传统光谱变换与连续小波耦合定量反演潮土有机质含量
王延仓1,3, 金永涛1,3, 王晓宁1,3, 廖钦洪5, 顾晓鹤2,4,*, 赵子辉1,3, 杨秀峰1,3
1. 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
2. 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
3. 河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心, 河北 廊坊 065000
4. 国家农业信息化工程技术研究中心, 北京 100097
5. 重庆文理学院林学与生命科学学院, 重庆 402160
*通讯联系人 e-mail: guxh@nercita.org.cn

作者简介: 王延仓, 1986年生, 北华航天工业学院讲师 e-mail: yancangwang@163.com

摘要

以北京地区的96个潮土土样的有机质含量为研究对象, 以传统光谱变换为参照, 研究分析传统光谱变换与连续小波的耦合在估测土壤有机质含量的可行性; 首先采用传统光谱变换与连续小波处理土壤光谱数据, 然后将处理后的光谱数据与土壤有机质含量进行相关性分析, 提取敏感波段, 并采用偏最小二乘法构建土壤有机质含量估测模型。 结果表明: 耦合传统光谱变换技术与连续小波技术可大幅提升光谱对有机质含量的敏感性, 其相关系数 R2最高可达0.714, 这表明耦合传统光谱变换技术与连续小波技术可深入挖掘光谱内的有益信息; 与传统光谱变换技术相比, 基于耦合传统光谱变换技术与连续小波技术构建的模型精度更高, 稳定性更好, 其中以微分变换构建的模型最优, 其 R2=0.772, RMSE=0.223, 这表明耦合传统光谱变换技术与连续小波技术可有效压制噪声的负面影响, 提升光谱的稳定性。

关键词: 土壤有机质; 传统光谱变换; 连续小波变换; 潮土
中图分类号:S151.9 文献标识码:A
Quantitative Inversion of Organic Matter Content Based on Interconnection Traditional Spectral Transform and Continuous Wavelet Transform
WANG Yan-cang1,3, JIN Yong-tao1,3, WANG Xiao-ning1,3, LIAO Qin-hong5, GU Xiao-he2,4,*, ZHAO Zi-hui1,3, YANG Xiu-feng1,3
1. Institute of Computer and Remote Sensing Information Technology, North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, China
2. Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China
3. Aerospace Remote Sensing Information Processing and Application Collaborative Innovation Center of Hebei Province, Langfang 065000, China
4. National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China
5. College of Life Science and Forestry, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China
Abstract

In this study, the soil organic matter content of 96 alluvial soil collected from Beijing area was taken as the object of study; Compared with the traditional spectral transform technology, this paper studied on the analysis of the traditional spectral transform and continuous wavelet technology coupling in the feasibility of estimating soil organic matter content. Firstly, the traditional spectral transform technique and the continuous wavelet transform were used to deal with the soil spectral data. Then The correlation between the spectral data and the soil organic matter content was analyzed, and the sensitive bands were extracted. Finally the estimation model of soil organic matter content was constructed by partial least square method. The results showed that the coupling of traditional spectral transform and continuous wavelet technology can greatly improve the spectral sensitivity of organic matter content, and the correlation coefficient ( R2) was up to 0.714, which indicate that the coupling of the traditional spectral transform and continuous wavelet technology can dig the useful signal of the spectral information; Compared with the traditional spectral transform technology, the accuracy of the model based on the interconnection of traditional technique and continuous wavelet transform was higher and better stability; Among of the model based on the interconnection of traditional technique and continuous wavelet transform, the model construct by the differential transform was the Optimal model; Its coefficient of decision and root mean square error were 0.774 and 0.223 respectively, which indicated that the interconnection of traditional technique and continuous wavelet transform spectral technique can effectively suppress noise, improving the spectral stability.

Key words: Soil organic matter; Spectral transform; Continuous wavelet transforms; Alluvial soil
引言

精准农业其涵义为在资源硬约束条件下, 利用信息技术对耕地生产开展的定量、 定位的现代农业生产模式, 旨在改变传统耕作模式, 提升耕地生产潜力与生产效率[1]; 精准施肥是精准农业系统内的关键技术, 其依据作物生长需肥规律与耕地养分现状进行变量的投入, 以达到充分利用资源、 节约成本、 保护环境的效果[2, 3]。 实时、 快速、 精准掌握大尺度耕地土壤养分现状具有重要现实意义。 近年来, 遥感技术的持续进步与国产卫星的迅猛发展展为耕地养分监测提供了新的思路, 逐步成为农业遥感的研究热点[4, 5, 6]

耕层土壤有机质含量的高低是衡量耕地土壤肥力与质量的重要指标[7], 与作物生长所必需的微量元素的空间分布具有较强的相关性[8]。 实时掌握大尺度耕层土壤有机质含量的空间分布信息具有重要的实用价值。 光谱监测土壤有机质含量具有无损、 快速、 准确、 实时的优点, 近年来国内外学者在该领域开展了大量研究工作, 并取得一定成果。 土壤有机质含量的光谱响应特征主要集中于可见光-近红外区域[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15], 但若土壤有机质含量太低其光谱太弱, 不能应用光谱估测土壤有机质含量, 即存在一个临界点。 估测土壤有机质含量的光谱分辨率, 并非越高越好, 适度的降低光谱分辨率可提升土壤有机质含量的估测精度。 但最佳光谱分辨率存在异议。 微分变换、 对数变换、 倒数变换、 离散小波变换、 连续小波变换等传统光谱变换均能提升光谱对土壤有机质含量的相关性[16], 且以小波技术为最佳, 但其对光谱敏感性的提升程度受限。 因此, 应用光谱估测土壤有机质含量的研究虽然取得一定成果, 但存在较多问题, 仍需继续探索。

受北方气候、 地理因素、 土壤构成成分复杂性的影响, 北方潮土耕层土壤有机质含量较低, 光谱较弱, 易被干扰或掩盖。 近年来, 连续小波技术的不断完善与发展, 在土壤有机质含量的光谱诊断方面提供了新的思路; 本工作在对土壤高光谱进行传统数学变换的基础上, 进一步利用连续小波筛选土壤有机质含量的敏感波段, 采用偏最小二乘法构建土壤有机质估测模型, 探索提升估测耕层土壤有机质含量的精度。

1 实验部分
1.1 土样采集

以北京市密云西南部、 顺义中北部及通州的西南部的耕层潮土为研究对象, 在2011与2012年10月采集土样, 共计96份, 采集方法为“ 四点混合” 法; 采集深度为耕层0~20 cm。 采集的土壤置于干燥、 通风的暗室内自然风干, 然后研磨、 过筛20目。 取足够处理后的土壤, 采用“ 重铬酸甲滴定法” 测定土壤的有机质含量。

表1 北方潮土土样有机质含量的统计性描述 Table 1 The Statistics of the North aquic soils organic matter content description
1.2 光谱测量

土壤光谱测量在暗室里开展。 仪器选用ASD(Analytical Spectral Devices)公司生产的便携式野外光谱仪, 其具有宽光谱覆盖范围(350~2 500 nm)与高光谱分辨率, 可达1 nm; 光源采用与太阳光接近的1 000 W的卤光灯提供平行光束, 光束与垂线的夹角为15° 。 将处理后的土样置于羊皮纸上, 采用钢尺平整土样, 且保持土样厚度在2 cm以上; 探头置于土样中心上方30 cm处, 探测角为5° 。 测量前用已标定好的白板进行优化, 每个土样采集10条光谱求平均作为该土样的光谱数据。

图1 实验室内土壤光谱测量Fig.1 Soil spectral measurements at laboratory

1.3 光谱处理

受仪器内部暗电流、 不同传感器响应差异及暗室内环境影响, 采集的土壤光谱含有噪声, 尤其在光谱边缘及水分吸收强烈。 因此删除350~399和2 451~2 500 nm数据。 为提升光谱信噪比, 采用海明窗低通滤波器开展平滑处理, 并利用重采样技术将光谱分辨率降低至5 nm。

1.4 小波分析

小波分析可从时间与频率开展数据分析, 更有效的从数据内分离出更多可用信息。 离散小波处理后, 数据维数成倍减少。 连续小波可将土壤光谱数据分解为不同尺度的小波系数。

Ψa, b=1aΨλ-ba(1)

式中, b为平移系数, a为伸缩系数, λ 为波段数量; 采用连续小波技术将经传统光谱变换技术处理的光谱数据分解为不同尺度的小波系数

Wf(a, b)=(f, Ψa, b)=-+f(λ)Ψa, b(λ)dλ(2)

式中, Wf(a, b)为小波系数, 其由波长(350~2 500 nm)、 分解尺度构成的二维矩阵数据; f(λ )为光谱数据。

1.5 模型精度验证

土壤光谱经传统光谱变换与连续小波处理后, 采用偏最小二乘法(partial least squares regression, PLS)构建土壤有机质含量估测模型; 首先将土样数据随机分为2组: 建模组与验证组, 建模组用于构建土壤有机质含量估测模型, 共计64个土样, 验证组用于模型精度的检验, 共计32个土样; 采用决定系数(R2)与均方根误差(RMSE)评价模型的精度, 并从建模精度与验证精度的差异评价模型的稳定性。

R2=1-i=0n(SOMi-SOMPi)2i=0n(SOMi-SOM¯i)2(3)

RMSE=i=1n(SOMi-SOMPi)2n(4)

式中, SOM是实测土壤有机质含量, SOMP是基于土壤有机质含量估测模型的预测值, SOM¯是实测土壤有机质含量的均值。

2 结果与讨论
2.1 光谱分析

图2为原始光谱数据(a)及其倒数变换(b), 经连续小波分解后的光谱数据。 由图2(a)知: 原始光谱经连续小波分解后, 1~10尺度的光谱曲线特征逐渐减弱; 1~6尺度的波谱曲线起伏较大且整体形态相似, 7~8尺度曲线光滑呈对称抛物线状, 9尺度曲线逐渐增大小锯齿构成且呈弧形, 10尺度则由较大锯齿构成且呈直线状; 随着尺度增加, 位于1尺度波谱末端的波峰逐渐向短波方向移动。 由图2(b)知: 与原始光谱相比, 倒数变换经连续小波处理后, 光谱曲线整体变化减弱, 两端光谱振幅的相对幅度颠倒, 位于1尺度短波方向的波峰逐渐向长波方向移动与原始光谱相反; 从短波至长波锯齿状曲线在8~9尺度呈逐渐消失再凸显的规律。

2.2 相关性分析

土壤高光谱数据经传统光谱变换与连续小波处理后, 与土壤有机质含量相关系数矩阵见图3。 由图知: 对土壤有机质含量敏感的光谱响应波段主要集中在全波段的前半部分, 即可见光与波长小于1 200 nm近红外处; 与原始光谱和单一光谱处理相比[16], 有效提升了土壤光谱对有机质含量的敏感性, 这表明耦合传统光谱变换与连续小波变换可深度挖掘光谱信息内的有益信息。 在诸相关系数矩阵内, 以倒数为最优, 具有明显优势, 在分解尺度、 波长两个维度均大幅提升了光谱信息对土壤有机质含量的敏感性, 其最高相关系数可达R2=0.714。 经过传统光谱变换处理后, 虽然光谱与土壤有机质含量的相关性得到大幅度提升, 但敏感波段的波长位置并未发生大幅变动, 相关性的强弱在相关系数矩阵内的格局大体相似, 局部地区发生萎缩或扩张; 除对数的变换外, 原始光谱内的“ 信息平原” 在其他光谱变换形式内消失, 且相关性得到了不同程度的增强或减弱。

图2 土壤光谱分析Fig.2 The soil spectral analysis

2.3 传统光谱变换

基于前人采用的11类传统光谱变换, 筛选了出6类结果较理想的光谱变换, 开展对比试验。 6类光谱处理技术为: 微分、 倒数、 对数、 倒数的微分、 对数的微分、 弓曲差(Gqc)[18]

表2为基于传统光谱变换构建的土壤有机质含量估测模型, 由表可知: 各模型预测精度与建模精度均存在较大差异, 且估测精度不高, 这表明模型精度与稳定性较低, 究其原因为原始光谱数据内含有较多噪声, 而传统光谱变换抑制噪声作用较弱。 各模型内, 以对数变换构建的模型最优, 其估测精度的R2=0.576, RMSE=0.344。

2.4 连续小波变换建模

基于传统光谱变换与连续波处理后的土壤光谱信息, 构建土壤有机质含量的估测模型(见表3)。 所建模型均达到p=0.001的极显著水平, 除原始光谱数据与弓曲差构建的模型外, 其他模型的建模精度与估测精度均达到较理想水平, 其R2均位于0.7~0.8内, RMSE均低于0.3; 为更好的综合评价模型的精度, 采用R2与RMSE两指标开展精度评价。

表3可知: 基于弓曲差与对数变换构建的模型精度低于原始光谱, 故为无效变换。 基于光谱变换构建的模型精度明显优于原始光谱, 这表明耦合传统光谱变换与连续小波可有效提高光谱估测土壤有机质含量的精度, 究其原因由于土壤有机质含量相对较低, 光谱响应信息微弱, 易受其他土壤构成成分干扰, 遮掩, 部分有益信息隐藏于光谱数据内, 须

图3 光谱与土壤有机质含量的相关系数矩阵Fig.3 The correlation coefficient matrix of spectrum and soil organic matter content

表2 传统光谱变换土壤有机质含量估测模型 Table 2 Model list for estimating soil organic matter based on traditional spectral transformation
表3 传统光谱变换与连续小波耦合土壤有机质含量估测模型列表 Table 3 Model list for estimating soil organic matter based on tradional spectral transformation and continuous wavelet transform

通过层层挖掘才能凸显。 微分变换模型的建模精度与估测精度均优于其他变换, 且建模精度与估测精度间差异最小, 因此, 基于微分变换构建的模型为最优模型, 其估测精度的R2=0.774, RMSE=0.223。 这是由于微分变换有益于有效细微信息的挖掘, 通过连续小波分解得到凸显。 微分变换模型的稳定性较高表明连续小波可有效抑制高频噪声的影响。

2.5 小波变换建模与光谱反射率建模的比较

由传统光谱变换模型(表2)与连续小波变换模型(表3)对比分析可知, 基于传统光谱变换与连续小波构建的模型精度远高于传统光谱变换, 大幅提升了土壤有机质含量的估测精度, 最高可提升33.7%; 稳定性远高于传统光谱变换模型。 这是因为连续小波技术可有效压制噪声干扰, 提升光谱信息的信噪比; 因此基于连续小波可有效提升传统光谱变换对土壤有机质含量的估测精度与稳定性。

土壤光谱是土壤的构成成分、 粒度、 质地等物理化参数共同作用的结果, 由于潮土有机质含量较低(土样的最高含量为2.5%), 其在土壤光谱的响应特征较弱, 易受其他构成成分或粒度等参数的影响, 致使利用单一光谱变换很难充分挖掘土壤光谱信息。 国内外许多学者采用传统光谱变换、 连续小波变换、 离散小波变换、 重采样、 光谱模拟等处理土壤光谱数据, 但大多利用单一技术。 我们以北方潮土为研究对象, 耦合传统光谱变换与连续小波变换处理土壤光谱, 研究分析优化处理土壤光谱的方法, 结果表明: (1)与前人研究相比, 耦合传统光谱变换与连续小波可更有效挖掘土壤光谱内的有益信息, 抑制土壤光谱噪声的负面影响, 提高信噪比, 增强土壤光谱对有机质含量的敏感性; (2)本研究构建的土壤有机质含量估测模型模型精度更高, 稳定性更好、 参与建模波段更少, 该研究为应用遥感技术监测土壤有机质含量提供了新思路。

本研究采用室内光谱, 光谱采集环境较为理想, 受外界干扰较少, 光谱数据信噪比较高。 但土壤有机质含量的大尺度监测主要在野外开展, 不可控因素较多, 降低了光谱数据的信噪比。 因此, 将进一步开展野外条件下的研究工作。

3 结 论

以北方潮土为研究对象, 耦合传统光谱变换与连续小波变换, 并构建土壤有机质含量估测模型, 研究结果如下:

(1)耦合传统光谱变换与连续小波可深入挖掘有益信息, 提升土壤光谱对土壤有机质含量的敏感性。 与土壤有机质含量敏感的特征波段主要集中于可见光与波长小于1 200 nm的近红外的区域。 最高相关系数的R2达0.714;

(2)在6类估测土壤有机含量的模型中, 以基于微分变换与连续小波变换构建的模型最优, 其R2=0.774, RMSE=0.223, 其次为倒数变换;

(3)大幅提升光谱对土壤有机质含量的估测精度与稳定性, 最高提升了33.7%。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] ZHAO Chun-jiang(赵春江). Agriculture Network Information(农业网络信息), 2010, (4): 5. [本文引用:1]
[2] XU Xin, ZHANG Hao, XI Lei, et al(许鑫, 张浩, 席磊, ). Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(农业工程学报), 2011, 27(S2): 94. [本文引用:1]
[3] CHEN Gui-fen, MA Li, CHEN Hang(陈桂芬, 马丽, 陈航). Journal of Jilin Agricultural University(吉林农业大学学报), 2013, 35(3): 253. [本文引用:1]
[4] MENG Ji-hua, WU Bing-fang, DU Xin, et al(蒙继华, 吴炳方, 杜鑫, ). Remote Sensing for Land & Resources(国土资源遥感), 2011, 90(3): 1. [本文引用:1]
[5] YANG Bang-jie, PEI Zhi-yuan, ZHOU Qing-bo, et al(杨邦杰, 裴志远, 周清波, ). Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(农业工程学报). 2002, 18(3): 191. [本文引用:1]
[6] YANG Jian-feng, MA Jun-cheng, WANG Ling-chao(杨建锋, 马军成, 王令超). Geospatial Information(地理空间信息), 2015, 13(2): 47. [本文引用:1]
[7] Masserschmidt I, Cuelbas C J, Poppi R J, et al. Journal of Chemometrics, 1999, 13: 265. [本文引用:1]
[8] WU Jie, LI Yu-huan, LI Zeng-bing, et al(武婕, 李玉环, 李增兵, ). Acta Ecologica Sinica(生态学报), 2014, 34(6): 1596. [本文引用:1]
[9] Moslem Ladoni, Hosein Ali Bahrami, Sayed Kazem Alavipanah, et al. Precision Agric. , 2010, 11: 82. [本文引用:1]
[10] Krishnan P, Alexand er J D, Butler B J, et al. Soil Science Society of America Journal, 1980, 44: 1282. [本文引用:1]
[11] Alicia Palacios-Orueta, Jorge E Pinzon, Susan L Ustin, et al. Remote Sensing of Environment, 1998, 68: 138. [本文引用:1]
[12] Liu H J, Zhang Y Z, Zhang B, et al. Environmental Monitoring and Assessment, 2009, 154: 147. [本文引用:1]
[13] JI Wen-jun, SHI Zhou, ZHOU Qing, et al(纪文君, 史舟, 周清, ). Journal of Infrared and Millimeter Waves(红外与毫米波学报), 2012, 31(3): 277. [本文引用:1]
[14] HE Ting, WANG Jing, et al(何挺, 王静, ). Geomatics and Information Science of Wuhan University(武汉大学学报·信息科学版), 2006, 31(11): 975. [本文引用:1]
[15] Viscarra Rossela R A, Chappella A, de Caritatb P, et al. European Journal of Soil Science, 2011, 62: 442. [本文引用:1]
[16] LIAO Qin-hong, GU Xiao-he, LI Cun-jun, et al(廖钦洪, 顾晓鹤, 李存军, ). Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(农业工程学报), 2012, 28(23): 132. [本文引用:2]
[17] XU Yong-ming, LIN Qi-zhong, et al(徐永明, 蔺启忠, ). Acta Pedologica Sinica(土壤学报), 2006, 43(5): 709. [本文引用:1]
[18] ZHAO Ze-hai, ZU Yuan-gang, CONG Pei-tong(赵则海, 祖元刚, 丛沛桐). Acta Ecologica Sinica(生态学报), 2002, 22(10): 1660. [本文引用:1]