁萬(wàn)英[10]等通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）模型對(duì)砂土和壤土的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)反演土壤的表層含水率，較為精確的反演出表層土壤的水分特征。但上述研究多是在土壤未凍結(jié)狀態(tài)下開(kāi)展的，當(dāng)土壤處于凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，土壤水分的相態(tài)改變必然影響其對(duì)反射光譜的響應(yīng)特征，進(jìn)而對(duì)水分反演模型產(chǎn)生影響，而針對(duì)于凍結(jié)土壤含水率的反演模型目前還鮮有研究涉及。

當(dāng)前各種預(yù)測(cè)模型層出不窮，包括偏最小二乘回歸（PLSR）、多元逐步回歸（MSR）、嶺回歸（RR）[9]、一元線性回歸（ULR）等線性回歸模型，還包括支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）、極限學(xué)習(xí)機(jī)（Extreme learning machine，ELM）等機(jī)器學(xué)習(xí)法，同時(shí)各種光譜指標(biāo)也得到很好的應(yīng)用，并取得了較好的成果[10,11]。不同種方法各有優(yōu)劣，各種模型和光譜指標(biāo)反演土壤的物理性質(zhì)和指標(biāo)有不同的反演效果，而高光譜遙感技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)各種物理指標(biāo)均有較好的效果[12]。目前土壤中的液態(tài)水在以往的研究中已經(jīng)得到了很好的反演，但是通過(guò)高光譜波段反演土壤凍結(jié)狀態(tài)下含水率的研究較少，通過(guò)對(duì)比分析不同狀態(tài)下基于高光譜遙感技術(shù)反演土壤含水量的異同，為高光譜遙感技術(shù)在我國(guó)季節(jié)性凍融區(qū)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)更好的監(jiān)測(cè)土壤凍結(jié)狀態(tài)下的土壤特性，為之后高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用拓寬了領(lǐng)域。

基于此，本研究以河套灌區(qū)鹽漬化土壤為對(duì)象，通過(guò)ASD 地物光譜儀采集凍結(jié)與未凍結(jié)土壤樣本的原始光譜，并對(duì)原始光譜反射率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化（Standard Normal Variable，SNV）、倒數(shù)之對(duì)數(shù)（Logarithm of Reciprocal，LR）、一階微分（FDR）和二階微分（SDR）等數(shù)學(xué)變換，建立凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)下基于不同光譜指標(biāo)的土壤含水率高光譜反演模型，對(duì)比兩種土壤狀態(tài)下不同處理方式以及模型之間反演效果，以獲取最佳的光譜指標(biāo)和模型，為我國(guó)季節(jié)性凍融區(qū)土壤含水率的遙感反演提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的沙壕渠灌域（40°52＇～41°00＇N，107°05＇～107°10＇E，圖1），沙壕渠灌域外觀為一狹長(zhǎng)倒三角形，地面較為平整，整體地勢(shì)呈現(xiàn)為南高北低，總面積約為52.4 km2[13,14]，為溫帶大陸性氣候，夏季高溫炎熱，冬季寒冷干燥，土壤狀態(tài)具有典型的季節(jié)性凍融特征。年降水量約為140 mm，年蒸發(fā)量約為2 000 mm，年平均氣溫約為7 ℃,年最高氣溫約為25 ℃，年最低氣溫約為-11 ℃[15]。土壤在11 月份開(kāi)始凍結(jié)，到次年5 月中旬才能完全解凍，約有180 d土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，凍結(jié)深度約為1.0～1.3 m[16,17]。沙壕渠灌域內(nèi)的土壤質(zhì)地以砂壤土、粉壤土和壤土為主[18]。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 土壤采集和樣本制備

為保證土壤樣品的代表性，從研究區(qū)隨機(jī)選取3 個(gè)地塊，每一地塊隨機(jī)選取4 個(gè)地勢(shì)平坦的地方作為取樣點(diǎn)，采集0～5 cm 的表層土壤均勻混合，得到3 個(gè)不同地塊的代表性土樣。經(jīng)過(guò)風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm 篩后，按不同比例混合共形成120個(gè)試驗(yàn)土樣，將試驗(yàn)土樣置于內(nèi)徑10 cm、深度2 cm 的培養(yǎng)皿中，裝滿后用直尺將土壤表面均勻抹平。然后用噴霧器分梯度加蒸餾水，去除3個(gè)處理過(guò)程中被損壞的樣本，最終獲得不同含水率（5%～40%）的117 個(gè)試驗(yàn)樣本，并將試驗(yàn)樣本靜置48 h 使水分分布均勻，最后放入冰箱中（零下15 ℃，12 h）進(jìn)行凍結(jié)處理，其統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。

表1 土壤含水率統(tǒng)計(jì)特征表Tab.1 Descriptive statistical characteristics of soil moisture content

1.3 光譜數(shù)據(jù)的獲取和處理

本試驗(yàn)中共117個(gè)試驗(yàn)樣本，在土壤樣本凍結(jié)處理前后均用ASD Field Spec 3 地物光譜儀在室內(nèi)采集試驗(yàn)樣本的高光譜反射率數(shù)據(jù)，光譜儀波譜范圍為350～2 500 nm，采樣間隔為1.4 nm（350～1 000 nm）和2 nm（1 000～2 500 nm），重采樣間隔為1 nm。ASD 光譜數(shù)據(jù)采集過(guò)程全部在暗室條件下進(jìn)行，測(cè)量光源選用ASD 公司生產(chǎn)的接觸探頭，該探頭內(nèi)置100 W鹵素反射燈。光源到土壤表面的距離、光源入射角度和探頭距土壤表面高度，設(shè)置為室內(nèi)土壤高光譜測(cè)試最佳幾何參數(shù)組合（50 cm、30°、15 cm）[19,20]。在每次測(cè)定光譜前，需要進(jìn)行去除暗電流（防止內(nèi)部電流影響光譜數(shù)據(jù)）以及使用標(biāo)準(zhǔn)參考白板進(jìn)行光譜定標(biāo)等過(guò)程，每個(gè)土樣進(jìn)行5 次光譜測(cè)量，作為該樣本的實(shí)測(cè)原始光譜曲線。

獲得的原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理可以一定程度消除試驗(yàn)條件等因素的影響，主要包括階躍點(diǎn)處理（Splice Correction）、求平均值處理（Statistics）和剔除邊緣波段，并采用Savitzky-Golay（SG）濾波法進(jìn)一步去噪，得到最終光譜反射率[21]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）[22]、倒數(shù)之對(duì)數(shù)變換（LR）[23]、一階微分（FDR）[24]和二階微分（SDR）變換[25]，作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析的自變量。

1.4 模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)量和相關(guān)性分析，本研究選擇偏最小二乘回歸（Partial Least Squares Regression，PLSR）[26]、多元逐步回歸（Multiple Stepwise Regression，MSR）[27]、支持向量機(jī)學(xué)習(xí)回歸（Support Vector Machine，SVM）[28]和一元線性回歸（Unary Linear Regression，ULR）[29]。

選取117 個(gè)樣本中的2/3 為建模集，剩余的1/3 為驗(yàn)證集。將試驗(yàn)樣本按設(shè)計(jì)的制備順序，相鄰的3個(gè)為一組，其中1、3號(hào)試驗(yàn)樣本選取為建模集，2號(hào)試驗(yàn)樣本作為驗(yàn)證集，最終選中建模集78個(gè)，驗(yàn)證集39個(gè)。從圖2可以看出，3個(gè)樣本集之間的樣本分布基本一致，建模集和驗(yàn)證集均能很好地體現(xiàn)總體特性。

圖2 土壤含水率樣本集箱線圖Fig.2 Box line diagram of soil moisture content

1.5 模型精度評(píng)價(jià)

為判斷出高光譜反演不同凍結(jié)狀態(tài)鹽漬化土壤含水率的可行性和篩選最佳模型，通過(guò)建模集決定系數(shù)Rc2、驗(yàn)證集決定系數(shù)Rp2、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）和相對(duì)誤差（Relative Error，RE）來(lái)綜合評(píng)價(jià)模型的效果。其中Rc2和Rp2越大越好，最大值為1；RMSE和RE越接近于0，表征模型的準(zhǔn)確性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理方法的土壤光譜特征

不同含水率的典型土壤樣本的原始光譜曲線如圖3 所示。由圖3 可知，隨著土壤含水率的變化，反射率在兩種狀態(tài)下的變化趨勢(shì)相似，大多隨含水率的增加反射率逐漸降低；在1 400 nm 和1 900 nm 處均有明顯的水分吸收谷。但凍結(jié)狀態(tài)下獲取的不同含水率土壤高光譜原始反射率的差異更加明顯，與土壤含水率的梯度趨勢(shì)更為清晰[見(jiàn)圖3（a）]。

圖3 凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)的土壤高光譜原始反射率曲線Fig.3 Hyperspectral REF curves of soil in frozen and unfrozen states

經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）之后，光譜反射率范圍擴(kuò)大，但光譜曲線更加平滑，波峰和波谷現(xiàn)象也不再明顯（圖4）。從圖4 中可以看出不同含水率的光譜大小范圍略有不同，凍結(jié)狀態(tài)下光譜反射率較大，為-1.5～3.0，未凍結(jié)狀態(tài)下的土壤反射率為-1.5～2.0。此外，凍結(jié)狀態(tài)下不同含水率的光譜反射率曲線分離度更清楚，而未凍結(jié)狀態(tài)下400～1 000 nm 的光譜曲線交匯比較密集。整體來(lái)看，凍結(jié)狀態(tài)下反射率和土壤含水率的梯度分布更明顯。

圖4 凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)土壤高光譜標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換反射率曲線Fig.4 Hyperspectral SNV curves of soil in frozen and unfrozen states

與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換不同的是，倒數(shù)之對(duì)數(shù)變換（LR）后未凍結(jié)狀態(tài)的光譜反射率較大（見(jiàn)圖5），同時(shí)1 400 nm 和1 900 nm處的波峰更高，凍結(jié)和未凍結(jié)狀態(tài)的光譜反射率范圍分別為0.55～1.30 和0.60～1.35。光譜反射率隨土壤含水率的增加而增加，在凍結(jié)狀態(tài)下的土壤含水率和光譜反射率的變化趨勢(shì)更加統(tǒng)一。

圖5 凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)的土壤高光譜倒數(shù)之對(duì)數(shù)變換反射率曲線Fig.5 Hyperspectral LR curves of soil in frozen and unfrozen states

從一階微分（FDR）、二階微分（SDR）變換的反射率曲線來(lái)看（見(jiàn)圖6和圖7），土壤含水率和光譜反射率的大小關(guān)系不易區(qū)分。但兩種狀態(tài)下經(jīng)FDR 變換后（見(jiàn)圖6），光譜在1 400～1 500 nm 和2 000～2 100 nm 波段處有明顯區(qū)別：未凍結(jié)狀態(tài)下光譜曲線的范圍更大。SDR 處理后（見(jiàn)圖7），未凍結(jié)狀態(tài)下的光譜在600～1 200 nm和1 800～2 000 nm波段處反射率更大，同時(shí)反射率的分布范圍更小。

圖6 凍結(jié)和未凍結(jié)狀態(tài)土壤高光譜一階微分變換反射率曲線Fig.6 Hyperspectral FDR curves of soil in frozen and unfrozen states

圖7 凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)土壤高光譜二階微分變換反射率曲線Fig.7 Hyperspectral SDR curves of soil in frozen and unfrozen states

2.2 基于高光譜原始反射率反演土壤含水率

以凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)下的原始反射率（REF）為自變量，土壤含水率為因變量，通過(guò)PLSR、MSR、SVM 和ULR 建立兩種狀態(tài)下的土壤含水率反演模型，建模與驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2 凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)基于高光譜原始反射率的模型效果匯總表Tab.2 Summary of model results base on hyperspectral REF in frozen and unfrozen states

從表2可以看出，凍結(jié)狀態(tài)下，4種模型的建模集Rc2都在0.69 以上，其中PLSR 和MSR 的Rc2在0.90 以上，模型擬合效果極好。從驗(yàn)證集Rp2和RMSEP來(lái)看，4 種回歸模型均能夠反演凍結(jié)狀態(tài)下的土壤含水率：PLSR 的Rp2最大，并且RMSEP和RE最小，反演效果最佳；ULR 的Rp2最小，且RMSEP和RE最大，反演效果最差；MSR 的Rp2與RMSEP 和PLSR 接近，反演效果也較高。未凍結(jié)狀態(tài)下，MSR 的Rc2最大，擬合效果最好；而ULR 的Rc2最小，擬合結(jié)果最差。從驗(yàn)證效果來(lái)看，PLSR 的Rp2最大，RMSEP和RE最??；MSR 擬合效果略差于PLSR；ULR 擬合效果最差，Rp2最小，且RMSEP和RE較大，但仍能夠很好地預(yù)測(cè)土壤含水率。

對(duì)比來(lái)看，凍結(jié)狀態(tài)下通過(guò)高光譜原始反射率來(lái)反演土壤含水率是可行的，但凍結(jié)狀態(tài)對(duì)各模型反演土壤含水率的精度均有削弱作用。兩種狀態(tài)下各模型反演精度的總體規(guī)律一致，PLSR最佳，MSR略高于SVM，ULR擬合效果最差。

2.3 基于高光譜標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換反射率反演土壤含水率

以經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）的光譜反射率指標(biāo)為自變量，建立凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)下的土壤含水率反演模型，建模與驗(yàn)證結(jié)果如表3所示。

表3 凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)基于高光譜反射率標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換的模型效果匯總表Tab.3 Summary of model results base on hyperspectral SNV in frozen and unfrozen states

從表3可以看出，凍結(jié)狀態(tài)下，4種模型的建模集Rc2均在0.60 以上，PLSR 模型擬合效果很好。從驗(yàn)證集Rp2和RMSEP來(lái)看，4 種回歸模型均能夠反演凍結(jié)狀態(tài)下土壤的含水率：PLSR 的Rp2最大，并且RMSEP最小，反演效果最佳；ULR 的Rp2最小，且RMSEP和RE最大，反演效果最差；MSR的Rp2和RMSEP和PLSR接近，反演精度較高。未凍結(jié)狀態(tài)下，MSR的Rc2最大；ULR 的Rc2最小，擬合結(jié)果最差。從驗(yàn)證效果來(lái)看，PLSR 的Rp2最大，RMSEP和RE最??；MSR 擬合效果略差于PLSR；ULR 擬合效果最差，Rp2最小，且RMSEP和RE較大，但仍能夠很好地預(yù)測(cè)土壤的含水率。

對(duì)比來(lái)看，凍結(jié)狀態(tài)下通過(guò)高光譜SNV 指標(biāo)來(lái)反演土壤含水率是可行的。同時(shí)與原始光譜反演效果不同（表2），凍結(jié)狀態(tài)各模型反演土壤含水率的精度總體上有所提高。兩種狀態(tài)各模型反演精度的總體規(guī)律仍表現(xiàn)出一致性，PLSR 最佳，MSR略高于SVM，ULR反演精度最差。

2.4 基于高光譜倒數(shù)之對(duì)數(shù)變換反射率反演土壤含水率

以經(jīng)過(guò)倒數(shù)之對(duì)數(shù)變換（LR）的光譜反射率指標(biāo)為自變量，建立凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)下的土壤含水率反演模型，建模與驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

表4 凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)基于高光譜反射率倒數(shù)之對(duì)數(shù)變換的模型效果匯總表Tab.4 Summary of model results base on hyperspectral LR in frozen and unfrozen states

從表4 可以看出，凍結(jié)狀態(tài)下，PLSR、MSR 和SVM 3 種模型的建模集Rc2均在0.70 以上，模型擬合效果較好。從驗(yàn)證集Rp2和RMSEP來(lái)看，4 種回歸模型均能夠反演凍結(jié)狀態(tài)下的土壤含水率：MSR 的Rp2最大，RMSEP最小，反演效果最佳；ULR的Rp2最小，RMSEP最大，反演效果最差；SVM反演精度略高于ULR；PLSR 的Rp2和RMSEP和MSR 接近，反演精度較高。未凍結(jié)狀態(tài)下，MSR 的Rc2最大，ULR 的Rc2最小，擬合結(jié)果最差。從驗(yàn)證效果來(lái)看，PLSR 的Rp2最大，RMSEP和RE最小，擬合效果最好；MSR 擬合效果略差于PLSR；ULR 擬合效果最差，Rp2最小，且RMSEP和RE較大，但仍能夠很好地預(yù)測(cè)土壤含水率。

對(duì)比來(lái)看，凍結(jié)狀態(tài)下通過(guò)高光譜反射率LR 指標(biāo)來(lái)反演土壤含水率是可行的，而且凍結(jié)狀態(tài)的各模型反演精度有所提高。但凍結(jié)狀態(tài)和未凍結(jié)狀態(tài)下各模型反演精度不同，從Rp2來(lái)看，未凍結(jié)狀態(tài)下的模型精度從大到小排序?yàn)椋篜LSR＞MSR＞SVM＞ULR；凍結(jié)狀態(tài)下為：MSR＞PLSR＞SVM＞ULR。

2.5 基于高光譜一階微分變換反射率反演土壤含水率

以經(jīng)過(guò)一階微分變換（FDR）的光譜反射率指標(biāo)為自變量，建立凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)下的土壤含水率反演模型，建模與驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。

表5 凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)基于高光譜反射率一階微分變換的模型效果匯總表Tab.5 Summary of model results base on hyperspectral FDR in frozen and unfrozen states

從表5 可以看出，凍結(jié)狀態(tài)下，PLSR 和MSR 兩種模型的建模集Rc2均在0.81 以上，模型擬合效果很好，其余模型擬合效果較好。從驗(yàn)證集Rp2和RMSEP來(lái)看，4 種回歸模型均能夠反演凍結(jié)狀態(tài)下土壤的含水率：ULR 的Rp2最大，RMSEP和RE最小，反演效果最佳；MSR 的Rp2最小且RMSEP和RE最大，反演效果最差；PLSR 的Rp2和RMSEP和ULR 接近，反演精度較高；SVM 的反演精度一般。未凍結(jié)狀態(tài)下，MSR 的Rc2最大；ULR 的Rc2最小，擬合結(jié)果最差。從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，SVM 的Rp2最大，RMSEP和RE最小，擬合效果最好；PLSR 擬合效果略低于SVM，MSR擬合效果最差。

對(duì)比來(lái)看，凍結(jié)狀態(tài)下通過(guò)高光譜反射率FD 指標(biāo)反演土壤含水率也是可行的，但相對(duì)而言凍結(jié)狀態(tài)下各模型反演土壤含水率的精度較低，且凍結(jié)狀態(tài)和未凍結(jié)狀態(tài)下各模型擬合效果趨勢(shì)不同。從Rp2來(lái)看，未凍結(jié)狀態(tài)下的精度表現(xiàn)為：SVM＞PLSR＞ULR＞MSR；凍結(jié)狀態(tài)下的總體趨勢(shì)為：ULR＞PLSR＞SVM＞MSR。

2.6 基于高光譜二階微分變換反射率反演土壤含水率

以經(jīng)過(guò)二階微分變換（SDR）的光譜反射率指標(biāo)為自變量，建立凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)下的土壤含水率反演模型，建模與驗(yàn)證結(jié)果如表6所示。

從表6 可以看出，凍結(jié)狀態(tài)下，MSR 模型的建模集Rc2最大，模型擬合效果極好；PLSR和SVM 2種模型的Rc2在0.81以上，擬合效果較好。從驗(yàn)證集Rp2和RMSEP來(lái)看，4 種回歸模型均能夠反演凍結(jié)狀態(tài)下土壤的含水率。SVM 的Rp2最大，并且RMSEP和RE較小，反演效果最佳；PLSR 的Rp2最小，且RMSEP最大，反演效果最差；ULR 和MSR 的反演精度略低于SVM。但從總體來(lái)看，凍結(jié)狀態(tài)下4種模型的反演精度相差不大，效果也較為一般。未凍結(jié)狀態(tài)下，MSR 的Rc2仍然最大，ULR 的Rc2最小，擬合結(jié)果最差。從驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，SVM 的Rp2最大，RMSEP最小，擬合效果最佳；但MSR 和PLSR 出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象，其中對(duì)PLSR 的反演精度影響較大，Rp2僅為0.252；MSR 所受影響較小，Rp2最大；ULR 的Rp2為0.406，擬合效果較差。

對(duì)比來(lái)看，凍結(jié)狀態(tài)下通過(guò)高光譜反射率SD 指標(biāo)來(lái)反演土壤含水率，效果較差。其中PLSR 和MSR 均表現(xiàn)出較為明顯的過(guò)擬合現(xiàn)象，整體擬合效果不佳，同時(shí)凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)未表現(xiàn)出明顯的差異性趨勢(shì)。

3 討 論

本文主要探究在凍結(jié)狀態(tài)下基于高光譜遙感反演土壤含水率的可行性，并從預(yù)處理方法和不同模型擬合效果兩方面，對(duì)比凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)反演模型的差異。土壤處于凍結(jié)時(shí)，水分由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)，獲取的高光譜反射率數(shù)據(jù)也隨之變化。單明明[30]的研究表明季節(jié)性凍土區(qū)不同凍結(jié)狀態(tài)土壤水熱變化劇烈；樊貴盛[31]在研究季節(jié)性凍融土壤特性時(shí)指出，凍結(jié)狀態(tài)下土壤中的水分入滲率更小，表層土壤凍結(jié)水會(huì)分布的更均勻；同時(shí)高光譜遙感技術(shù)更多的是對(duì)土壤表層濕度信息的獲取[32]，因此，凍結(jié)土壤會(huì)通過(guò)水熱特性變化，進(jìn)而對(duì)高光譜反射率產(chǎn)生影響。對(duì)比凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)下的擬合效果，從圖8 驗(yàn)證集決定系數(shù)趨勢(shì)圖來(lái)看，基于不同光譜指標(biāo)建立的偏最小二乘回歸模型（PLSR）、多元逐步回歸模型（MSR）、支持向量機(jī)法（SVM）和一元線性回歸模型（ULR）來(lái)反演凍結(jié)狀態(tài)下土壤含水率均是可行的。

圖8 驗(yàn)證集決定系數(shù)柱狀圖Fig.8 Histogram of the determination coefficirnt of the validation set

同時(shí)，基于原始光譜反射率（REF）的PLSR 模型的適用性最好，在凍結(jié)和未凍結(jié)狀態(tài)均表現(xiàn)最優(yōu)。非凍結(jié)狀態(tài)下，其他學(xué)者的研究也表明，REF-PLSR 的模型組合最佳[9]；梁亮[12]等通過(guò)高光譜遙感技術(shù)獲得的16 種新指標(biāo)反演小麥冠層葉片含水率，其中一階微分指標(biāo)得到的擬合效果最佳；程曉娟[33]等利用近地高光譜與TM 遙感影像技術(shù)的水分指數(shù)(WI)和歸一化差異水分指數(shù)(NDWI)來(lái)反演冬小麥含水率也得到了很好的效果，但從擬合結(jié)果來(lái)看衛(wèi)星遙感的擬合效果低于手持式地物光譜儀。

與未凍結(jié)狀態(tài)不同，凍結(jié)狀態(tài)下不僅通過(guò)原始反射率能夠很好的反演土壤含水率，而且在經(jīng)過(guò)SNV 和LR 處理后也取得了很好的反演效果。對(duì)于整數(shù)階微分中的一階微分FDR 處理，除了MSR 外擬合效果也都有所提高，但是二階微分SDR處理在兩種狀態(tài)的4種模型中擬合效果均最差。邵麗冰[34]等基于高光譜反射率的分?jǐn)?shù)階微分變換（Fractional-Order Derivative，F(xiàn)OD）來(lái)反演土壤含水率，也表明當(dāng)微分?jǐn)?shù)階超過(guò)1時(shí)，光譜波段和土壤含水率的相關(guān)性降低。

對(duì)比兩種狀態(tài)下的不同反演模型，凍結(jié)狀態(tài)下利用SNV和LR 指標(biāo)反演土壤含水率的效果均高于未凍結(jié)狀態(tài)，但是未凍結(jié)狀態(tài)下利用REF 和FDR 反演土壤含水率的擬合效果明顯高于其他組合模型。考慮到季節(jié)性凍融區(qū)的復(fù)雜環(huán)境，以及土壤反復(fù)凍融可能帶來(lái)的影響，未來(lái)研究中，還需進(jìn)一步從室內(nèi)拓展到野外田間，更深入地驗(yàn)證高光譜遙感技術(shù)在凍結(jié)條件下反演土壤含水率的可行性。

4 結(jié) 論

本文基于高光譜原始反射率以及經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）、倒數(shù)之對(duì)數(shù)變換（LR）、一階微分（FDR）和二階微分變換（SDR）4種光譜指標(biāo)，建立偏最小二乘回歸（PLSR）、多元逐步回歸法（MSR）、支持向量機(jī)法（SVM）和一元線性回歸法（ULR）模型反演土壤在凍結(jié)與未凍結(jié)狀態(tài)下的土壤含水率，主要得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)REF、SNV、LR、FDR 和SDR 指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)反演凍結(jié)狀態(tài)下土壤含水率均是可行的。其中凍結(jié)狀態(tài)下REF-PLSR 組合模型的效果最佳，未凍結(jié)狀態(tài)下FDR-SVM組合模型的效果最佳，對(duì)比兩種狀態(tài)下的最佳組合模型發(fā)現(xiàn)凍結(jié)狀態(tài)下的擬合效果略低。

（2）從不同光譜指標(biāo)來(lái)看，兩種土壤狀態(tài)下，REF 指標(biāo)的反演效果最好，SDR 指標(biāo)的反演效果最差。對(duì)比兩種狀態(tài)下不同指標(biāo)的反演效果發(fā)現(xiàn)：SNV 和LR 兩種指標(biāo)在凍結(jié)狀態(tài)下，基于高光譜反射率反演土壤含水率的精度高于未凍結(jié)狀態(tài)，REF、FDR 和SDR 指標(biāo)在凍結(jié)狀態(tài)下的反演效果低于未凍結(jié)狀態(tài)。

（3）從不同模型來(lái)看，PLSR模型在兩種狀態(tài)下運(yùn)用SNV、LR、REF 和FDR 4 種指標(biāo)均達(dá)到很好的反演效果，但SDR 指標(biāo)的反演效果在4種模型中效果最差；MSR 和SVM 模型運(yùn)用5種指標(biāo)的反演效果相差不大，但兩種狀態(tài)下運(yùn)用REF、FDR和SDR 指標(biāo)反演效果差異明顯；ULR 模型整體反演效果較差，但是對(duì)于FDR指標(biāo)的反演效果較好。