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土壤养分遥感监测研究进展

偶 201 1年9月 农机化研究 第9期 土壤养分遥感监测研究进展 徐丽华 ,魏朝富 ,谢德体。,杨伟 (西南大学a.资源与环境学院;b.档案馆,重庆400716) 摘要:用遥感技术监测土壤养分是精准施肥中的一个重要手段。为此,综合分析了土壤养分遥感监测在光谱 特征指标的选择、反演方法、反演模型及其适用性等方面的研究进展。研究指出,随着空间信息技术的发展,遥 感技术在土壤养分预测中将展现出更广阔的应用前景。土壤养分遥感反演模型对环境、土壤类型、土壤剖面等 方面的适用性、光谱特征指标的选择、动态监测模型的建立、多源数据和多种技术手段的集成将是土壤养分监测 今后的发展研究方向。 关键词:土壤养分;遥感数据;光谱特征;反射率;统计学 中图分类号:S155 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2011)09-0249—04 0 引言 土壤养分含量准确快速地估算不仅是精确的测 土配方施肥顺利进行的保障,也是对农田面源污染进 行准确评价和有效控制的重要依据 J。 传统的土壤养分测定一般采用的是化学测定的 方法 l8 J,该方法相对准确,但是费时费力,不能实时 反映土壤养分状况¨ J。遥感技术具有实时、快速获 取信息的能力,为高效快速地监测土壤养分提供了新 的技术手段_1’7’m 。 现有的土壤养分遥感监测方法都集中在从获取 的遥感数据中提取有用的信息,对土壤养分进行反 演 ,n・ ,埔]。一个模型反演是否成功,不仅取决于观 测数据对反演参数的敏感程度,还取决于反演策略与 方法以及模型的适用性。土壤养分监测中所用到的 观测数据,都是从土壤光谱和作物冠层光谱中提取与 土壤养分高度相关的光谱特征指标ll H 。为此,本 文从光谱特征指标的选择、反演方法、反演模型3个 方面介绍土壤养分遥感监测的应用进展。 1光谱特征指标 原始反射光谱常常受到干扰,往往不能直接反映 出光谱与土壤养分含量的关系 。因此,实际中往往 收稿日期:2010—11—24 基金项目:中央高校基本科研业务费专项(XDJK2009C067);国家 “十一五”科技支撑计划项目(2007BAD87B].0) 作者简介:徐丽华(1976一),女,黑龙江绥滨人,讲师,博士研究生,(E -mail)sweitlianna@126.corno 通讯作者:谢德体(1957一),男,四川开江人,教授,博士生导师,(E— mail)xdt@SWU.edu.cn 采用原始光谱的变换形式作为反映土壤养分变化的 光谱特征指标。 1.1 光谱形状特征及反射率的代数运算形式 光谱的形状特征参数经常作为与土壤养分预测 的光谱特征指标¨ H J。研究指出,黑土土壤全氮含 量与黑土在1 100nm的反射峰高度、560nm的反射面 积具有最好的相关性…,但波段深度与土壤全氮含量 之间具有较低的回归精度 J。而归一化反射高度建 立的土壤全氮含量估测模型在棉花的4个生育期都 具有通用性,并在花期中取得了最高的估测精度_】 。 除此之外,很多学者采用了原始光谱的代数运算 形式作为光谱特征指标 。其中,反射率倒数的对数 (吸光度)是经常采用的一种代数变换形式,它与土壤 养分高度相关 J ¨。反射率的对数与土壤全氮 含量的相关性也比较高 ,但反射率的倒数与土壤全 氮之间的关系并不够稳定 J。 1.2植被指数 植被指数是从作物冠层光谱中提取的主要光谱 特征指标。最优土壤调节植被指数OSAVI、土壤亮度 指数MSBI、生理反射植被指数PRI都与土壤全氮含量 达到显著相关水平,利用这些指标监测土壤的养分, 往往都能取得较满意的效果 。归一化植被指数 NDVI、转换型调节植被指数TSAVI及比值植被指数 RVIi与土壤速效氮含量也具有很好的相关性_l 5_。由 于受到土壤背景、环境条件、大气状况等多种因素的 影响,植被指数往往具有明显的地域性和时效性心 。 因此,在不同地区,用于土壤养分遥感监测的植被指 数指标往往是不同的_l 。 ・249・

 201 1年9月 农机化研究 第9期 1.3光谱反射率的微分形式 不同的微分形式对土壤养分的响应往往是不同 的,也可能产生不同的校正或者验证精度 。 与原始光谱反射率、反射率倒数的一阶导、反射 率平方根的一阶导、反射率的一阶导相比,反射率对 数的一阶导与土壤全氮含量的相关性最好 J。反射 率的一阶导数与土壤养分也具有很好的相关 性 ',8,9,13,241,但该指标参数不适用于河北沧州的滨海 盐潮土表层土土壤全氮含量反演 。吸光度的导数 与北方潮土的全氮具有较高的相关系数,但是与东北 黑土的全氮含量之间的相关系数较低 。除此之外, 光谱反射率的二阶微分也是土壤养分监i贝4中经常使 用的指标¨ 。 目前的研究多集中于土壤氮含量反演中光谱指 标的选取,用这些指标来反演土壤养分取得了令人满 意的效果 。但由于所选择的光谱特征不能较好地 反映磷、钾等其他营养元素的变化,所以用这些指标 构建的反演模型,往往精度并不是很高 , 。因 此,选择与所研究的土壤养分具有高度相关的光谱特 征指标是学者们普遍关注的研究内容。 2建模方法 构建反演模型的方法多数使用的是统计方法。 除了传统的多元线性回归、逐步多元回归分析以外, 人工神经网络、最小二乘支持向量机、主成分分析、偏 最小二乘等其他高级统计方法及机器学习方法也被 广泛用于土壤养分的反演¨ 。。。从目前看, 比较研究各种建模方法,寻求具有较高精度的反演模 型是很多学者努力研究的工作内容之一。 偏最小二乘和主成分分析是土壤养分反演中常 用的方法,其预测能力也是比较稳健的,但当用于建 模的数据集中存在定标的数据集中,不包含干扰效应 时,必须进行场址特性校正¨ 。在土壤全氮含量的预 测中,偏最小二乘方法预测结果好于最小二乘支撑向 量机 ;而在土壤全磷含量的预测中,最小二乘支撑 向量机的预测精度却高于最小二乘方法。有研究表 明,神经网络方法对土壤养分预测的精度不仅高于偏 最小二乘方法 川,还具有较好的鲁棒性 。很多时 候,综合两种或两种以上的统计方法对土壤养分预 测,往往比单独的方法具有更高的精度 ’ 。 相同的输入、相同的建模方法,也有可能得到不同的 反演模型 。这主要是由于复杂的土壤环境造成的。 不同地区具有不同的土壤类型和环境条件,植被 生长状况也不同,很难找到一种适用于不同地区的、 不同土壤类型的通用土壤养分遥感监测反演模型 。 有时土壤水分对反射光谱的影响,可能超过了土壤类 型对反射光谱的影响 。与使用原土样或进行田问 直接检测结果的模型相比,使用经过干燥处理土样的 模型往往具有很高的精度 。除此之外,土壤的 质地和耕作措施也是影响土壤养分反演模型精度的 重要因素 '∞ l。 相同土壤类型不同深度上的土壤养分反演模型 也不完全相同。研究显示,Mg在土壤的不同层次都 表现出较高的预测精度,但交换性Na在两个土壤层 的预测精度具有明显的差异 。土壤全氮模型适用 于山西广灵黄土类型不同层次的土壤,但不适用于河 北沧州滨海盐潮土的不同层次;表层土壤(0~lOem) 的土壤全氮反演模型的精度低于深层土壤(10~ 30era,30—60cm) 。这说明,某地区土壤的养分模 型可以用于该地区的表层土壤和深层土壤 …,但可能 并不适用于其他地区,这还需要进一步的验证。 4 结语 土壤养分的遥感反演虽然取得了一定的研究进 展,但是总体上都注重于某个时间点的研究,是静态 的,目前还没有发现土壤养分遥感监测模型;另外,空 间信息技术的发展,多源数据的共享和集成也将为土 壤养分遥感监测提供新的技术手段。为此,今后可从 以下几个方面开展进一步的研究。 1)进一步深入研究和探讨与土壤养分,尤其是 磷、钾等元素具有高度相关的光谱特征指标,提高模 型预测的精度。 2)针对不同的土壤类型、土壤剖面、耕作条件、气 候的环境等进一步研究遥感数据用于预测土壤养分 的可能性。 3)利用遥感数据的动态性,建立土壤养分遥感监 测的动态模型,研究不同时期内土壤养分的变化。 参考文献: [1]卢艳丽,白由路,王磊,等.黑土土壤中全氮含量的高光谱 3 反演模型适用性研究 [2] 从模型的通用表达形式可看出,输入变量和建模 方法是影响函数模型的主要因素 。但即使是 [3] ・250・ 预测分析[J].农业工程学报,2010,26(1):256—261. 袁石林,马天云,宋韬,等.土壤中总氮与总磷含量的近红 外光谱实时检测方法[J].农业机械学报,2009,40(z1): 150—153. 李伟,张书慧,张倩,

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