基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其包括以下步驟：（1）采集土樣并進(jìn)行處理；（2）對土樣進(jìn)行含鹽量測試；（3）對土樣進(jìn)行光譜測試并得出土樣的實(shí)際反射光譜數(shù)據(jù)；（4）進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理及吸收特征參數(shù)提?。唬?）處理光譜指數(shù)；（6）進(jìn)行模型構(gòu)建與精度評價(jià)。本發(fā)明基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法操作步驟簡單、合理，成本低，能夠有效反映土壤鹽漬化的真實(shí)狀況，為耕作土壤的鹽漬化評價(jià)、改良、治理、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的決策依據(jù)提供新的獲取途徑，適于推廣與應(yīng)用。
【專利說明】基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤鹽分監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鹽潰化是荒漠化和土地退化的主要類型之一，我國鹽潰土總面積約為3600X 104hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，耕地中鹽潰化面積達(dá)到920.9X 104hm2，占全國耕地面積的6.62%。因此，對鹽潰化耕地進(jìn)行治理與改良及種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整、對鹽潰化自然土壤資源合理開發(fā)與利用，對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。而這些決策的制定與執(zhí)行的根本依據(jù)是土壤鹽潰化信息。如何快速、準(zhǔn)確、低廉的獲取大面積鹽潰化土壤的動(dòng)態(tài)信息，并據(jù)此合理制定鹽潰化土壤治理、改良、開發(fā)利用等方面的決策，是農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域的新主題。傳統(tǒng)的人工地面監(jiān)測方法，由于其費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢、因測點(diǎn)少無法反映大面積土壤鹽潰化的真實(shí)狀況等方面的不足，顯然無法滿足大面積鹽潰化土壤監(jiān)測的需求。高光譜遙感技術(shù)現(xiàn)已成為獲取大面積鹽潰化信息的重要手段，但現(xiàn)有關(guān)于土壤鹽潰化的光譜定量反演研究中，鮮見利用連續(xù)統(tǒng)去除\連續(xù)統(tǒng)去除一階微分\連續(xù)統(tǒng)去除光譜指數(shù)\連續(xù)統(tǒng)去除一階微分光譜指數(shù)等方面的數(shù)據(jù)來進(jìn)行相關(guān)研究的報(bào)道；大部分研究都是集中于自然土壤，關(guān)于耕作土壤鹽潰化高光譜遙感監(jiān)測方面的報(bào)道少見，耕作土壤相對于自然土壤來說，受人類活動(dòng)的干擾更強(qiáng)烈，如灌排、土壤改良、耕作等，造成其鹽分含量相對較低，但鹽分組成變動(dòng)較大，因此，耕作土壤鹽潰化的高光譜遙感監(jiān)測更具挑戰(zhàn)性。然而，連續(xù)統(tǒng)去除可以有效凸顯各種物質(zhì)的吸收特征，同時(shí)已有研究表明鹽分具有明顯的吸收特征。因此，利用連續(xù)統(tǒng)去除方法來研究鹽分的光譜反演既有理論依據(jù)，同時(shí)也具有方法創(chuàng)新。
[0003]上述可知，有必要將連續(xù)統(tǒng)去除法應(yīng)用于土壤鹽潰化的高光譜遙感監(jiān)測研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有土壤鹽分測定方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢、因測點(diǎn)少無法反映大面積土壤鹽潰化的真實(shí)狀況等方面的不足的問題而提出一種操作簡單、方便，成本低，能夠有效反映土壤鹽潰化的真實(shí)狀況，可為耕作土壤的鹽潰化評價(jià)、改良、治理、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的決策依據(jù)提供新的獲取途徑的基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法。
[0005]上述的一種基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0006]一種基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007](I) 土樣的采集與處理，即根據(jù)代表性、典型性和集中性原則選取合適的采樣區(qū)域采集土樣，再將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，清除非土壤成分物質(zhì)后自然風(fēng)干，將風(fēng)干后的樣品經(jīng)研磨過篩，以為后續(xù)進(jìn)行光譜測試和鹽分含量的測定做準(zhǔn)備；(2) 土樣的含鹽量測試，即將上述步驟(I)處理后的土樣采用殘?jiān)娓煞▽ν翗拥暮}量進(jìn)行測定；(3) 土樣的光譜測試，即將上述步驟(2)中測試后的土樣放在一個(gè)能控制光照條件的暗室內(nèi)，采用光譜儀進(jìn)行土壤測試，其中，測試之前先進(jìn)行白板校正，每個(gè)土樣采集多條光譜曲線，通過算術(shù)平均后得出該土樣的實(shí)際反射光譜數(shù)據(jù)；(4)光譜數(shù)據(jù)處理及吸收特征參數(shù)提取，即將上述步驟(3)中測試后的土樣首先去除每個(gè)土樣的光譜曲線噪聲較大的邊緣波段350~399nm、2400~2500nm ;然后采用小波去噪法對土壤光譜進(jìn)行濾波去噪和數(shù)據(jù)變換，數(shù)據(jù)變換包括一階微分處理和連續(xù)統(tǒng)去除處理；接著通過連續(xù)統(tǒng)去除處理后，提取出吸收峰總面積、最大吸收深度以及面積歸一化最大吸收深度；(5)光譜指數(shù)的處理，即經(jīng)上述步驟(4)后，再根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，選擇連續(xù)統(tǒng)去除的波段構(gòu)建連續(xù)統(tǒng)去除歸一化指數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除差值指數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除比值指數(shù)；選擇連續(xù)統(tǒng)去除一階微分的波段構(gòu)建連續(xù)統(tǒng)去除一階微分歸一化指數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除一階微分差值指數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除一階微分比值指數(shù)；(6)模型構(gòu)建與精度評價(jià)，即經(jīng)上述步驟(5)后，先采用偏最小二乘回歸的方法建模，然后采用交叉驗(yàn)證法進(jìn)行模型驗(yàn)證，接著對模型的精度進(jìn)行合理評價(jià)，以得出模型的預(yù)測能力。
[0008]所述基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其中:所述步驟(6)中模型的精度采用以下指標(biāo)來評價(jià)，具體包括建模決定系數(shù)紀(jì)、交叉驗(yàn)證決定系數(shù)RCT2、預(yù)測決定系數(shù)Rp2、相對分析誤差RPD和均方根誤差RMSE。
[0009]所述基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其中:所述均方根誤差RMSE分為建模均方根誤差RMSE。、交叉驗(yàn)證均方根誤差RMSEct和預(yù)測均方根誤差RMSEp ;所述建模決定系數(shù)R。2、預(yù)測決定系數(shù)Rp2、相對分析誤差RPD越大，所述建模均方根誤差RMSE。、交叉驗(yàn)證均方根誤差RMSEw和預(yù)測均方根誤差RMSEp越小，說明模型建模、預(yù)測的精度越高，反之，則說明模型建模、預(yù)測的精度越低。
[0010]所述基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其中:所述步驟(5)中的光譜指數(shù)是指某些特定波段的光譜值的組合；所述選擇連續(xù)統(tǒng)去除的波段是選擇連續(xù)統(tǒng)去除的673nm、755nm波段；所述選擇連續(xù)統(tǒng)去除一階微分的波段是選擇連續(xù)統(tǒng)去除一階微分658nm、678nm 波段；
[0011]所述連續(xù)統(tǒng)去除歸一化指數(shù)定義為NICR，其計(jì)算公式為:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)土樣的采集與處理 根據(jù)代表性、典型性和集中性原則選取合適的采樣區(qū)域采集土樣，再將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，清除非土壤成分物質(zhì)后自然風(fēng)干，將風(fēng)干后的樣品經(jīng)研磨過篩，以為后續(xù)進(jìn)行光譜測試和鹽分含量的測定做準(zhǔn)備； (2)土樣的含鹽量測試 將上述步驟(1)處理后的土樣采用殘?jiān)娓煞▽ν翗拥暮}量進(jìn)行測定； (3)土樣的光譜測試 將上述步驟(2)中測試后的土樣放在一個(gè)能控制光照條件的暗室內(nèi)，采用光譜儀進(jìn)行土壤測試，其中，測試之前先進(jìn)行白板校正，每個(gè)土樣采集多條光譜曲線，通過算術(shù)平均后得出該土樣的實(shí)際反射光譜數(shù)據(jù)； (4)光譜數(shù)據(jù)處理及吸收特征 參數(shù)提取 將上述步驟(3)中測試后的土樣首先去除每個(gè)土樣的光譜曲線噪聲較大的邊緣波段350~399nm、2400~2500nm ;然后采用小波去噪法對土壤光譜進(jìn)行濾波去噪和數(shù)據(jù)變換，數(shù)據(jù)變換包括一階微分處理和連續(xù)統(tǒng)去除處理；接著通過連續(xù)統(tǒng)去除處理后，提取出吸收峰總面積、最大吸收深度以及面積歸一化最大吸收深度； (5)光譜指數(shù)的處理 經(jīng)上述步驟(4)后，再根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，選擇連續(xù)統(tǒng)去除的波段構(gòu)建連續(xù)統(tǒng)去除歸一化指數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除差值指數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除比值指數(shù)；選擇連續(xù)統(tǒng)去除一階微分的波段構(gòu)建連續(xù)統(tǒng)去除一階微分歸一化指數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除一階微分差值指數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除一階微分比值指數(shù)； (6)模型構(gòu)建與精度評價(jià) 經(jīng)上述步驟(5)后，先采用偏最小二乘回歸的方法建模，然后采用交叉驗(yàn)證法進(jìn)行模型驗(yàn)證，接著對模型的精度進(jìn)行合理評價(jià)，以得出模型的預(yù)測能力。
2.如權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于:所述步驟(6)中模型的精度采用以下指標(biāo)來評價(jià)，具體包括建模決定系數(shù)R。2、交叉驗(yàn)證決定系數(shù)Rw2、預(yù)測決定系數(shù)RP2、相對分析誤差RPD和均方根誤差RMSE。
3.如權(quán)利要求2所述的基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于:所述均方根誤差RMSE分為建模均方根誤差RMSE。、交叉驗(yàn)證均方根誤差RMSEct和預(yù)測均方根誤差RMSEp;所述建模決定系數(shù)R。2、預(yù)測決定系數(shù)Rp2、相對分析誤差RPD越大，所述建模均方根誤差RMSE。、交叉驗(yàn)證均方根誤差RMSEct和預(yù)測均方根誤差RMSEp越小，說明模型建模、預(yù)測的精度越高，反之，則說明模型建模、預(yù)測的精度越低。
4.如權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于，所述步驟(5)中的光譜指數(shù)是指某些特定波段的光譜值的組合； 所述選擇連續(xù)統(tǒng)去除的波段是選擇連續(xù)統(tǒng)去除的673nm、755nm波段； 所述選擇連續(xù)統(tǒng)去除一階微分的波段是選擇連續(xù)統(tǒng)去除一階微分658nm、678nm波段； 所述連續(xù)統(tǒng)去除歸一化指數(shù)定義為NICR，其計(jì)算公式為:
5.如權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于:所述吸收峰總面積定義為吸收峰的積分面積；所述最大吸收深度定義為吸收峰內(nèi)連續(xù)統(tǒng)去除的最小值；所述面積歸一化最大吸收深度定義為所述最大吸收深度與吸收峰總面積的比值。
6.如權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于:所述步驟(3)中光譜儀的波長范圍是350~2500nm，光譜分辨率在350~1000nm為3nm，在1000~2500nm 為 IOnm ； 所述步驟(3)中是采用功率為50w的鹵素?zé)糇鳛楣庠?，距土壤樣品表?0cm，天頂角30°，使提供到土壤樣本幾乎平行的光線； 所述步驟(3)中土壤樣本分別放置在直徑10cm、深1.5cm、內(nèi)部全部涂黑的培養(yǎng)皿內(nèi)，用直尺將土樣表面刮平，傳感器探頭位于土壤樣本表面垂直上方15cm處，采用25。視場角探頭，探頭接受土壤光譜的區(qū)域?yàn)橹睆?.7cm的圓，以保證探頭接收的均為土壤的反射光譜； 所述步驟(3)中土樣的實(shí)際反射光譜數(shù)據(jù)是通過每個(gè)土樣是采集10條光譜曲線算術(shù)平均后得出。
7.如權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)統(tǒng)去除法的土壤鹽分測定方法，其特征在于:所述步驟(I)中的土壤樣本采用網(wǎng)格采樣法進(jìn)行采樣，土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，清除小石塊及作物殘留物等非土壤成分物質(zhì)，于實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，風(fēng)干后的土壤樣品經(jīng)研磨后過2_篩，以用作光譜測試和鹽分含量的測定。
【文檔編號(hào)】G01N21/31GK103954567SQ201410152042
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】彭杰, 卜東升, 向紅英, 王家強(qiáng), 柳維揚(yáng), 遲春明, 牛建龍 申請人:塔里木大學(xué)