一种间接从高光谱数据中提取黑土硒含量的新方法

摘要

我国东北黑土富含养分,随着土壤数字制图、精确农业和土壤资源调查等研究的深入,引入航空高光谱数据并提供科学的预测结果成为研究热点.硒元素相对于黑土土壤的主要成分属于微量元素,但其对作物的正常生长的作用与大量元素是同等重要的,亦是人体健康所必要的营养元素.针对硒含量反演,建立了一个基于主要成分的间接提取模型,该模型能够显著提升硒含量回归系数,降低实测值与预测值的误差.数据源自CASI-1500航空高光谱成像系统,光谱范围380～1050 nm,空间分辨率1.5 m.在黑龙江建三江地区采集60个土壤样本,化验获得硒、有机质、全铁、p H和氧化钙含量数据,选择BP神经网络,建立光谱与含量的反演模型.分析不同含量的黑土成分在可见-近红波段范围内光谱变换规律,掌握了硒元素随着含量升高,光谱反射率会逐步升高的规律.但当硒含量较低时,在其他成分的干扰下,这一规律会逐渐减弱,直至不显著.有机质的光谱特征与硒元素相反,总体上随着含量的增高,反射率整体下降,这与有机质的光谱特性紧密相关.全铁光谱呈现出与有机质光谱类似的规律,说明二者具有较高的相关性.不同pH值和氧化钙含量的光谱特征与检测值没有呈现出明显的特征规律,反射规律不明显.对60个采样点不同养分含量进行逐波段求反射率对养分的相关系数.结果表明,pH值各个波段相关系数最高,均值达到0.63;其次是全铁的相关系数,为0.54;有机质和氧化钙的相关系数接近,分别为0.42和0.47;而硒元素含量与逐波段的平均相关系数最低,为0.38.选取相关系数较高的前5个波段,作为建模波段.硒特征波段为447,437,456,466和475 nm;有机质特征波段为447,456,466,437和475 nm;全铁特征波段为752,695,800,762和733 nm;pH特征波段为905,752,800,943和695 nm;氧化钙特征波段为752,695,800,523和762 nm.通过计算样本点硒含量与其他成分的相关系数,硒与有机质呈正相关,相关系数为0.79;与全铁、p H、氧化钙呈负相关,相关系数分别为-0.80,-0.94和-0.69.针对有机质、全铁、pH和氧化钙反演精度较高,而硒元素含量较低,直接反演精度不足的问题,设计了一种先提取4种成分含量,再根据其提取结果建立硒元素函数关系,间接反演硒元素含量的方法.首先将五种成分与特征光谱进行神经网络分析,计算每种成分的回归系数R2和RMSE.显示全铁和pH具有较高的反演精度,有机质和氧化钙归系数虽低于0.8,但也显著高于硒元素的反演精度.建立硒元素与其他4种成分含量的回归模型,得出Se=0.5229+0.0418 Som-0.0166Fe2 O3-0.0356pH-0.005CaO,进行硒元素间接提取,回归系数从0.516增长到0.724,均方根误差从0.182降低到0.136,显著改进了反演硒含量的精度,为硒元素大范围精确制图提供了一种新技术.