基于连续统去除法的土壤盐分测定方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其包括以下步骤：（1）采集土样并进行处理；（2）对土样进行含盐量测试；（3）对土样进行光谱测试并得出土样的实际反射光谱数据；（4）进行光谱数据处理及吸收特征参数提取；（5）处理光谱指数；（6）进行模型构建与精度评价。本发明基于连续统去除法的土壤盐分测定方法操作步骤简单、合理，成本低，能够有效反映土壤盐渍化的真实状况，为耕作土壤的盐渍化评价、改良、治理、种植结构调整的决策依据提供新的获取途径，适于推广与应用。
【专利说明】基于连续统去除法的土壤盐分测定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及土壤盐分监测【技术领域】，尤其涉及一种基于连续统去除法的土壤盐分测定方法。
【背景技术】
[0002]盐溃化是荒漠化和土地退化的主要类型之一，我国盐溃土总面积约为3600X 104hm2，占全国可利用土地面积的4.88%，耕地中盐溃化面积达到920.9X 104hm2，占全国耕地面积的6.62%。因此，对盐溃化耕地进行治理与改良及种植结构的调整、对盐溃化自然土壤资源合理开发与利用，对我国农业的可持续发展具有至关重要的作用。而这些决策的制定与执行的根本依据是土壤盐溃化信息。如何快速、准确、低廉的获取大面积盐溃化土壤的动态信息，并据此合理制定盐溃化土壤治理、改良、开发利用等方面的决策，是农业科学研究领域的新主题。传统的人工地面监测方法，由于其费时、费力、费钱、因测点少无法反映大面积土壤盐溃化的真实状况等方面的不足，显然无法满足大面积盐溃化土壤监测的需求。高光谱遥感技术现已成为获取大面积盐溃化信息的重要手段，但现有关于土壤盐溃化的光谱定量反演研究中，鲜见利用连续统去除\连续统去除一阶微分\连续统去除光谱指数\连续统去除一阶微分光谱指数等方面的数据来进行相关研究的报道；大部分研究都是集中于自然土壤，关于耕作土壤盐溃化高光谱遥感监测方面的报道少见，耕作土壤相对于自然土壤来说，受人类活动的干扰更强烈，如灌排、土壤改良、耕作等，造成其盐分含量相对较低，但盐分组成变动较大，因此，耕作土壤盐溃化的高光谱遥感监测更具挑战性。然而，连续统去除可以有效凸显各种物质的吸收特征，同时已有研究表明盐分具有明显的吸收特征。因此，利用连续统去除方法来研究盐分的光谱反演既有理论依据，同时也具有方法创新。
[0003]上述可知，有必要将连续统去除法应用于土壤盐溃化的高光谱遥感监测研究。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决现有土壤盐分测定方法费时、费力、费钱、因测点少无法反映大面积土壤盐溃化的真实状况等方面的不足的问题而提出一种操作简单、方便，成本低，能够有效反映土壤盐溃化的真实状况，可为耕作土壤的盐溃化评价、改良、治理、种植结构调整的决策依据提供新的获取途径的基于连续统去除法的土壤盐分测定方法。
[0005]上述的一种基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0006]一种基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007](I) 土样的采集与处理，即根据代表性、典型性和集中性原则选取合适的采样区域采集土样，再将土样带回实验室，清除非土壤成分物质后自然风干，将风干后的样品经研磨过筛，以为后续进行光谱测试和盐分含量的测定做准备；(2) 土样的含盐量测试，即将上述步骤(I)处理后的土样采用残渣烘干法对土样的含盐量进行测定；(3) 土样的光谱测试，即将上述步骤(2)中测试后的土样放在一个能控制光照条件的暗室内，采用光谱仪进行土壤测试，其中，测试之前先进行白板校正，每个土样采集多条光谱曲线，通过算术平均后得出该土样的实际反射光谱数据；(4)光谱数据处理及吸收特征参数提取，即将上述步骤(3)中测试后的土样首先去除每个土样的光谱曲线噪声较大的边缘波段350~399nm、2400~2500nm ;然后采用小波去噪法对土壤光谱进行滤波去噪和数据变换，数据变换包括一阶微分处理和连续统去除处理；接着通过连续统去除处理后，提取出吸收峰总面积、最大吸收深度以及面积归一化最大吸收深度；(5)光谱指数的处理，即经上述步骤(4)后，再根据相关性分析结果，选择连续统去除的波段构建连续统去除归一化指数、连续统去除差值指数、连续统去除比值指数；选择连续统去除一阶微分的波段构建连续统去除一阶微分归一化指数、连续统去除一阶微分差值指数、连续统去除一阶微分比值指数；(6)模型构建与精度评价，即经上述步骤(5)后，先采用偏最小二乘回归的方法建模，然后采用交叉验证法进行模型验证，接着对模型的精度进行合理评价，以得出模型的预测能力。
[0008]所述基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其中:所述步骤(6)中模型的精度采用以下指标来评价，具体包括建模决定系数紀、交叉验证决定系数RCT2、预测决定系数Rp2、相对分析误差RPD和均方根误差RMSE。
[0009]所述基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其中:所述均方根误差RMSE分为建模均方根误差RMSE。、交叉验证均方根误差RMSEct和预测均方根误差RMSEp ;所述建模决定系数R。2、预测决定系数Rp2、相对分析误差RPD越大，所述建模均方根误差RMSE。、交叉验证均方根误差RMSEw和预测均方根误差RMSEp越小，说明模型建模、预测的精度越高，反之，则说明模型建模、预测的精度越低。
[0010]所述基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其中:所述步骤(5)中的光谱指数是指某些特定波段的光谱值的组合；所述选择连续统去除的波段是选择连续统去除的673nm、755nm波段；所述选择连续统去除一阶微分的波段是选择连续统去除一阶微分658nm、678nm 波段；
[0011]所述连续统去除归一化指数定义为NICR，其计算公式为:
[0012]
【权利要求】
1.一种基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)土样的采集与处理 根据代表性、典型性和集中性原则选取合适的采样区域采集土样，再将土样带回实验室，清除非土壤成分物质后自然风干，将风干后的样品经研磨过筛，以为后续进行光谱测试和盐分含量的测定做准备； (2)土样的含盐量测试 将上述步骤(1)处理后的土样采用残渣烘干法对土样的含盐量进行测定； (3)土样的光谱测试 将上述步骤(2)中测试后的土样放在一个能控制光照条件的暗室内，采用光谱仪进行土壤测试，其中，测试之前先进行白板校正，每个土样采集多条光谱曲线，通过算术平均后得出该土样的实际反射光谱数据； (4)光谱数据处理及吸收特征 参数提取 将上述步骤(3)中测试后的土样首先去除每个土样的光谱曲线噪声较大的边缘波段350~399nm、2400~2500nm ;然后采用小波去噪法对土壤光谱进行滤波去噪和数据变换，数据变换包括一阶微分处理和连续统去除处理；接着通过连续统去除处理后，提取出吸收峰总面积、最大吸收深度以及面积归一化最大吸收深度； (5)光谱指数的处理 经上述步骤(4)后，再根据相关性分析结果，选择连续统去除的波段构建连续统去除归一化指数、连续统去除差值指数、连续统去除比值指数；选择连续统去除一阶微分的波段构建连续统去除一阶微分归一化指数、连续统去除一阶微分差值指数、连续统去除一阶微分比值指数； (6)模型构建与精度评价 经上述步骤(5)后，先采用偏最小二乘回归的方法建模，然后采用交叉验证法进行模型验证，接着对模型的精度进行合理评价，以得出模型的预测能力。
2.如权利要求1所述的基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于:所述步骤(6)中模型的精度采用以下指标来评价，具体包括建模决定系数R。2、交叉验证决定系数Rw2、预测决定系数RP2、相对分析误差RPD和均方根误差RMSE。
3.如权利要求2所述的基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于:所述均方根误差RMSE分为建模均方根误差RMSE。、交叉验证均方根误差RMSEct和预测均方根误差RMSEp;所述建模决定系数R。2、预测决定系数Rp2、相对分析误差RPD越大，所述建模均方根误差RMSE。、交叉验证均方根误差RMSEct和预测均方根误差RMSEp越小，说明模型建模、预测的精度越高，反之，则说明模型建模、预测的精度越低。
4.如权利要求1所述的基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于，所述步骤(5)中的光谱指数是指某些特定波段的光谱值的组合； 所述选择连续统去除的波段是选择连续统去除的673nm、755nm波段； 所述选择连续统去除一阶微分的波段是选择连续统去除一阶微分658nm、678nm波段； 所述连续统去除归一化指数定义为NICR，其计算公式为:
5.如权利要求1所述的基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于:所述吸收峰总面积定义为吸收峰的积分面积；所述最大吸收深度定义为吸收峰内连续统去除的最小值；所述面积归一化最大吸收深度定义为所述最大吸收深度与吸收峰总面积的比值。
6.如权利要求1所述的基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于:所述步骤(3)中光谱仪的波长范围是350~2500nm，光谱分辨率在350~1000nm为3nm，在1000~2500nm 为 IOnm ； 所述步骤(3)中是采用功率为50w的卤素灯作为光源，距土壤样品表面70cm，天顶角30°，使提供到土壤样本几乎平行的光线； 所述步骤(3)中土壤样本分别放置在直径10cm、深1.5cm、内部全部涂黑的培养皿内，用直尺将土样表面刮平，传感器探头位于土壤样本表面垂直上方15cm处，采用25。视场角探头，探头接受土壤光谱的区域为直径6.7cm的圆，以保证探头接收的均为土壤的反射光谱； 所述步骤(3)中土样的实际反射光谱数据是通过每个土样是采集10条光谱曲线算术平均后得出。
7.如权利要求1所述的基于连续统去除法的土壤盐分测定方法，其特征在于:所述步骤(I)中的土壤样本采用网格采样法进行采样，土样带回实验室后，清除小石块及作物残留物等非土壤成分物质，于实验室自然风干，风干后的土壤样品经研磨后过2_筛，以用作光谱测试和盐分含量的测定。
【文档编号】G01N21/31GK103954567SQ201410152042
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】彭杰, 卜东升, 向红英, 王家强, 柳维扬, 迟春明, 牛建龙 申请人:塔里木大学