一種土壤屬性高光譜識(shí)別的技術(shù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤勘探技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤屬性高光譜識(shí)別的技術(shù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光譜分辨率的不斷升高，達(dá)到納米級(jí)，能夠客觀地反映光譜特性及其微弱的變化。通過(guò)光譜角制圖、匹配濾波、光譜特征自適應(yīng)等制圖方法，對(duì)Hymap數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類，獲取了鹽漬化程度指征圖。對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了碳含量、氮含量、粘土含量、土壤PH、陽(yáng)離子交換量和土壤有機(jī)質(zhì)含量的定量制圖，首次對(duì)實(shí)地采集的具有代表性的土壤樣品進(jìn)行試驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)測(cè)量和理化分析，獲取光譜信息和相關(guān)理化特性，通過(guò)線性相關(guān)分析選擇相關(guān)系數(shù)高的波段參與多元逐步回歸分析，建立預(yù)測(cè)土壤特性的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，根?jù)區(qū)域特征先驗(yàn)知識(shí)及野外采集的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，證明結(jié)果是成功的。但是現(xiàn)有的高光譜遙感技術(shù)對(duì)土壤可蝕性研宄的測(cè)定方面鮮有研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種土壤屬性高光譜識(shí)別的技術(shù)方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的前述問(wèn)題。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種土壤屬性高光譜識(shí)別技術(shù)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(shí)間的土壤高光譜圖像；
[0006]S2，對(duì)所述土壤的高光譜圖像進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)室內(nèi)土壤侵蝕性試驗(yàn)，獲得與所述土壤高光譜圖像獲取時(shí)間相對(duì)應(yīng)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(shí)測(cè)土壤的反射率和降雨后實(shí)測(cè)土壤的反射率;
[0009]S4,通過(guò)獲得的土壤可蝕性數(shù)據(jù)，進(jìn)行土壤分類并計(jì)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(shè)計(jì)室內(nèi)土壤侵蝕性試驗(yàn)，獲取與所述土壤高光譜圖像獲得時(shí)間相對(duì)應(yīng)的土壤可蝕性數(shù)據(jù)，具體按照下述方法實(shí)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(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的氣象特點(diǎn)和地勢(shì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人工侵蝕土壤試驗(yàn)的雨強(qiáng)、雨型、雨滴大小與坡度；在此基礎(chǔ)上制備試驗(yàn)土槽，并調(diào)試人工降雨設(shè)備與便攜式高光譜儀器，設(shè)計(jì)總降雨歷時(shí)為40分鐘，每隔8分鐘選取樣品，采用測(cè)量?jī)x器測(cè)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(jì)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(zhǎng)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(guān)系，并通過(guò)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(dú)立的成分氣h = 1,2,..n，從因變量Y(yi，y2，...，yp)中提取相互獨(dú)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(jī)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(duì)土壤反射光譜特征的影響機(jī)理，建立土壤參數(shù)高光譜土壤反演模型。利用試驗(yàn)手段揭示侵蝕過(guò)程中土壤表層形態(tài)的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，并通過(guò)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(dòng)態(tài)演變與土壤反射率光譜特征的變化之間的相關(guān)關(guān)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(shí)現(xiàn)土壤可蝕性的時(shí)空變化監(jiān)測(cè)，提高土壤侵蝕預(yù)報(bào)的針對(duì)性、科學(xué)性和合理性。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是實(shí)施例1中所述土壤屬性高光譜識(shí)別技術(shù)方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]參照?qǐng)D1，本實(shí)施例的一種土壤屬性高光譜識(shí)別技術(shù)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(shí)間的土壤高光譜圖像；
[0028]S2，對(duì)所述土壤的高光譜圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理后，經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)室內(nèi)土壤侵蝕性試驗(yàn)，獲取與所述土壤高光譜圖像獲得時(shí)間相對(duì)應(yīng)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(shí)測(cè)土壤的反射率和降雨后實(shí)測(cè)土壤的反射率;
[0031]S4，通過(guò)步驟S3獲得的土壤可蝕性數(shù)據(jù)，獲取土壤分類并計(jì)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(shí)施例中所述土壤K值表示土壤可蝕性因子。
[0034]本實(shí)施例中，步驟S3中，具體按照下述方法實(shí)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(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的氣象特點(diǎn)和地勢(shì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人工侵蝕土壤試驗(yàn)的雨強(qiáng)、雨型、雨滴大小與坡度；在此基礎(chǔ)上制備試驗(yàn)土槽，并調(diào)試人工降雨設(shè)備與便攜式高光譜儀器，設(shè)計(jì)總降雨歷時(shí)為40分鐘，每隔8分鐘取樣，存儲(chǔ)在任意一個(gè)設(shè)定時(shí)間的獲取的高光譜圖像和數(shù)據(jù)，確保土壤侵蝕試驗(yàn)中土壤侵蝕特性測(cè)定的連續(xù)性。
[0036]土壤侵蝕試驗(yàn)，更具體的為:
[0037]采用木質(zhì)的人工徑流小區(qū)，長(zhǎng)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(dòng)便攜式人工模擬降雨器，設(shè)置雨強(qiáng)為60mm/h、90mm/h、120mm/h，坡度為10度，降雨器設(shè)置在距離土壤土壤表面3m處。土壤按照田間容重進(jìn)行裝填，降雨侵蝕實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前用20mm/h的雨強(qiáng)進(jìn)行2-3h濕潤(rùn)，使土壤含水量達(dá)到田間持水量水平，保證每次降雨在接近一致條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每次降三場(chǎng)雨，降雨歷時(shí)40min，兩場(chǎng)雨之間的間隔為I小時(shí)，雨強(qiáng)設(shè)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(hào)并混勻。降雨開(kāi)始后，每隔5分鐘收集水樣和泥沙樣品。在土壤侵蝕試驗(yàn)中，對(duì)侵蝕過(guò)程進(jìn)行全程拍攝記錄，侵蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束，分別對(duì)表層土壤(0-20cm)和亞表層土壤(20-40cm)進(jìn)行采樣，測(cè)定其理化特性，并對(duì)表層土壤作光譜測(cè)試，對(duì)比侵蝕實(shí)驗(yàn)前后土壤反射光譜的特征變化。
[0038]降雨結(jié)束后按照坡面位置收集0-20cm表層土樣，測(cè)定并記錄土壤容重和含水量。取混合后的土壤樣品測(cè)定并記錄土壤PH、有機(jī)質(zhì)、土壤顆粒組成、水穩(wěn)團(tuán)聚體、陽(yáng)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(cè)試在室內(nèi)進(jìn)行，更具體測(cè)定方法為:測(cè)試前對(duì)選取的土壤樣品作風(fēng)干、水分調(diào)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(nèi)，用直尺將土樣表面刮平，光譜測(cè)試擬采用ASD Pro2500便攜式光譜儀，該光譜儀可獲得350_2500nm范圍內(nèi)的土壤光譜反射率，光譜分辨率在350-1050nm范圍內(nèi)為1.4nm，在1000_2500nm范圍為2nm。光譜測(cè)試要求室內(nèi)光照條件可