一種土壤屬性高光譜識別的技術方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤勘探技術領域,尤其涉及一種土壤屬性高光譜識別的技術方法。
【背景技術】
[0002]隨著光譜分辨率的不斷升高,達到納米級,能夠客觀地反映光譜特性及其微弱的變化。通過光譜角制圖、匹配濾波、光譜特征自適應等制圖方法,對Hymap數(shù)據(jù)進行了分類,獲取了鹽漬化程度指征圖。對高光譜數(shù)據(jù)進行了碳含量、氮含量、粘土含量、土壤PH、陽離子交換量和土壤有機質含量的定量制圖,首次對實地采集的具有代表性的土壤樣品進行試驗光譜數(shù)據(jù)測量和理化分析,獲取光譜信息和相關理化特性,通過線性相關分析選擇相關系數(shù)高的波段參與多元逐步回歸分析,建立預測土壤特性的經(jīng)驗模型,根據(jù)區(qū)域特征先驗知識及野外采集的數(shù)據(jù)檢驗,證明結果是成功的。但是現(xiàn)有的高光譜遙感技術對土壤可蝕性研宄的測定方面鮮有研宄。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種土壤屬性高光譜識別的技術方法,從而解決現(xiàn)有技術中存在的前述問題。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明一種土壤屬性高光譜識別技術方法,該方法包括以下步驟:
[0005]SI,基于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù),獲取不同時間的土壤高光譜圖像;
[0006]S2,對所述土壤的高光譜圖像進行預處理,經(jīng)過監(jiān)督分類得到裸露土壤,然后提取所述裸露土壤的地表反射率,依據(jù)所述裸露土壤的地表反射率建立裸露土壤地表反射率反演模型;
[0007]S3,設計室內土壤侵蝕性試驗,獲得與所述土壤高光譜圖像獲取時間相對應的土壤可蝕性數(shù)據(jù);
[0008]所述土壤可蝕性數(shù)據(jù)包括:降雨前實測土壤的反射率和降雨后實測土壤的反射率;
[0009]S4,通過獲得的土壤可蝕性數(shù)據(jù),進行土壤分類并計算土壤K值;
[0010]S5,根據(jù)所述土壤K值和所述裸露土壤地表反射率反演模型中的光譜數(shù)據(jù),建立影響可蝕性K的土壤屬性的高光譜模型。
[0011]優(yōu)選地,步驟S3中,所述設計室內土壤侵蝕性試驗,獲取與所述土壤高光譜圖像獲得時間相對應的土壤可蝕性數(shù)據(jù),具體按照下述方法實現(xiàn):
[0012]分別選取研宄區(qū)的兩種土壤:第一土壤和第二土壤,根據(jù)實驗地點的氣象特點和地勢特點,設計人工侵蝕土壤試驗的雨強、雨型、雨滴大小與坡度;在此基礎上制備試驗土槽,并調試人工降雨設備與便攜式高光譜儀器,設計總降雨歷時為40分鐘,每隔8分鐘選取樣品,采用測量儀器測量并記錄所述樣品的土壤可蝕性數(shù)據(jù)。
[0013]優(yōu)選地,步驟S4中,所述土壤K值按下述公式(I)計算:
[0014]K = ΣΑ/Σ (RXLS) (I)
[0015]其中,所述A表示潛在的多年平均年侵蝕量,所述R表示降雨侵蝕力因子,所述K表示土壤可蝕性因子,所述LS表示坡長因子。
[0016]優(yōu)選地,步驟S5中,采用偏最小二乘方法建立所述土壤K值與所述地表反射率反演模型中光譜數(shù)據(jù)的關系,并通過全波段系數(shù)大小的排列,建立影響可蝕性K的土壤屬性的高光譜模型。
[0017]更優(yōu)選地,所述偏最小二乘方法,具體為:首先,從自變量X(Xp x2,...,Xp)中提取相互獨立的成分氣h = 1,2,..n,從因變量Y(yi,y2,...,yp)中提取相互獨立的成分uk (k=1,2,..),然后,建立成分uk與自變量X的回歸方程;
[0018]其中,所述自變量X表示所述土壤K值,所述因變量Y表示所述地表反射率反演模型中的地表反射率。
[0019]優(yōu)選地,所述監(jiān)督分類采用下述方法:人工神經(jīng)網(wǎng)法、波譜角制圖法或支持向量機法。
[0020]優(yōu)選地,所述裸露土壤地表反射率反演模型中包括的算法包括:PLSR偏最小二乘回歸法。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]本發(fā)明依據(jù)高光譜反演理論,研宄土壤理化參數(shù)對土壤反射光譜特征的影響機理,建立土壤參數(shù)高光譜土壤反演模型。利用試驗手段揭示侵蝕過程中土壤表層形態(tài)的動態(tài)演變過程,并通過比較侵蝕前后土壤反射光譜特征的變化闡明土壤可蝕性的動態(tài)演變與土壤反射率光譜特征的變化之間的相關關系,建立影響可蝕性K的土壤屬性的高光譜模型,最后從Hyper1n反射率影像上提取土壤光譜信息,實現(xiàn)土壤可蝕性的時空變化監(jiān)測,提高土壤侵蝕預報的針對性、科學性和合理性。
【附圖說明】
[0023]圖1是實施例1中所述土壤屬性高光譜識別技術方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結合附圖,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的【具體實施方式】僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
[0025]實施例1
[0026]參照圖1,本實施例的一種土壤屬性高光譜識別技術方法,該方法包括以下步驟:
[0027]SI,基于遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù),獲取不同時間的土壤高光譜圖像;
[0028]S2,對所述土壤的高光譜圖像進行圖像預處理后,經(jīng)過監(jiān)督分類得到裸露土壤,然后提取所述裸露土壤的地表反射率;
[0029]S3,設計室內土壤侵蝕性試驗,獲取與所述土壤高光譜圖像獲得時間相對應的土壤可蝕性數(shù)據(jù),依據(jù)所述裸露土壤的地表反射率建立裸露土壤地表反射率反演模型;
[0030]所述土壤可蝕性數(shù)據(jù)包括:降雨前實測土壤的反射率和降雨后實測土壤的反射率;
[0031]S4,通過步驟S3獲得的土壤可蝕性數(shù)據(jù),獲取土壤分類并計算所述土壤K值;
[0032]S5,根據(jù)所述土壤K值和所述裸露土壤地表反射率反演模型中的光譜數(shù)據(jù),建立影響可蝕性K的土壤屬性的高光譜模型。
[0033]本實施例中所述土壤K值表示土壤可蝕性因子。
[0034]本實施例中,步驟S3中,具體按照下述方法實現(xiàn):
[0035]分別選取研宄區(qū)的兩種土壤:第一土壤和第二土壤,根據(jù)實驗地點的氣象特點和地勢特點,設計人工侵蝕土壤試驗的雨強、雨型、雨滴大小與坡度;在此基礎上制備試驗土槽,并調試人工降雨設備與便攜式高光譜儀器,設計總降雨歷時為40分鐘,每隔8分鐘取樣,存儲在任意一個設定時間的獲取的高光譜圖像和數(shù)據(jù),確保土壤侵蝕試驗中土壤侵蝕特性測定的連續(xù)性。
[0036]土壤侵蝕試驗,更具體的為:
[0037]采用木質的人工徑流小區(qū),長度2m,寬度0.75m,高度0.5m,土層厚度約40cm。降雨器采用TSJY-081型全自動便攜式人工模擬降雨器,設置雨強為60mm/h、90mm/h、120mm/h,坡度為10度,降雨器設置在距離土壤土壤表面3m處。土壤按照田間容重進行裝填,降雨侵蝕實驗開始前用20mm/h的雨強進行2-3h濕潤,使土壤含水量達到田間持水量水平,保證每次降雨在接近一致條件下進行。實驗過程中,每次降三場雨,降雨歷時40min,兩場雨之間的間隔為I小時,雨強設置分別60mm/h—90mm/h一120mm/h,地表產(chǎn)流后每隔5min收集徑流,收集完畢后,將水樣編號并混勻。降雨開始后,每隔5分鐘收集水樣和泥沙樣品。在土壤侵蝕試驗中,對侵蝕過程進行全程拍攝記錄,侵蝕實驗結束,分別對表層土壤(0-20cm)和亞表層土壤(20-40cm)進行采樣,測定其理化特性,并對表層土壤作光譜測試,對比侵蝕實驗前后土壤反射光譜的特征變化。
[0038]降雨結束后按照坡面位置收集0-20cm表層土樣,測定并記錄土壤容重和含水量。取混合后的土壤樣品測定并記錄土壤PH、有機質、土壤顆粒組成、水穩(wěn)團聚體、陽離子交換量(CEC)、TOC、總氮、速效氮和速效磷的含量。
[0039]土壤高光譜測試在室內進行,更具體測定方法為:測試前對選取的土壤樣品作風干、水分調配處理,然后將土壤樣品分別放置在直徑12cm、深1.8cm的盛樣皿內,用直尺將土樣表面刮平,光譜測試擬采用ASD Pro2500便攜式光譜儀,該光譜儀可獲得350_2500nm范圍內的土壤光譜反射率,光譜分辨率在350-1050nm范圍內為1.4nm,在1000_2500nm范圍為2nm。光譜測試要求室內光照條件可