博斯騰湖湖濱綠洲土壤表層鹽分離子含量高光譜估算模型

趙 慧，李新國*,靳萬貴，麥麥提吐爾遜·艾則孜，牛芳鵬

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 土壤樣品采集及測定

土壤光譜測定采用ASD FieldSpec3便攜式地物光譜儀，波段范圍為350～2500 nm，光譜采樣間隔在350～1000、1000～2500 nm分別為1.38、2 nm,光譜儀最后數(shù)據(jù)重采樣間隔為1 nm。野外測量需要選擇晴朗無風(fēng)的天氣，采集光譜前對光譜儀白板校正[21]。每個土壤樣品重復(fù)測量20條光譜曲線，取其平均值作為此樣本的光譜數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與研究方法

1.3.1 光譜指數(shù) 根據(jù)研究區(qū)土壤鹽分離子狀況結(jié)合前人的研究結(jié)果，采用比值鹽分指數(shù)(RSI Ratio salt indices)、差值光譜指數(shù)(DSI Difference spectral indices)、亮度光譜指數(shù)(BSI Brightness spectral indices)、歸一化光譜指數(shù)(NDSI Normalized difference spectral indices)。Ri和Rj是土壤鹽分離子在第i波段和第j波段的土壤光譜反射率。根據(jù)全光譜的第i波段和第j波段的所有組合計算二維相關(guān)系數(shù)，繪制形成光譜系數(shù)矩陣圖。光譜指數(shù)計算公式[16]見表1。

表1 土壤鹽分的光譜指數(shù)及其公式

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分離子描述性統(tǒng)計

2.2 光譜反射率與相關(guān)性分析

2.3 基于光譜指數(shù)的土壤鹽分離子估算模型

光譜矩陣系數(shù)圖能夠?qū)ν寥利}分離子含量和光譜指數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行可視化表達(dá)，依據(jù)不同顏色反映敏感波段[27]。由圖3～10可知:通過建立主要土壤鹽分離子含量、土壤鹽分含量、土壤電導(dǎo)率與高光譜數(shù)據(jù)在光譜指數(shù)SI、RSI、BSI、DSI、NSDI的光譜矩陣系數(shù)圖，光譜指數(shù)SI和BSI在土壤鹽分離子下構(gòu)建的二維相關(guān)矩陣圖具有相似性，光譜指數(shù)RSI、DSI、NDSI構(gòu)建的二維相關(guān)矩陣圖具有相似性。在光譜指數(shù)SI和BSI光譜矩陣系數(shù)圖中，EC、Cl-、Na++K+的正相關(guān)系值較高，反映在二維相關(guān)性圖上的圖例范圍在-0.4～0.6；與光譜指數(shù)RSI、DSI、NDSI的相關(guān)系數(shù)高值區(qū)相反，RSI、DSI、NDSI的圖例范圍在0.6～-0.6。EC的相關(guān)系數(shù)絕對值最大值是光譜指數(shù)DSI，為0.77，最佳估算參數(shù)為(2294，2313)；Cl-的相關(guān)系數(shù)絕對值最大值是光譜指數(shù)DSI，為0.72，最佳估算參數(shù)為(2203，2262)；Na++K+的相關(guān)系數(shù)絕對值最大值是光譜指數(shù)RSI和NDSI，為0.79，最佳估算參數(shù)為(1809，1942)；其他土壤鹽分離子、TS的最佳估算參數(shù)在1562～2354 nm，相關(guān)系數(shù)絕對值在0.47～0.77。綜上，采用光譜指數(shù)SI、RSI、BSI、DSI、NSDI篩選的主要土壤鹽分離子的特征波段主要集聚在近紅外波段。

表2 土壤鹽分離子及TS、EC描述性統(tǒng)計

表3 土壤鹽分離子的PLSR建模集回歸模型

3 討 論

4 結(jié) 論

(1)土壤表層光譜反射率與土壤鹽分離子Cl-、EC、Na++K+呈極顯著正相關(guān)，與土壤鹽分離子Ca2+呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。土壤鹽分離子Cl-在350～500 nm波段內(nèi)相關(guān)性較強(qiáng)，平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.63。

(2)SI和DSI的二維相關(guān)性圖具有相似性，對于土壤鹽分離子敏感波段對應(yīng)的最大相關(guān)性值整體較低，絕對值最小為0.20，絕對值最大為0.68；RSI、DSI、NDSI的二維相關(guān)性圖具有相似性，絕對值最小為0.42，絕對值最大為0.79，對于土壤鹽分離子敏感波段都位于近紅外波段，主要位于900～1000 nm和1800～2500 nm。

(3)Na++K+在NDSI和RSI的相關(guān)系數(shù)絕對值最大值在1809、1942 nm，相關(guān)系數(shù)為0.79，建立的偏最小二乘回歸模型效果較好，土壤鹽分離子含量的高光譜模型為Y=0.67+73.56x1809-75.75x1942，建模集R2=0.96，RMSE=0.38，驗證集R2=0.82，RMSE=0.64。