基于高光谱技术的盐渍化土壤盐分离子含量监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及土壤盐分快速监测领域，具体地，涉及一种基于高光谱技术的盐渍化 土壤盐分离子含量监测方法。
【背景技术】
[0002] 新疆地区受其土壤母质、地形地貌、气候条件和人为等因素共同作用，土壤盐渍化 和次生盐渍化危害严重，这类土地生产力低下，生态脆弱，环境恶劣，一直是区域经济发展 和生态建设的瓶颈。
[0003] 随着遥感技术和图像处理技术的不断发展，利用遥感手段已经成为土壤盐渍化监 测的主要手段。传统土壤盐渍化监测采用野外土壤定点调查方式，不仅费时、费力，而且测 点少，代表性差，无法实现大面积实时监测。高光谱遥感传感器能获取纳米级的地物连续光 谱信息，精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征，使得依据诊断性的光谱吸收特征 来识别地物、进行遥感定量分析、研宄地物的化学成分等成为可能。
[0004] 盐渍土的可溶性盐主要包括钠、钾、钙、镁等的硫酸盐、氯化物和碳酸盐，及时、准 确的掌握土壤盐分离子组成是治理盐碱地和防止其进一步恶化的必要前提，对加快盐渍化 的动态监测及综合治理有着重要意义。已有的关于盐渍化土壤危害性研宄工作主要集中 在探求盐分离子总量方面，而许多研宄均表明土壤中单盐对作物的危害更直接，其危害程 度要高于总盐含量，可见土壤盐分离子组成和浓度对评价盐渍化土壤的危害更加具有指示 性。支持向量机（supportvectormachines，SVM)是建立在统计学习理论的VC维理论和 结构风险最小原理基础上的，能较好地解决小样本、非线性、高维数据和局部极小等实际问 题，具有灵活、直观、清晰、运算效率高、易与多源信息结合等特点。
[0005] 现有同类技术中多是采用高光谱技术监测土壤总盐含量、有机质和水分含量，在 盐分八大离子的高光谱监测方法上还少有记载。
[0006] 现有方法存在以下缺陷： (1)利用高光谱技术在有效提取土壤属性信息的过程中，对土壤含水量状况还没有很 好的对比，往往在测定土壤光谱信息时凭借经验或已有的部分研宄结果采用风干法，土壤 盐分离子的高光谱定量反演能否采用鲜土或烘干处理还不清楚。
[0007] (2)随着土壤粒径的减小，土壤表面的反射率提高了，导致吸收峰的深度减小了， 不同波段的光谱特征与土壤属性间的关系会发生改变，通常测定土壤光谱均采用的过2mm 筛，在测定土壤盐分离子时其他粒径处理是否会提高拟合精度有待于进一步研宄。
[0008] (3)室内高光谱分析技术因其影响因素较野外更易控制，而得以广泛应用于土壤 资源环境评价中，室内模拟光源的入射角度对土壤性质的高光谱测定影响明显，可能导致 不同光源入射角之间的高光谱数据无共享性，因此，针对土壤盐分离子高光谱测定的光源 入射角是一个必须解决的问题。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于高光谱技术的盐渍化土壤盐分 离子含量监测方法，以实现对土壤盐分离子快速、准确的定量监测的优点。
[0010] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 一种基于高光谱技术的盐渍化土壤盐分离子含量监测方法，包括以下步骤： 步骤一：选取代表当地盐渍状况的典型区域，在同一采样区域选取地表状况相似的点， 采集土壤表层0-5cm厚度处的土壤样品，并将采集的土壤样品混合均匀后迅速封装在自封 袋中，并记录采集土壤样品点的经炜度； 步骤二：将步骤一中取回的土壤样品剔除土壤以外的杂质，并将剔除后的土壤样品分 为三份，土壤样品的第一份土壤样品A研细后过2mm筛，并将过筛后的土壤样品编号后装在 自封袋，然后将自封袋放入冰箱保存；取土壤样品的第二份土壤样品B自然风干；土壤样品 的第二份土壤样品C放在105-1KTC的烘箱中烘至恒重； 步骤三：将经过步骤二处理后的土壤样品B和土壤样品C分别通过2mm、lmm、0. 5mm、 0. 25mm和0. 15mm的土壤筛，在土壤样品A研细后过2mm筛后形成的样品以及经步骤二处理 后的土壤样品B和土壤样品C分别通过2mm、lmm、0. 5mm、0. 25mm和0. 15mm的土壤筛后形成 的样品中，分别选取部分样品采用化学方法测定土壤中八大离子含量，从而得出化学测定 数值； 步骤四：利用高光谱仪测定各土壤样品光谱特征值，各土壤样品包括在土壤样品A研 细后过2mm筛后形成的样品以及经步骤二处理后的土壤样品B和土壤样品C分别通过2mm、 lmm、0. 5mm、0. 25mm和0. 15mm的土壤筛后形成的样品，结合步骤三的化学测定数值对比得 出不同干燥状况土壤光谱反射率及干燥状况对预测模型的影响，不同粒径土样对土壤光谱 反射率及粒径对预测模型的影响，完成土壤干燥状况和粒径组成的光谱测定条件筛选； 步骤五：分别设置不同光源入射角，对上述步骤四完成土壤干燥状况和粒径组成的光 谱测定条件筛选而确定的样品进行光谱测定，对测定的光谱样本曲线进行波动性的方差分 析，筛选出最优光源入射角度； 步骤六：按照步骤四和步骤五筛选的结果，测定土壤样品的光谱特征值，将原始土样光 谱数值进行平滑去噪，后对土壤样本光谱反射数据进行数据变换处理，结合土壤盐分离子 的化学分析结果筛选出最优数据变换形式； 步骤七：利用支持向量机建模方法，在步骤六最优数据变换形式筛选的基础上，构建土 壤盐分离子估算模型并对模型进行外部检验，实现基于高光谱技术的土壤盐分离子定量监 测。
[0011] 优选的，所述步骤一中的地表状况包括周围植被、土壤颜色、粗糙度和质量含水 率，所述质量含水率〈15%。
[0012] 优选的，所述步骤三中分别选取部分样品采用化学方法测定土壤中八大离子含量 中，所述化学方法包括，C0广和HC03-采用双指示剂中和法测定；C厂采用AgN03-定法测 定；S042-采用EDTA间接滴定法测定；Ca2+和Mg2+采用EDTA络合滴定法测定；Na+和K+采用 火焰光度法测定。
[0013]优选的，所述步骤五中分别设置不同光源入射角，不同光源入射角包括15°、 25。、35。和 45°。
[0014] 优选的，步骤四中，通过各处理光谱特征对比分析，土壤样品C经烘干后过0. 15mm 土筛所构建的盐分离子预测模型精度更高。
[0015] 优选的，步骤五中，土壤样品C经经烘干后过0. 15mm土筛的样品设置光源入射角 度为25°时，对测定的光谱样本曲线进行波动性的方差分析时，为测定过程中的最佳入射 角度。
[0016] 优选的，步骤六中，数据变换处理包括12中数据变换形式，经数据变换处理后得 出Na+、K+、Mg2+和C厂离子采用对数一阶微分处理可增加显著相关波段数量，Ca2+采用一阶 微分可增加显著相关波段数量，S0广和HC0 ^离子采用连续统去除处理方法可增加显著相 关波段数量。
[0017] 优选的，步骤七中还包括采用训练集交叉验证和网格搜索法进行参数寻优。
[0018] 本发明的技术方案具有以下有益效果： 本发明的技术方案，对土壤中各盐分离子