基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤含鐵量高光譜反演

張亞男 李吉璇 李賓 劉澤華

摘 要：本文利用橫山縣土壤的室內(nèi)光譜，對(duì)數(shù)據(jù)采用 的一階微分方法進(jìn)行處理，并剔除不合理數(shù)據(jù)，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法研究了土壤中的全鐵含量與高光譜之間的關(guān)系，并建立相應(yīng)的反演模型。所建模型中隱含節(jié)點(diǎn)1層4個(gè)、2層3個(gè)的BP神經(jīng)模型較為理想，擬合殘差為0.02433，RMSE=1147.4623。

關(guān)鍵詞：高光譜;土壤全含鐵量;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要對(duì)象之一，了解其理化特性并據(jù)此進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理是保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的重要前提。由于高光譜遙感技術(shù)具有連續(xù)、動(dòng)態(tài)、大面積同步性等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使得快速實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量估測(cè)成為可能。鐵作為農(nóng)作物中的微量元素，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起著舉足輕重的作用。由于土壤全鐵成分復(fù)雜，光譜特性與光譜之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

本文通過對(duì)原始土壤光譜數(shù)據(jù)的獲取與分析，采用光譜重采樣，光譜反演指標(biāo)選取，光譜數(shù)據(jù)變換方式，光譜特征吸收帶的提取，異常樣本的剔除等高光譜數(shù)據(jù)的處理。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法研究土壤全鐵含量與其光譜之間的關(guān)系，建立反演模型，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

一、數(shù)據(jù)來源

試驗(yàn)區(qū)為橫山縣，位于陜西省北部（北緯37°22′～38°14′，東經(jīng)108°56′～110°～02′），在實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇地勢(shì)較平坦、土壤裸露區(qū)作為樣區(qū)，并考慮各種土地利用類型和土壤類型，共采集83個(gè)土樣。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)土壤樣品進(jìn)行理化性質(zhì)分析。2003年6月獲取了橫山試驗(yàn)區(qū)美國(guó)hypeRion成像光譜數(shù)據(jù)，面積400km2。在試驗(yàn)區(qū)利用GPS確定土壤樣品采集的中心位置，并同步測(cè)量了土壤、植被、不同類型土地的地物光譜。地物光譜測(cè)量采用ASD FieldSpec FR 野外光譜儀，光譜儀測(cè)量的波長(zhǎng)范圍為350nm～2500nm。

二、分析方法

1.光譜曲線去躁

為了更好地反映土壤含鐵量與反射率之間的關(guān)系，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。對(duì)光譜曲線采用9點(diǎn)加權(quán)移動(dòng)平均方法進(jìn)行降噪處理。計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中， 表示9點(diǎn)平滑處理后的值。

2.光譜數(shù)據(jù)變換

為尋找敏感的土壤鐵含量光譜指標(biāo)，有效增加土壤含鐵量與反射率之間的相關(guān)性，本文采用反射率對(duì)數(shù)的一階微分變換方法。在實(shí)際計(jì)算中，一般用光譜的差分作為微分的有限近似，計(jì)算公式如下：

（2）

式中，λ為每個(gè)波段的波長(zhǎng);△λ是波長(zhǎng)λ1到λ2的間隔，視波段波長(zhǎng)而定，本文取;Rλ1和Rλ2分別代表波段λ1和λ2處的光譜反射率。

利用對(duì)數(shù)的一階微分變換后，數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)曲線的特征明顯增強(qiáng)，在波段1792nm，1677nm，1452m，721nm，776nm，417nm，690nm，890nm，2241nm處較強(qiáng)。

3.光譜反演指標(biāo)選取

光譜數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量巨大統(tǒng)計(jì)參數(shù)的估計(jì)偏差增大隨著波段數(shù)增多，樣本的統(tǒng)計(jì)參數(shù)也要求越高。計(jì)算各波段與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間的相關(guān)性，按極大相關(guān)性原則，提取特征波段的光譜變換值，在350～2500nm的波段中選取最佳波段的反射率作為反演指標(biāo)。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)曲線的拐點(diǎn)，以波段的光譜反射率的變換值作為反演指標(biāo)，本文選取1792nm，1677nm，1452m，721nm，776nm，417nm，690nm，890nm，2241nm為相關(guān)因子最初建模因子。

4.異常樣本的剔除

為更加準(zhǔn)確地建立土壤性質(zhì)指標(biāo)與反射率相關(guān)性的反演模型，需要剔除異常的樣本。具體方法是，作出6個(gè)波段的散點(diǎn)圖，可以看出樣本1，2和65等偏離趨勢(shì)直線較遠(yuǎn)，將其作為異常樣本剔除。用同樣的方法將其余波段的異常樣本進(jìn)行剔除，利用剩下的48個(gè)樣本建立模型。

5.光譜反演模型

BP網(wǎng)絡(luò)是對(duì)非線性可微分函數(shù)進(jìn)行權(quán)值訓(xùn)練的多層網(wǎng)絡(luò)，

應(yīng)用步驟如下：

（1）BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及確定。隱節(jié)點(diǎn)數(shù)的求解模型，如：

（3）

式中h為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，m為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，n為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)，a在1～10之間選取。

（2）激活函數(shù)的選取。

三、結(jié)果分析

將樣本數(shù)據(jù)分為兩組：42個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、6個(gè)用于模型檢驗(yàn)。通過隱含層與隱含層節(jié)點(diǎn)的組合共有6個(gè)訓(xùn)練模型：1）隱含層為1層，隱含層節(jié)點(diǎn)4個(gè);2）隱含層2層，隱含節(jié)點(diǎn)5個(gè);3）隱含層1層，隱含節(jié)點(diǎn)6個(gè);4）隱含層2層，隱含節(jié)點(diǎn)1層4個(gè)，2層3個(gè);5）隱含層2層，隱含節(jié)點(diǎn)1層5個(gè)，2層4個(gè);6）隱含層2層，隱含節(jié)點(diǎn)1層6個(gè)，2層5個(gè)。對(duì)80個(gè)樣本數(shù)據(jù)分別進(jìn)行訓(xùn)練與檢驗(yàn)，其中64個(gè)用于訓(xùn)練、16個(gè)用于檢驗(yàn)。

對(duì)6組模型的鐵含量訓(xùn)練值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差比較如下：

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立了多個(gè)土壤全鐵含量的高光譜反演模型，結(jié)果表明，模型四BP神經(jīng)模型效果較好，即隱含層2層，隱含節(jié)點(diǎn)1層4個(gè)、2層3個(gè)，擬合殘差為0.02433，RMSE=1147.4623。

四、結(jié)語

本文分別基于特征吸收波段、經(jīng)驗(yàn)波段（350～2500nm），運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立了全鐵含量的多個(gè)反演模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.土壤中氧化鐵含量與反射率呈負(fù)相關(guān)，鐵含量增加會(huì)導(dǎo)致土壤反射率下降。模型四BP集成網(wǎng)絡(luò)模型效果較好，即隱含層2層，隱含節(jié)點(diǎn)1層4個(gè)、2層3個(gè)，擬合殘差為0.02433，RMSE=1216.86，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得出的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較為接近，在實(shí)際中較為可行。

2.本次論文討論的模型有限，沒有對(duì)隱含層以及隱含層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充分的討論，利用土壤高光譜信息反演土壤中的全鐵含量有待進(jìn)一步研究。

3.在今后的工作中，可以系統(tǒng)地研究各種形式的鐵對(duì)光譜的影響，運(yùn)用盡可能多的樣品進(jìn)行分析和建模，研究對(duì)農(nóng)業(yè)更具實(shí)際意義的有效鐵含量的反演。高光譜在土壤特性分析中的應(yīng)用還面臨很多問題，同時(shí)也有巨大的前景。

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作者簡(jiǎn)介：張亞男（1998-）女，山東泰安人，本科，主要研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。