土壤野外原位測量光譜中去除水分影響因素的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種土壤野外原位測量光譜中去除水分影響因素的方法。采集研究區(qū)內(nèi)土壤樣本的野外原位光譜數(shù)據(jù)，使用KS算法挑選具有代表性的樣本作為轉(zhuǎn)換樣本。將轉(zhuǎn)換樣本風(fēng)干研磨過篩后測量其室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)。利用DS算法分析轉(zhuǎn)換樣本的室內(nèi)光譜與野外原位光譜的差異，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)。利用轉(zhuǎn)換系數(shù)將剩余土壤樣本的野外原位光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得水分影響因素得以去除。去除水分影響因素后的野外光譜數(shù)據(jù)可以用已有的基于室內(nèi)光譜測量的大樣本光譜庫預(yù)測模型對土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行預(yù)測。本發(fā)明省略了傳統(tǒng)室內(nèi)光譜測量中一系列土壤樣本的預(yù)處理步驟，避免重新利用野外光譜建立新模型的冗余。能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)信息田間實(shí)時獲取的效率。
【專利說明】土壤野外原位測量光譜中去除水分影響因素的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤有機(jī)質(zhì)含量的高光譜測量方法，尤其是涉及一種土壤野外原位測量光譜中去除水分影響因素的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與常規(guī)的測量土壤有機(jī)質(zhì)含量的化學(xué)分析方法相比，基于實(shí)驗(yàn)室的土壤屬性高光譜特性研究具有無污染，快速，簡便，成本低，周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，已獲得越來越多的肯定。然而一系列的土壤預(yù)處理過程如土壤樣品的采集、烘干、研磨及過篩等，仍然導(dǎo)致了土壤光譜測量的滯后性，不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中快速有效監(jiān)測土壤有機(jī)質(zhì)含量的需要。近年來，隨著儀器硬件的發(fā)展，土壤光譜測量得以在野外環(huán)境下進(jìn)行。但是，野外原位測量的土壤光譜會受到一系列環(huán)境因素諸如土壤水分、土壤顆粒、質(zhì)地、微聚體、土塊、環(huán)境溫度、雜散光等因素的影響，增加了在可見近紅外波段對土壤屬性特征光譜識別的難度。已有的基于室內(nèi)光譜的大型土壤光譜庫所建立的預(yù)測模型難以成功進(jìn)行土壤屬性的野外原位光譜預(yù)測。因此，研究土壤野外原位測量光譜的影響因素及去除算法非常有必要。
[0003]在諸多環(huán)境影響因素中，土壤水分對光譜的影響最大也最受關(guān)注。ViscarraRossel等(2009)將實(shí)驗(yàn)室條件下風(fēng)干過篩土樣的光譜與野外條件下未經(jīng)處理土樣的光譜進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，二者的主要區(qū)別在1400nm、1900nm和土壤礦物質(zhì)的一些非主要的特征波段。Mouazen等(2006)研究表明，利用高光譜預(yù)測土壤pH、C、N、P、CEC> Ca、Mg、Na和K含量時，土樣烘干去除水分后的預(yù)測精度有了略微的提高。
[0004]去除土壤野外測量光譜中水分影響因素的算法還鮮見報(bào)道。最新的研究進(jìn)展是Minasny等(2011)使用額外參數(shù)正交化法(External Parameter Orthogonalization, EPO)對土壤光譜中水分這一影響的去除。EPO的思想是將所有的光譜投影到與土壤水分相正交的空間上，從而達(dá)到去除這一影響因素的目的，正交化之后的光譜可以成功進(jìn)行土壤有機(jī)碳的預(yù)測。
[0005]本發(fā)明所采用的光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法是一種模型傳遞的算法(Wang等，1991)。在近紅外光譜分析中，在一臺儀器上建立的模型由于儀器響應(yīng)不同而無法應(yīng)用于另一臺儀器。光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法最初成功的運(yùn)用于這種情況下的模型傳遞，同時也適用于同一儀器由于老化或部件更新導(dǎo)致前后兩次測量響應(yīng)不同(Wang等，1991;Bouveresse和Massart, 1996; Naes等，2002 ;李慶波等，2007;林振興等，2008)而導(dǎo)致原有模型無法使用的情況。然而，還沒有人將這一算法應(yīng)于去除野外原位光譜測量中水分因素影響的去除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供了一種土壤野外原位測量光譜中去除水分影響因素的方法，經(jīng)光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法(direct standardization,簡稱DS)轉(zhuǎn)換后的野外光譜可以用已有的基于室內(nèi)光譜的大樣本光譜庫預(yù)測模型來進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)含量的野外速測。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下:[0008](I)野外原位土壤光譜數(shù)據(jù)的獲取:
[0009]在光譜儀上配備接觸式反射探頭，在野外將反射探頭壓在土壤表面，進(jìn)行可見近紅外光譜測量，得到土壤樣品野外光譜數(shù)據(jù)；
[0010](2)轉(zhuǎn)換樣本的選取:
[0011]先對土壤樣品野外光譜數(shù)據(jù)的進(jìn)行主成分分析，根據(jù)主成分分析結(jié)果，再采用Kennard-Stone算法選擇出具有代表性的土樣作為轉(zhuǎn)換樣本；將所選擇的轉(zhuǎn)換樣本帶回，轉(zhuǎn)換樣本經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩后用同樣的光譜儀測量其對應(yīng)的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)；
[0012](3)計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù):
[0013]根據(jù)轉(zhuǎn)換樣本的野外光譜與對應(yīng)的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算水分因素對野外光譜造成的影響，建立野外光譜與室內(nèi)光譜之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)；
[0014](4)水分影響因素的去除:
[0015]利用步驟3)中的轉(zhuǎn)換系數(shù)，將剩余的野外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的野外光譜中水分因素被去除；
[0016](5) 土壤有機(jī)質(zhì)預(yù)測:
[0017]轉(zhuǎn)換后的野外光譜數(shù)據(jù)由于水分影響因素已經(jīng)被去除，用已有的基于室內(nèi)光譜測量的大樣本光譜庫所建立的預(yù)測模型進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)的野外可見近紅外光譜預(yù)測。
[0018]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0019]本發(fā)明利用光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法去除了基于野外原位測量的土壤光譜中水分影響因素，使得已存在的基于室內(nèi)光譜測量的大樣本光譜庫預(yù)測模型可以直接用來預(yù)測野外光譜數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了利用野外光譜數(shù)據(jù)重新建模的時間和精力。另外，在光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法中，只有一小部分土壤樣本需要帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)光譜測量，節(jié)省了以往需要對所有土壤樣本進(jìn)行風(fēng)干研磨過篩的時間和精力，為更加快速的獲取土壤有機(jī)質(zhì)含量提供了一種可行的方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是室內(nèi)光譜與野外光譜的對比圖。
[0021]圖2是光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法使用前后土壤有機(jī)質(zhì)的預(yù)測值與實(shí)測值。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023]在浙江省內(nèi)不同地區(qū)選擇9塊水稻田作為研究區(qū)域，在每個田塊隨機(jī)選擇8?16個土壤采樣點(diǎn)，本次實(shí)驗(yàn)一共選取了 104個土壤采樣點(diǎn)。研究區(qū)域分布于N29° 03'?N30° IOi，E119° IOi?E122° 4V之間。實(shí)驗(yàn)于2011年11月，水稻田收割10天后進(jìn)行。此時，水稻田中的水已排出并干燥一段時間以確保野外光譜采集實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。
[0024]( I) 土壤野外光譜的測量:
[0025]在每個采樣點(diǎn)，用方形土壤采樣器進(jìn)行土壤樣品的采集。使用該采樣器采集的土壤樣品為一個20cm深,橫截面為IOcmX IOcm的土壤立方體。在該土樣的垂直面上隨機(jī)選3個位置進(jìn)行野外原位土壤光譜的采集，每個位置采集10條光譜，30條光譜算術(shù)平均后作為該采樣點(diǎn)耕層土樣的野外原位光譜數(shù)據(jù)。在采樣過程中注意將土壤垂直面小心弄平整，但同時不要涂抹表面以致過于光滑。在野外光譜測量過程中，應(yīng)注意避開土樣中可能存在的石頭、作物根系以及其他雜物、大孔隙等。野外土壤光譜的測量采用ASD公司生產(chǎn)的Fieldspec ProFR 便攜式野外光譜儀(Analytical Spectral Devices, Boulder, CO, USA)進(jìn)行。為了進(jìn)行野外原位光譜測量，本次實(shí)驗(yàn)為該儀器配備了接觸式反射探頭。在每個土壤采樣點(diǎn)測量之前對光譜儀進(jìn)行一次白板校正。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法分析。
[0026](2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:
[0027]每個土樣的光譜曲線去除噪聲較大的邊緣波段350~399nm和2451~2500nm波段，再以IOnm為間隔將2051個波長壓縮簡化成206個波長。光譜反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成吸收率數(shù)據(jù)(1glO (I/反射率))，并進(jìn)行Savitzky-Golay平滑去噪處理。
[0028](3)轉(zhuǎn)換樣本的選擇:
[0029]對經(jīng)過預(yù)處理后的104個土壤樣本的野外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析；根據(jù)主成分分析結(jié)果，采用Kennard-Stone (KS)算法選擇出具有代表性的10個土壤樣本作為轉(zhuǎn)換樣本；將所選擇的轉(zhuǎn)換樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，每個樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨并通過2_孔篩后進(jìn)行室內(nèi)光譜測量。10個轉(zhuǎn)換樣本均包含有對應(yīng)的野外原位光譜(灰色)和室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)(黑色)，如圖1所示。
[0030](4)使用DS算法計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù):
[0031]根據(jù)10個轉(zhuǎn)換樣本的野外原位光譜與室內(nèi)光譜的差別，計(jì)算水分及其他環(huán)境因素對野外光譜造成的影響，建立起野外與室內(nèi)光譜之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)；
[0032]DS算法的具體步驟是:
[0033]在轉(zhuǎn)換樣本中存在關(guān)系
[0034]Xl = XfB+E (1)
[0035]其中，XJmXp)為轉(zhuǎn)換樣本的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)；XF(mXp)為轉(zhuǎn)換樣本的野外光譜數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)換樣本的個數(shù)，此處為10，P為波段數(shù)，此處為206 ；B(pXp)是“標(biāo)準(zhǔn)化法”的轉(zhuǎn)換矩陣，用以衡量室內(nèi)土壤光譜\與野外土壤光譜Xf之間的差異；E(mXp)是殘差矩陣，用來校正野外不同于室內(nèi)測量環(huán)境下所產(chǎn)生的基線偏移。因此，E可以寫成如下形式:
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種土壤野外原位測量光譜中去除水分影響因素的方法，其特征在于，該方法的步驟如下: (1)野外原位土壤光譜數(shù)據(jù)的獲取: 在光譜儀上配備接觸式反射探頭，在野外將反射探頭壓在土壤表面，進(jìn)行可見近紅外光譜測量，得到土壤樣品野外光譜數(shù)據(jù)； (2)轉(zhuǎn)換樣本的選取: 先對土壤樣品野外光譜數(shù)據(jù)的進(jìn)行主成分分析，根據(jù)主成分分析結(jié)果，再采用Kennard-Stone算法選擇出具有代表性的土樣作為轉(zhuǎn)換樣本；將所選擇的轉(zhuǎn)換樣本帶回，轉(zhuǎn)換樣本經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩后用同樣的光譜儀測量其對應(yīng)的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)； (3)計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù): 根據(jù)轉(zhuǎn)換樣本的野外光譜與對應(yīng)的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算水分因素對野外光譜造成的影響，建立野外光譜與室內(nèi)光譜之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)； (4)水分影響因素的去除: 利用步驟3)中的轉(zhuǎn)換系數(shù)，將剩余的野外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的野外光譜中水分因素被去除； (5)土壤有機(jī)質(zhì)預(yù)測: 轉(zhuǎn)換后的野外光譜數(shù)據(jù)由于水分影響因素已經(jīng)被去除，用已有的基于室內(nèi)光譜測量的大樣本光譜庫所建立的預(yù)測模型進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)的野外可見近紅外光譜預(yù)測。
【文檔編號】G01N21/3563GK103712923SQ201310719523
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】紀(jì)文君, 史舟, 陳頌超, 李碩 申請人:浙江大學(xué)